utilizarea laserului

5/12/2018 utilizarea laserului - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/utilizarea-laserului 1/7

PRELUCRAREA CU LASER

1. Generalităţi La baza prelucr ării cu laser (Light Amplification by Stimulated

Emission of Radiation – amplificarea luminii prin emisia stimulată aradiaţiei) stă utilizarea razei luminoase continue sau în impulsuri, emisă deun generator optic cuantic.

Prin raza laser se pot prelucra orice fel de materiale, deoarecetemperatura în punctul de aplicare a razei, în majoritatea cazurilor, depaşeşte5000 - 8000 .C °

2. Principiul acţiunii generatoarelor optice cuantice Funcţionarea generatoarelor optice cuantice se bazează pe utilizarea

rezervelor de energie internă ale atomilor şi moleculelor.În practică se folosesc microsisteme mai complexe, ce constau dintr-un marenumăr de microparticule (sisteme atomice sau moleculare). La studiul unor astfel de sisteme, este necesar să se considere influenţa reciprocă a atomilor şi interacţiunea lor cu câmpurile electromagnetice exterioare. Ca rezultat al

acestei interacţiuni, o parte din atomii sistemului se vor afla întotdeauna penivele mai înalte. În conformitate cu legea lui Boltzman – cu cât este maiînalt nivelul, cu atât este mai mic numărul de atomi ce se vor afla pe el(densitatea nivelului). La trecerea spontană a electronilor pe niveleinferioare, atomii sistemului iradiază haotic cuante de energie luminoasă (fotoni) de diferite lungimi de undă, adică se produce o emisie necoerentă deoscilaţii (care nu corespund ca fază şi direcţie) de diferite frecvenţe, careocupă o por ţiune destul de mare a spectrului (de exemplu, emisia surselor obişnuite de lumină).

Dacă trecerea de la nivelul superior pe cel inferior se produce sub

acţiunea unui câmp electromagnetic exterior, a carui frecvenţă corespundefrecvenţei de trecere, atunci emisia ce apare se numeşte indusă sau stimulată.În acest caz, atomii dau surplusul lor de energie sub forma emisieielectromagnetice coerente. La o astfel de emisie indusă, toate particulelesistemului oscilează simultan şi în fază, adică coerent. Această emisieacoper ă un spectru foarte îngust de frecvenţă şi este aproape monocromatică.

Industrial, pentru obţinerea emisiei induse se crează un sistem cuantic



excitat în care particulele se află cu precădere pe nivele superioare, adică sisteme de densitate inversă. Un astfel de sistem se numeşte mediu activ.Pentru obţinerea densităţii inverse în microsisteme, cel mai frecvent seaplică metoda cu trei nivele.

În sistemul construit dupa această metodă se petrec următoarele procese (figura 20.1).

Fig. 1. Schemasistemului cu trei nivele.

Dacă asupra unui sistem cu densitatea pe nivele reprezentată în figura1.a. se aplică un câmp exterior destul de intens Eext care dă o frecvenţă egală cu frecvenţa de trecere între nivele 1 şi 3 ( υ1,3) vor apare treceri între acestenivele. Ca rezultat se produce micşorarea densităţii nivelului 1 – N1 – şicreşterea densităţii nevelului 3 – N3 – (ca în figura 20.1.b.). După un timp, o

parte din particulele de pe acest nivel trec spontan pe primul nivel, iar o altă parte pe al doilea. În acest caz, viteza trecerii de pe nivelul 3 pe 2 este maimare decât viteza trecerii pe nivelul de bază 1. Ca rezultat, pe al doilea nivel

se produce o acumulare de particule şi densitatea N2 devine mai mare cadensitatea N1 a nivelului de bază. În acest fel, în sistem apare o densitateinversă a nivelelor, neapărat necesar ă pentru obţinerea unei emisii induse.Particulele stau un timp pe nivelul al doilea şi apoi trec în starea de bază, cuemisia energiei luminoase Eem de frecvenţă corespunzătoare trecerii întrenivele 2 şi 1, υ2,1. Emisia indusă apare ca urmare a faptului că primul fotonemis creează un câmp, care acţionează asupra atomilor vecini excitaţi si

provoacă trecerea lor în starea de bază. Practic, se petrece simultan emisiafotonilor de aceeaşi frecvenţă. Astfel, emiterea unui foton provoacă în

mediul activ emisia fotonilor altor atomi excitaţi. Deşi are loc “reacţia înlanţ”, se constată ca nu toţi atomii excitaţi ai mediului se supun acţiuniistimulatoare a celorlalţi fotoni şi coeficientul folosirii atomilor excitaţi este

practic neînsemnat. Pentru mărirea acestui coeficient s-a propus plasareamediului activ între două oglinzi plane paralele, obligând fotonii stimulaţi să traverseze de mai multe ori mediul, reflectându-se de oglinzi. Sistemul deoglinzi paralele reprezintă un rezonator de unde optice. Dacă într-un astfel



de rezonator emisia cade pe suprafaţa unei oglinzi sub unghi apropiat de90, atunci ea reflectându-se pe ambele oglinzi, va trece repetat prin mediulactiv şi în acest caz se va produce amplificarea (creşterea intensităţiiemisiei).

Dacă una dintre oglinzi este semitransparentă, atunci o parte a emisieiva putea ieşi prin ea în mediul exterior. Radiaţia care iese din rezonator, prinoglinda semitransparentă, va avea un unghi foarte mic de divergenţă şi

practic va forma o rază îngustă. În cazul în care amplificarea va fi suficientă,depăşind pierderile, apar oscilaţii electromagnetice puternice în diapazonulde unde luminoase.

Fotonii emişi se află într-o lărgime de bandă foarte îngustă unda fiindmonocromatică (coerenţă temporar ă), iar pentru că divergenţăa fascicoluluiemis este foarte slabă, fascicolul iese aproape paralel (coerenţă spaţială).

Acest sistem a obţinut denumirea de generator optic cuantic sau laser.

3. Construcţii ale generatoarelor optice cuantice Principial, orice laser trebuie să conţină următoarele trei păr ţi de bază:

substanţa activă (mediul activ), rezonatorul optic şi sursa de energie pentruaducerea sistemului în stare excitată (asa numita sursă “de pompare”). Sefolosesc patru feluri de medii active, corespunzător cărora laserele se împartîn următoarele patru tipuri: lasere cu mediu solid, lasere gazoase,semiconductoare şi lichide. Cea mai mare r ăspândire au obţinut-o primele

trei tipuri.Primul laser construit practic a fost un generator în mediu solid (figura.2) în c are ca mediu activ s-a folosit o bar ă cilindrică din cristal de rubinsintetic (diametrul barei poate fi 0,5-11 cm, iar lungimea sa 2-10 cm).cristalul de rubin conţine 0,05% crom. Feţele barei de rubin au fost executate

perfect plane, reciproc paralele şi perpendiculare pe axa longitudinală.Pentru ca feţele să prezinte proprietăţi de reflexie, li s-a aplicat o acoperirede argint astfel ca una din feţe să devină o oglindă care reflectă perfect iar cealaltă să fie semitransparentă.

Pentru excitarea mediului activ al unui astfel de laser cu rubin, se

foloseşte o lampă – flash – de impuls cu descărcări în gaze, umplută cu unamestec de neon şi cripton, care dă o lumină verde.



Fig. 2. Laserul curubin: 1- cilindru de rubin;2-flash pentru producerealuminii; 3-suprafete

reflectante; 4-fascicollaser; 5-incinta de r ăcire.

Emisia laserului are o bandă foarte îngustă (de ordinul ) şiformează o rază cu divergenţă unghiular ă a 0,1 care iese sub forma unuifascicol prin suprafaţa par ţial reflectantă. Această construcţie de laser furnizează o densitate de flux de câţiva [kW/cm

µ 410−

2], iar tipurile mai perfecţionate câţiva [MW/cm2].

Durata impulsurilor radiaţiei luminoase a acestui laser variază de lacâteva milisecunde până la nanosecunde.

Un alt mediu activ aplicat în laserele puternice de impuls, este sticlacu adaos de neodim (sticla neodim). Aceste lasere emit într-un diapazonapropiat infraroşului, de lungime de undă 1,06 µ . La aceeaşi energie deemisie, laserele cu sticla neodim au dimensiuni ceva mai mari ca cele derubin, din cauza parametrilor mai reduşi ai substanţei active, dar tehnologia

producerii lor este mult simplificată. S-au fabricat o mare varietate desubstanţe solide, corespunzătoare ca medii active în lasere. Totuşimajoritatea acestor substanţe pot da emisie laser numai la r ăcirea lor până la

temperaturi scăzute.Avantajele laserelor în gaze sunt: o mai mare coerenţă a radiaţiei

decât la laserele în mediu solid şi o mai mică divergenţă a fascicolului. Laconstrucţii corespunzătoare, aceste lasere au de asemenea o bună stabilitate afrecvenţei de emisie.

Al treilea tip de laser care a că pătat r ăspândire este produs degeneratorul optic cuantic cu semiconductoare. Cea mai mare dezvoltare aucă pătat-o laserele cu semiconductoare cu arseniur ă de galiu.

4. Aplicaţiile laserului Laserul a găsit numeroase aplicaţii; dintre acestea cele mai importante

sunt în domeniile:- metrologie : măsur ări fine cu precizii de ordinul micronilor,

măsur ări în medii inaccesibile, granulometria pulberilor fine



(diametre de 1-100 µ ), măsurarea deformărilor prin holografie(măsurare f ăr ă contact cu precizie superioar ă unui micron);

- masur ări: în fizica spectrală (spectrografia corpurilor transparente prin excitaţie laser şi spectrografia corpurilor solide,

defectoscopie); la măsurarea unghiurilor mici de rotaţie cugirometru cu laser, etc;- fizica nuclear ă: (lasere de mare putere) la producerea reacţiilor de

fuziune a atomului de hidrogen greu etc;- producerea şi studierea plasmei: (lasere de mare putere);- prelucrarea semnalelor: în telecomunicaţii la distanţe mici, medii şi

mari; vizualizarea semnalelor (înregistr ări în televiziune,transmitere optică, etc); stocarea semnalelor (stocaj holografic cudensitate foarte mare, realizarea de microprograme pentruautomatizări industriale şi controlul proceselor, memorie magneto-

optică, etc); prelucrarea optică a semnalelor (obturatoare optice înfotografiere, sub formă de semnal);

- telemetrie: geodezie, altimetrie (măsurarea înălţimii şi reliefului),aplicaţii spaţiale şi militare, aplicaţii nautice;

- tehnologii neconvenţionale cu aplicaţii industriale:- etalonarea poziţionării la maşinile-unelte prin

interferometrul cu laser (funcţionarea interferometrului se bazează pe interferenţa optică a două unde luminoase, cuaceeaşi lungime de undă, care se anulează dacă maximele

unei unde corespund minimelor celeilalte sau seamplifică dacă maximele şi minimele lor se suprapun);- poziţionarea de precizie la maşinile-unelte cu comandă

numerică (dublând traductoarele de poziţie ale maşinii);- echilibrarea statică şi dinamică a pieselor f ăr ă aplicarea

eforturilor mecanice;- prelucrarea metalelor cu raze laser: sudarea materialelor

greu fuzibile, găurirea orificiilor de diametru mic înmaterialele refractare (diametre de câţiva microni),decupări în metale sau în materiale plastice cu o grosime

de câţiva centimetrii. Se pot face astfel găuriri şi decupăriîn placi metalice subţiri de grosime de maximum 1[mm]şi în piesele de ferită, diamant, rubin sau alte materialedure asemănătoare.

Aceste tehnologii şi-au găsit importante aplicaţii în electronică (ajustarea rezistenţelor şi capacităţilor pe circuite integrate cu precizie de

până la 0,05-0,1%, realizarea de semiconductoare, microelectronică, sudarea



firelor de dimensiuni mici, termocuple, îmbinări sticlă-metal), prelucrareametalelor (decuparea metalelor refractare, sudarea materialelor necompatibile, maşini de decupat cu comandă program, găurire, etc),orologie (formarea rubinelor, sudarea spiralelor de ceasuri), medicină

(microchirurgie).4.1. Tehnologii neconvenţionale cu aplicaţii industriale Apariţia laserelor cu emisie de mare putere a deschis largi posibilităţi

pentru elaborarea unor procese tehnologice perfecţionate în diferite domenii.Înalta coerenţă spaţială şi temporală a emisiei laserului a permis focalizarearazei lui pe suprafaţa metalului de prelucrat cu ajutorul unui sistem opticsimplu. Raza laser focalizată, poate vaporiza chiar materialele greu fuzibile.

4.1.1. Găurirea cu laser Primele instalaţii tehnologice cu laser au fost instalaţiile pentru

găurirea diferitelor materiale. Găurirea cu laser este indicată pentru obţinereagăurilor de diametru mic în materiale foarte dure (în filierele de diamant) saua găurilor sub diferite unghiuri (cu precizie maximă) în materiale de mareduritate (în construcţia avioanelor). În fig. 20.3 este prezentată forma găuriila găurirea cu laser.

Fig. 3. Forma găurii lagăurirea cu laser.

4.1.2. Tăierea cu laser Avantajul tăierii cu laser constă în faptul că tăierea este mult mai

îngustă. Cu un laser de CO2 cu puterea 200[W] cu adaos de oxigen se pottăia plăci de oţel cu grosimea de 1[mm] cu o viteză de tăiere de 1[m/minut].

Pentru operaţiile de tăiere se folosesc obişnuit lasere cu CO2 , cudiametrul fascicolului de 3-30[mm] şi lungimea de undă de 10,6 µ .



4.1.3. Sudarea cu laser Instalaţiile de sudat cu laser se utilizează din ce în ce mai mult pentru

sudarea componentelor cu secţiuni mici şi pentru sudări adânci cap la cap la

materiale cu o grosime relativ mare: 0,5-5[cm].Sudarea prin puncte, cu laser, este mult utilizată în microelectronică unde se pune problema îmbinării unor componente foarte mici, f ăr ă influenţarea zonelor adiacente sudării. Cu ajutorul ei se pot realiza deosebitde eficient: montajul microschemelor, circuite imprimate si integrate, lipireaterminalelor schemelor cu straturi subţiri, etc.

4.1.4. Frezarea cu laser Dacă piesa este deplasată încet sub raza focalizată a unui laser destinat

găuririi, găurile realizate, ca urmare a impulsurilor, vor forma un şliţ, exactca la o maşină de frezat.

4.1.5 Echilibrarea dinamică folosind laserul.

Echilibrarea dinamică se poate face prin adăugarea sau prinîndepărtarea materialului suplimentar. Pentru îndepărtarea materialului dinlocul dezechilibrului, în timpul rotaţiei, poate fi folosit laserul. În figura 20.4este prezentată schema bloc a unei instalaţii de echilibrat dinamic cu laser.

Fig. 4. Schema principială a unei instalaţiicu laser pentru echilibrarea dinamică.a-emiţătorul laser; b-obiectiv; c-giroscopd-semnal de dezechilibrare; e-dispozitiv demăsurare a dezechilibrului; f-semnal desincronizare; g-dispozitivul de telecomandă;h-semnal de comutare; i-pupitru pentrualimentare.

Avantajul echilibr ării cu laser constă în faptul că echilibrarea se faceîn tinpul rotaţiei, f ăr ă ca piesa să fie oprită. Procedeul este mai exact, nu apar

deformări în lagăre, iar procesul de echilibrare se poate urmării continuu.

utilizarea laserului

Documents

Transcript of utilizarea laserului