Obróbka materiałów, cięcie i spawanie metali - Lasery CO2

Do obróbki materiałów oraz cięcie i spawanie metali najczęściej wykorzystuje się lasery CO2.

Ten ty lasera był jednym z pierwszych typów laserów i został wymyślony przez Kumar Patela z Bell Labs w 1964 i do naszych czasów jest najczęściej używanym typem laserów.

Rodzaje laserów C.D. 1

Różne typy laserów charakteryzują się różnymi właściwościami a co za tym idzie są stosowane w określonych grupach zastosowań.

Szeroka gama zastosowań nowoczesnych laserów sprawia że możemy je spotkać w rożnych dziedzinach życia od stomatologi do przemysłu.

Wśród najważniejszych zastosowań laserów wskazuje się:
stomatologia, dentystyka, chirurgia, chirurgia plastyczna, kosmetyka, nauki biologiczne, reakcje fotochemiczne geodezja, telekomunikacja, wojskowe jak i komercyjne laserowe układy śledzące , kontrolowane reakcje jądrowe, spektroskopia, rozdzielanie izotopów, obróbka materiałów, cięcie i spawanie metali, topienie, wiercenie oraz wiele wiele innych.

Potencjalnych zastosowań laserów jest tak wiele iż trudno wskazać je wszystkie.

Poniżej przykładowe zastosowania laserów w stomatologi i kosmetyce.

Stomatologia:


Chirurgia plastyczna:

Lasery przemysłowe

Jednym z bardziej znanych producentów laserów przemysłowych jest firma Trumpf.

Znakowanie laserowe

Zalety znakowania laserowego są ogromne, dlatego coraz częściej spotkamy się z wykorzystaniem tej technologi zarówno w przemyśle jak i w usługach.

Coraz częściej wykorzystuje się takie nowoczesne technologie reklamie osiągając rewelacyjne rezultaty.

Zalety znakowania laserowego:

• wysoka jakość znakowania i wysoka powtarzalność,
• trwałość: odporność na ścieranie, ciepło, chemikalia, światło UV,
• trudne do sfałszowania,
• możliwość znakowania z wysoką rozdzielczością,
• duże prędkości znakowania,
• możliwość znakowania obiektów poruszających się i pozostających w spoczynku,
• bezdotykowość znakowania (brak nacisku, brak deformacji, brak zanieczyszczania powierzchni, brak zużycia "narzędzi" znakujących,
• możliwość znakowania powierzchni niepłaskich, nierównych, miękkich, twardych,
• czystość i suchość procesu znakowania,
• bardzo wysoka elastyczność (systemy programowalne),
• bardzo niskie koszty eksploatacji, konserwacji.
• Wady znakowania:
• wysoki koszt inwestycyjny,
• brak możliwości znakowania w kolorach

Zastosowanie laserów

Początkowo lasery zamierzano wykorzystać w celach wojskowych jak podają różne źródła (niepotwierdzone) pierwsze wykorzystanie laserów na polu walki miało miejsce już pod koniec lat 60 ubiegłego wieku. Laser został pomyślnie wykorzystany w konflikcie granicznym ZSSR z Chinami. W miarę wzrostu zapotrzebowania na nowe technologie lasery znajdują zastosowanie w każdej gałęzi przemysłu i usług. Najbardziej popularne jest wykorzystanie ich w przemyśle.

Zastosowanie laserów w przemyśle

• cięcie
• spawanie
• znakowanie
• drążenie otworów
• obróbka powierzchniowa
  
  • hartowanie
  • stapianie warstwy powierzchniowej
  • wzbogacanie warstwy przypowierzchniowej w składniki stopowe
  • nakładanie warstwy przypowierzchniowej (natapianie)
    

Kroki milowe w histori laserów

Bardzo ciekawy film na temat laserów i zastosowania laserów, niestety w wersji niemieckiej.

Laser rubinowy - Ruby laser

Laser gazowy - Gas-laser

Laser półprzewodnikowy - Solid-State Laser

Rodzaje laserów

• Laser rubinowy
  W laserze tym użyto rubinu (kryształ korundu z domieszką jonów chromu) pompowany optycznie fleszem, pracuje impulsowo, emituje światło czerwone o długości fali ? = 694,3 nm, )
  
  
  
  
  
  
  
  
  
• Laser gazowy
  Elementem czynnym jest gaz: hel i neon, krypton, argon lub ksenon. Lasery tego typu pompowane są elektrycznie, wykorzystywane w badaniach naukowych oraz ze względu na prostą budowę w dydaktyce
  
  
  
  
  
  
  
  
  
• Laser półprzewodnikowy
  Ośrodkiem czynnym jest półprzewodnik, pompowanie jest wykonane przez
  wstrzykiwanie ładunków przez złącze, jego zaletami jest niska cena produkcji, małe rozmiary co za tym idzie mały pobór mocy, wysoka wytrzymałość mechaniczna,
  zastosowanie:
• • małej mocy – wskaźniki laserowe, drukarki, nagrywarki CD/DVD, telekomunikacja
• • dużej mocy – w przemyśle do cięcia i spawania
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
• Laser neodymowy
  Szkło z domieszką neodymu, emitują impulsowo promieniowanie podczerwone o ?=1,06µm, lub po zastosowaniu elementów optyki nieliniowej światło o fali krótszej o czynnik 2 lub 4, wielka moc impulsów aż do J/impuls, zastosowania głównie badawcze.
  
  
• Laser molekularny
  Wypełnione dwutlenkiem węgla z dodatkiem azotu i helu, emitują impulsowo lub ciągle światło podczerwone, przestrajalna długość emitowanej fali w obszarze ok. ? = 10 µm, charakteryzują się w dużą mocą, zastosowania przemysłowe i badawcze.
  
  
  
  

Powstanie wiązki laserowej

1. Do substancji czynnej, którą może być ciecz, gaz lub ciało stałe, znajdującej się w stanie podstawowym E0 dostarczana jest energia w postaci promieniowania (proces ten nazywamy pompowaniem).
   
   
   
   
   
2. Poprzez absorpcję fotonów elektrony zwiększają swoją energię. Znajdują się na poziomie energetycznym E1
   
   
   
   
   
   
   
3. Czas życia elektronów w stanie E1 jest krótki (około 10-9 s), wobec tego następuje bez promieniste przejście do stanu energetycznego E2 (na którym długość życia elektronów jest rzędu mikro- a nawet milisekund) jest to tak zwany stan metastabilny.
   
   
4. Po pewnym czasie dochodzi do zjawiska tzw. inwersji obsadzeń, czyli liczba elektronów w stanie wzbudzonym jest większa od liczby elektronów w stanie stabilnym.
   
   
   
   
   
   
   
5. Emisja wymuszona (indukowana) zachodzi jeżeli atom znajduje się w stanie wzbudzonym, pod wpływem padającego na niego fotonu o odpowiedniej, rezonansowej energii przechodzi na niższy poziom energetyczny emitując swój własny foton. Emitowany foton jest spójny z fotonem wymuszającym.
   
   
   
   
   
   
   
   
6. Atomy w wyniku emisji wymuszonej emitują fotony. Część z wyemitowanych fotonów opuszcza układ dając wiązkę światła reszta jest wprowadzana z powrotem do układu aby uczestniczyć w dalszych procesach emisji wymuszonej. Po emisji fotonu atom wraca do stanu podstawowego, gdzie dalej proces jest zaczynany od początku. Aby uzyskać ponowną inwersją obsadzeń trzeba dostarczyć do układu energię ‘’pompowania’’.
   
   
   
   
   
   
   
   

Podstawowymi cechami światła laserowego są:

• minimalna rozbieżność wiązki, gdyż światło laserowe jest spójne i koherentne;
• monochromatyczność;
• Równoległość
• duża energia promieniowania.

Historia lasera

Słowo LASER jest tak naprawdę akronimem. Jego pełne rozwinięcie brzmi:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

czyli wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania.

Z historią lasera łączą się kluczowe wydarzenia z historii fizyki i techniki:

• 1917 Einstein opisuje zjawisko emisji spontanicznej i wymuszonej promieniowania elektromagnetycznego. Przewiduje również istnienie urządzeń zwanych później LASERAMI i MASERAMI

• 1954 Charles H. Townes stworzył urządzenie produkujące i utrzymujące większą liczby atomów w stanach wzbudzonych niż w stanach podstawowych. Był to MASER amoniakalny
  
  
• 1960 Theodore Maiman konstruuje pierwszy LASER oparty na bezie rubinu