Laseri. Aplicatii

Laseri. Aplicatii

Laser este acronim al denumirii englezesti 'Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation' ('amplificare de lumina prin emisie stimulata de radiatii"). In cazul laserilor avem de-a face cu o emisie care are caracteristica foarte importanta de coerenta, ceea ce inseamna ca em 535e47f isia se produce simultan la toti atomii (emisie stimulata) - deci diferenta de faza este aceeasi la toate radiatiile emise- si, in afara de asta, radiatiile emise au aceeasi frecventa.

3A.1. Principii de functionare

Este important sa ne reamintim cateva notiuni fundamentale de fizica fenomenelor oscilatorii pentru a intelege principiul functionarii laserului:

O miscare oscilatorie este o miscare in cadrul careia punctul material executa deplasari periodice de-o parte si de alta a unei pozitii de echilibru.

Descrierea matematica a unei astfel de miscari se face cu expresia:

unde:

A este amplitudinea,

ω este pulsatia (ω = 2 , cu frecventa

ωt + φ este faza

In optica emisia stimulata este procesul prin care, sub influenta unui foton mediul emisiv emite rediatie sub forma unui alt foton care are aceeasi frecventa si faza ca si fotonul initial. Intrucit in final ambii fotoni continua sa existe, procesul are ca rezultat amplificarea luminii. Cea mai cunoscuta aplicatie a emisiei stimulate este laserul.

Laserul este un dispozitiv complex ce utilizeaza un mediu laser(care poate fi solid, lichid sau gazos) de o puritate ridicata si avand parametri calitativi (asa cum ar fi dimensiunile si forme bine determinate) foarte exacti. Lumina emisa ca rezultat al stimularii emisiei cuantice de radiatie apare ca o emisiune sub forma unei raze de lumina continua sau pulsatorie. Ca atare, un laser comun poate fi unul care lucreaza in regim continuu sau in regim pulsatoriu.

Intr-o sursa obisnuita, atomii excitati emit radiatii la momente complet intamplatoare si independent unul de celalalt. Intre semnalele luminoase ale atomilor nu exista deci vreo diferenta de faza constanta in timp; ele se amplifica si se atenueaza la momente de timp intamplatoare, conducand la o intensitate medie si de aceea se spune ca lumina emisa de sursele obisnuite nu este coerenta.

Fig.3A-1. Emisia radiatiei necoerente se face in toate directiile in timp ce radiatia laser este emisa colimat, datorita prezentei celor doua oglinzi A si B. Inainte de a fi emisa, radiatia laser face de mai multe ori drumul intre A si B astfel incat ea se amplifica substatial.

Fig.3A.2 Tranzitii intre nivele unui atom. Ey este nivelul excitat iar Ei este nivelul metastabil. Se pot urmari tranzitiile de emisie spontana, absorbtie precum si cea de emisie stimulata.

Intr-o cavitate laser, desi emitatorii de lumina sunt tot atomi individuali, ei emit simultan si cu aceeasi frecventa. Lumina astfel emisa este coerenta. Datorita coerentei, undele laser nu vor mai interfera haotic, ci numai prin aditie, ceea ce face ca intensitatea fasciculului laser sa devina semnificativ mai mare. La cresterea intensitatii contribuie si faptul ca marea cantitate de fotoni (deci de energie) este emisa intr-un timp extrem de scurt prin dezexcitarea stimulata a unui numar intens de atomi excitati.

Sa me remintim ca, potrivit teoriei lui Einstein energia continuta de un foton ε este direct proportionala cu frecventa acestuia:

ε = h

unde h este o constanta (a lui Plank) iar ν este frecventa

Valoarea intensitatii emise depinde desigur de tipul de laser folosit. Pana in prezent intensitatiile cele mai mari au fost obtinute cu laseri cu solid. Daca, de exemplu, lumina emisa in varful impulsului, de catre un laser obisnuit de 100 kW, este concentrata cu ajutorul unui sistem optic pe o suprafata de aproximativ 0,008 mm, se obtine o iluminare a acestei suprafete de aproximativ 5x10 ori mai mare decat iluminarea obtinuta de la Soare cu acelasi sistem optic, iar intensitatea luminoasa este cam de 20 de ori mai mare decat intensitatea emisa de o arie egala din suprafata Soarelui. Dispozitivele laser speciale care produc asa-numitele pulsuri intense, pot da intensitati de un milion de ori mai mari decat laseri obisnuiti. Intensitatea focalizata pe o suprafata pe care lumina solara ar produce 10 W /cm, este, in cazul acestor laseri de peste 10.000.000.000 W /cm. O alta calitate a fasciculului laser este monocromaticitatea sa, rezultata prin altele, din faptul ca tranzitiile atomilor de pe nivelul suprapopulat sunt practic simulate. Fasciculul cel mai apropiat de monocromatismul ideal il dau laserii cu gaz. Urmeaza cei cu solid, apoi cei cu semiconductori.

In sfarsit, o proprietate foarte importanta a radiatiei laser este directionalitatea. In timp ce lumina unei surse obisnuite poate fi transformata intr-un fascicul paralel numai cu ajutorul unor sisteme optice colimatoare, lumina laser este emisa de la inceput sub forma unui fascicul paralel. Paralelismul fasciculului emergent este un rezultat al actiunii oglinzilor rezonatorului, datorita caaora multiple reflexii din cavitate pot avea loc, practic, numai dupa directia axei sale.

Fig.3A.3 Schema principiala a laserului echipat cu solid (rubin). Se pot distinge pe figura oglinzile de colimare - A si B- (oglinda B este partial reflectatoare pentru a permite extragerea fascicolului emergent); cristalul de rubin, plasat intre cele doua oglinzi, dispozitivul de racire, si sistemul de pompaj prin mecanismul de "flash" - F- impreuna cu condebsatorul C de acumulare de energie in vederea obtinerii pragului de putere necesar flash-ului.

Dupa domeniul spectral in care functioneaza, dispozitivele de generare si amplificare a radiatiei prin emisie stimulata poarta, uneori, denumiri diferite. Astfel, daca in domeniul vizibil, ei se numesc laseri in domeniul microundelor ei poarta numele de maseri, iar in infrarosu iraseri.

3A.2. Aplicatii industriale

In anii '70 au fost lansate sistemele pentru tratamentele materialelor, deschizand astfel portile unei varietati mari de beneficii tehnologice pentru aplicatiile deja existente si,in acelasi timp punand bazele unor aplicatii noi. De atunci, tehnologia laser a trecut prin mai multe etape de imbunatatire.

Astazi, tehnologia laser este prezenta in toate segmentele industriale. De exemplu, laserul este folosit in telecomuncatii, la marcarea termenelor de valabilitate de pe produse, la aparatele de tip scanner, aparatele de citit coduri de bare, telecomenzi, CD playere etc. Puterea laserului pentru acest tip de aplicatii este foarte mica, mult prea mica pentru a fi utilizata la tratarea materialelor (taierea laser, sudarea sau prelucrarea materialelor necesita o putere cu mare).

In principiu, energia electrica este transferata intr-o raza de lumina cu o singura lungime de unda in timpul procesului de generare a razei in rezonatorul laserului, ca de exemplu in cazul laserului pe baza de CO2. Raza laser este esentialmente paralela, ceea ce usureaza transferul energetic pe distante relativ mari, pana la punctul vizat. In aria de procesare, raza laser este concentrata intr-un punct mic, asigurand astfel energia necesara pentru a incalzi, topi sau chiar evapora rapid metalele.

Cel mai mare grup de aplicatii laser este taierea metalelor, deoarece acestea pot fi taiate cu mare precizie, la viteze ridicate. Printre avantajele oferite de sudarea cu laser se numara cusatura de dimensiuni reduse si un numar mult mai mic de defecte de sudura, comparativ cu metodele traditionale.

In rezonatorul laser, mediul laser este amplasat intre doua oglinzi. Fascicolul laser reflecta intre oglinzile anterioara si posterioara si sufera un proces de amplificare, in timp ce o parte a fascicolului este extrasa printr-o oglinda partial reflectorizanta.

In aplicatiile industriale de procesare a materialelor se utilizeaza doua tipuri de laseri : laserii Nd:YAG si laserii cu CO2. Laserii Nd:YAG sunt laseri cu corp solid in care mediul acriv este o bara de ytriu - aluminiu - dopat cu neodim (simbolul chimic Nd). Laserii cu CO2 sunt laseri cu gaze in care mediul activ este bioxidul de carbon.

Laserii Nd:YAG ofera puteri de pana la 5 kW pentru sudare, marcare, perforare etc. Un beneficiu al laserilor Nd:YAG este posibilitatea transportului fascicolului laser prin fibre optice, care sunt manipulate cu un robot.

Laserii cu CO2 ofera nivele de putere mult mai ridicate care ajung la 50 kW. Sistemele cu puteri de pana la 4 kW se utilizeaza frecvent pentru taierea laser folosind lentile de focalizare. Deoarece lentilele nu pot prelua puteri ale laserului mai ridicate, la taiere, sudare se utilizeaza oglinzi de focalizare racite cu apa.

Ambele tipuri de laseri genereaza fascicolul in domeniul infrarosu, deci fascicolul propriuzis nu este vizibil. Operatorul trebuie sa ia masuri de siguranta specifice ca manusi de protectie si ochelari, iar ceilalti muncitori trebuie protejati prin delimitarea masinii. Pentru urmarirea procesului se utilizeaza frecvent un laser in spectrul vizibil pe timpul pozitionarii piesei de prelucrat.

Sudarea laser atat cu laseri CO2 cat si Nd:YAG creste in pondere in productia industriala. Laserele cu CO2 de putere ridicata (2 - 12 kW) sunt utilizati la sudarea sasielor de automobile, componentelor de transmisii, schimbatoarelor de caldura etc.
De mai multi ani, laserii Nd:YAG de putere redusa (100 - 500 W) au fost utilizati la sudarea componentelor de mici dimensiuni, cum sunt instrumentele medicale sau componentele electronice. Laserii Nd:YAG de putere ridicata sunt livrati frecvent cu sisteme cu fibra optica si roboti.

Fascicolul laser este focalizat pe o pata focalizata de mici dimensiuni, asigurand intensitatea necesara topirii si evaporarii materialului. Pentru focalizarea laserilor CO2 de putere ridicata, se utilizeaza cu precadere oglinzi racite cu apa in locul lentilelor. Sudarea se face prin doua metode de baza. La incalzirea prin conductie caldura este transferata de la suprafata materialului prin conductie termica. Aceste fenomene sunt tipice sudarii cu laseri Nd:YAG de putere redusa a cordoanelor subtiri.

3A.3 Alte aplicatii industriale

Perforarea cu fascicol laser permite realizarea unor orificii in orice material din domenii ca aeronautica, tehnica spatiala sau productia de turbine. Se foloseste un laser de calitate bine focalizat, pentru eliminarea strat cu strat a materialului la fiecare puls al laserului pana la formarea unui orificiu precis. De aceea se folosesc laseri in impulsuri, deoarece acestia ofera puteri ridicate pentru fiecare impuls.

Tratarea suprafetelor cu fascicolul laser grupeaza mai multe aplicatii cum sunt calirea superficiala, topirea, emailarea, alierea, acoperirea.
Tratarea suprafetelor folosind fascicolul laser ofera unele avantaje speciale fata de procedele alternative cum sunt efectul minim asupra piesei, delimitarea precisa a zonei influentate, rata mica a defectelor, aderenta ridicata a stratului, simplificarea controlului procesului.