PRELUCRAREA CU LASER 20.1. Generalităţi La baza prelucrării cu laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – amplificarea luminii prin emisia stimulată a radiaţiei) stă utilizarea razei luminoase continue sau în impulsuri, emisă de un generator optic cuantic. Prin raza laser se pot prelucra orice fel de materiale, deoarece temperatura în punctul de aplicare a razei, în majoritatea cazurilor, depaşeşte 5000 - 8000. C ° 20.2. Principiul acţiunii generatoarelor optice cuantice Funcţionarea generatoarelor optice cuantice se bazează pe utilizarea rezervelor de energie internă ale atomilor şi moleculelor. -un mare În practică se folosesc microsisteme mai complexe, ce constau dintr -un număr 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 pe nivele mai înalte. În conformitate cu legea lui Boltzman – cu cât este mai înalt nivelul, cu atât este mai mic numărul de atomi ce se vor afla pe el (densitatea nivelului). La trecerea spontană a electronilor pe nivele inferioare, atomii sistemului iradiază haotic cuante de energie luminoasă (fotoni) de diferite lungimi de undă, adică se produce o emisie necoerentă de oscilaţii (care nu corespund ca fază şi direcţie) de diferite frecvenţe, care ocupă o porţiune 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 corespunde frecvenţei de trecere, atunci emisia ce apare se numeşte indusă sau stimulată. În aces t caz, atomii dau surplusul lor de energie sub forma emisiei electromagnetice coerente. La o astfel de emisie indusă, toate particulele sistemului oscilează simultan şi în fază, adică coerent. Această emisie acoperă un spectru foarte îngust de frecvenţă şi este aproape monocromatică. monocromatică. Industrial, pentru obţinerea emisiei induse se crează un sistem cuantic - 312 -
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 se aplică metoda cu trei nivele. În sistemul construit dupa această metodă se petrec următoarele procese
Schema sistemului cu trei nivele
Dacă asupra unui sistem cu densitatea pe nivele reprezentată în figura 1.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 aceste nivele. Ca rezultat se produce micşorarea densităţii nivelului 1 – N1 – şi creşterea 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 mai mare 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 ca densitatea N1 a nivelului de bază. În acest fel, în sistem apare o densitate inversă a nivelelor, neapărat necesară pentru obţinerea unei emisii induse. Particulele stau un timp pe nivelul al doilea şi apoi trec în starea de bază, cu emisia energiei luminoase E em de frecvenţă corespunzătoare trecerii între nivele 2 şi 1, υ2,1. Emisia indusă apare ca urmare a faptului că primul foton emis creează un câmp, care acţionează asupra atomilor vecini excitaţi si provoacă trecerea lor în starea de bază. Practic, se petrece simultan emisia fotonilor de aceeaşi frecvenţă. Astfel, emiterea unui foton provoacă în mediul activ emisia fotonilor altor atomi excitaţi. Deşi are loc “reacţia în lanţ”, se constată ca nu toţi atomii excitaţi ai mediului se supun acţiunii stimulatoare a celorlalţi fotoni şi coeficientul folosirii
atomilor excitaţi este practic neînsemnat. Pentru mărirea acestui coeficient s -a propus plasarea mediului activ între două oglinzi plane paralele, obligând fotonii stimulaţi să traverseze de mai multe ori mediul, r eflectându-se de oglinzi. Sistemul de oglinzi paralele reprezintă un rezonator de unde optice. Dacă într -un astfel - 313 -
de rezonator emisia cade pe suprafaţa unei oglinzi sub unghi apropiat de 90 , atunci ea reflectându-se pe ambele oglinzi, va trece repetat prin mediul activ şi în acest caz se va produce amplificarea (creşterea intensităţii emisiei). Dacă una dintre oglinzi este semitransparentă, atunci o parte a emisiei va putea ieşi prin ea în mediul exterior. Radiaţia care iese din rezonator, prin oglinda 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 diapazonul de unde luminoase. Fotonii emişi se află într -o lărgime de bandă foarte îngustă unda fiind monocromatică (coerenţă temporară), iar pentru că divergenţăa fascicolului emis este foarte slabă, fascicolul iese aproape paralel (coerenţă spaţială). Acest sistem a obţinut denumirea de generator optic cuantic sau laser. 20.3. Construcţii ale generatoarelor optice cuantice Principial, orice laser trebuie să conţină următoarele trei părţi de bază: substanţa activă (mediul activ), rezonatorul optic şi sursa de energie pentru aducerea sistemului în stare excitată (asa numita sursă “de pompare”). Se folosesc patru feluri de medii active, corespunzător cărora laserele se împart în următoarele patru tipuri: lasere cu mediu solid, lasere gazoase, semiconductoare şi lichide. Cea mai mare răspândire au obţinut-o primele trei tipuri. Primul laser construit practic a fost un generator în mediu solid (figura 20.2) în care ca mediu activ s-a folosit o bară cilindrică din cristal de rubin sintetic (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 acoperire de 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 un amestec de neon şi cripton, care dă o lumină verde.
Laserul cu rubin: 1- cilindru de rubin; 2-flash pentru producerea luminii; 3suprafete reflectante; 4-fascicol laser; 5-incinta de răcire.
Emisia laserului are o bandă foarte îngustă (de ordinul ) şi formează o rază cu divergenţă unghiulară a 0,1 care iese sub forma unui fascicol prin suprafaţa parţial reflectantă. Această construcţie de laser furnizează o densitate de flux de 2 2 câţiva [kW/cmμ410− ], iar tipurile mai perfecţionate câţiva [MW/cm ]. Durata impulsurilor radiaţiei luminoase a acestui laser variază de la câteva milisecunde până la nanosecunde. Un alt mediu activ aplicat în laserele puternice de impuls, este sticla cu adaos de neodim (sticla neodim). Aceste lasere emit într-un diapazon apropiat infraroşului, de lungime de undă 1,06μ. La aceeaşi energie de emisie, laserele cu sticla neodim au dimensiuni ceva mai mari ca cele de rubin, din cauza parametrilor mai reduşi ai substanţei active, dar tehnologia producerii lor este mult simplificată. S-au fabricat o mare varietate de substanţe solide, corespunzătoare ca medii active în lasere. Totuşi majoritatea acestor substanţe pot da emisie laser numai la răcirea lor până la temperaturi scăzute. Avantajele laserelor în gaze sunt: o mai mare coe renţă a radiaţiei decât la laserele în mediu solid şi o mai mică divergenţă a fascicolului. La construcţii corespunzătoare, aceste lasere au de asemenea o bună stabilitate a frecvenţei de emisie. Al treilea tip de laser care a căpătat răspândire este prod us de generatorul optic cuantic cu semiconductoare. Cea mai mare dezvoltare au căpătat-o laserele cu semiconductoare cu arseniură de galiu. 20.4. Aplicaţiile laserului
Laserul a găsit numeroase aplicaţii; dintre acestea cele mai importante sunt în domeniile: - metrologie : măsurări fine cu precizii de ordinul micronilor, măsurări în medii inaccesibile, granulometria pulberilor fine - 315 -
(diametre de 1-100μ), măsurarea deformărilor prin holografie (măsurare fără contact cu precizie superioară unui micron); - masurări: în fizica spectrală (spectrografia corpurilor transparente prin excitaţie laser şi spectrografia corpurilor solide, defectoscopie); la măsurarea unghiurilor mici de rotaţie cu girometru cu laser, etc; - fizica nucleară: (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 (înregistrări în televiziune, transmitere optică, etc); stocarea semnalelor (stocaj holografic cu densitate foarte mare, realizarea de microprograme pentru automatizări industriale şi controlul proceselor, memorie magneto-optică, etc); prelucrarea optică a semnalelor (obturatoare optice în fotografiere, 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, cu aceeaşi lungime de undă, care se anulează dacă maximele unei unde corespund minimelor celeilalte sau se amplifică 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 fără aplicarea eforturilor mecanice; - prelucrarea metalelor cu raze laser: sudarea materialelor greu fuzibile, găurirea orificiilor de diametru mic în materialele refractare (diametre de câţiva microni), decupări în metale sau în materiale plastice cu o grosime de câţiva centimet rii. Se pot face astfel găuriri şi decupări în placi metalice subţiri de grosime de maximum 1[mm] şi în piesele de ferită, diamant, rubin sau alte materiale dure 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 - 316 -
firelor de dimensiuni mici, termocuple, îmbinări sticlă -metal), prelucrarea metalelor (decuparea metalelor refractare, sudarea materialelor necompatibile, maşini de decupat cu comandă program, găurire, etc), orologie (formarea rubinelor, sudarea spiralelor de20.4.1. 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 focalizarea razei lui pe suprafaţa metalului de prelucrat cu ajutorul unui sis tem optic simplu. Raza laser focalizată, poate vaporiza chiar materialele greu fuzibile. 20.4.1.1. Găurirea cu laser Primele instalaţii tehnologice cu laser au fost instalaţiile pentru găurirea diferitelor materiale. Găurirea cu laser este indicată pentru obţinerea găurilor de diametru mic în materiale foarte dure (în filierele de diamant) sau a găurilor sub diferite unghiuri (cu precizie maximă) în materiale de mare duritate (în construcţia avioanelor). În fig. 20.3 este prezentată forma găurii la găurir ea cu laser. ceasuri), medicină (microchirurgie).
Forma găurii la găurirea cu laser.
20.4.1.2. 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 pot tăia 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 CO 2 , cu diametrul fascicolului de 3-30[mm] şi lungimea de undă de 10,6μ. - 317 -
20.4.1.3. 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, fără influenţarea zonelor adiacente sudării. Cu ajutorul ei se pot realiza deosebit de eficient: montajul microschemelor, circuite imprimate si integrate, lipirea terminalelor schemelor cu straturi subţiri, etc. 20.4.1.4. 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, exact ca l a o maşină de frezat. 20.4.1.5 Echilibrarea dinamică folosind laserul. Echilibrarea dinamică se poate face prin adăugarea sau prin îndepărtarea materialului suplimentar. Pentru îndepărtarea materialului din locul dezechilibrului, în timpul rotaţiei, poate fi folosit laserul. În figura 20.4 este prezentată schema bloc a unei instalaţii de echilibrat dinamic cu laser.
Schema principială a unei instalaţii cu laser pentru echilibrarea dinamică. a-emiţătorul laser; b-obiectiv; c-giroscop d-semnal de dezechilibrare; e-dispozitiv de măsurare a dezechilibrului; f -semnal de sincronizare; g-dispozitivul de telecomandă; h-semnal de comutare; i-pupitru pentru alimentare.
Avantajul echilibrării cu laser constă în faptul că echilibrarea se face în tinpul rotaţiei, fără ca piesa să fie oprită. Procedeul este mai exact, nu apar deformări în lagăre, iar procesul de echilibrare se poate urmării continuu.
