PRELUCRAREA CU LASER20.1. GeneralitiLa baza prelucrrii cu laser (Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation amplificarea luminii prin emisia stimulat a radiaiei) st utilizarearazei luminoase continue sau n impulsuri, emis de un generator optic cuantic.Prin raza laser se pot prelucra orice fel de materiale, deoarece temperatura npunctul de aplicare a razei, n majoritatea cazurilor, depaete 5000 - 8000. C20.2. Principiul aciunii generatoarelor optice cuanticeFuncionarea generatoarelor optice cuantice se bazeaz pe utilizarearezervelor de energie intern ale atomilor i moleculelor.n practic se folosesc microsisteme mai complexe, ce constau dintr-un marenumr de microparticule (sisteme atomice sau moleculare). La studiul unorastfelde sisteme, este necesar s se considere influena reciproc a atomilor iinteraciunea lor cu cmpurile electromagnetice exterioare. Ca rezultat alacesteiinteraciuni, o parte din atomii sistemului se vor afla ntotdeauna pe nivele mainalte. n conformitate cu legea lui Boltzman cu ct este mai nalt nivelul, cu atteste mai mic numrul de atomi ce se vor afla pe el (densitatea nivelului). Latrecerea spontan a electronilor pe nivele inferioare, atomii sistemuluiiradiazhaotic cuante de energie luminoas (fotoni) de diferite lungimi de und,adic seproduce o emisie necoerent de oscilaii (care nu corespund ca faz i direcie) dediferite frecvene, care ocup o poriune destul de mare a spectrului (de exemplu,emisia surselor obinuite de lumin).Dac trecerea de la nivelul superior pe cel inferior se produce sub aciuneaunui cmp electromagnetic exterior, a carui frecven corespunde frecvenei detrecere, atunci emisia ce apare se numete indus sau stimulat. n acest caz, atomiidau surplusul lor de energie sub forma emisiei electromagnetice coerente. La oastfel de emisie indus, toate particulele sistemului oscileaz simultan i nfaz,adic coerent. Aceast emisie acoper un spectru foarte ngust de frecven i esteaproape monocromatic.Industrial, pentru obinerea emisiei induse se creaz un sistem cuantic - 312 excitat n care particulele se afl cu precdere pe nivele superioare, adic sistemede densitate invers. Un astfel de sistem se numete mediu activ. Pentru obinereadensitii inverse n microsisteme, cel mai frecvent se aplic metoda cu trei nivele.n sistemul construit dupa aceast metod se petrec urmtoarele proceseSchema sistemului cu trei niveleDac asupra unui sistem cu densitatea pe nivele reprezentat n figura 1.a. seaplic un cmp exterior destul de intens Eextcare d o frecven egal cu frecvenade trecere ntre nivele 1 i 3 (1,3) vor apare treceri ntre aceste nivele. Ca rez ltatse prod ce micorarea densitii nivelului 1 N1 i creterea densitii nevelului3 N3 (ca n figura 20.1.b.). Dup un timp, o parte din particulele depe acestnivel trec spontan pe primul nivel, iar o alt parte pe al doilea. n acest caz, vitezatrecerii de pe nivelul 3 pe 2 este mai mare dect viteza trecerii pe nivelul de baz 1.Ca rezultat, pe al doilea nivel se produce o acumulare de particule i densitateaN2devine mai mare ca densitatea N1 a nivelului de baz. n acest fel, n sistem apareo densitate invers a nivelelor, neaprat necesar pentru obinerea unei emisiiinduse. Particulele stau un timp pe nivelul al doilea i apoi trec n starea de baz,cu emisia energiei luminoase Eemde frecven corespunztoare trecerii ntre nivele2 i 1, 2,1. Emisia ind s apare ca urmare a faptului c primul foton emis creeazun cmp, care acioneaz asupra atomilor vecini excitai si provoac trecerea lor nstarea de baz. Practic, se petrece simultan emisia fotonilor de aceeaifrecven.Astfel, emiterea unui foton provoac n mediul activ emisia fotonilor altor atomiexcitai. Dei are loc reacia n lan, se constat ca nu toi atomii excitaimediului se supun aciunii stimulatoare a celorlali fotoni i coeficientulfolosiriiatomilor excitai este practic nensemnat. Pentru mrirea acestui coeficients-apropus plasarea mediului activ ntre dou oglinzi plane paralele, oblignd fotoniistimulai s traverseze de mai multe ori mediul, reflectndu-se de oglinzi. Sistemulde oglinzi paralele reprezint un rezonator de unde optice. Dac ntr-un astfel - 313de rezonator emisia cade pe suprafaa unei oglinzi sub unghi apropiat de 90,atunci ea reflectndu-se pe ambele oglinzi, va trece repetat prin mediul activ i nacest caz se va produce amplificarea (creterea intensitii emisiei).Dac una dintre oglinzi este semitransparent, atunci o parte a emisiei vaputea iei prin ea n mediul exterior. Radiaia care iese din rezonator, prin oglindasemitransparent, va avea un unghi foarte mic de divergen i practic va forma oraz ngust. n cazul n care amplificarea va fi suficient, depind pierderile, aparoscilaii electromagnetice puternice n diapazonul de unde luminoase.Fotonii emii se afl ntr-o lrgime de band foarte ngust unda fiindmonocromatic (coeren temporar), iar pentru c divergena fascicolului emiseste foarte slab, fascicolul iese aproape paralel (coeren spaial).Acest sistem a obinut denumirea de generator optic cuantic sau laser.20.3. Construcii ale generatoarelor optice cuanticePrincipial, orice laser trebuie s conin urmtoarele trei pri de baz:substana activ (mediul activ), rezonatorul optic i sursa de energie pentruaducerea sistemului n stare excitat (asa numita surs de pompare). Se folosescpatru feluri de medii active, corespunztor crora laserele se mpart n urmtoarelepatru tipuri: lasere cu mediu solid, lasere gazoase, semiconductoare i lichide. Ceamai mare rspndire au obinut-o primele trei tipuri.Primul laser construit practic a fost un generator n mediu solid (figura 20.2)n care ca mediu activ s-a folosit o bar cilindric din cristal de rubinsintetic(diametrul barei poate fi 0,5-11 cm, iar lungimea sa 2-10 cm). cristalul de rubinconine 0,05% crom. Feele barei de rubin au fost executate perfect plane, reciprocparalele i perpendiculare pe axa longitudinal. Pentru ca feele s prezinteproprieti de reflexie, li s-a aplicat o acoperire de argint astfel ca una din fee sdevin o oglind care reflect perfect iar cealalt s fie semitransparent.Pentru excitarea mediului activ al unui astfel de laser cu rubin, se folosete o lamp flash de impuls cu descrcri n gaze, umplut cu un amestec de neon icripton, care d o lumin verde.Laserul cu rubin: 1- cilindru de rubin; 2-flash pentru producerea luminii; 3suprafete reflectante; 4-fascicol laser; 5-incinta de rcire.Emisia laserului are o band foarte ngust (de ordinul ) i formeaz o razcu divergen unghiular a 0,1 care iese sub forma unui fascicol prin suprafaaparial reflectant. Aceast construcie de laser furnizeaz o densitate de fluxdeciva [kW/cm4102], iar tip rile mai perfecionate civa [MW/cm2].Durata impulsurilor radiaiei luminoase a acestui laser variaz de la ctevamilisecunde pn la nanosecunde.Un alt mediu activ aplicat n laserele puternice de impuls, este sticlacuadaos de neodim (sticla neodim). Aceste lasere emit ntr-un diapazon apropiatinfraroului, de lungime de und 1,06. La aceeai energie de emisie, laserele custicla neodim au dimensiuni ceva mai mari ca cele de rubin, din cauza parametrilormai redui ai substanei active, dar tehnologia producerii lor este mult simplificat.S-au fabricat o mare varietate de substane solide, corespunztoare ca medii activen lasere. Totui majoritatea acestor substane pot da emisie laser numai la rcirealor pn la temperaturi sczute.Avantajele laserelor n gaze sunt: o mai mare coeren a radiaiei dect lalaserele n mediu solid i o mai mic divergen a fascicolului. La construciicorespunztoare, aceste lasere au de asemenea o bun stabilitate a frecvenei deemisie.Al treilea tip de laser care a cptat rspndire este produs de generatoruloptic cuantic cu semiconductoare. Cea mai mare dezvoltare au cptat-o laserele cusemiconductoare cu arseniur de galiu.20.4. Aplicaiile laseruluiLaserul a gsit numeroase aplicaii; dintre acestea cele mai importante suntn domeniile:- metrologie : msurri fine cu precizii de ordinul micronilor, msurri nmedii inaccesibile, granulometria pulberilor fine- 315 (diametre de 1-100), msurarea deformrilor prin holografie (msurare frcontact cu precizie superioar unui micron);- masurri: n fizica spectral (spectrografia corpurilor transparente prinexcitaie laser i spectrografia corpurilor solide, defectoscopie); lamsurarea unghiurilor mici de rotaie cu girometru cu laser, etc;- fizica nuclear: (lasere de mare putere) la producerea reaciilor de fuziune aatomului de hidrogen greu etc;- producerea i studierea plasmei: (lasere de mare putere);- prelucrarea semnalelor: n telecomunicaii la distane mici, medii i mari;vizualizarea semnalelor (nregistrri n televiziune, transmitere optic,etc); stocarea semnalelor (stocaj holografic cu densitate foarte mare,realizarea de microprograme pentru automatizri industriale i controlulproceselor, memorie magneto-optic, etc); prelucrarea optic asemnalelor (obturatoare optice n fotografiere, sub form de semnal);- telemetrie: geodezie, altimetrie (msurarea nlimii i reliefului), aplicaiispaiale i militare, aplicaii nautice;- tehnologii neconvenionale cu aplicaii industriale:- etalonarea poziionrii la mainile-unelte prin interferometrul culaser (funcionarea interferometrului se bazeaz pe interferenaoptic a dou unde luminoase, cu aceeai lungime de und, carese anuleaz dac maximele unei unde corespund minimelorceleilalte sau se amplific dac maximele i minimele lor sesuprapun);- poziionarea de precizie la mainile-unelte cu comand numeric(dublnd traductoarele de poziie ale mainii);- echilibrarea static i dinamic a pieselor fr aplicareaeforturilor mecanice;- prelucrarea metalelor cu raze laser: sudarea materialelor greufuzibile, gurirea orificiilor de diametru mic n materialelerefractare (diametre de civa microni), decupri n metale saun materiale plastice cu o grosime de civa centimetrii. Se potface astfel guriri i decupri n placi metalice subiri degrosime de maximum 1[mm] i n piesele de ferit, diamant,rubin sau alte materiale dure asemntoare.Aceste tehnologii i-au gsit importante aplicaii n electronic (ajustarearezistenelor i capacitilor pe circuite integrate cu precizie de pn la 0,05-0,1%,realizarea de semiconductoare, microelectronic, sudarea - 316 firelor de dimensiuni mici, termocuple, mbinri sticl-metal), prelucrareametalelor (decuparea metalelor refractare, sudarea materialelor necompatibile,maini de decupat cu comand program, gurire, etc), orologie (formarearubinelor, sudarea spiralelor de20.4.1. Tehnologii neconvenionale cu aplicaiiindustrialeApariia laserelor cu emisie de mare putere a deschis largi posibiliti pentruelaborarea unor procese tehnologice perfecionate n diferite domenii. naltacoeren spaial i temporal a emisiei laserului a permis focalizarea razei luipesuprafaa metalului de prelucrat cu ajutorul unui sistem optic simplu. Raza laserfocalizat, poate vaporiza chiar materialele greu fuzibile.20.4.1.1. Gurirea cu laserPrimele instalaii tehnologice cu laser au fost instalaiile pentru gurirea diferitelormateriale. Gurirea cu laser este indicat pentru obinerea gurilor de diametru micn materiale foarte dure (n filierele de diamant) sau a gurilor sub diferite unghiuri(cu precizie maxim) n materiale de mare duritate (n construcia avioanelor). nfig. 20.3 este prezentat forma gurii la gurirea cu laser.ceasuri), medicin (microchirurgie).Forma gurii la gurirea cu laser.20.4.1.2. Tierea cu laserAvantajul tierii cu laser const n faptul c tierea este mult mai ngust. Cuun laser de CO2cu puterea 200[W] cu adaos de oxigen se pot tia plci de oel cugrosimea de 1[mm] cu o vitez de tiere de 1[m/minut].Pentru operaiile de tiere se folosesc obinuit lasere cu CO2, cu diametrulfascicolului de 3-30[mm] i lungimea de und de 10,6. - 317 20.4.1.3. Sudarea cu laserInstalaiile de sudat cu laser se utilizeaz din ce n ce mai mult pentrusudarea componentelor cu seciuni mici i pentru sudri adnci cap la cap lamateriale cu o grosime relativ mare: 0,5-5[cm].Sudarea prin puncte, cu laser, este mult utilizat n microelectronic unde sepune problema mbinrii unor componente foarte mici, fr influenarea zoneloradiacente sudrii. Cu ajutorul ei se pot realiza deosebit de eficient:montajulmicroschemelor, circuite imprimate si integrate, lipirea terminalelor schemelor custraturi subiri, etc.20.4.1.4. Frezarea cu laserDac piesa este deplasat ncet sub raza focalizat a unui laser destinatguririi, gurile realizate, ca urmare a impulsurilor, vor forma un li, exact ca la omain de frezat.20.4.1.5 Echilibrarea dinamic folosind laserul.Echilibrarea dinamic se poate face prin adugarea sau prin ndeprtareamaterialului suplimentar. Pentru ndeprtarea materialului din loculdezechilibrului, n timpul rotaiei, poate fi folosit laserul. n figura 20.4 esteprezentat schema bloc a unei instalaii de echilibrat dinamic cu laser.Schema principial a unei instalaiicu laser pentru echilibrarea dinamic.a-emitorul laser; b-obiectiv; c-giroscopd-semnal de dezechilibrare; e-dispozitiv de msurare a dezechilibrului; f-semnal desincronizare; g-dispozitivul de telecomand;h-semnal de comutare; i-pupitru pentru alimentare.Avantajul echilibrrii cu laser const n faptul c echilibrarea se face n tinpulrotaiei, fr ca piesa s fie oprit. Procedeul este mai exact, nu apar deformri nlagre, iar procesul de echilibrare se poate urmrii continuu.