fert1 Laser
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Lernkarten
Was ist Licht?
Elektromagnetische Strahlung im Wellenbereich von 380 - 720nm
Was ist optische Strahlung?
Elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich 100nm - 1mm
Definition Photonik
Umfasst Grundlagen und Anwendungen von optischen Verfahren und Technologien. Kommt von Photon (Lichtteilchen) und -ik (Lehre von...)
Anwendungsbereiche der Lasertechnik?
- Fertigungstechnik (Schneiden, Fügen, Bohren)
- Verkehrstechnik (Fahrleitsysteme, Orientierungssysteme, Warnsysteme)
- Informations- und Kommunikationstechnik (Optoelektronik, Laserscanner, Signalübetragung)
- Medizin (Laserchirurgie, Tumorbehandlung)
- Messtechnik (Winkel-, Längenmessung)
Für was steht Laser?
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Besonderheiten von Laser?
- Hohe Monochromasie
- Grosse Kohärenzlängen
- Festgelegte Polarisation
Leistungen von Laser?
- Laserpointer: 1-3mW
-Holographic Versatile Disc- grüner Laser: 1W
- Gepulste Kurzzeitlaser: 1.3PW
Anwendungen in der Fertigungstechnik?
- Schweissen
- Löten
- Abtragen
- Bohren
- Beschriften
- Rapid Prototyping
- Oberflächen behandeln
- Schneiden
Was sind die Vorteile der Lasermaterialbearbeitung?
- hohe Energiedichte
- geringe Wärmeeinflusszone
- geringe Wärmebelastung
- hohe Prozessgeschwindigkeit
- berührungslose Bearbeitung
- kein Verschleiss
- grosse Flexibilität
- gut automatisierbar
Welche Wechselwirkungen treten auf wenn ein Laserstarhl auf eine Oberfläche trifft? (Prozessablauf)
- Absorption der Strahlung
- Erwärmung
- Schmelzen
- Verdampfen des Werkstoffs
- Materialabtrag
Was sind die wesentlichen Bestandteile einer Laserbearbeitungsalage?
- Laserstrahlquelle
- Strahlführung und -formung
- Handhabungseinrichtung (steuert den Laserstrahl)
- Prozesskontrolle und -regelung
- Versorgungseinheit (elektrische Energieversorgung, Kühlung, Gase)
Was sind wichtigsten Laserarten für die Materialbearbeitung?
- Nd:YAG- Laser
- Scheibenlaser
- Diodenlaser
- Faserlaser
- CO2 Laser
Geschichte des Laserstrahls?
1802- 1940: Geschichte der Astronomischen Spektroskopie (Fraunhoferlinien)
1905- 1916: Einstein postuliert über Photonen und angeregte Emissionen
1954: erster Mikrowellenlaser (MASER)
1960: erster optischer Laser (Festkörperlaser)
1964: erster Gaslaser
1995: erste natürliche Laserstrahlen entdeckt
Unterschied normales Licht zu Laser?
Normales Licht:
- ungerichtet
- starke Divergenz
- verschiedene Wellenlängen
- Wellenzüge gegeneinander verschoben
Laser:
- Kohärenz: monochromatisch, gerichtete Strahlung
- geringe Divergenz
- hohe Energiedichte
Voraussetzungen für Absorption eines Photons?
Wenn Lichtquant (Photon) in Resonanzfrequenz des atomaren Übergangs schwingt, d.h. die Energie des Photons der Energiedifferenz zweier Zustände entspricht.
Unterschied spontane und stimulierte Emission eines Photons?
- Spontan: Angeregtes Ion emittiert ohne äussere Ursache ein Photon. Keine Vorzugsrichtung der Ausbreitungsrichtung und der Polarisation.
- Stimuliert: Emission wird durch eine äussere Ursache angeregt. Dabei stimmen Ausbreitungsrichtung, Polarisation und Phase des anregenden und des emittierten Photons überein
Was sind die Kriterien bei der Strahlanalyse?
- Leistung / Pulsenergie
- Polarisation
- Strahlprofil
- Divergenz
Für welche Werkstoffe lässt sich der Excimer Gaslaser einsetzen?
Nur bedingt für Aluminium. Sonst überall zu hoher Absorptionsgrad
Für welche Materialien lässt sich der Nd:YAG Laser einsetzen?
- Für Kupfer, Gold und Silber. Bedingt auch für Eisen und Stahl, jedoch erhöhter Absorptionsgrad
Für welche Materialien lässt sich der CO2 Laser einsetzen?
Alle Metalle. Nicht für Kunststoffe geeignet
Welches sind die wichtigsten Lasertypen?
- Gaslaser:
- CO2 Laser (10.6 micrometer)
- HeNe Laser (633 nm)
- Excimer Laser (175-483nm)
- Festkörperlaser:
- Rubin Laser (694nm)
- Nd:YAG Laser (1064nm)
- Yb:Glas Faserlaser (1070nm)
- Yb:YAG Scheibenlaser (1030nm)
- Farbstofflaser (300nm -1.2 micrometer)
- Halbleitergaslaser:
- GaInP (670-680nm)
- GaAlAs (780-880nm)
- Hochleistungsdiodenlaser (808, 940, 980nm)
Wie ist eine Laseranlage aufgebaut?
- Energieversorgung
- Strahlerzeuger
- Strahlführungssysteme (Glasfaser, Adaptive Spiegel)
- Strahlformungssysteme (durch Linse, durch Spiegelsystem)
- Bewegungssysteme
Prinzip eines Festkörperlasers
- Medium:
- dotierte Isolatoren: Ionen seltener Kristalle (Nd, Yb, Er) in nichtleitenden Wirtskristallen (YAG, Saphir)
- Anregung:
- optisches Pumpen mit breitbandigen Edelgas- oder Halogenlampen oder schmalbandigen Halbleiterlasern
- Konstruktiver Aufbau:
- aktives Medium in Form eines Stabes, Scheibe, Faser, Platte
- Pumplichtreflektor, Faserkopplung
Eigenschaften eines Festkörperlasers?
- hohe Leistungen
- kurze Pulse
- effiziente Frequenzverdopplung
- flexible Strahlführung durch Faseroptiken
- teils starke thermische Linse
Was sind die Vor- und Nachteile eines lampengepumpten Nd:YAG Lasers?
Vorteile:
- relativ hohe kontinuierliche und gepulste Ausgangsleistung bei guter Strahlqualität
- Strahlführung über Faser möglich
- effiziente Frequenzkonversion möglich
Nachteile:
- starke thermische Linse
- mässige Strahlqualität bei hohen Ausgangsleistungen
- geringe Effizienz <5%
Unterschied Kurzpulslaser und Ultrakurzpulslaser
Kurzpulslaser:
- Pulsdauer: micro und nano Sekunden
- Erzeugung der Pulse durch Modulation der Resonatorverluste (Güte)
- Speicherung der Pumpenergie in aktivem Medium, anschliessend schlagartiges Abrufen der Energie
Ultrakurzpulslaser:
- Pulsdauer: pico und femto Sekunden
- Erzeugung der Pulse durch Überlagerung mehrerer Moden im Resonator
- Durch konstruktive und destruktive Interferenz bilden sich einzelne scharfe Pulse aus
Vor- und Nachteile eines Hochleistungs- Diodenlasers?
Vorteile:
- als Barren hohe kontinuierliche Ausgangsleistung
- sehr hohe Effizienz (bis 60%)
- sehr kompakt
- warungsfrei
- sehr günstig
Nachteile:
- relativ schlechte Strahlqualität
Vor- und Nachteile eines Dioden gepumpten Yb:YAG Scheibenlasers?
Vorteile:
- einfache Skalierbarkeit
- hohe Ausgangsleistungen (16kW)
- hohe Strahlqualität
- hohe Effizienz (20%)
- Strahlführung über Faser möglich
Nachteile:
- Komplexität
- Preis
Prinzip des CO2 Lasers?
- Anregung des Pumpgases (Stickstoff) durch Elektronen
- Anregung des Lasergases (CO2) durch Stossionisation vom angeregten Stickstoff
- Laserübergang zwischen E2 und E1 im CO2
- Übergang in den Grundzusatnd durch Energieabgabe an He
Vor- und Nachteile des CO2 Lasers?
Vorteile:
- hohe kontinuierliche Ausgangsleistung (50kW)
- gute Strahlqualität
- gute Effizienz (10%)
Nachteile:
- Strahlführung nur mit Spiegeln möglich
- schlechtere Fokussierbarkeit wegen Wellenlänge um 10.6 micrometer
Was sind die Vorteile des Laserstrahlschneidens?
- hohe Flexibilität
- hohe Schnittqualität
- kurze Fertigungszeiten
- sehr dünne (micrometer Bereich) und sehr dicke (cm Bereich) Materialien können geschnitten werden
- Bearbeitung metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe
Welche thermischen Schneidverfahren gibt es?
- Laserstrahlschneiden
- Plasmaschneiden
- Autogenes Brennschneiden
Prinzip des Laserstrahlschneidens?
- Fokussierung der Laserstrahlung auf den Werkstoff
- Absorption der Laserstrahlung und lokale Erwärmung des Werkstoffs
- Aufschmelzen und/oder Verdampfen des Werkstoffs
- Austrieb des Fugenmaterials durch einen inerten oder reaktiven Schneidgasstrahl
Welche verschiedene Laserstrahlschneidverfahren gibt es und worin unterscheiden sie sich?
- Laserstrahlsublimierschneiden: Schneidgas z.B. N2, Ar
- Laserstrahlschmelzschneiden: Schneidgas z.B. N2, Ar
- Laserstrahlbrennschneiden: Schneidgas O2
Was für Parameter können beim Laserstrahlschneiden eingestellt werden?
- Laserstrahl
- Wellenlänge
- Intensitätsverteilung
- Strahlqualität
- Strahldurchmesser
- Polarisation
- Leistung
- Schneidgas
- Gasart
- Gasdruck
- Düsenform
- Düsenabstand
- Werkstück
- Material
- Dicke
- Oberflächenzustand
- Handhabung
- Schneidgeschwindigkeit
- Kopforientierung
- Optik
- Brennweite
- Fokuslage
- Abbildungseigenschaften
Für was ist das Laserschmelzschneiden besonders geeignet?
Für CrNi Stähle oder Aluminium
Prinzip des Laserstrahlschmelzschneidens
- Laser: Aufschmelzen des Werkstoffs
- Schneidgas: Inertgas = Stickstoff, Edelgase
- Schneidgasfunktion: Austreiben des aufgeschmolzenen Werkstoffs aus der Schnittfuge
- Einsatzgebiet: CrNi Stähle oder Aluminium
Prinzip des Laserbrennschneidens?
- Laser: Erhitzen des Materials auf Zündtemperatur
- Schneidgas: Sauerstoff
- Schneidgasfunktion: Verbrennung des Materials (zusätzliche Wärme durch exotherme Reaktion), Entfernung der flüssigen Schlacke aus der Schnittfuge
- Einsatzgebiet: vorwiegend Baustähle
Was sind die Vor- und Nachteile des Laserstrahlbrennschneidens?
- Vorteile:
- grössere Schneidgeschwindigkeiten
- geringerer Gasdruck
- Nachteile:
- Oxidation der Schnittkanten
- Gefahr des Materialabbrandes
Was sind die Bedingungen für einen stabil ablaufenden Brennschneidprozess?
- Die Schneidfrontoberkante ständig auf Zündtemperatur halten
- eine ausreichende Menge reaktionsfähiger Partner (Sauerstoff- und Eisenatome)
- eine ausreichende kinetische Energie des Sauerstoffstrahles für den Ausblasprozess
- die Reaktionswärme gross genug ist, um die Reaktionsprodukte zu verflüssigen
