Lasertechnik

Def. Gratbildung: es handelt sich um eine stark anhaftende, ohne Nachbehandlung nicht entfernbarer Grat

• - Aufheizung des Werkstoffs auf maximal Verdampfungstemperatur
• - Austrieb der Schmelze durch den Schneidgasstrahl vor dem Laserstrahl nach unten
• - Schmelze strömt auf einer steil geneigten Schneidfront nahezu parallel zum Laserund Gasstrahl
• - minimal möglicher Neigungswinkel der Schneidfront wird durch die Strahlkaustik bestimmt
• - maximal mögliche Schmelzfilmdicke des austretenden Schmelzstroms ist durch die Wärmeleitung limitiert

• Druckraum, der nach oben durch die Linse abgedichtet ist und eine auswechselbare Düsenmündung (Kupfer, da hohe Reflektion und Wärmeleitfähigkeit) aufweist

Beim Schneiden von Konturen muss der Gasstrahl exakt koaxial ohne Winkelfehler zum Laserstrahl justiert sein.

Folgen:

• Prozessinstabilität
• ungleiche Kantengeometrie
• ungleiche Bartbildung
• Schneidaussetzer

Die Justierung/ Justage erfolgt über Verschiebung der Düse, Laserstrahls oder einem Versatz der Fokusierlinse

Polarisiertes Licht

• Bearbeitungsrichtung parallel zur Polarisationsebene -> Schnittkante gute Qualität
• Bearbeitungsrichtung senkrecht zur Polarisationsebene -> schlechtere Qualität

Ziel: gleichbleibend gute Schneidergebnisse -> Lösung: zirkular polarisierter Laserstrahl

Wirkung: Polarisationsebene des Strahles um 45° zur Einfallsebene geneigt -> Strahl wird in s-Anteil und p-Anteil zerlegt und zeitverschoben überlagert. Dadurch entsteht zirkular polarisierte Strahlung.

Laserleistung kann kontinuierlich oder nicht kontinuierlich erzeugt werden

• cw-Betrieb
• Tastbetrieb
• Rampenbetrieb

Laserbetriebsart -> Einstechen: cw-Betrieb   Schneiden: cw-Betrieb

Folgen: Beim Einstechen des Strahles entstehen große Löcher und an den Ecken führen verschiedene Effekte zu Qualitätsverlust:

• verminderte Wärmeleitung->Überhitzung
• Bremsen und Beschleunigen->Bartanhaftung
• Änderung der Schneidrichtung->unsymmetrische Schnittfuge

Laserbetriebsart -> Einstechen: Puls-Betrieb   Schneiden: cw-Betrieb

Folgen: Im Puslbetrieb wird eingestochen ohne die Schnittkante zu beschädigen->um Faktor 1-10 langsamer als cw

Um Material an den Ecken nicht übermäßig zu erhitzen wird an den Ecken eine Schleife (Looping) gefahren->geringerer Abbrand

Laserbetriebsart -> Einstechen: Puls-Betrieb   Schneiden: Puls-Betrieb

Folgen: An Ecken wird Kontur bei der Hinfahrt durch Schnittfuge isoliert, es bildet sich ein Wärmestau->Somit Puls-Betrieb (Wärmeinbringung besser kontrolierbar) allerdings um Faktor 10 langsamer und 10-20% weniger Leistung als cw-Betrieb

Remocut

Funktion:

• Anwendung von Zusatzachssystemen in Schneidanlagen (Überlagerung der achsbewegungen)
• träge Hauptachse fährt vereinfachte Bahn, während dynamische Zusatzachse den Strahl bei harten Konturübergängen aus Sollbahn hält

Anwendung:

• hochdynamische Strahlablenkung durch Spiegel (Scanner) -> minimale Massenbewegung
• Fokussierung und Strahlkorrektur durch telezentrisches F-Theta-Objektiv
• hochdynamisch synchronisierte Düsenpositionierung

Ergebnis:

• Schneidzeitersparnis 50%
• Realisierung des Prozesses in mehreren Schritten zur Trennung dickerer Materialien->Verzicht auf Prozessgas

• diodengepumpten Scheibenlasers
• Ausgangsleistungsskalierung mit mehreren Scheiben (V-Anordnung)
• Laserresonator mit 2 Scheiben „W-Anordnung“

• beugungsbegrenzte Strahlqualität durch dünnen aktiven Kern -> nur Propagation von Monomode-Strahlung möglich
• Festlegung der Leistung über Anregung und Anzahl der aktiven Fasern
• Luftkühlung
• Elemente in Faser integrierbar
• kompakte Bauform

Einsatzgebiet:

• Datenübertragung in Galsfaserkabeln in der Informationstechnologie
• Beschriftung und Kennzeichnung verschiedener Metall- oder Plastikprodukte
• Schneiden von Baustahl bis 20 mm, Edelstahl bis 10 mm, Aluminium bis 8 mm

Vorteile:

• Elektrisch optische Wirkungsgrade > 30%
• Gute Kühlung durch große Oberfläche
• Kompakter und Wartungsfreier Aufbau / erschütterungsunempfindlich

Nachteile:

• Diodenlaser hoher Strahlqualität erforderlich
• Begrenzte Spitzenleistung durch kleinen Querschnitt
• Hohe Schutzmaßnahmen (der Augen) erforderlich

Aufbau:

• Anwendung eines gekühlten Scheibenmediums mit großen Oberflächen-Volumen- Verhältnis
• bei Stablaser wird Mantelfläche gekühlt, was zu einer parabolischen Temperaturverteilung führt

Anwendung:

• Mikrobearbeitung
• präzise Kraftstoffeinspritzungen

Vorteile:

• hohe Brillianz des Scheibenlasers durch niedrige thermischen Linseneffekt
• kosteneffektiver Einsatz des Lasers mit hohem Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektr. Energie in Lichtenergie
• Flächenskalierung des Strahlquerschnitts ermöglicht eine Leistungsskallierung bei gleichbleibender Intensität

a) Absorption B_ji

• Elektronen auf ihren verschiedenen Niveaus nehmen Energie in Form von Photonen auf und können so auf ein höher liegendes Energieniveau angeregt werden.

b) spontane Emission von Strahlung A_ij

• Elektron im Zustand E_i (i ≠ 1) fällt mit Wahrscheinlichkeit „A_ij“ ohne Stimulation in einen tiefer liegenden Zustand „j“ (i > j) und emmitiert unter Umständen ein Photon
• Die spontan emittierten Photonen zeigen keine bevorzugte Emissionsrichtung und insbesondere gibt es keine feste Phasenbeziehung der Photonen untereinander

a) stimulierter Emission

• Ist ein Atom im angeregten Zustand und trifft nun ein Photon mit genau gleicher Energiedifferenz zum Elektronenniveau auf dieses Atom, so kann ein zusätzliches Photon ausgesandt werden.
• Ein Photon, das auf ein Elektron trifft, kann mit gleicher Wahrscheinlichkeit ein Elektron anregen oder eine stimulierte Emission herbeiführen. Dabei strahlt das Elektron ein, zum anregenden Photon, kohärentes Photon in gleicher Richtung aus

b) Besetzungsinversion

• Entgegen der Boltzmannverteilung: das obere Niveau ist stärker besetzt als das untere
• Um eine Verstärkung von Licht zu erreichen, müssen mehr Elektronen im höheren Niveau liegen als im niedrigen, so dass aufgrund der Besetzung die Wahrscheinlichkeit für die stimulierte Emission höher ist als für die Absorption.

a) Wie ist die Besetzungswahrscheinlichkeit von atomaren Niveaus der Energie E_i im thermischen Gleichgewicht?

• (Betrachte große Zahl gleicher Atome/Moleküle) Im thermischen Gleichgewicht verhalten sich die Anzahlen der Atome im Zustand „i“ und „j“ wie:
  N_i = N_j *e^Ei-Ej/k*T         Boltzmann-Verteilung: k= 1,38*10^-23 J/K
• Im thermischen Gleichgewicht nimmt die Besetzungswahrscheinlichkeit mit der Energie immer ab.

b) Wie nennt man diese Verteilung?

• Boltzmann-Verteilung

• Da die Wahrscheinlichkeiten für die stimulierte Emission und die stimulierte Absorption gleich sind, gleichzeitig aber in einem System die höheren Energiezustände weniger besetzt sind, werden mehr absorbiert als emittiert.
  Þ der Laserbetrieb kommt nicht in Gang! Es ist keine Besetzungsinversion gegen das Grundniveau möglich
• Es gibt kein 2 Niveau Laser, weil im Grenzfall B_ij gleich B_ji ist; der Stoff ist transparent, das was vorne reingeht, geht auch hinten wieder raus

Durch Kühlung wird erreicht, dass die Elektronen in dem jeweiligen Lasermedium nicht thermisch angeregt werden und somit nicht das untere Laserniveau besetzen. Þ Inversion würde schwieriger werden

Bei 2 beteiligten Niveaus, kann maximal N₁=N₂ (Anzahl der Elektronen im Grundzustand gleich der Anzahl im Angeregten) erreicht werden. Damit ein Laserbetrieb aber zustande kommen kann, muss das obere Niveau stärker besetzt sein. Man benötigt eine Besetzungsinversion

• Die Besetzungsinversion wird nur bei sehr großer Pumprate erreicht
• Sehr hohe Wärmebelastung für das aktive Medium
• (Fast) nur als Pulslaser geeignet
• Besetzung des Grundzustandes muss <50% sein! -> mehr als 51% der Elektronen muss sich im 2. Laserniveau/Zustand befinden

• Besetzungsinversion kann gedrosselt werden, es muss im oberen Laserniveau nur ein Elektron mehr sein als im unteren Laserniveau
• Die Laserbedingungen (Besetzungsinversion, Amplitudenbedingung) können viel leichter eingehalten werden, da 3 Zustände über dem Grundzustand existieren

Spiking ist der Einschwingvorgang eines Lasers

Da auf Grund des Einschwingvorgangs der Laser die Besetzungsinversion erst einige Zeit nach Einschalten des Pumpprozesses erreicht wird, entstehen so genannte Spikes (Leistungsspitzen) mit wesentlich höherer Leistung am Ausgang des Lasers!

• Optisches Pumpen (nur bei Festkörperlasern) durch Laser oder leistungsstarke (breitbandige) Lichtquellen.
  - Oberes Pumpniveau sollte ein breites Band sein, damit möglichst viel Strahlung genutzt werden kann.
  - die Pumplichtquelle muss eine kürzere Wellenlänge als der gepumpte Laser besitzen!
• Stoßanregung (bei Gaslasern) kann erfolgen durch:
  - Elektronenstöße (Stöße 1.Art) (es entstehen angeregte Ionen)
  - Stöße mit angeregten Atomen/Molekülen einer anderen Art (Stöße 2.Art) (es wird die

Anregung „übertragen“)

• Chemisches Pumpen (Erzeugung der Anregung durch eine exotherme chemische Reaktion gasförmiger Stoffe)
  - Auslösung der Reaktion durch Flamme oder Blitz
• Injektion von Ladungsträgern (bei Halbleitserlasern) (Stromdurchgang durch einen pn-Übergang)
• weitere Pumpprozesse:
  - Gas erhitzen, anschließend adiabatische Entspannung
  - nuklear gepumpte Laser (Röntgenlaser) Pumpen durch Kernreaktion
  - Beschleunigte Elektronen im Wechselfeld „Freier Elektronen-Laser“ (DESY)

Stöße 2. Art sind Stöße mit angeregten Atomen/Molekülen anderer Art.
Diese kommen z.B. in He-Ne-Lasern vor, da hier 2 verschiedene Gasarten mit ähnlichen Energiezuständen vorliegen. Hier ist die Wahrscheinlichkeit einer Übertragung der Anregung am wahrscheinlichsten.

• Der Radius w₀ bei dem die Amplitude auf 1/e abgefallen ist
• Der Radius „w“ eines Laserstrahls endet dort, wo die Intensität auf das 1/e² - fache abgefallen ist (86% liegen innerhalb).
                         mit r = Abstand vom Strahlmittelpunkt
  Strahlen mit dieser Verteilung heißen Gaußsche-Strahlen.
• Da Strahlen aufgrund von Beugung auseinander laufen gilt für den Strahlradius:                                                              mit w₀= Strahlradius an der engsten Stelle (z = 0)
•  (Rayleigh-Länge)  gibt an, wann der Strahlradius um den Faktor zunimmt

a) Geben Sie 2 Möglichkeiten für eine Strahlaufweitung mit Linsen an.

• Galilei- oder Keplerfernrohr

b) Nennen Sie für jede Methode einen Vorteil gegenüber der anderen.

• beim Galilei-Fernrohr findet keine Plasmabildung statt, deswegen keine Fokussierung
• beim Keplerfernrohr kann mit einem Pinhole der Gaußstrahl „gereinigt“ werden

Eine Longitudinalmode ist eine stehende Welle innerhalb eines Resonators, die Eigenschwingung. LM können auf einen einzigen Fleck fokussiert werden. LM sind die Frequenzen/Wellenlängen für die sich stehende Wellen im Resonator ausbilden können. Dies ist nur möglich wenn ν_q=q* c/(2nL) erfüllt ist. Das bedeutet die Länge eines Resonators muss ein Vielfaches von l/2 sein.

Gleichung anschauen vom freien Spektralbereich delta V= c/ 2*n*L

• Man verringert die Verstärkungsbandbreite und damit die Anzahl der Moden, die in dem jeweiligen Lasermedium verstärkt werden. Dies geschieht durch verringern der
• Resonatorlänge LÞ großer Modenabstand

• n ändern: anderes Medium, oder gleiches Medium mit anderer Temperatur

• man kann eine Modenblende in den Aufbau einbringen Glaube das ist nur für Transversalmoden
• Modenselektion
• Durch Erhöhung der Verluste/Reduktion der Verstärkung in Lasermedium
• Durch schmaler machen der Energiebandbreite der Im Medium emittierten Photonen (senken der Temp.)

• Resonatorlänge: Temperaturänderung
• Verstärkungsprofil: Art des Laseraktiven Mediums, Temperatur, Spiegelverschmutzun

a) Was versteht man unter einem „stabilen Resonator“?

• Strahl wird durch einen der beiden Spiegel ausgekoppelt
• Licht bleibt auf relativ engem Bereich um die Resonatorachse konzentriert
• Gaußstrahl als Grundmode existiert
• Beugungsverluste sind gering
• Verluste evtl. durch begrenzte Spiegel

b) Durch welche Bedingung ist ein stabiler Resonator gekennzeichnet?

• 0 kleiner gleich g_{1* g2 kleiner gleich 1}      wobei g₁ und g₂ die Spiegelparameter sind!           g:=1- (L/R)

a) Was versteht man unter einem instabilen Resonator?
Sie können diesen Begriff anhand einer Skizze erläutern.

• Bei einem Instabilen Resonator wird der Strahl an einem Spiegel vorbei ausgekoppelt. Im Gegensatz dazu wird dies bei einem Stabilen Resonator durch Teildurchlässige Spiegel gemacht.

b) Vorteile von instabilen Resonatoren?

• Bessere Ausnutzung des aktiven Mediums
• geringe Divergenz bei großem Resonator
• teildurchlässige Spiegel schwer herstellbar sind

• wenn das aktive Medium eine hohe Verstärkung besitzt
  (da das aktive Medium besser ausgenutzt wird)

c) Wann verwendet man instabile Resonatoren?

• Bei Hochleistungslasern, wenn man durch den Spiegel auskoppelt (stabiler Resonator) absorbiert dieser und verändert sich(erwärmt sich), der Spiegel kann schlecht gekühlt werden

• man fügt eine Modenblende (Irisblende) ein (TEM₀₀)
  (Strahlradius für TEM₀₀ ist sehr klein, deshalb sind die Verluste der anderen Moden sehr groß)
• durch Wahl des Blendendurchmessers können höhere Moden sukzessiv „abgeschaltet“ werden.