Laserei

• Beschreibung durch Drude-Theorie
• Wechselwirkung erfolgt über die Elektronen
• Verknüpfung mit Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit
• Energieaufnahme der Elektronen nur in Verbindung mit Stößen
• Bei Metallen Mechanismus der “Inversen Bremsstrahlung”
• Beschreibung durch “Plasmamodell” möglich

- elektronische Polarisation (Auslenkung der Elektronen um die Ruhelage der Atomkerne): 10¹⁴ < omega< 10¹⁶ Hz

– ionische Polarisation (Verschiebung unterschiedlich geladener Ionen im Gitter gegeneinander): 10¹² < omega< 2*10¹⁴ Hz

– Orientierungspolarisation (Ausrichtung permanenter Dipolmomente im elektrischen Feld): omega< 6*10¹² Hz

Für Laserstrahlung (z.B.: OmegaCO2 = 1,78*10¹⁴ Hz; Omega Nd:YAG = 1,78* 10¹⁵ Hz) liegt insbesondere ionische, aber auch elektronische Polarisation vor

Charakteristische Eigenschaft:
Die Elektronen im Isolator sind fest an die
Atomkerne gebunden.

Ein freies Elektron kann aus einer elektromagnetischen Welle keine Energie aufnehmen.

Mit der positiven Halbwelle wird es beschleunigt, mit der negativen verzögert.

Das temperaturabhängige Absorptionsverhalten von Metallen kann mit Hilfe der experimentell bekannten Leitfähigkeitsänderung beschrieben werden. Da die Wärmeleitfähigkeit K(T) für viele Metalle bis zur Verdampfungstemperatur bekannt ist, kann mit Hilfe der Wiedemann-Franz-Beziehung der Einfluss der Festkörpertemperatur auf die Elektronenstoßfrequenz berechnet werden.

Die einfallende elektromagnetische Laserstrahlung führt zu gerichteten Schwingungen geladener Teilchen und damit zu Polarisationseffekten im Isolator, die sich mit dem Modell des harmonischen Oszillators beschreiben lassen.

Der Absorptionsgrad AL der Laserstrahlung ergibt sich:
RL = Reflexionsgrad
TL = Transmissionsgrad

AL + RL + TL = 1

Bei Metallen ist die optische Eindringtiefe der Laserstrahlung derart gering (10-8 bis 10-10 m), dass sie in der Regel klein gegen die Dicke des Werkstücks ist (TL = 0). Der Absorptionsgrad folgt dann direkt aus den Fresnel-Formeln.

Für senkrechten Einfall gilt mit TL = 0:
 

Nur die Rauheit nimmt Einfluss

Bewegte optische Systeme, die aus einem bzw. zwei um jeweils eine Achse beweglichen Spiegeln bestehen, werden Schwingspiegel genannt. Diese werden zur schnellen Strahlablenkung z.B. in Beschriftungssystemen als auch in der Oberflächentechnik zur gezielten Steuerung von Temperaturprofilen eingesetzt.

Vorteile :
- Homogenisierung der Intensitätsverteilung
- Flexibilität bei Bearbeitungsgeometrie und Temperaturverteilung

• Laserstrahlhärten mit unterschiedlichen Lasertypen: CO2-, Scheiben-, Faser-, Diodenlaser
• Strahlformung durch reflektive Optiken
• Strahloszillationen mit Frequenzen > 200 Hz -> quasi-stationäre Temperaturfelder
• Typische Scanwinkel < 8 °

Die Erstarrung erfolgt entweder in einer stabilen (planare Erstarrung) oder in einer instabilen Erstarrungsfront (Bildung von Zellen und Dendriten). Bei hohen Erstarrungsgeschwindigkeiten tritt nur die planare Erstarrung auf.

Erstarrungsmorphologie:
Die Erstarrungsmorphologie variiert mit dem Parameter G/ve. Mit abnehmendem Verhältnis G/vS erfolgt eine Änderung der Erstarrungsmorphologie von planar über zellular nach dendritisch.

Feinheit der Gefügestruktur:
Die Feinheit der Gefügestruktur hängt von der lokalen Abkühlrate ( = G ve )ab. Mit zunehmenden Abkühlraten (G . vS ) wird eine feinere Gefügestruktur erzielt.