NANO TEHNOLOGIJE

LASERSKO GRAVIRANJE

MIRKO PETKOVI dipl. in. ma.

UVOD

Poetkom ezdesetih godina XX vijeka javlja se jedna nova grana istaivanja u obliku svjetlosti zvana Laser. Uvidevi raznovrsne mogunosti i prednosti ove tehnike i tehnologije kree njeno ubrzano prouava i razvijanje, pa u posljednjih dvadesetak godina uinilo da laser postane univerzalan alat koji se odlikuje visokom preciznou i energetskim svojstvima koja se mogu varirati u irokim granicama. Zahaljujui svojim specifinim svojstvima laser je postao primjeljiv u mnogim podrujima ljudske delatnosti. Danas uopte nije mogue zami-sliti dalji razvoj nekih podruja, kao to su: raunarska tehnika, mijerna tehnika, tele-komunikacije, medicina i obrada materijala bez primjene laserske tehnike i tehnologije.

Tenja ovjeka da svetlost Sunca iskoristi kao izvor energije za obradu metala nije mogla biti u potpunosti ostvarena. Zbog toga to se njenim fokusiranjem postie najvie 2,5W/cm2, a to je dovoljno samo da rastopi neke lako topivi metali, ali ne i da se izazovu efekti koji su potrebni za obradu skidanjem materijala.

Meutim, fokusiranjem laserskog zraka na vrlo malu povrinu, praktino u jednu taku, dobija se koncentracija energije od 108 W/cm2, a u nekim sluajevima ak i 1013 W/cm2, to je vie nego dovoljno da trenutno rastopi ili ispari i najtvri materijal.

Rije LASER potie od eng. naziva Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (pojaanje svetlosti stimulisanom emisiom zraenja).

Teorijske osnove procesa dobijanja laserskog zraka, tzv. stimulisane emisije postavio je Ajntajn (Albert Einstein) jo 1917. godine u okviru kvantne mehanike zraenja, ali je bilo potrebno vie od 40 godina da se ova ideja i praktino realizuje izgradnjom prvog lasera.

FIZIKALNI OSNOVE NASTANKA LASERSKOG ZRAKA

Laserski zrak se dobija u optikom rezonatoru, sastavni djelovi tog rezonatora su: kvantni generator, koga ini laserski aktivna materija, izvor svijetlosne pobude i dva paralelna ogledala. Lijevo koje 100% reflektuje svjetlost i desno koje delimino proputa svjetlost, to je prikazano na slici 1.

Slika 1. ema izvora laserske svjetlosti.

Stimulisana emisija se moe objasniti u poreenju sa spontanom emisijom koja se takoe odigrava u kvantnom generatoru. Treba naglasiti da se procesi, koji se opisuju na atomima, mogu u potpunosti prenjeti na njihove vee celine, odnosno na molekule ili jone ukoliko su isti sa naelektrisanjem. U ne pobuenom stanju elektron krui po putanji O koja odgovara njegovom energetskom nivou Eo (slika 2a), da bi spoljanjim delovanjem upadnog fotona energije h, predstavljenog talasastom linijom, bio pobuen i izbaen na putanju P (slika 2b).

Slika 2. ematski prikaz prelaska elektrona u atomima sa podesnim energetskim nivoima a) apsorpcija; b) spontana emisija

Prema drugom Borovom postulatu h =EpEo;

Plankova konstanta

Frekvencija upadnog fotona ; ; brzina svjetlosti (m) talasna duina laserske svetlosti. Ovaj proces se naziva apsorpcija elektromagnetskog zraenja, to je svojstvo samo odreene vrste materijala.

Pobueni elektron zadrava se kratko vreme (oko 10-8 s) u ovom stanju, a zatim se spontano, tj. bez spoljanjeg uticaja, vraa natrag u osnovno stanje emitujui pri tom apsorbovani foton energije h, slika 2b. Spontano emitovani foton, moe imati bilo koji pravac u prostoru nezavisno od pravca upadnog fotona, a trenutak njegove emisije i faza oscilovanja rasporeuju se statistiki. Spontana emisija se ne moe pojaati, pa prema tome ni dobiti eljeni laserski efekat.

Povratak elektrona direktno u osnovno stanje, odvija se samo kod manjeg broja elektrona, dok se kod veeg broja to ostvaruje u dva ili vie koraka, zavisno od vrste laserski aktivne materije. Izmeu dva susedna koraka elektron se kratko zadrava na odreenoj meu putanji, a ta energetska meu stanja se nazivaju metastabilnim. Tako npr. kod rubina se povratak eksitovanih elektrona ostvaruje u dva koraka, slika 3.

Slika 3.

U prvom koraku elektron prelazi iz pobuenog stanja u metastabilno, putanja oznaena sa M, i pri tom se jedan deo apsorbovane energije slobodno predaje kristalnoj reetki rubina, to se naziva neemisioni prelaz. Treba naglasiti da se energija koja se kod ovih prelaza predaje kristalnoj reetki troi na zagrijavanje laserskog tijela, zbog ega se ono mora intenzivno hladiti.U metastabilnom stanju elektron se takoe zadrava veoma kratko. Ako za to vreme na elektron spolja deluje upadni foton odreenih karakteristika, dolazi do interakcije i on u drugom koraku prelazi u osnovno stanje emitujui pri tom foton potpuno istih takvih karakteristika. Tako se dobijaju dva ista fotona: upadni (stimuliui) i indukovani (stimulisani). Ovaj stimulisani ili iznueni prelaz se naziva emisioni prelaz, a emitovana svetlost predstavlja stimulisano zraenje ija je frekvencija m odreena jednainom

Intenzitet stimulisanog zraenja kvantnog generatora zavisi od broja elektrona prevedenih u metastabilno stanje, s tim to e on biti utoliko vei, ukoliko je vei broj pobuenih atoma.Slika 4. Proces stimulisane emisije.

Emitovani fotoni pobuuju druge elektrone koji se nalaze u metastabilnom stanju i tako nastaje lanana reakcija u kojoj se pobuuje veliki broj elektrona na stimulisanu emisiju zraenja koje tako postaje sve intenzivnije.

Ovo jo nije dovoljno za pojavu stimulisanog zraenja u velikom obimu. Verovatnoa interakcije upadnog fotona sa elektronom u metastabilnom stanju je relativno mala, a osim toga upadni foton se uvek moe na svom putu apsorbovati pre nego to izvri stimulaciju. Zato se za dobijanje punog laserskog efekta koristi rezonantna upljina slika 5, koju sainjavaju dva paralelno postavljena ogledala.

Slika 5. Usmeravanje i pojaavanje laserske svjetlosti u rubinskom rezonatoru

Kada energija stimulisanug zraenja dostigne odreeni nivo koji je vei od gubitaka u rezonatoru, onda laserski zrak prolazi kroz delimino propusno ogledalo i sa njim se dalje moe optiki postupati kao i sa obinom svjetlou.Svetlost koju emituje laser je monohromatska, tj. ima samo jednu talasnu duinu i frekvenciju oscilovanja. Laserska svjetlost je i koherentna, ostvaruje se potpuno slaganje talasa koji su u fazi. To svojstvo se obezbeuje postavljanjem refleksnih ogledala na od-stojanje.

Svjetlost iz jednog lasera se moe propustiti kroz sledei koji omoguuje dalje pojaanje.

RASPODJELA INTAZITETA U LASERSKOM ZRAKU

Laserski zrak koji se dobija iz rezonatora nema isti intenzitet po celom poprenom preseku. S obzirom na veliki znaaj koji raspodela intenziteta ima kod razliitih primena lasera.Raspodela intenziteta po poprenom preseku laserskog zraka opisuje njegove transverzalne oscilacije koje se oznaavaju sa TEMm,n, to je skraenica od: Transverse Elektromagnetic Mode (transverzalni elektromagnetski mod).

Raspodela intenziteta najnieg, osnovnogmono moda TEM00 ima oblik Gauss-ove raspodele u osnom preseku zraka sa izrazitim picom u sredini, slika 6.a. Karakteristika laserskog zraka ovog moda je to se moe fokusirati na povrinu veliine teorijskog minimuma, a to znai da se mogu dobiti najvee koncentracije snage zraka po jedinici povrine. Ovaj mod pogodan je za vrlo precizne obrade i zbog toga se veina proizvoaa lasera trudi da proizvede rezonatore koji rade upravo u osnovnom modu.

Raspodele intenziteta viestrukogmulti moda su uglavnom bez izrazitih piceva, slika 6b.

Slika 6. Dva karakteristina moda raspodele intenziteta laserskog zraka a) osnovnimono mod; b) viestrukimulti mod

Treba imati u vidu i reim u kome laser radi, razlikuje se kontinualni cw (continous wave) i impulsni pw (pulse wave) reim rada lasera. Kod kontinualnog reima rada, nominalna snaga laserskog zraka stoji stalno na raspolaganju, dok se kod impulsnog reima rada ona emituje u intervalima, koji zavise od parametara tih impulsa. Ovo je jedna od vanijih karakteristika lasera koju treba imati u vidu kod njegove praktine prijmene

GEOMETRISKE KARAKTERISTIKE LASERSKOG ZRAKA

Laserski zrak, koji izlazi iz rezonatora, vodi se optiki pomou prizmi i ogledala prema povrini obratka ili kroz optike provodnike. Neposredno pre usmeravanja na samu povrinu, laserski zrak se fokusira da bi se na taj nain dobila to manja povrina poprenog preseka zraka a to vei intenzitet.

Slika 7. Karakteristine veliine fokusiranog laserskog zrakaa) fokusiranje pomou parabolinih ogledala, b) fokusiranje pomou sabirnih soiva

ELEMENTI LASERSKOG POSTROJENJA

Laser, odnosno jedinica za dobijanje laserskog zraka Optiki sistem za voenje i oblikovanje zraka Sistem za hlaenje laserske jedinice i optikog sistema Jedinica za napajanje elektrinom energijom ili energetskim gasovima; Sistem za kontrolu i upravljanje celim postrojenjemSistem sigurnosti.

Slika 8.

Aktivna materija lasera moe biti u sva tri agregatna stanja.

vrsti laseri se prave sa rubinskim emitorom (Al2O3) uz dodatak jona hroma (Cr+3) ili neodijuma (Nd+3) kao aktivnih jezgara, itrijumskoaluminijumski oksid (Y3Al5O12) sa jonima neodijuma kao aktivnim jezgrima, tzv. YAGlaser, zatim razne vrste stakla itd. Uglavnom rade u im-pulsnom reimu da bi se izbeglo veliko zagrevanje laserskog tela.

Gasoviti laseri su veoma rasprostranjeni, a za obradu se najee koristi CO2laser iju gasnu smesu ine: azot (N2) i helijum (He), uz dodatak ugljen dioksida (CO2) koji igra ulogu aktivne materije, kao i smese helijuma (He), neona (Ne), argona (Ar) i kriptona (Kr). Mogu da rade u kontinualnom i impulsnom reimu.

Teni laseri nisu nali primenu u ureajima za obradu materijala. Inae se kao tena laserska tela koriste neorganski rastvori soli: fosforoksihlorid (POCl3) i selenoksihlorid (SeOCl4) sa dodatkom olovo tetrahlorida (PbCl4).

LASERSKO GRAVIRANJE

Kako se razvili ureaji za upravljnem laserskim zracima a i kretanjem tj .upravljanje pomonih osa na mainama na konvencionalnoj obradi. Uocila se mogunost da se laserski zrak iskoristi za graviranje. Poznato je da svaki industrijski proizveden dio treba da se oznai radi kasnije identifikacije. Oznaka mora biti trajna i to je najvei problem postupaka koji koriste nalepnice, ispisivanje bojom i sl. Isto vai i za skale mjernih instrumenata, koje uz to moraju biti i vrlo precizno izraene, ploice za identifikaciju maina i drugih ureaja, bar kodove, bez kojih se danas ne moe ni jedan proizvod plasirati na trite itd. Sve ovo se danas radi pomou lasera i to mnogo preciznije, lepe i apsolutno trajno.

Pri graviranju laserski zrak topi povrenu materiajala koja isparava usljed velike kolicine toplote koja je skocentrisanj u jednu taku. Zapravo, skidanje materijala pri obradi laserom ostvaruje se putem absorbcije svjetlosne energije laserskog zraka u povrinski sloj materijala obratka, koji se zagreva na temperature od 4000 do 6000 K. Tako visoke temperature dovodi do trenutnog rastapanja, isparivanja ili sagorevanja bilo kog materijala.

Na raun apsorbovane energije laserskog zraka nastaje krater ija dubina i prenik zavise, od energetskih karakteristika zraka.

Slika 9. Zavisnost dimenzije kratera od intenziteta laserskog zraka I za vreme obrade; II posle obrade

Proizvodnost (masa ili zapremina skinutog materijala u jedinici vremena), tanost obrade (tolerancija izrade mera) i kvalitet obrade (hrapavost povrine i stanje povrinskog sloja) zavise od energije izvora, odnosno specifine snage u fokusu (W/cm2).

Laseri za graviranje koji se koriste u industriji, svijetu tampe, su snage 12 do 50W tako da laser te snage samo propaljuje povrinu obratka i ostavlja rez u obliku traga koji tokom obrade poprima razumljivu gravuru ili smiso pa je ovaj postupak tako i nazvan LASERSKO GRAVIRANJE.Kako se graviraju razni materijali podeava se i jaina laserskog ureaja ako za to ima potrebe.U praktinom smislu lasersko graviranje predstavlja proces prilikom koga dolazi do paljenja, topljenja i isparavanja materijala koji je izloen laserskom snopu. Obrada materijala laserskom tehnologiom ima brojne prednosti. Nema kontakta, proces je ist i suv, fleksibilan i ekonomian. Laserske gravure su trajne, otporne na hemikalije, UV zraenja i ogrebotine.

Slika 10. ema laserskog oznaavanja

Kod graviranja laserom imamo dva naina graviranja: Sa skidanjem materijlaTermika apsorcija zraka , slika 11.Fotohemijska reakcija

Bez skidanja materijalaPromjeni povrinske poje materijalaPromjna povrinske strukture materijal.

U praki se uglavnom koristi termiko graviranje, tj. povinsko isparavanje materijala zbog materijla koji se primjenjuju. Za druge vidove graviranja potrebne su dodatna specifina svojstva materijala.

Slika 11. Termika apsorcija zraka

Stepen preklapanja (stopa preklapanja)

Stopa preklapanja laserskih zraka je mjerilo u kojem opsegu novi krater preklapa predhodni. Stopa preklapanja utie na kvalitet ivica gravure (grafikog dizajna). Stopa preklapanja se mijenja sa frekvencijom impulsa i brzinom zraka.

Slika 12.

v- brzina zraka; f- frekvencija; D prenik zraka.

Kako su veliine i f za jedan laser konstantne, onda se promena prenika zraka u fokusu moe vriti jedino primjenom prenika Ds laserskog zraka na fokusirajuem soivu. To se postie primenom posebne podeavajue teleskopske optike koja se ugrauje ispred fokusirajueg soiva, slika 13.

Slika 13.

Poloaj fokusa lasera utie na obradu graviranjem, poloaj fokusa drastino utie kako na oblik, tako i na dubinu rupe, slika 14.

Slika 14.

Laserska postrojenja su opremljena automatikom kojom se fokus zraka dovodi tano na povrinu obratka, ak i onda kada je ta povrina reljefna promjenjiva.

Primmeri laserskog graviranja

LASRSKI SISTEMI

iree trite laserskih sistema prinudilo je proizvoae da razviju nove, impresivnije sobine za maine za graviranje i seenje. Pored ostalih novih osobina, proizvoai su poveali raspon laserske snage u svojim sistemima. Pratea inovacija razvoja tehnologije laserskih cevi je bila i pojava kompaktnih laserskih cevi manjih dimenzija. Duina tipine laserske cevi je bila skraena na polovinu u odnosu na laserske sisteme od pre samo par godina. Krae laserske cevi su dale mogunost proizvoaima da naine sisteme manjih dimenzija.

Slika 15. Laserski sistem Venus

Komponente sistemaModerni laserski sistemi sadre tri glavne komponente: glavnu lasersku sistemsku jedinicu, upravljaku elektroniku i upravljaki softver printer drajver.

Slika 16. Glava sa soivom, ogledalom i auto fokusomZa graviranje se preteno korise laseri sa CO2 aktivna materija. Tokom godina, CO2 laserske cevi su postajale sve pouzdanije.4