PRELUCRAREA CU LASER 20.1. Generaliti La baza prelucrrii cu laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation amplificarea luminii prin emisia stimulat a radiaiei) st utilizarea razei luminoase continue sau n impulsuri, emis de un generator optic cuantic. Prin raza laser se pot prelucra orice fel de materiale, deoarece temperatura n punctul de aplicare a razei, n majoritatea cazurilor, depaete 5000 - 8000. C 20.2. Principiul aciunii generatoarelor optice cuantice Funcionarea generatoarelor optice cuantice se bazeaz pe utilizarea rezervelor de energie intern ale atomilor i moleculelor. n practic se folosesc microsisteme mai complexe, ce constau dintr-un mare numr de microparticule (sisteme atomice sau moleculare). La studiul unor astfel de sisteme, este necesar s se considere influena reciproc a atomilor i interaciunea lor cu cmpurile electromagnetice exterioare. Ca rezultat al acestei interaciuni, o parte din atomii sistemului se vor afla ntotdeauna pe nivele mai nalte. n conformitate cu legea lui Boltzman cu ct este mai nalt nivelul, cu att este mai mic numrul de atomi ce se vor afla pe el (densitatea nivelului). La trecerea spontan a electronilor pe nivele inferioare, atomii sistemului iradiaz haotic cuante de energie luminoas (fotoni) de diferite lungimi de und, adic se produce o emisie necoerent de oscilaii (care nu corespund ca faz i direcie) de diferite 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 aciunea unui cmp electromagnetic exterior, a carui frecven corespunde frecvenei de trecere, atunci emisia ce apare se numete indus sau stimulat. n acest caz, atomii dau surplusul lor de energie sub forma emisiei electromagnetice coerente. La o astfel de emisie indus, toate particulele sistemului oscileaz simultan i n faz, adic coerent. Aceast emisie acoper un spectru foarte ngust de frecven i este aproape monocromatic. Industrial, pentru obinerea emisiei induse se creaz un sistem cuantic - 312 -

excitat n care particulele se afl cu precdere pe nivele superioare, adic sisteme de densitate invers. Un astfel de sistem se numete mediu activ. Pentru obinerea densitii inverse n microsisteme, cel mai frecvent se aplic metoda cu trei nivele. n sistemul construit dupa aceast metod se petrec urmtoarele procese

Schema sistemului cu trei nivele

Dac asupra unui sistem cu densitatea pe nivele reprezentat n figura 1.a. se aplic un cmp exterior destul de intens Eext care d o frecven egal cu frecvena de trecere ntre nivele 1 i 3 (1,3) vor apare treceri ntre aceste nivele. Ca rezultat se produce micorarea densitii nivelului 1 N1 i creterea densitii nevelului 3 N3 (ca n figura 20.1.b.). Dup un timp, o parte din particulele de pe acest nivel trec spontan pe primul nivel, iar o alt parte pe al doilea. n acest caz, viteza trecerii 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 densitatea N2 devine mai mare ca densitatea N1 a nivelului de baz. n acest fel, n sistem apare o densitate invers a nivelelor, neaprat necesar pentru obinerea unei emisii induse. Particulele stau un timp pe nivelul al doilea i apoi trec n starea de baz, cu emisia energiei luminoase Eem de frecven corespunztoare trecerii ntre nivele 2 i 1, 2,1. Emisia indus apare ca urmare a faptului c primul foton emis creeaz un cmp, care acioneaz asupra atomilor vecini excitai si provoac trecerea lor n starea de baz. Practic, se petrece simultan emisia fotonilor de aceeai frecven. Astfel, emiterea unui foton provoac n mediul activ emisia fotonilor altor atomi excitai. Dei are loc reacia n lan, se constat ca nu toi atomii excitai ai mediului se supun aciunii stimulatoare a celorlali fotoni i coeficientul folosirii

atomilor excitai este practic nensemnat. Pentru mrirea acestui coeficient s-a propus plasarea mediului activ ntre dou oglinzi plane paralele, oblignd fotonii stimulai s traverseze de mai multe ori mediul, reflectndu-se de oglinzi. Sistemul de oglinzi paralele reprezint un rezonator de unde optice. Dac ntr-un astfel - 313-

de 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 n acest caz se va produce amplificarea (creterea intensitii emisiei). Dac una dintre oglinzi este semitransparent, atunci o parte a emisiei va putea iei prin ea n mediul exterior. Radiaia care iese din rezonator, prin oglinda semitransparent, va avea un unghi foarte mic de divergen i practic va forma o raz ngust. n cazul n care amplificarea va fi suficient, depind pierderile, apar oscilaii electromagnetice puternice n diapazonul de unde luminoase. Fotonii emii se afl ntr-o lrgime de band foarte ngust unda fiind monocromatic (coeren temporar), iar pentru c divergena fascicolului emis este 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 cuantice Principial, orice laser trebuie s conin urmtoarele trei pri de baz: substana activ (mediul activ), rezonatorul optic i sursa de energie pentru aducerea sistemului n stare excitat (asa numita surs de pompare). Se folosesc patru feluri de medii active, corespunztor crora laserele se mpart n urmtoarele patru tipuri: lasere cu mediu solid, lasere gazoase, semiconductoare i lichide. Cea mai 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 rubin sintetic (diametrul barei poate fi 0,5-11 cm, iar lungimea sa 2-10 cm). cristalul de rubin conine 0,05% crom. Feele barei de rubin au fost executate perfect plane, reciproc paralele i perpendiculare pe axa longitudinal. Pentru ca feele s prezinte proprieti de reflexie, li s-a aplicat o acoperire de argint astfel ca una din fee s devin 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 i cripton, 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 raz cu divergen unghiular a 0,1 care iese sub forma unui fascicol prin suprafaa parial reflectant. Aceast construcie de laser furnizeaz o densitate de flux de 2 2 civa [kW/cm410 ], iar tipurile mai perfecionate civa [MW/cm ]. Durata impulsurilor radiaiei luminoase a acestui laser variaz de la cteva milisecunde pn la nanosecunde. Un alt mediu activ aplicat n laserele puternice de impuls, este sticla cu adaos de neodim (sticla neodim). Aceste lasere emit ntr-un diapazon apropiat infraroului, de lungime de und 1,06. La aceeai energie de emisie, laserele cu sticla neodim au dimensiuni ceva mai mari ca cele de rubin, din cauza parametrilor mai redui ai substanei active, dar tehnologia producerii lor este mult simplificat. S-au fabricat o mare varietate de substane solide, corespunztoare ca medii active n lasere. Totui majoritatea acestor substane pot da emisie laser numai la rcirea lor pn la temperaturi sczute. Avantajele laserelor n gaze sunt: o mai mare coeren a radiaiei dect la laserele n mediu solid i o mai mic divergen a fascicolului. La construcii corespunztoare, aceste lasere au de asemenea o bun stabilitate a frecvenei de emisie. Al treilea tip de laser care a cptat rspndire este produs de generatorul optic cuantic cu semiconductoare. Cea mai mare dezvoltare au cptat-o laserele cu semiconductoare cu arseniur de galiu. 20.4. Aplicaiile laserului

Laserul a gsit numeroase aplicaii; dintre acestea cele mai importante sunt n domeniile: - metrologie : msurri fine cu precizii de ordinul micronilor, msurri n medii inaccesibile, granulometria pulberilor fine - 315 -

(diametre de 1-100), msurarea deformrilor prin holografie (msurare fr contact cu precizie superioar unui micron); - masurri: n fizica spectral (spectrografia corpurilor transparente prin excitaie laser i spectrografia corpurilor solide, defectoscopie); la msurarea unghiurilor mici de rotaie cu girometru cu laser, etc; - fizica nuclear: (lasere de mare putere) la producerea reaciilor de fuziune a atomului 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 controlul proceselor, memorie magneto-optic, etc); prelucrarea optic a semnalelor (obturatoare optice n fotografiere, sub form de semnal); - telemetrie: geodezie, altimetrie (msurarea nlimii i reliefului), aplicaii spaiale i militare, aplicaii nautice; - tehnologii neconvenionale cu aplicaii industriale: - etalonarea poziionrii la mainile-unelte prin interferometrul cu laser (funcionarea interferometrului se bazeaz pe interferena optic a dou unde luminoase, cu aceeai lungime de und, care se anuleaz dac maximele unei unde corespund minimelor celeilalte sau se amplific dac maximele i minimele lor se suprapun); - poziionarea de precizie la mainile-unelte cu comand numeric (dublnd traductoarele de poziie ale mainii); - echilibrarea static i dinamic a pieselor fr aplicarea eforturilor mecanice; - prelucrarea metalelor cu raze laser: sudarea materialelor greu fuzibile, gurirea orificiilor de diametru mic n materialele refractare (diametre de civa microni), decupri n metale sau n materiale plastice cu o grosime de civa centimetrii. Se pot face astfel guriri i decupri n placi metalice subiri de grosime 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 (ajustarea rezistenelor 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), prelucrarea metalelor (decuparea metalelor refractare, sudarea materialelor necompatibile, maini de decupat cu comand program, gurire, etc), orologie (formarea rubinelor, sudarea spiralelor de20.4.1. Tehnologii neconvenionale cu aplicaii industriale Apariia laserelor cu emisie de mare putere a deschis largi posibiliti pentru elaborarea unor procese tehnologice perfecionate n diferite domenii. nalta coeren spaial i temporal a emisiei laserului a permis focalizarea razei lui pe suprafaa metalului de prelucrat cu ajutorul unui sistem optic simplu. Raza laser focalizat, poate vaporiza chiar materialele greu fuzibile. 20.4.1.1. Gurirea cu laser Primele instalaii tehnologice cu laser au fost instalaiile pentru gurirea diferitelor materiale. Gurirea cu laser este indicat pentru obinerea gurilor de diametru mic n materiale foarte dure (n filierele de diamant) sau a gurilor sub diferite unghiuri (cu precizie maxim) n materiale de mare duritate (n construcia avioanelor). n fig. 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 laser Avantajul tierii cu laser const n faptul c tierea este mult mai ngust. Cu un laser de CO2 cu puterea 200[W] cu adaos de oxigen se pot tia plci de oel cu

grosimea de 1[mm] cu o vitez de tiere de 1[m/minut]. Pentru operaiile de tiere se folosesc obinuit lasere cu CO2 , cu diametrul fascicolului de 3-30[mm] i lungimea de und de 10,6. - 317 -

20.4.1.3. Sudarea cu laser Instalaiile de sudat cu laser se utilizeaz din ce n ce mai mult pentru sudarea componentelor cu seciuni mici i pentru sudri adnci cap la cap la materiale cu o grosime relativ mare: 0,5-5[cm]. Sudarea prin puncte, cu laser, este mult utilizat n microelectronic unde se pune problema mbinrii unor componente foarte mici, fr influenarea zonelor adiacente sudrii. Cu ajutorul ei se pot realiza deosebit de eficient: montajul microschemelor, circuite imprimate si integrate, lipirea terminalelor schemelor cu straturi subiri, etc. 20.4.1.4. Frezarea cu laser Dac piesa este deplasat ncet sub raza focalizat a unui laser destinat guririi, gurile realizate, ca urmare a impulsurilor, vor forma un li, exact ca la o main de frezat. 20.4.1.5 Echilibrarea dinamic folosind laserul. Echilibrarea dinamic se poate face prin adugarea sau prin ndeprtarea materialului suplimentar. Pentru ndeprtarea materialului din locul dezechilibrului, n timpul rotaiei, poate fi folosit laserul. n figura 20.4 este prezentat schema bloc a unei instalaii de echilibrat dinamic cu laser.

Schema principial a unei instalaii cu laser pentru echilibrarea dinamic. a-emitorul laser; b-obiectiv; c-giroscop d-semnal de dezechilibrare; e-dispozitiv de msurare a dezechilibrului; f-semnal de sincronizare; g-dispozitivul de telecomand; h-semnal de comutare; i-pupitru pentru alimentare.

Avantajul echilibrrii cu laser const n faptul c echilibrarea se face n tinpul rotaiei, fr ca piesa s fie oprit. Procedeul este mai exact, nu apar deformri n lagre, iar procesul de echilibrare se poate urmrii continuu.