Einführung in die Lasertechnik. und. Lasermaterialbearbeitung. Prof. Dr.-Ing. Andreas Emmel

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Ursula Bach
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1 Einführung in die Lasertechnik und Lasermaterialbearbeitung

2 Gliederung LASER wie wird s gemacht? Licht was ist damit möglich?

3 Die Welt der Atome und Moleküle d = 20 nm Crommie M.F., Lutz C.P., Eigler D.M. Science 262 (1993) aus Barrow J.D.: Die Entdeckung des Unmöglichen, Spektrum (1999), S. 202

4 Anregen. Abregen stimuliertes Abregen Energie durch Energiezufuhr erhöht sich die Bewegung im Raum und die Bewegung der Atome zueinander Ein drei-atomiges Gas im Grundzustand

5 Anregen. Abregen stimuliertes Abregen den angeregten Zustand stabilisieren

6 Anregen. Abregen stimuliertes Abregen Δ E 2 = h f

7 Anregen. Abregen stimuliertes Abregen Verluste / Wärme Verluste / Wärme

8 Der Laser Laseraktives Medium Gas Festkörper Flüssigkeit Gefäß für das laseraktive Medium: Resonator Anregung optisch elektrisch thermisch chemisch

9 Gas-Laser, der Klassiker: CO 2 -Laser Anregung / Kühlung Optischer Resonator Leistungsmessung LAM Rückspiegel (T 0.5%) Anregung / Kühlung Auskoppel- Spiegel (T 40%)

10 Am Anfang war der Rubin Mainman 1960 Führt man einem Rubin (Cr:Al 2 O 3, mit ca. 0,05% Cr) Energie in Form von sichtbarem Licht zu, so pumpt man die e - der Cr-Ionen auf ein metastabiles E-Niveau. Beim Rückgang auf das Grundniveau emittiert der Rubin dann Laser-Licht der Wellenlänge 694 nm Kristalle und Laserstäbe Züchtungsdauer 1-6 Wochen, Diamanthohlbohrer

11 Festkörperlaser: Basiskristall: Y 3 Al 5 O 12 wird zu Nd:YAG Aluminium Tetraederlücken Yttrium (4d 1, 5s 2 ) Oktaederlücken Sauerstoff Basisgitter Neodym (4f 4,6s 2 ) Dotierungsatom (Austausch)

12 Aufbau von Lampen-gepumpten ( alten ) Nd:YAG-Lasern: Hochreflektierender Resonatorspiegel Laserstab Auskoppelspiegel Reflektor für Lampenlicht Anregungslampen, Blitzlampen, Bogenlampen Pro Stab etwa 50 bis maximal bei 800 W die Nd:YAG-Stäbe liegen typischerweise bei d = 7-10 mm und l von ca. 150 mm

Anregungslampen, Blitzlampen, Bogenlampen Pro Stab etwa 50 bis maximal bei

13 Die cw Festkörperlaser Kavitätenanordnung und modularer Versorgungsaufbau eines HL 2006 D mit Steuerung, Stromversorgung und Kühlung

14 Diodengepumpte Nd:YAG-Laser hohe Strahlqualität hoher Wirkungsgrad nahezu wartungsfrei typ. Diodenlebensdauer > h

15 ... es geht auch kleiner

16 Der Laserbetrieb cw Kontinuierlich, Dauerstrich, cw (continuous wave) der Laser strahlt immer zugeführte und abgeführte Energie liegen im Gleichgewicht Laserleistung Pumpen / Besetzungsinversion Zeit Zeit

17 Der Laserbetrieb gepulst diskontinuierlich, geplust der Laser strahlt unterbrochen Zuführen und Abführen von Energie erfolgen (überlappend) antizyklisch Pumpen / Besetzungsinversion Laserleistung Zeit in ms Zeit in ms

von Energie erfolgen (überlappend) antizyklisch Pumpen

18 Laser. Laser Laser.. Wellenlängen Leistungen..< 190, 248, 308, 350, 532, , 1062, nm + / - 0,3 pm - nm.. mw, W, 100 W, kw, multi kw.. kontinuierlich, 1 Hz. MHz.. ms, µs, ns, ps, fs Wirkungsgrade. ppm, 1-2 %, %, 30 % Strahlqualität. Gauß bis irgendwie Kosten.. 10 k, 100 k, 1 M, 10 M

19 Zusammenfassung Lasertechnik Für jeden industriellen Prozess gibt es den zur Zeit best möglichen Laser. best in höchstem Maße oder Grade gut; so gut wie irgend möglich Irgend zur Verstärkung der Unbestimmtheit. Unter irgendwelchen Umständen, [ Duden, Deutsches Universalwörterbuch]

best in höchstem Maße oder Grade gut; so gut wie irgend möglich Irgend

20 Gliederung LASER was ist damit möglich?

21 aus Atomen wird ein Festkörper Fe..knapp m lang

22 Ein Photon trifft auf den Festkörper

23 ..sorgen für Bewegung

24 Wärmewirkung des Lasers Laser- strahl => Absorption in der Oberfläche Metall Wärmeleitung ²T 1/k T/ t = -1/λ q(x,y,z,t) mit q(x,y,z,t): absorbierte Laserleistung k= λ/(ρc): Temperaturleitfähigkeit λ: Wärmeleitfähigkeit ρ: Dichte c: spezifische Wärme Universität Erlangen - Nürnberg Dr.-Ing. Dipl. Phys. Andreas Otto

25 Laserstrahlschneiden Vom Grobblech zum Feinschneiden - Brennschneiden von Baustahl bis 20 mm - Schmelzschneiden von rostfreiem Stahl bis 10 mm - Ausschneiden feinster Konturen Druckerrad Zentrierstern TRUMPF Universität Erlangen - Nürnberg Dr.-Ing. Dipl. Phys. Andreas Otto Baustahl (Dicke: 20mm) TRUMPF TRUMPF

26 Laserstrahltrepannierbohren Laserparameter: Q = 0,3 J τ H = 0,1 µs f P = 20 khz 50 Pulse Bohrungsdurchmesser/ -tiefe: = 60 µm t = 4000 µm Werkstoff: Werkzeug-Stahl (1.2510) Quelle: Lasag Universität Erlangen - Nürnberg Dr.-Ing. Dipl. Phys. Andreas Otto LFT 91/ 3911

27 Die Grundlagen der Laserbearbeitung mit Kurzpulslasern Laser Gas Schock wave Plasma O L S 0,4. T m Tiefe 0, 1-20 µm Metal Detonation wave Umschmelzen von Flächen (defokussiert) Nichtgleichgewichts Thermodynamik Dr. Mayerhofer, Rofin

28 Oberfläche nach einer Excimerlaserbelichtung

29 Zwischenstand GGL 1-2 µm dicke Schicht: nicht-zusammen-hängend Graphit nicht bedeckt übersättigte Fe Schicht glatt hart: N als interstitiell gelöstes Element Martensit Versetzungsdichte verformbar präzellulare Strukturen freigelegter Graphit

30 Eine Anwendung.. oder was ein µm (1/1.000 mm) ausmacht

31 Laserkonditionieren Laseranlagen SPI 20 / 400 Watt (mittlere Leistung) Fiber Rhino Scanner ARGES mit F-Theta-Linse (BW: 164mm; WD: 208mm) Software ARGES InScript Prozessgas ARGON in Schutzkammer Z-Lageregelung (manuell)

32 Laseroxidieren reaktives Umschmelzen von Alu-Legierungen HV 200 HV 120 HV

33 LASER wie wird s gemacht? sinnvoll Licht was ist damit möglich? effizienteres Gestalten bekannter Prozesse Erweitern deren Prozessgrenzen mit Photonen Neues gestalten

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