Klausurvorbereitung. Lasertechnik I+II. Lehrstuhl für Fertigungstechnologie PD Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Andreas Otto. Seite 1

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1 Klausurvorbereitung Seite 1

2 Nennen und erläutern Sie kurz die zwei wesentlichen Eigenschaften von Laserstrahlung! Zeitliche Kohärenz: hoch da monochromatische Strahlung Räumliche Kohärenz: hoch wegen räumlich abhängiger Einzelemissionen WS; Kapitel 2, Seite 21 und Kapitel 1, Seite 12 Seite 2

3 Die Fertigungsverfahren werden von der DIN 8580 in Hauptgruppen eingeteilt. Nennen Sie vier Hauptgruppen und jeweils ein Beispiel aus dem Bereich der Laserstrahlfertigungsverfahren! Umformen z.b. Laserstrahlbiegen Urformen z.b. Laserstrahlsintern Trennen z.b. Laserstrahlschneiden Fügen z.b. Laserstrahlschweißen Beschichten z.b. Pulverbeschichten Stoffeigenschaften ändern z.b. Laserstrahlhärten WS; Kapitel 1; Seite 18; Seite 3

4 Nennen und erläutern Sie kurz die physikalischen Größen zur eindeutigen Beschreibung einer elektromagnetischen Welle! Wellenlänge λ: Energie der Welle Amplitude der Feldstärke: Intensität der Strahlung Polarisation: zeitl. Richtungsverlauf des Feldstärkevektors WS; Kapitel 2; Seite 2 Seite 4

5 Erläutern Sie mit einer Skizze die folgenden drei Interferenzphänomene zwischen zwei elektromagnetischen Wellen: Konstruktive Interferenz - Destruktive Interferenz - Schwebung WS; Kapitel 2; Seite 5,6,12; Seite 5

6 Erklären Sie mit Hilfe der relevanten Interferenzphänomene aus vorhergehender Aufgabe die Funktionsweise der Interferometrie! Überlagerung der vom Werkstück reflektierten elektromagnetischen Welle mit einer Referenzwelle Konstruktive bzw. Destruktive Interferenz je nach Entfernung zum Messobjekt (Laufzeitunterschied) Phasenversatz ergibt Hell-Dunkel Ergebnis Ev. Ergebnisaufbereitung durch Falschfarbendarstellung WS; Kapitel 2, Seite 9; Seite 6

7 Was versteht man unter der Besetzungsinversion in einem laseraktiven Medium? Erläutern Sie mit Hilfe einer Skizze den Unterschied zum thermodynamischen Gleichgewicht! Thermodyn. Gleichgewicht Besetzungsinversion WS; Kapitel 4; Seite 6; Seite 7

8 Warum ist es einfacher in einem 4-Niveau System eine Besetzungsinversion zu erreichen als in einem 3-Niveau System? Erläutern Sie diesen Sachverhalt. Beim 3-Niveausystem ist der Grundzustand einer der am Laserübergang beteiligten Niveaus. Beim 4-Niveausystem müssen weniger Atome/Moleküle durch Pumpen in angeregte Zustände versetzt werden, da das untere am Laserübergang beteiligte Niveau fast immer leer ist. 3-Niveau System: Anzahl der Zustände die angeregt werden müssen: > 50% 4-Niveau System: Anzahl der Zustände die angeregt werden müssen: 1 WS; Kapitel 4; Seite 15,17; Seite 8

9 Beschreiben Sie mit Hilfe der drei Strahl-Stoff Wechselwirkungen auf atomarer Ebene die Entstehung von Laserlicht in einem Resonator! Absorption von Licht Anregung von Atomen. Sog. Pumpen mit Licht oder HF Spontane Lichtemission Atom fällt in Grundzustand unter Aussendung eines Photons. Initiatorphoton für Laserstrahlung Lichtverstärkung über Induzierte Emission Ankommendes Photon stimuliert angeregtes Atom zur Emission (gleiche Richtung, Phase, Wellenlänge) Diese Kettenreaktion muss in axialer Richtung im Resonator anlaufen damit eine Rückreflektion stattfindet. WS; Kapitel 4; Seite 4,8,9; Seite 9

10 Beschreiben Sie den Einfluss der folgenden Parameter auf den minimal erreichbaren Fokusradius bei der Fokussierung von Laserstrahlung: Wellenlänge: Kürzere Wellenlänge Kl. Fokusradius Brennweite der Fokussieroptik: Verringerung Brennweite Kl. Fokusradius Rohstrahldurchmesser: Gr. Rohstrahldurchmesser Kl. Fokusradius WS; Kapitel 7; Seite 6; Seite 10

11 Beim Einsatz von CO2-Lasern in Werkzeugmaschinen entstehen ohne Kompensationsmechanismen beim Verfahren der Achsen unterschiedliche optische Weglängen für den Laserstrahl. Welche Auswirkungen hat dies auf die Strahlgeometrie? Nennen und erläutern Sie kurz zwei technische Lösungskonzepte, um diese Einflüsse zu kompensieren. Unterschiedliche Aufweitung des Rohstrahls. TELESKOP: Aufweitung des Rohstrahls Geringere Strahldivergenz kl. Einfluss POSAUNE: Optische Weglänge wird über aktive Zusatzachse konstant gehalten ADAPTIVE OPTIK: Adaption der Strahlform über variabel gekrümmten Spiegel. WS; Kapitel 7; Seite 20; Seite 11

12 Bezeichnen Sie die Typen der unten dargestellten optischen Fasern und zeichnen Sie jeweils einen typischen Strahlverlauf im Inneren der Faser! WS; Kapitel 7; Seite 29; Seite 12

13 Die Zeichnung ist ein Querschnitt durch den Resonator eines lampengepumpten Nd:Yag Laser. Beschriften Sie die Komponenten an den Pfeilen und zeichnen Sie einen geeigneten Reflektor für dieses System! Begründen Sie! Doppelellipse: Sämtliche Strahlen aus dem ersten Brennpunkt werden in den zweiten Brennpunkt der Ellipse reflektiert. Effektive Ausnutzung der Pumpleistung (2) WS; Kapitel 9; Seite 11; Seite 13

14 Nennen Sie drei Eigenschaften von Glas die für den Einsatz als laseraktives Medium in einem Nd:Glas Laser relevant sind! Vorteile von Glas: hoch dotierbar in größeren Abmessungen herstellbar als YAG Nachteile von Glas: geringe Wärmeleitfähigkeit nur gepulst mit geringen Repititionsraten betreibbar WS; Kapitel 9; Seite 20; Seite 14

15 Erklären Sie kurz den Effekt der thermischen Linse bei Festkörperlasern! In modernen Festkörperlasern wird dieser Effekt durch die Optimierung der Kühlung des laseraktiven Mediums reduziert. Welche drei Konstruktionsformen von laseraktiven Medien bzw. Lasertypen sind neben dem klassischen Stablaser auf dem Markt verfügbar? Nennen Sie drei weitere Möglichkeiten zur Minderung des Effektes der thermischen Lines bei Festkörperlasern! Da der Laser nur auf der Außenfläche gekühlt wird, bildet sich ein Temperaturprofil im Laserstab aus. Die optische Weglänge ist aufgrund dieses Temperaturprofils im Inneren des Laserstabes größer als am Rand. Der Laserstab wirkt daher wie eine Linse und verändert die Resonatorparameter/Strahlqualität. Faser(laser) - Scheibe(nlaser) - Slab(laser) Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Wirtskristalls Effizientes Pumpen mit Diodenlasern Gepulster Betrieb WS; Kapitel 9; Seite 15 und 19 und 27-29; Seite 15

16 Nennen Sie drei Vorteile von optischen Messverfahren gegenüber taktilen Messverfahren! Messung ist berührungslos. Hohe räumliche Auflösung Hohe zeitliche Auflösung, schnell Auch im Vakuum oder unter erschwerten Bedingungen möglich WS; Kapitel 11; Seite 3; Seite 16

17 Nennen und beschreiben Sie kurz zwei Wirkprinzipien bei der optischen Entfernungs- und Längenmesstechnik! Laufzeitmessung / Phasenvergleichsmessung: Die Entfernung vom Messobjekt korreliert zum Phasenversatz (zw. Referenzstrahl und Messstrahl) bzw. zur Laufzeit des Lichts. Triangulation: Unter einem Winkel Projektierter Messpunkt/-linie wird mit einer (Zeilen-)kamera aufgenommen. Die Position auf dem Sensor ist abhängig von der Entfernung zum Messobjekt. WS; Kapitel 11; Seite 6,9; Seite 17

18 Welcher physikalische Effekt kann zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit von bewegten Objekten eingesetzt werden? Erklären Sie diesen kurz! Doppler-Effekt: Eine ausgesendete elektromagnetische Welle trifft auf das Messobjekt. Je nach Geschwindigkeit des Messobjekts verschiebt sich die Wellenlänge des rückreflektierten Strahls Alternativ: Differentielle Laufzeitmessung WS; Kapitel 11; Seite 12; Seite 18

19 Skizzieren Sie den Aufbau der Stereolithographieanlage schematisch und beschriften Sie ihn! SS; Kapitel 2; Seite 19; Seite 19

20 Skizzieren und beschriften Sie das Verfahrensprinzip des Laminated Object Manufacturing in vier Prozessschritten! SS; Kapitel 2; Seite 19; Seite 20

21 Skizzieren und benennen Sie die vier Absorptionsstadien bei der Laserstrahlbearbeitung in Abhängigkeit von der Intensität der einfallenden Strahlung! SS; Kapitel 3; Seite 9; Seite 21

22 Skizzieren Sie den schematischen Härteverlauf eines Querschliffs einer St 52-3 (S355JO) Laserstrahlschweißnaht! Teilen Sie dazu die Naht in die Bereiche Grundwerkstoff, Wärmeeinflusszone und Schmelzzone ein! SS; Kapitel 3; Seite 19; Seite 22

23 Benennen Sie die dargestellten Nahtformen? I-Naht Stumpfstoß Kehlnaht Überl. I-Naht Überlappstoß Bördelnaht Überl. Stirnflachnaht Überl. SS; Kapitel 3; Seite 33; Seite 23

24 Skizzieren und erklären Sie anhand einer Skizze den Laserstrahlschmelzschneidprozess! SS; Kapitel 5; Seite 9; Seite 24

25 Welche beiden anderen Laserstrahlschneidverfahren kennen Sie? Nennen Sie jeweils einen Vorteil und einen Nachteil gegenüber dem Laserstrahlschmelzschneiden! Sublimierschneiden: Positiv: Sehr saubere Schnittkanten Negativ: Langsame Vorschubgeschwindigkeit hohe Laserleistung Brennschneiden: Positiv: Schnelles Verfahren, hohe Materialdicken Negativ: Oxidschicht, Kantenqualität keine brennbaren Stoffe SS; Kapitel 5; Seite 13 und 16; Seite 25

26 Nennen und skizzieren Sie drei kritische Geometrien beim 2D-Laserstrahlschmelzschneiden! Erläutern Sie warum diese kritisch sind. SS; Kapitel 5; Seite 21; Seite 26

27 Skizzieren und beschriften Sie den Temperaturgradientenmechanismus beim Laserstrahlbiegen! Welche beiden weiteren Umformmechanismen kennen Sie? Knickmechanismus und Stauchmechanismus Knickmechanismus (1) und Stauchmechanismus (1) SS; Kapitel 6; Seite 12 und 13; Seite 27