A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban Buza Gábor, Rácz Ilona, Janó Viktória, KálaziZoltán

2010. június 16.

BAYZOLTÁN Alkalmazott Kutatási Közalapítvány

13,7 milliárd évvel korábban

Az első nap Isten szólt: „Legyen világosság” és lőn világosság A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.


93 évvel korábban 1917 A. Einstein: a stimulált emisszió elve Abszorpció

Spontán emisszió

Stimulált emisszió

Energia

Fölső szint

Foton be

Alsó szint

Foton ki

Foton be

Foton ki Foton ki

E  h

c



A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.


50 évvel korábban 1960. május 16. Theodore Maiman: felvillant az első lézersugár

Lézer médium: szillárdtest (Cr-al ötvözött Al2O3 = rubin) Gerjesztés módja: villanó lámpa Üzemmód: impulzus Hullámhosszúság: 694,3 nm A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.


Előzmények 1951 Charles H Townes (Columbia University):

első MASER

MASER: Microwave

Amplification by Stimulated Emission of Radiation (szkeptikus kollegák: Means of Acquiring Support for Expensive Research ~drága kutatások szerződéses támogatása) MASER független feltalálása: Joseph Werber (University of Maryland): Alexander Prokhorov, Nyikolaj Basov (Lebegyev L., Moszkva) 1957 Gordon Gould (Columbia University): a lézerek működési elve („30 éves szabadalmi haború”) LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1958 Arthur L Schawlow and Charles H Townes (Columbia University): első cikk „optikai” MASER működési elvéről (Phys. Rev. 112, 1940, 1958) 1960 szabadalom 1960 Theodore Maiman (Hughes Research Laboratories):

első működő

rubin lézer (Nature, 187, 493, 1960) A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.


Előzmények (110 évvel korábban)

1900. június 5-én

született Budapesten †1979. február 9., London

Gábor Dénes

1947 holográfia alapelve Igazolása elektronsugárral; alkalmazás elektronmikroszkópok felbontóképesség javítására kivitelezés lézerekkel: 1963-ban a Michigani Egyetem két elektromérnöke Nobel-díj: 1971 A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.


Világpiaci helyzetkép


2010. június 16.


Lézer sugárforrások Mi kell ahhoz, hogy lézersugár keletkezzen?  Lézer médium (szilárd, folyékony, gáz, gőz)  Gerjesztés = pumpálás (elektromos, elektromágneses)  Reznátor (nyitó és zárótükör L=m*/2)  Populáció inverzió (több gerjesztett, mint gerjesztetlen részecske) Anyagmegmunkálásra szolgáló leggyakoribb lézer sugárforrások:     

CO2 Nd:YAG Szállézer Dióda Excimer

Példa a sugárforrások sokféleségére CO2 sugárforrás lehet:      

Egyenáramú gerjesztésű Nagyfrekvenciás gerjesztésű Gyors keresztáramú Axiális áramú Diffúziós hűtésű Zárt rezonátorú


2010. június 16.


Leggyakoribb sugárforrások Általános jellemzői Fiber Laser

Nd:YAG

CO2

Disc

30%

~5%

~10%

15%

> 50kW

6kW

> 20kW

> 8kW

< 2.5

~ 25

~6

~8

Helyigény (4/5kW)

< 1 m2

6 m2

3 m2

> 3 m2

Üzemeltetési költség, $/óra

21.31

38.33

24.27

35.43

Hatásfok Fényteljesítmény max. Sugárminőség, mm*mrad


2010. június 16.


Sugárminőség jellemzése Sugárparaméter-szorzat mm*mrad

0  r0  M 2   / 

M 2  0  r0   /  k  1/ M 2


2010. június 16.


Energia-eloszlás a nyalábon belül TEM (Transversal Elektromagnetic Mode)

Derékszögű koordinátarendszerben: TEMmn

Polár koordinátarendszerben: TEMpl

Az indexek számértéke = az adott irányban lévő minimumok száma a végtelenben lévőtől eltekintve A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.


Valós energiaeloszlások; eltérés az ideális esetektől M2 = 1

M2 = 1,7

100% TEM00

50%TEM00+ 30%TEM01*+ 20%TEM01

M2 = 1,7

30%TEM00+ 70%TEM01*


2010. június 16.


 M  z - z 0   1   2 r0   2

r(z)  r0

2

2r

ZF

L

F

z0 z zF


2010. június 16.


Valódi sugárminőség csak méréssel határozható meg!


2010. június 16.


Szemelvények a polimerek lézersugaras hegesztéséből Leggyakoribb elv:

Leggyakoribb megoldások


2010. június 16.


Adalékanyagok (1%) hatása a PP fényelnyelésére 80 70

Áteresztés [%]

60 50 40 30 20 10 0 C

P1

Ca

Ta

Z2

P2

K2

S2

1064 nm Na

Z1

K1

10,6 m S1

Na: -

C: korom

Ca: kréta

Ta: Talkum

S1: term. sárga

P1: term. piros

K1: term. kék

Z1: term. zöld

S2: szintet. sárga

P2: szintet. piros

K2: szintet. kék

Z2: szintet. zöld


2010. június 16.


Hegesztési varratok szilárdsága az alkalmazott felületi energiasűrűség függvényében 900 800

erő, N Szakadási Erő [N]

700 600 500 400 300 200 100 0 2000

3000

4000

5000

6000

7000

2

Felületi energiasűrűségW/cm [W/cm2 ] Teljesítménysűrűség,

1 % korommal ill. 1 % S1 színezékkel adalékolt PP átlapoló hegesztése (defókusz: 30 mm) A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.


Sugárvezetési megoldások polimerek lézersugaras hegesztésére Mozgó fókuszáló optikával; F-theta lencsével; Dinamikus fókuszú szkennerrel

Speciális, munkadarabhoz illesztett tükrös fókuszáló optika

Maszkolással (virtuális vonalfókusz)

Gyűrű alakú lézernyaláb; Lézerszkennerrel

Fókuszáló golyóval


2010. június 16.



2010. június 16.


Köszönöm a figyelmüket! A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

2010. június 16.

A lézersugár és szerepe a polimer technológiákban

Recommend Documents