Laserové technologie v praxi I. Přednáška č.3
Plynové lasery pro průmyslové využití Hana Chmelíčková, SLO UP a FZÚ AVČR Olomouc, 2011
Využití plynových laserů v průmyslových aplikacích • Atomární - He-Ne jako justážní a pilotní laser • Iontové - Ar 2+ laserová litografie • Molekulové - CO2 - makro zpracování materiálů excimery – mikro aplikace
Helium-neonový laser Aktivní prostředí – atomy neonu ve směsi s heliem, v poměru : He:Ne = 5 – 15 : 1 tlak až 300 Pa čerpání : Buzení helia doutnavým (i neonu) výbojem (U = 1000 V) proud do 30 mA a rezonanční přenos energie mezi atomy He(2) a Ne(10) nejvíce používaná vlnová délka λ = 632,8 nm
Helium-neonový laser Konstrukce: Rezonátor vnitřní nebo vnější (Brewsterova okna), L = 15 cm – 50 cm (Anoda, válcová katoda, vnitřní kapilára, pavouk, uzavřená skleněná trubice) Výkony: několik miliwattů TEM00 Gauss Chlazení : pasivní vzduchem
Helium-neonový laser Technické provedení a významní výrobci:
Melles-Griot: http://www.cvimellesgriot.com/ Newport: http://www.newport.com/ Spectra-Physics: http://www.spectra-physics.com/
Helium-neonový laser Holografie
Čtení čárových kódů Pilotní laser u IČ laserů
Interferometrie
Argonový laser Aktivní prostředí – ionty argonu, možnost volby z 9 vlnových délek (zelených): Buzení: Silnoproudý el.výboj (Proudová hustota: 30 – 150 A.cm-2) - nepružné srážky elektron – atom Stupňovité buzení: 1) ionizace Ar 2) excitace Ar 2+
http://stwww.weizmann.ac.il/Lasers/laserweb/Preface/Toc.htm Výkony od 15 mW
( U = 110 V, chlazení vzduchem)
Od 15 mW do 50 W ( U = 440 V, chlazení vodou)
Argonový laser Použití: Medicína: např. léčba tkání fotokoagulací Průmysl : lithografie Věda: čerpání jiných laserů
Kryptonový laser Aktivní prostředí – ionty kryptonu Použití: vědecký výzkum laserová show oční lékařství
CO2 laser Aktivní prostředí – molekuly kysličníku uhličitého ve směsi dusíku, helia v poměru 1 : 2 : 8 (1 : 4 : 5) Buzení – elektrický výboj nebo HF proudy, nepružné srážky elektronů s CO2 + rezonanční přenos excitační energie N2 – CO2 kmitavé módy molekuly CO2
vibrační asymetrický
ohybový
vibrační symetrický
CO2 laser Konstrukce průmyslových laserů - 3 základní typy podle směru čerpání a zdroje plynové směsi : 1)
Podélné proudění (fast axial flow)
1- zadní zrcadlo 2 - laserový svazek 3 - výstupní zrcadlo 4 – radiofrekvenční buzení 5 - rovinné zrcadlo
Výkony 10 W až 20 kW, s vysokou kvalitu svazku (K > 0,4) pro řezání. Buzení stejnosměrným DC napětím až do výkonu 10 kW, elektrický výboj probíhá souběžně s osou trubice, kterou proudí plyn vysokou rychlostí. Pro výkony od 10 kW nutné vysokofrekvenční buzení RF, kdy výboj probíhá kolmo k ose rezonátoru. Směs CO2: N2:He kontinuálně doplňována z externího zásobníku.
CO2 laser 2) Příčné proudění (cross flow) 1 - laserový svazek, 2 - vývěva, 3 - směr proudění plynu, 4 výměník tepla, 5 - zadní zrcadlo, 6 - odrazné zrcadlo, 7 - vysokofrekvenční elektroda, 8 - výstupní zrcadla, 9 – výstupní okénko
Výkon až 10 kW. Plynová směs proudí malou rychlostí kolmo k ose rezonátoru, buzena je vysokofrekvenčními (HF) proudy. Kvalita svazku je nižší (K > 0,14) a proto jsou tyto lasery vyhovující pro svařování, povlakování a kalení materiálů. Vzhledem k nízké spotřebě plynů a elektrické energie jsou jejich provozní náklady mnohem nižší než u laserů s podélným prouděním.
Příklady technického provedení průmyslových CO2 laserů :
CROSS flow laser ROFIN
x
Fast axial flow –Rofin, Trumf
Parametry viz. http://www.nacuttingsystems.com/rofin-sinar.htm http://www.trumpf-laser.com/en/products/cosub2sub-lasers.html
CO2 laser 3) SLAB laser – deskový 1- laserový svazek 2 - tvarování svazku 3 - výstupní zrcadlo 4 - výstup chlazení 5 - radiofrekvenční buzení 6 - vstup chlazení 7 - zadní zrcadlo 8 – radiofrekvenční výboj 9 - vlnovodné elektrody Výkony 1 až 2,5 kW, nejnovější typ průmyslových CO2 laserů. Nepotřebují vnější zdroj plynové směsi, zásobník o obsahu 10 litrů vystačí na 12 měsíců nepřetržitého provozu, směs se obnovuje po 72 hodinách provozu. Difusní chlazení znamená rozptyl tepla na vodou chlazených vysokofrekvenčních elektrodách. Nestabilní rezonátor je tvořen dvěma válcovými zrcadly a generovaný svazek má obdélníkový průřez. Vnější, vodou chlazená jednotka jej transformuje na rotačně symetrický svazek s vysokou kvalitou(K > 0,8).
CO2 laser 3) SLAB - deskový Varianta SEALD-OFF (kompaktní) – vestavěný zásobník s plynovou směsí vydrží 15000 hodin, výkony 100 – 600 W. Flexibilní – možnost upevnění na rameno robota, součást laserových popisovačů
Excimerové lasery EXCIMER = excitovaný dimer = nestabilní dvouatomová molekula vzácného plynu, později i sloučeniny vzácného plynu s fluorem (halogenidy), kyslíkem (oxidy) a chlórem (chloridy). (též exciplex, Aktivní prostředí: plynná směs 1 % excimeru, 99 % pomocných plynů He,Ne – rezonanční přenos energie, chlazení Buzení: elektrický výboj, svazek rychlých elektronů před-ionizace excimeru rentgenovým zábleskem Životnost excitovaného stavu: 0,1 ns Generace záření: při rozpadu molekuly 126 nm – 351 nm Režim pulsní – nanosekundové pulsy Frekvence – několik kilohertz
Excimerové lasery Rezonátor: boční strany válcové plynové komory s možností přeplnění (7 různých směsí plynů) , účinnost 0,2 – 2 % Tvar svazku: obdélníkový dle tvaru elektrod s možností fokusace na stopu až 0,01 mikronů
Princip interakce s materiálem: Studená ablace – vytrhávání částic fotony o vysoké energii Použití: mikro-obrábění, litografie, mikro-vrtání, oční lékařství Více příkladů viz: http://www.lightmachinery.com/excimer-laser-applications.html http://www.atl-laser.de/atl_home.htm
Excimerové lasery Parametry laseru PSX 100 (MPB Technologies Inc.):
Náplň
F2
ArF
KrCl
KrF
XeCl
N2
XeF
λ (nm)
157
193
222
248
308
337
351
E(mJ)
0,5
3,5
0,5
5,5
3,0
0,3
2
P(W)
50
350
50
550
300
30
200
Vrtání keramiky – průměr otvoru 25 µm (E = 2 mJ, t = 2 ns, Ppeak = 106 W)
Excimerové lasery v lékařství
LASIK (laser-assisted in situ keratomileusis)
0,25 µm tkáně/puls
Excimerové lasery v průmyslu
Lidský vlas 2 D matice v kontaktních čočkách http://www.coherent.com/Products/index.cfm?1431/Excimer-Family-of-Lasers
