Naváranie laserom: princíp činnosti laseru

Laserovému naváraniu sa venujeme už od roku 2005 a disponujeme tromi laserovými pracoviskami v rámci SR. Viac o našej ponuke v oblasti laserového navárania sa dozviete tu: https://hftechnik.sk/content/5-laserove-navaranie

V tomto článku sa budeme venovať opisu fyzikálneho princípu laseru. Ak sa chcete dozvedieť viac o laserovom naváraní prečítajte si článok: Naváranie laserom: čo to vlastne je a aké má výhody?

Čo je to laser?

Slovo laser už nie je v súčasnosti žiadnym neznámym pojmom. Laserové technológie sa dnes už bežne využívajú takmer vo všetkých odvetviach priemyslu. Viete však čo sa pod týmto pojmom skrýva? Laserový lúč je vo svojej podstate vlnenie optického druhu, ktoré patrí do skupiny elektromagnetického žiarenia a od iných druhov žiarenia sa líši vlnovou dĺžkou. Bežné svetelné žiarenie je vlnenie, ktoré obsahuje vlny najrozmanitejších dĺžok a frekvencií, spontánne vychádzajúce rôznymi smermi. Slovo laser je skratkou anglických slov „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, čo v preklade znamená „Zosilňovanie svetla stimulovanou emisiou žiarenia“. Práve tieto slová opisujú princíp fungovania laseru. Aby sme tomu mohli porozumieť musíme si niečo povedať o vzájomnom pôsobení žiarenia a atómov.

Stimulovaná emisia

Väčšina atómov, iónov, alebo molekúl (častíc) sa za normálnych podmienok nachádza v najnižšom energetickom stave (E₁). Keď dôjde k vzájomnému pôsobeniu takéhoto atómu s fotónom vhodnej vlnovej dĺžky, dôjde k jeho absorpcii, čo znamená, že tento atóm prejde do vyššieho energetického stavu (E₂). V tomto vyššom energetickom stave (E₂) však vydrží len určitú dobu, pretože sa prirodzene snaží zachovať v najnižšom energetickom stave. Po určitej dobe prejde tento atóm opäť spontánne do základného stavu (E₁), pričom prekonaný energetický rozdiel vyžiari vo forme fotónu, ktorého energia je rovná rozdielu týchto dvoch energetických stavov. Tento jav sa nazýva spontánna emisia. V prípade, že počas doby, keď sa atóm ešte nachádza v excitovanom stave dôjde k jeho vzájomnému pôsobeniu s ďalším fotónom zodpovedajúcej vlnovej dĺžky, tento fotón ho donúti prejsť do nižšieho energetického stavu (E₁), pričom dôjde k vyžiareniu dvoch rovnakých fotónov s rovnakou vlnovou dĺžkou, smerom a fázou. Tento jav nazývame stimulovanou emisiou. Tento proces je znázornený na nasledujúcom obrázku.

Emitované fotóny sa v laseri pohybujú v optickom rezonátori, ktorý sa skladá z uzavretej dutiny s dvoma rovnobežnými kovovými zrkadlami na jej koncoch. Jedno zrkadlo je vysokoreflexné a druhé polopriepustné. Polopriepustné zrkadlo prepustí časť vzniknutej svetelnej vlny von z aktívneho prostredia a druhá časť vlny sa vracia späť, kde umožňuje ďalšie zosilnenie svetla. Spontánne vyžiarený fotón opakovane prechádza materiálom, vyvoláva stimulovanú emisiu a takto vznikajúce fotóny vyvolávajú ďalšiu stimulovanú emisiu – dochádza k lavínovému efektu.Dutina zosilňuje len tie fotóny, ktoré sú správne orientované, teda správne usporiadané rezonátorom. Tieto fotóny tak budú mať identickú vlnovú dĺžku, smer a fázu.

Vlastnosti laserového lúča

Laserové žiarenie je koherentné, extrémne monochromatické a divergencia žiarenia je veľmi malá pri vysokej spektrálnej hustote žiarenia. Poďme si však vysvetliť čo tieto pojmy presnejšie znamenajú.

Koherencia

Koherencia je veľmi významná vlastnosť laserového lúča, vďaka ktorej sa odlišuje od iných druhov svetla. Obrázok nižšie zobrazuje bežné svetelné vlny šíriace sa priestorom, ktoré nemajú medzi sebou žiadnu spojitosť. Takýto druh svetla sa nazýva inkoherentné, čo znamená, že svetelné vlny v lúči nemajú žiadne vnútorné usporiadanie. Nasledujúci obrázok znázorňuje inkoherentné svetelné vlny.

Obrázok nižšie znázorňuje vysoko usporiadané svetelné vlny vo vnútri laserového lúča. Každá z týchto svetelných vĺn je v každom momente vo fáze s ktoroukoľvek inou svetelnou vlnou v tomto lúči. Tento jav dokonalého usporiadania vĺn v laserovom lúči nazývame koherenciou.

V skutočnosti však nie je možné dosiahnuť úplne dokonalú koherenciu laserového lúča, avšak v porovnaní s inými zdrojmi svetla je laserový lúč vysoko koherentný, a preto ho možno definovať ako zdroj koherentného žiarenia. Vďaka vysokej koherentnosti laserového lúča možno pomocou optického systému sústrediť žiarenie do veľmi malého bodu – teoreticky rádovo veľkosti vlnovej dĺžky žiarenia, prakticky 0,1 až 0,001 mm – čím sa dá získať mimoriadne vysoká hustota energetického toku, ktorá predstavuje hodnoty niekoľko tisíckrát väčšie ako možno dosiahnuť fokusáciou slnečného svetla. Takto skoncentrovaná energia je schopná roztaviť prakticky každý známy materiál.

Monochromatickosť

Monochromatickosť je jedinečná vlastnosť svetla. Dokonalé monochromatické svetlo by obsahovalo svetelné vlny len jedinej vlnovej dĺžky. Vlnová dĺžka je rozdiel medzi dvoma po sebe nasledujúcimi vlnami. Každá farba viditeľného svetla má svoju charakteristickú vlnovú dĺžku. Biele svetlo vznikne rozložením rôznych vlnových dĺžok. Farba svetla závisí od jeho vlnovej dĺžky, ako to ukazuje nasledujúci obrázok, ktorý porovnáva vlnovú dĺžku červeného a modrého svetla.

Aj keď laserový lúč nie je dokonale monochromatický, veľmi sa tejto predstave približuje, pretože obsahuje svetlo úzkeho intervalu vlnových dĺžok.

Divergencia (rozbiehavosť)

Konvenčné svetelné zdroje vyžarujú svetlo vo všetkých smeroch. Napríklad automobilové reflektory, alebo bodové svetlá sú vytvorené len optickými systémami, ktoré sústreďujú svetlo zo zdroja do úzkeho smerového lúča. Rozbiehavosť laserového svetla je veľmi malá, čo spôsobuje, že pri reflektovaní je schopný dosiahnuť oveľa ďalej ako bežné svetlo. Ale rovnako ako v prípade monochromatickosti, dokonale rovnobežný lúč svetla, na ktorý sa odvolávame vytvoriť nedokážeme. Všetky svetelné lúče, aj tie laserové sa v priestore rozbiehajú. Laserové svetlo je však veľmi vysoko smerové, na rozdiel od iných zdrojov a jeho rozbiehavosť je veľmi malá. V mnohých aplikáciách sú použité optické systémy, ktoré zmenšujú rozbiehavosť výstupného laserového lúča.

Laserový navárací prístroj

V oblasti údržby a opráv foriem a nástrojov sa používajú predovšetkým pevnolátkové lasery, ktoré ako aktívne prostredie využívajú pevnú, opticky priepustnú látku – izometrický kryštál Y₃Al₅O₁₂. Ten obsahuje približne 1% iónov neodýmu (Nd³⁺), ktoré tvoria aktívne prostredie lasera a označuje sa ako Nd: YAG. Jeho výkonová hladina je niekoľko stoviek wattov. Dokáže pracovať v pulznom režime, pri ktorom je energia impulzov 90 J, špičkový výkon impulzu 9 kW a dĺžka impulzu sa pohybuje v rozmedzí 0,5 – 20 ms.  Koherentný laserový lúč má vlnovú dĺžku 1064 nm. Budiacim zdrojom v pevnolátkovom laseri je svetelný impulz z xenónovej alebo kryptónovej oblúkovej lampy (výbojky). Toto svetlo sa odrazí od rezonátora a aktivuje tak oscilačné médium. Odrazový rezonátor má tvar eliptického, alebo cylindrického prierezu, na jeho výrobu sa používajú kovy s vysokou tepelnou vodivosťou. Medzi používané kovy patria meď (C), berýlium/meď (Be/C), alebo aj volfrám (W). Rezonátor vyžaduje veľmi hladký povrch, na ktorý sa nanáša tenká vrstva zlata, alebo striebra pre dosiahnutie vysokého stupňa odrazivosti (v niektorých prípadoch až 99%). Nasledujúci obrázok znázorňuje zjednodušenú schému pevnolátkového laseru:

Zistite viac o našej ponuke v oblasti laserového navárania: https://hftechnik.sk/content/5-laserove-navaranie