Lézersugaras technológiák I. Buza, Gábor Lézersugaras technológiák I



Yüklə 0,64 Mb.
səhifə3/9
tarix06.03.2018
ölçüsü0,64 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9
2.4. Excimer lézer

Az anyagmegmunkálás területén az excimer lézerek csoportja a többihez képest rövid hullámhosszúsága (UV) és nagy impulzusteljesítménye miatt vívott ki önálló helyet. A lézermédium halmazállapota alapján a gázlézerek közé tartozik. A félvezetők és integrált áramkörök gyártása, valamint a mikromegmunkálások területén van meghatározó szerepe.

A kifejezés két szó összeolvasztásával született: excited (gerjesztett) dimer (kettős) = excimer. Ez a két szó jellemzi a lézermédiumot. A „kettős” azt jelenti, hogy az aktív közeget olyan kétatomos molekula alkotja, amely gerjesztett állapotban van. Manapság legelterjedtebb az egy nemesgáz és egy halogenid elem keveréke, így a helyes kifejezés az excited és a komplex szavak alapján az exciplex lézer lenne, de a gyakorlatban ez nem terjedt el.

A gerjesztett állapotban lévő nemesgáz-halogenid molekula jelenti a lézerátmenet fölső energiaszintjét. Ilyen molekula nyugalmi állapotban nem létezhet, tehát az alsó lézerszint mindig üres. Az excimer molekulát csak nagy energiájú elektromos kisülés vagy elektronsugaras besugárzás segítségével lehet létrehozni (gerjesztés, pumpálás). A gerjesztés hatására keletkezett sok nemesgáz-halogenid molekula léte már kis koncentrációban is megvalósítja a populációinverziót. A molekulák energiatöbbletüket leadva szétesnek alkotóikra, miközben kisugározzák a két állapot közötti energiakülönbséget. Mivel ez az eddig tárgyalt lézerátmenetekhez képest nagyobb energiakülönbséget jelent, a keletkező fotonok hullámhosszúsága a szokásosnál rövidebb, az UV (ultraviola, ibolyántúli) tartományba esik.

Az excimer lézerek csak impulzusüzemmódban működhetnek. A jellemző impulzusidő 4 és 40 ns között van. Az eddig elért legnagyobb impulzusismétlési gyakoriság néhány kHz. Egy-egy impulzus energiája meghaladhatja az 1J nagyságát is, azaz a csúcsteljesítmény akár 100 MW is lehet, lefókuszálva 100 GW/cm2 (!), ami a levegőt is plazmaállapotba hozza (lézerszikra).

A lézersugár hullámhosszúságát a gerjesztés hatására keletkező molekulák energiaszintjei határozzák meg, különböző molekuláknál különböző lesz.

1.2.4.1. ábra

Mivel a fény (a lézerfényé is) fókuszálhatóságának határa a hullámhossztól függ (diffrakció), minél rövidebb a hullámhossz, annál finomabb struktúrát lehet „írni” vele.

A legkisebb méretű megmunkálás, amit eddig elértek (2011), a 28nm. Így válhatott a modern mikroelektronika nélkülözhetetlen eszközévé. A szállézerek Bragg-rácsát (FBG) is csak ezzel lehet létrehozni. Jelentős szerepet játszanak az orvostudományban, különösen a szemészet területén.

1.2.4.2. ábra Forrás: http://titan.physx.u-szeged.hu

3. A lézersugár minőségi jellemzői és mérési lehetőségei

A lézersugár jellemzésére számos adatát alkalmazzuk. A legfontosabbak:



  • átlagos teljesítmény

  • a sugárnyaláb átmérője

  • a sugárnyaláb divergenciája (széttartása)

  • szín, illetve hullámhosszúság

  • frekvencia (impulzus/s)

Speciális alkalmazások esetén, mint amilyen az anyagmegmunkálás vagy a méréstechnika, további jellemzőket is számon tartanak, melyeket összefoglaló néven sugárminőségi adatoknak neveznek.

Az alkalmazási céltól függően a sugárminőség alatt a lézersugár időbeli és térbeli stabilitását, a frekvenciaspektrum szélességét, az időbeli és térbeli koherenciát is értik, melyek szoros összefüggésben vannak a lézersugár fókuszálhatóságával, a megmunkálandó darab felületén elérhető teljesítménysűrűséggel, praktikusan szemlélve a lézersugár hatására bekövetkező jelenséggel.

A lézersugár minőségével kapcsolatos ismeretek viszonyítási pontja az úgynevezett Gauss-nyaláb (TEM00), amely a minimális divergenciája miatt sok lézersugaras alkalmazás szempontjából a sugárminőség optimuma (TEMmn = Transversal Electromagnetic Mode, ahol m és n jelzi az eloszlás típusát, például: TEM01).

Annak ellenére, hogy ez az optimum egyes esetekben jól megközelíthető, a gyakorlatban sok lézersugárforrás ettől kisebb-nagyobb eltérést mutat. Ennek okai:



  • a magasabb tranzverzális módusok rezgése;

  • a fázis- vagy amplitúdózavarok (többnyire a rezonátortér inhomogén erősítése miatt);

  • részsugárzások kialakulása, illetve interferenciája;

  • a rezonátor hatásfoknövelésének igénye.

A technikai lézersugár a Gauss-nyalábhoz képest nagyobb divergenciával rendelkezik, a fókuszáló lencsével csak nagyobb átmérőjű nyalábbá lehet fókuszálni. Ennek következménye, hogy csak kisebb teljesítménysűrűség érhető el a fókuszban. Ez eredményezi azt, hogy a távhegesztési (remote welding) technikát csak jó sugárminőségű lézer esetén lehet alkalmazni.

3.1. A Gauss-nyaláb és az M2 érték

A Gauss-nyaláb esetén a sugárzás haladási irányára merőleges keresztmetszetében az alábbi (1-2) egyenlettel írható le a keresztmetszet tetszőleges pontjának sugárintenzitása polár- és derékszögű koordináta-rendszerben (d=2w):

1.2. egyenlet - (1-2)



Az x és y helykoordináták a sugárterjedés z irányára merőleges síkban értelmezendők. Forgásszimmetrikus intenzitáseloszlás esetében – így a Gauss-nyaláboknál is – célszerűbb polárkoordináta-rendszert alkalmazni, (r, φ) átváltva (r2 = x2 + y2, tg φ=y/x).

Az ideális Gauss-eloszlás esetén a sugárnyaláb teljesítménye az intenzitásmaximum értékével is kifejezhető:

1.3. egyenlet - (1-3)



Kiemelt jelentősége van az úgynevezett sugárderéknak (w, d0). Ez a sugárnyaláb legkisebb keresztmetszetű helyén a nyaláb sugara (w) vagy átmérője (d0), ahol az intenzitás 1/e2-szeresére csökken (1-2). A sugárnyaláb d(z) átmérőjét ettől a nyalábderéktól mért távolság függvényében szokás megadni, ahol z-vel jelölik a sugárderéktól mért távolságot. Ebből következik, hogy a z=0 helyen a legkisebb a fókuszálatlan sugárnyaláb átmérője. A z=0-tól eltérő érték akár pozitív, akár negatív tartományban a sugárátmérő monoton növekedését eredményezi. Ezt fejezi ki az alábbi egyenlet:

1.4. egyenlet - (1-4)

Az egyenletben szereplő zR érték a Rayleigh-távolság. Ez az a távolság, ahol a sugárderék átmérője a -szeresére nő, másképpen fogalmazva a sugárderék keresztmetszete a duplájára nő. Ez a távolság azonban a sugárzás hullámhosszúságától is függ:

1.5. egyenlet - (1-5)

A sugárderéktól kellő távolságra, vagyis a távoli térben (z >> zR) a sugárderék átmérője, illetve sugara már lineáris kapcsolatot mutat a távolsággal. A gyakorlatban ezt a szögben is megadható széttartást tartjuk a sugárnyaláb divergenciájának:

1.6. egyenlet - (1-6)

Megfigyelhető, hogy minél kisebb a sugárderék (d0), annál nagyobb a nyílásszög, a divergencia, illetve minél nagyobb a nyaláb átmérője, a Gauss-nyaláb annál kisebbre fókuszálható ugyanazzal a lencsével (növekvő nyílásszög – fényerő = d/F mellett).

Ha a Gauss-nyaláb szférikus lencséken halad át vagy tükrökről verődik vissza, mindig, mindenütt Gauss-eloszlású marad, csak a paraméterei (Θ, d0) változnak. E két paraméter (Θ, a divergencia és a d0 sugárderék) mérete egyértelműen meghatározza a nyalábot. A nyaláb áthaladása egy lencsén azzal jár, hogy megváltozik a sugárderék mérete és helye (z = 0).

Az egyik nagyon gyakran alkalmazott, sugárminőséget jellemző számot, a sugárparaméter-szorzatot (általánossá vált jelölése: BPP = Beam Parameter Product) a divergenciából és a sugárderék átmérőjéből számolják:

1.7. egyenlet - (1-7)

A TEM00 alapmódus, másképpen fogalmazva a Gauss-eloszlás esetén ez

1.8. egyenlet - (1-8)

A lézernyaláb módosításának, vagyis az ideálistól eltérő sugárforrásnak a következménye, hogy a divergencia mértéke, illetve a sugárderék átmérője egy M faktornak nevezett értékkel eltér a TEM00 módusra jellemző ideális értéktől:

1.9. egyenlet - (1-9)

Az M2-nek még nincs a magyar szakirodalomban elfogadott neve. Angolul: Beam Propagation Ratios, németül: Beugungsmasszahl. Ez a lézersugár minőségének mértékét is adja, amit K-val jelölnek:

1.10. egyenlet - (1-10)

Ideális esetben mind a K, mind az M2 érték 1-gyel egyenlő. Minden ettől eltérő esetben ez a két jelzőszám az eltérés mértékét mutatja az ideális esettől. Minél kisebb a K értéke, a lézersugár minősége annál jobban eltér az ideálistól. Az M2 esetén ennek reciproka érvényes, vagyis minél nagyobb az M2 értéke, annál inkább eltér a lézersugár minősége az ideálistól. Tehát K £ 1 és M2 ≥ 1.

A sugárparaméter-szorzat és az M2 érték közötti kapcsolatot szemlélteti az 1.3.1.1. ábra. Ebben szerepel néhány sugárforrásra jellemző adat is. Megjegyzendő, hogy a sugárforrásokra jellemző adatokat csak fenntartással érdemes értékelni. Általánossá vált ugyanis, hogy a sugárforrásokat összehasonlító publikációk többnyire valamely sugárforrást gyártó cég környezetéből származnak. Ezek tehát sokszor olyan jellegű gyári adatok, mint például az autók üzemanyag-fogyasztása, vagyis csak speciális körülmények között érvényesek.

1.3.1.1. ábra

A lézernyaláb geometriai viszonyait a legkisebb átmérőjű rész környezetében mutató 1.3.1.2. ábrán a sugárminőséget jellemző matematikai összefüggések is láthatók. Az ábra érdekessége, hogy két sugárnyalábot ábrázol, melyeknek azonos a legkisebb átmérőjük, de eltérő a divergenciájuk. Ez annak a következménye, hogy a két nyalábnak eltérő M2 értéke van. Ez azt jelenti, hogy ha ezt a két nyalábot azonos lencsével kívánjuk fókuszálni, az eredmény nem lesz azonos. A nagyobb M2 értékű sugárnyaláb nagyobb, a kisebb átmérőjű kisebb fókuszfoltot eredményez.

Kihangsúlyozva az eredményt, ebből az következik, hogy a lézersugár M2 értéke a fókuszálhatóságot egyértelműen jellemzi.

1.3.1.2. ábra

3.2. Az M2 érték meghatározása az ISO 1146 szerint

Az ISO 1146 szabvány a sugárzás fókuszálhatóságának meghatározására vonatkozik, ami az M2 érték értelmezésén alapul. A szabvány szerint a vizsgálandó lézersugarat egy lencse segítségével fókuszálni kell. A fókusz környezetében, a sugártengely mentén legalább tíz helyen meg kell mérni a lézernyaláb d(z) átmérőjét. A mérési helyek felének a Rayleigh-távolságon (zR) belülre kell esnie, a másik felének a Rayleigh-távolság kétszeresén kívül.

A lézersugár haladási irányában legalább tíz helyen mért d(z) átmérőjét az (1-11) egyenlettel írják le, amely az (1-4) és (1-5) egyenletekből következik:

1.11. egyenlet - (1-11)

A d és a z értékek közötti összefüggést egy másodfokú polinommal közelítik:

1.12. egyenlet - (1-12)

Az illesztés során arra kell figyelemmel lenni, hogy az elméleti értékeknek a relatív és nem az abszolút eltérését kell minimálni. A sugárnyaláb legkisebb átmérőjű helyét (z0), annak d0 átmérőjét és a távoltér Q nyílásszögét az alábbi egyenletek adják, a mérési adatokra illesztett polinom konstansainak felhasználásával:

1.13. egyenlet - (1-13)

1.14. egyenlet - (1-14)



1.15. egyenlet - (1-15)



Ezek segítségével számolható az M2 érték:

1.16. egyenlet - (1-16)

A sugárnyaláb átmérője az ISO 1146 definíciója szerint az az átmérő, amely mentén a sugárzás intenzitása a maximális érték (Imax) 1/e2= 13,5% értékére csökken.

A szabvány a Gausstól eltérő módusokra is értelmezi az M2 értéket. A módusokat, vagyis a sugárnyalábon belüli intenzitáseloszlások típusait többnyire a TEMmn jelöléssel jellemzik. Ennek két értelmezése van, a derékszögű és a polárkoordinátás. Az utóbbit azokban az esetekben alkalmazzák, amikor a rezonátor optikai rendszere forgásszimmetrikus eloszlást eredményez a sugárnyaláb intenzitáseloszlásában, ezért ezeknél a hagyományos M2 értelmezés nem jelent problémát. (Ezekben az esetekben egyébként a módus általános megadására a TEMpl jelölést kellene alkalmazni, amiről gyakran megfeledkeznek.)

1.3.2.1. ábra

A derékszögű koordináta-rendszerhez illeszkedő intenzitáseloszlások (1.3.2.2. ábra) esetén azonban két M2 értéket kell megadni, az M2x-et és az M2y-t. Az x és az y indexek az m és az n indexekkel rendelhetők össze. Egy tisztán TEMm0 módus esetén (pl. TEM20):

1.17. egyenlet - (1-17)

Konkrét példákat az 1.3.2.2. ábra mutat.

1.3.2.2. ábra

A sugárnyalábon belüli intenzitáseloszlást CCD-kamerával direkt vagy mozgóblende segítségével lehet mérni. Mindkét esetben különös gondot kell fordítani a háttérsugárzás, vagyis az optikai tengelytől végtelen távolságra mért sugárintenzitás pontos meghatározására. Ennek téves értéke ugyanis valamennyi számított értéket meghamisítja. A mérés eredménye az I(x,y,z) intenzitáseloszlás.

1.3.2.3. ábra

3.3. Az intenzitáseloszlás mérése

Az intenzitáseloszlás mérésére gyakori megoldás a mozgóblendés módszer. Ennek három variációja van, melyeket az ISO 1146 is tartalmaz:


  • változtatható átmérőjű, körszimmetrikus blende (variable aperture)

  • mozgó rés (moving slit)

  • mozgó vágás (moving edge)

A változtatható átmérőjű, körszimmetrikus blende módszere csak akkor megengedett, ha a sugárnyalábon belül az intenzitáseloszlás is körszimmetrikus. Ebben az esetben a blende nem mozog, a mérés során csak a nyílás átmérőjét változtatják. A Gauss-eloszlás esetén a nyaláb átmérője akkor egyezik meg a blende nyílásának átmérőjével, ha a blendén átjutott sugárzás teljesítménye a teljes, blendézetlen nyaláb teljesítményének 86,5%-ával egyenlő.

A mozgó réses módszernél a rés szélessége kisebb kell hogy legyen, mint a nyaláb átmérőjének 1/20-a. A rést az optikai tengelyre merőleges irányban kell mozgatni addig, amíg a résen átjutott sugárzás mért teljesítménye maximumot nem mutat. Ettől a pozíciótól mérve addig kell a rést oldalirányban mozgatni, amíg a mért maximális teljesítmény 13,5%-ára nem csökken a résen átjutott sugárzás teljesítménye. A két pozíció közötti távolság a nyaláb sugara. Ezt a mérést a módus mindkét főtengelyének irányában külön-külön el kell végezni. A módszer különösen a derékszögű szimmetriával rendelkező nyalábok esetén ad jól használható mérési eredményt.

A mozgó vágás esetén egy egyenes vonal mentén két részre oszlik a sugárnyaláb. A vágáson átjutott sugárzás teljesítményét mérik. Ennek megfelelően a detektornak a méreténél fogva képesnek kell lennie a teljes sugárnyaláb teljesítményének mérésére. A mérés során az alábbi mérési eredményre kell jutnunk a Gauss-eloszlású nyaláb esetén. Az 1.3.3.1. ábra szerint balról jobbra halad a vágás, a nyalábnak egyre nagyobb részét kitakarva. A vágás mentén átjutott sugárzás mennyisége:

1.18. egyenlet - (1-18)



1.3.3.1. ábra

Ezeknek az ISO 1146-ban leírt módszerek valamelyikének alkalmazásával a fókuszált lézersugár méretének, teljesítménysűrűségének, minőségi jellemzőinek mérésére számos cég sok eszközt kínál. A mérőeszközöket három szempont szerint érdemes csoportosítani:



  • a lézersugár hullámhosszúsága,

  • impulzushosszúsága, illetve

  • a mérhető legnagyobb teljesítménysűrűség szerint.

Természetesen vannak egyéb szempontok is – mint például a mérhető nyalábméret (átmérő), az alkalmazási cél vagy az ár –, melyek a kiválasztást befolyásolják.

A mérőeszközök „szolgáltatása” sokrétű. Mindegyikre jellemző, hogy a korábban bemutatott számításokat a mérőeszközhöz tartozó számítógépek (esetenként processzorok) elvégzik, vagyis valamennyi sugárminőségre jellemző adatot szolgáltatják. Elterjedt a számítások grafikus megjelenítésének igénye és kínálata is (1.3.3.2. ábra).

1.3.3.2. ábra

Lehetőség van arra is, hogy az intenzitáseloszlást a lézersugár fókuszában és annak közvetlen környezetében hajtsuk végre. Ehhez speciális mérőberendezésre van szükség, melynek lényege, hogy a félvezető detektor a lézersugárnak csak egy kis részét méri. A műszerben egy forgó üreges tű van (1.3.3.3. ábra). A tű egyszerre végez forgó és alternáló mozgást, miközben keresztirányban végigpásztázza a lézersugarat. A tű palástján egy kalibrált furat van, amely a furat átmérőjének megfelelően mintát vesz a nyalábból. A tűben lévő tükrök a nyalábot az érzékelőfejre, a félvezető detektorra vetítik. A detektorban a lézersugár intenzitásával arányos elektromos feszültség keletkezik. A tű a pásztázás során különböző pontokban végigméri a lézerintenzitás értékeit. Az így kapott értékekből egy számítógépes program a lézernyaláb keresztmetszetéről egy intenzitáseloszlás-térképet készít, és kiszámítja a nyalábrádiuszt, valamint további, a nyalábra vonatkozó, számszerűsíthető adatokat. A műszer egyaránt alkalmas fókuszált és fókuszálatlan nyaláb mérésére, különböző típusú (furatú) tűk használatával. A fókusz vizsgálata során a tűn a furat 10-30 körüli, fókuszálatlan nyaláb esetén 100-500 . A műszer használható a technológiai folyamatban a fókuszálatlan sugár diagnosztizálására, így folyamatosan ellenőrizhetők a lézersugár jellemzői. A legnagyobb mérhető teljesítménysűrűség 107 W/cm2, ilyen a fókuszált nyalábban lehet.

1.3.3.3. ábra

4. A lézersugár elnyelődése szilárd anyagban

A lézersugár és az anyagok kölcsönhatását mint az elektromágneses sugárzás és az anyag kölcsönhatását kell vizsgálni. A lézersugár szempontjából a szilárd anyag egyszerre viselkedik fényt visszaverő vagy reflektáló ( ), a fényt elnyelő vagy abszorbeáló ( ), illetve a fényt áteresztő ( ) anyagként. Általánosságban tehát:

1.19. egyenlet - (1-19)



Vastag szilárd anyagok többsége esetén a beeső fény egyik része reflektálódik, másik része elnyelődik, így a fény áteresztése nem játszik szerepet, vagyis:

1.20. egyenlet - (1-20)

A fény intenzitásának csökkenését az anyagba hatolása esetén a Beer-féle abszorpciós törvény írja le:

1.21. egyenlet - (1-21)

ahol:


a fényáram a közegben megtett x út után,

0  a fényáram a közeg felületén,

x a közegbe hatolás mélysége.

A behatolási mélység (amely út alatt az energia e-ed részére csökken) a fémek esetében az infravörös sugárzás tartományában 10-8 … 10-10 m, tehát a rácsparaméterhez közeli nagyságrendű. Ez azt jelenti, hogy a lézersugár a fémekbe alig hatol be.

A fémes anyagok kölcsönhatása a lézersugárral a vezetési sávban lévő elektronokon keresztül valósul meg. Különösen az ipari lézerberendezések hullámhosszúság-tartományában, az infravörös tartományban, ahol nincs rezonáns gerjesztés, a fény elektromos tere kényszerrezgést idéz elő a vezetési elektronok gyorsításával. A gyorsított (rezgő) elektronok részint a kényszerítő fénnyel azonos fázisú, de ellentétes irányú elektromágneses teret keltenek (azaz reflektálják a beeső fény egy részét), részint az elektromágneses térben felvett energiájuk egy részét az atomokkal, a kristályráccsal való rugalmatlan ütközés útján átadják. Ez a mechanizmus eredményezi a fémek felhevülését lézersugár hatására.

A kristályrácsban az egyensúlyi helyzet körül rezgő atomok rezgési frekvenciája fémek esetében 1014 < < 1016 Hz nagyságrendű. A különböző hullámhosszúságú ipari lézerek esetében az elektromágneses sugárzás frekvenciája ugyanebben a tartományban van:

CO2 = 1,8 * 1014 Hz

Nd:YAG = 1,8 * 1015 Hz

diódalézerek = 1...3 * 1015 Hz

Az anyagba hatoló elektromágneses sugárzás elnyelődése tehát a töltött részecskék (elektronok) rezgő mozgásának amplitúdója növelésén keresztül valósul meg. Izotróp fémek esetén a jelenség fénytani állandókkal való leírását a Drude-féle modell feltételezései teszik lehetővé:

1. Az elektromágneses sugárzás csak az elektronokkal lép kölcsönhatásba.

2. Az atommag és elektronburka közötti polarizáció nem jön létre, tehát a rácsponton és interszticiós helyzetben lévő részecskék rezgése nem közvetlenül az infravörös sugárzás által gerjesztett.

3. A fémben lévő szabad elektronokra érvényes az Ohm-törvény.

4. Egy adott fém valamennyi szabad elektronja leírható egy egységnyi tömeggel és egységnyi ütközési frekvenciával.

A vonatkozó hullámegyenletből:

1.22. egyenlet - (1-22)

ahol:


a térerősség megváltozása,

a relatív dielektromos állandó,

a relatív mágneses együttható,

c0 a fénysebesség vákuumban,

G az elektromos vezetőképesség.

Levezethető, hogy az (a) abszorpciós együttható:

1.23. egyenlet - (1-23)

ahol:


a hullámhosszúság (m),

a dielektromos állandó valós része,

a dielektromos állandó képzetes része.

Mivel:


1.24. egyenlet - (1-24)

1.25. egyenlet - (1-25)



ahol:


a plazmafrekvencia,

a lézerfrekvencia,

az elektronütközési frekvencia.

Látható, hogy az abszorpciós együttható értéke függ az anyagi minőségtől is, hiszen nc értéke a pontszerű, vonalszerű és felületszerű rácshibák növekedtével növekszik. Az ütközési frekvencia nagysága természetesen a hőmérséklettől is függ:

1.26. egyenlet - (1-26)

ahol:


a vákuum dielektromos állandója,

L a Lorentz-szám,

T a hőmérséklet,

K a hővezető képesség.

Az egyes lézerek elektromágneses sugárzásának frekvenciája, illetve az anyagot alkotó részecskék rezgő mozgásának frekvenciája alapján könnyen belátható, hogy a különböző anyagok abszorpciójában eltérések lehetségesek. A fenti egyenlet alapján számolt abszorpciósfok-értékeket az 1.4.1. ábra szemlélteti.

1.4.1. ábra

A lézersugár-anyag kölcsönhatásra általában jellemző a nemlineáris kapcsolat. Ennek egyik látványos megnyilvánulása a lézersugár teljesítménysűrűsége és az abszorpció közötti kapcsolat.

Ritkán veszik számításba a lézersugár teljesítménysűrűségének az abszorpció mértékére gyakorolt hatását, pedig az rendkívül markáns, határesetben áttörésszerű jelenséget mutat (1.4.2. ábra).

1.4.2. ábra

Az 1.4.2. ábrát értékelve az látszik, hogy az egyébként nagyon rossz abszorpciós tulajdonsággal rendelkező rezet a 8-10 * 107 W/cm2 teljesítménysűrűségű Nd:YAG-lézersugárral könnyű vágni vagy hegeszteni. Konkrét esetben: a rezet akkor lehet folyamatos üzemmódú Nd:YAG-lézersugárral jól vágni, ha a fókusz foltátmérője kb. 0,1 mm és teljesítménye legalább 6 kW, ami egyébként nem illúzió (1,07 mm hullámhosszúságú, 20 kW teljesítményű, kiváló sugárminőségű Yb-szállézereket is forgalmaznak).

A lézersugár reflexiójának ugrásszerű változását már a nagy teljesítményű ipari lézerek korszakának kezdetén felismerték. Ezzel kapcsolatban azt is kimutatták, hogy a reflexió hirtelen változása a plazmaképződéssel van szoros összefüggésben (1.4.3. ábra).

1.4.3. ábra

A munkadarab reflexiójának csökkentésére gazdasági és munkavédelmi okokból számos megoldást dolgoztak ki, hiszen ezzel csökkenthető a sugárforrás szükséges teljesítménye (olcsóbb berendezés, olcsóbb üzemeltetés), és csökken a balesetveszély is, hiszen csökken a szórt sugárzás intenzitása. A lézersugaras technológiák alkalmazásában a lehetséges megoldások közül sok általános gyakorlattá vált.

A reflexió komplementerének, az abszorpció mértékének hullámhosszúság-függőségét néhány anyagra már az 1.4.1. ábra mutatta. Az abszorpció azonban egyéb jellemzőktől is függ, mint például a felületi érdesség (annak topográfiáját is beleértve), a sugárnyaláb beesési szöge, a sugár polarizáltsága, a hőmérséklet stb.

A reflexió mértékének csökkentésére kidolgozott módszereket fizikai hatásuk szerint három csoportba lehet sorolni:

1. a polarizált lézersugár abszorpciójának erős szögfüggése

2. az abszorpció függése a felületi érdességtől

3. abszorpciós bevonat létrehozása a munkadarab felületén

Ad 1.: A p-polarizált lézersugár 70°-85°-os beesési szög esetén 35-80%-os abszorpciós fokot eredményez az acél felületén. Ezt a kedvező effektust gyakran kihasználják az acél alkatrészekben lévő nútok felületedzésénél, különösen a tömegtermelésben. Általános alkalmazása a szokásos lézersugaras megmunkálófejek geometriai adottságai miatt nem jellemző.

Ad 2.: A felületi érdesség növekedtével az abszorpció mértéke általában növekszik. Nem lehet viszont egyértelmű függvénykapcsolatot találni például az átlagos felületi érdesség Ra értéke és az abszorpció mértéke között, ahogyan az az 1.4.4. táblázat adataiból is látszik. A tendencia azonban egyértelműen felismerhető: az érdesített felület nagyobb abszorpciót eredményez, mint a finoman megmunkált. Mivel homokfúvással még bonyolultan görbült felületen is könnyű és olcsó egyenletes felületi minőséget létrehozni, a kívánt érdesség biztosítására ez a módszer vált általánosan elterjedté.

1.4.4. ábra

Ad 3.: A munkadarab lézersugár hatására bekövetkező felhevülését, az abszorpció javulását gyakran bevonat létrehozásával segítik. A bevonatokkal szemben támasztott legfontosabb követelmények:

a) nagy abszorpciós fok az alkalmazott lézersugár hullámhosszúságán

b) nagy hőátadási együttható a bevonat és az alapanyag között

c) jó hővezető képesség

d) kémiai stabilitás a technológiai körülmények között (ne lépjen reakcióba, például a környezeti atmoszférával)

e) alapanyaghoz közeli hőtágulási együttható (a melegedés során ne pattogjon le)

f) homogenitás a bevonaton belül

g) ne lépjen kölcsönhatásba a munkadarab anyagával

h) szabadba kerülve még bomlásterméke se legyen egészség- és környezetkárosító

i) a bevonatképzés automatizálhatósága és reprodukálhatósága

j) könnyű bevonatképzés és -eltávolítás

A követelmények többsége szempontjából megfelelő bevonatokat két csoportba lehet sorolni:


  • konverziós bevonatok (a bevonatképződésben a munkadarab anyaga is részt vesz)

  • felhordott bevonatok

A konverziós bevonatok létrehozásának jellemző módszerei az oxidálás, a nitridálás, a nitrálás, a foszfátozás és a galvanizálás. Ezeket a módszereket azonban ritkán alkalmazzák, mert a bevonatokkal szemben támasztott követelmények közül a g)-t és a j)-t nem vagy csak kis mértékben képesek kielégíteni (reakcióba lép a munkadarab anyagával, általában bonyolult a létrehozása, nehéz a maradék eltávolítása). Mégis van létjogosultságuk, amennyiben a bevonat anyagának keveredése az alapanyaggal az alkatrész szempontjából nem jelent feltétlenül hátrányos következményt (esetleg ellenkezőleg, pl. felületötvözés), illetve a bevonatot nem kell minden esetben eltávolítani (pl. az alkatrész korrózióállóságát növeli, kedvező optikai tulajdonság alakul ki, stb.).

A felületi minőség és a bevonat anyagának abszorpciós fokra gyakorolt hatását jól érzékeltetik az 1.4.5. táblázat adatai. Az értékek a Ck 45 minőségű acél alapanyagra vonatkoznak, folyamatos üzemmódú, cirkulár-polarizált lézersugár alkalmazása esetén.

1.4.5. ábra

Ahogyan azt az (1-21) egyenlet kapcsán megállapítottuk, fémek esetében a lézersugár behatolási mélysége az infravörös sugárzás hullámhosszúságának tartományában 10-8… 10-10 m, tehát a fémek rácsparaméteréhez közeli nagyságrendű. Az abszorpciós bevonatok anyaga esetén ugyanez legfeljebb egy nagyságrenddel mélyebb behatolást jelent. Eszerint a fókuszált lézersugár energiája nem transzoptikus anyagok esetén csak rendkívül kis vastagságú rétegben fog elnyelődni. Ha a kis behatolási mélység erős reflexióval párosul, akkor például a lézersugaras edzés, a felületátolvasztás, a felületötvözés stb. nem valósítható meg, hiszen még nagy teljesítménysűrűség (W/cm2) esetén sem nyelődik el kellő mennyiségű energia ahhoz, hogy az általában elvárt, kb. 1 mm vastag anyagréteg a kívánt hőmérsékletre hevüljön. Az abszorpciós réteg alkalmazása tehát egyes esetekben elkerülhetetlen (1.4.6. ábra).

1.4.6. ábra

A lézersugár teljesítményének növelése egyébként logikus reakciója lehet annak, akinek még van tartaléka a rezonátorában. A problémát azonban az jelenti, hogy a sugárzás-anyag kölcsönhatásban a teljesítménysűrűség növekedése gyakran ugrásszerű változást eredményez az abszorpciós képességben, ahogyan azt az 1.4.3. ábra is szemléltette.

A lézersugár abszorpciójának növelésére szolgáló bevonatok szokásos vastagsága erősen függ a bevonat anyagától, a felvitel módjától (konverziós bevonatok akár 1 mm-nél vékonyabbak is lehetnek), de semmiképp nem célszerű 10 mm-nél vastagabbra választani, mert a bevonatok anyagának hővezető képessége jellemzően rosszabb, mint a fémeké, illetve nő a termikus feszültségre visszavezethető lepattogzás veszélye.

A darab lézersugár hatására bekövetkező felhevülésének, így az abszorpciónak a kézben tartása nem egyszerű feladat. A darab felületi hőmérsékletének változása ugyanis jelentősen befolyásolja az abszorpciós képességet, ami visszahat a hőmérséklet-változás sebességére (1.4.7. ábra). A hőmérséklet-növekedés és különösen a halmazállapot-változások során az abszorpciós viszonyok többnyire ugrásszerűen változnak meg.

1.4.7. ábra

A hőmérséklet-növekedés az abszorpciós viszonyokat több okból is befolyásolhatja. Ezek közül a legfontosabbak:


  • a tárgy felszínének változatlan vegyi összetétele esetén az anyagszerkezet megváltozása (fázisátalakulás, halmazállapot-változás)

  • a felületi érdesség megváltozása (fázisátalakulás térfogat-változási hatása, szelektív olvadás, párolgás, plazmaképződés fúvóhatása az olvadék felszínére stb.)

  • az abszorbeáló felület vegyi összetételének változása (pl. oxidáció, oxidfilm felszakadása olvadáskor, szelektív párolgás stb.)

  • az elektromágneses sugárzás irányának és a munkadarab felületi normálisának iránya közötti szög változása (jellemzően az olvadás során, a fajlagos felületi feszültség, a védőgázáram, illetve a gravitáció következtében)

A helyesen megválasztott technológiai paraméterek esetén az állandó vagy a szabályozottan változó teljesítményű lézersugárzás hatására mindezek ellenére gyorsan elérhető az állandósult állapot, a stabil technológiai hatás (hőkezelés, felületolvasztás, hegesztés stb.). A helyes lézersugaras megmunkálások során a termikus viszonyoknak néhány ms-on belül stabilizálódniuk kell. Erre mutat egy példát az 1.4.8. ábrához tartozó kísérlet.

A 8mm vastag ausztenites saválló acél felületén, a képen balról jobbra egyenletes sebességgel halad a lézersugár fókuszfoltja, miközben teljesítménye az első két esetben folyamatosan nő, a harmadikban állandó értékű. A hegesztési varratokról felülnézetben készített fotón látható, hogy a folyamatosan növekvő lézerteljesítmény hatására egy meghatározott teljesítményértéknél – mivel minden egyéb körülmény azonos volt, úgy is fogalmazhatunk, hogy teljesítménysűrűség- és energiasűrűség-nagyságnál – a fény-anyag kölcsönhatás eredményében ugrásszerű változás következett be.

1.4.8. ábra

Ahogyan azt korábban már láttuk, ez a teljesítmény-, teljesítménysűrűség- és energiasűrűség-érték több tényezőtől is függ, mint például a lézersugár energiaeloszlása a nyalábon belül vagy az abszorpciós viszonyok a darab felületén. Kezdetben – a határérték alatt – ún. hővezetéses vakvarrat, fölötte pedig plazmaképződéssel együtt járó, úgynevezett mélyvarrat (keyhole effect) keletkezett. A fémgőzből és plazmából álló anyagrész kialakulásának hatására a lézersugár elnyelődésének mértéke ugrásszerűen megnőtt. A mélyvarratos hegesztés körülményei között a reflexió mértéke gyakran 10% alá esik. A harmadik kísérletben a méréssel meghatározott határérték fölött 400W teljesítménnyel haladó lézersugár már az első mm-nél az állandósult állapotnak megfelelő hatást eredményezett.

Az, hogy a példa szerinti határérték mekkora lézersugár-teljesítménynél adódik, számos körülménytől függ. Az egyszerűség érdekében ezek közül ragadjuk ki a lézersugár intenzitását. Fogadjuk el, hogy egyéb körülmények azonossága esetén egy Ikrit kritikus lézersugár-intenzitásnál nagyobbra van szükség a fémgőz-plazma állapot kialakulásához (lásd 1.4.3. ábra). Tételezzük fel továbbá, hogy az előbb vázolt kísérletünket most három azonos teljesítményű lézersugárral megismételjük úgy, hogy a lézersugár fókusza továbbra is a darab felszínén marad. A három lézersugár közötti különbség most a sugárparaméter-szorzatban legyen, vagyis különböző sugárminőségű nyalábokkal kísérletezünk.

Az 1.4.9. ábra görbéi szerint az Ikrit értéket csak két esetben érjük el: a pontozott és a szaggatott vonallal jelzett intenzitáseloszlás esetén. A harmadik esetben olyan nagy a sugárparaméter-szorzat, illetve az M2 érték, hogy a darab felszínén nem tud kialakulni a plazmaállapot, ezért nagy lesz a reflektált energia. A reflektált energia nagyságát vizsgálva a két kedvező eset között is van különbség. A jobb sugárminőségű nyalábnak (pontozott vonal) nagyobb sugarú része van az I krit érték fölött (r k1 > r k2), mint a rosszabbé (szaggatott vonal), így a nyaláb energiájának nagyobb része nyelődik el hatékonyan. A három esetben tehát különböző lesz a lézersugár energiájának hasznosuló része.

Legjobb lézersugárenergia-elnyelődési eredményt a pontozott vonallal, legrosszabbat a folytonos vonallal jellemzett intenzitáseloszlás esetén kapunk. Technológiai hatásukat vizsgálva azt fogjuk tapasztalni, hogy azonos sugárteljesítmény esetén a folytonos vonallal jellemzett lézersugárral legfeljebb hővezetéses hegesztést valósíthatunk meg (legkisebb beolvadási mélység), míg a másik két esetben mélyvarratos hegesztést is. A legmélyebb varratot és annak legkisebb hőhatásövezetét a pontozott vonallal jellemzett lézersugár esetén érhetjük el.

1.4.9. ábra

Az abszorpciós bevonatok alkalmazásakor azt is figyelembe kell venni, hogy a bevonat a lézersugaras kezelés közben könnyen elveszítheti hatását. Ez bekövetkezhet azért, mert a hő hatására bomlik, oxidálódik, elpárolog, vagy azért, mert a réteg anyaga eltávozik, például azért, mert az alapanyag megolvad, felszakadozik a réteg, esetleg belekeveredik a keletkezett olvadékba. Lézersugaras vágás során a vágandó anyaggal együtt távozik a bevonat. Ennél a technológiánál az abszorpciós bevonat léte vagy hiánya gyakorlatilag nem befolyásolja a vágás termikus viszonyait. Az acélok lézersugaras edzése viszont lényegesen kedvezőbb feltételek között játszódik le a bevonat alkalmazása esetén, mint anélkül.

5. A lézersugarak élettani hatásai és a sugárvédelem

A lézersugár hatása az élő szervezetre megsemmisítő is lehet, alapvetően életveszélyes, egészségre ártalmas. Ez talán azért meglepő, mert az orvostudományban gyógyításra is használják, és a pénztáros egészsége sem károsodik annak ellenére, hogy a kódleolvasóval nap mint nap, órákon keresztül kapcsolatban van. Mint sok mindennel az életben, itt is úgy van, hogy a mérték számít. Mivel életveszélyről van szó, az egész világon szabvány rendelkezik a lézersugár-védelemről. A nemzetközi szabvány az IEC 60825-1. Az Európai Unióban alkalmazott szabvány az EN 60825-1, amely azonos a nemzetközi szabvánnyal. Az amerikai szabvány az ANSI Z136.1-2000. A lézergyártmányok sugárbiztonsági előírásait az MSz 16261 tartalmazza, amely gyakorlatilag megfelel a nemzetközileg és az EU-ban elfogadott követelményeknek.

Minden lézersugárforrást tartalmazó eszközön, berendezésen szerepelnie kell a sugárforrás jellemzői alapján egyértelműen meghatározható osztályba sorolásnak. A nemzetközi szabvány 4 osztályba sorolja az eszközöket. Ezeken belül vannak még egy-egy karakterrel megkülönböztetett felosztások. Mindezek alapja az élettani hatás. A szabvány az alábbiakat különbözteti meg: 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B és 4.

5.1. Lézersugár-biztonsággal kapcsolatos fogalmak

A szabvány egzaktságára jellemzően az egyes szavaknak, fogalmaknak definiált jelentésük van. Ezek közül az alábbiak a legfontosabbak:





Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə