Mini-ensyklopedy: Laserlassenprinsipe en prosesapplikaasjes
Enerzjynivo's
Matearje bestiet út atomen, en atomen besteane út in kearn en elektroanen. Elektroanen draaie om de kearn hinne. De enerzjy fan elektroanen yn in atoom is net willekeurich.
Kwantummeganika, dy't de mikroskopyske wrâld beskriuwt, fertelt ús dat elektroanen fêste enerzjynivo's ynnimme. Ferskillende enerzjynivo's komme oerien mei ferskillende elektronenerzjy's: banen fierder fan 'e kearn hawwe hegere enerzjy.
Derneist kin elke baan in maksimaal oantal elektroanen befetsje. Bygelyks, de leechste baan (tichtst by de kearn) kin oant 2 elektroanen befetsje, wylst hegere banen oant 8 elektroanen befetsje kinne, ensafuorthinne.
Oergong
Elektronen kinne fan it iene enerzjynivo nei it oare bewege troch enerzjy op te nimmen of frij te meitsjen.
Bygelyks, as in elektron in foton absorbearret, kin it fan in leger enerzjynivo nei in heger springe. Op deselde wize kin in elektron op in heger enerzjynivo nei in leger nivo sakje troch in foton út te stjoeren.
Yn dizze prosessen is de enerzjy fan it absorbearre of útstjoerde foton altyd gelyk oan it enerzjyferskil tusken de twa nivo's. Omdat fotonenerzjy de golflingte fan ljocht bepaalt, hat it absorbearre of útstjoerde ljocht in fêste kleur.
Prinsipe fan lasergeneraasje
Stimulearre absorpsje
Stimulearre absorpsje komt foar as atomen yn in lege-enerzjytastân eksterne strieling absorbearje en oergean nei in hege-enerzjytastân. Elektronen kinne fan lege nei hege enerzjynivo's springe troch fotonen te absorbearjen.
Stimulearre útstjit
Stimulearre emisje betsjut dat elektroanen op in heech enerzjynivo, ûnder de "stimulaasje" of "induksje" fan in foton, oergean nei in leech enerzjynivo en in foton útstjitte mei deselde frekwinsje as it ynfallende foton.
It wichtichste skaaimerk fan stimulearre emisje is dat it generearre foton identyk is oan it orizjinele: deselde frekwinsje, deselde rjochting, en folslein net te ûnderskieden. Op dizze manier wurdt ien foton twa identike fotonen troch ien stimulearre emisjeproses. Dit betsjut dat ljocht fersterke of fersterke wurdt - it basisprinsipe fan lasergeneraasje.
Spontane útstjit
Spontane emisje komt foar as elektroanen op in heech enerzjynivo nei in leger nivo sakje sûnder eksterne ynfloed, wêrby't se ljocht (elektromagnetyske strieling) útstjitte tidens de oergong. De fotonenerzjy is E=E2−E1, it enerzjyferskil tusken de twa nivo's.
Betingsten foar lasergeneraasje
Laserfersterkingsmedium
Lasergeneraasje fereasket in gaadlik fersterkingsmedium, dat gas, floeistof, fêste stof of healgelieder wêze kin. De kaai is om populaasje-ynverzje yn it medium te berikken, in needsaaklike betingst foar laserútfier. Metastabile enerzjynivo's binne tige foardielich foar populaasje-ynverzje.
Pompboarne
Om populaasje-ynverzje te berikken, moat it atomêre systeem oanstutsen wurde om it oantal dieltsjes op it boppeste enerzjynivo te fergrutsjen.
Mienskiplike metoaden omfetsje:
- Elektrysk pompen: gasûntlading mei gebrûk fan elektroanen mei hege kinetyske enerzjy
- Optysk pompen: bestraling troch pulsearre ljochtboarnen
- Termysk pompen, gemysk pompen, ensfh.
Dizze metoaden wurde kollektyf pompen neamd. Kontinu pompen is nedich om mear dieltsjes op it boppeste nivo te hâlden as op it legere nivo foar in stabile laserútfier.
Resonator
Mei in gaadlik fersterkingsmedium en pompboarne kin populaasje-ynverzje berikt wurde, mar de stimulearre emisje-yntensiteit is te swak foar praktysk gebrûk. Fierdere fersterking is nedich, dy't fersoarge wurdt troch in optyske resonator.
In optyske resonator bestiet út twa heechreflektearjende spegels dy't parallel oan beide úteinen fan 'e laser pleatst binne:
- Ien spegel mei totale refleksje
- Ien spegel foar dielrefleksje en dieltransmisje
De totale refleksjespegel reflektearret al it ynfallende ljocht werom lâns syn oarspronklike paad. De dielrefleksjespegel reflektearret fotonen ûnder in bepaalde enerzjydrompel werom yn it medium, wylst fotonen boppe de drompel as fersterke laserljocht trochlitte.
Ljocht oscilleret hinne en wer yn 'e resonator, wêrtroch in kettingreaksje fan stimulearre emisje ûntstiet, dy't fersterket as in lawine om in laserútfier mei hege yntensiteit te produsearjen.
Wat is in pomplampe?
In xenonlampe is in inerte gasûntladingslampe, meastentiids rjochtbuisfoarmich. It bestiet oer it algemien út elektroden, in kwartsbuis en fol xenon (Xe) gas.
Elektroden binne makke fan metaal mei in heech smeltpunt, hege effisjinsje fan elektronemissie en lege sputtering. De lampebuis is makke fan kwartsglês mei hege sterkte, hege temperatuerbestindich en hege transmittânsje, fol mei xenongas.
Wat is in Nd:YAG-laserstang?
Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) is it meast brûkte fêste lasermateriaal.
YAG is in kubike kristal mei hege hurdens, poerbêste optyske kwaliteit en hege termyske geliedingsfermogen. Trivalente neodymium-ionen ferfange guon trivalente yttrium-ionen yn it kristalrooster, dêrfandinne de namme neodymium-dopearre yttrium aluminium granaat.
Skaaimerken fan laser
Goede gearhing
Ljocht fan gewoane boarnen is kaoatysk yn rjochting, faze en timing, en kin net sels mei in lens op ien punt fokussearre wurde.
Laserljocht is tige koherint: it hat in suvere frekwinsje, ferspriedt him yn deselde rjochting yn perfekte faze, en kin mei tige konsintrearre enerzjy fokussearre wurde op in lyts plak.
Uitstekende rjochting
Laser hat folle bettere rjochtingsfermogen as elke oare ljochtboarne, en gedraacht him hast as in parallelle striel. Sels as er op 'e Moanne rjochte is (sawat 384.000 km fuort), is de diameter fan 'e spot mar sawat 2 km.
Goede monochromatiteit
Laserljocht fan stimulearre emisje hat in ekstreem smel frekwinsjeberik. Yn ienfâldige termen hat laser poerbêste monochromatisiteit - syn "kleur" is ekstreem suver. Monochromatisiteit is krúsjaal foar laserferwurkingsapplikaasjes.
Hege helderheid
Laserlassen brûkt de poerbêste rjochting en hege krêfttichtens fan laserstrielen. De laser wurdt fia in optysk systeem yn in lyts gebiet rjochte, wêrtroch't yn in heul koarte tiid in tige konsintrearre waarmteboarne ûntstiet, it materiaal smelt en stabile lasplakken en naden foarme wurdt.
Foardielen fan laserlassen
Yn ferliking mei oare lasmetoaden biedt laserlassen:
- Hege enerzjykonsintraasje, hege laseffisjinsje, hege presyzje, en grutte djipte-breedteferhâlding fan lassen.
- Lege waarmteynfier, lytse waarmte-beynfloede sône, minimale restspanning en deformaasje.
- Kontaktloos lassen, fleksibele glêstriedoerdracht, goede tagonklikens en hege automatisearring.
- Fleksibel gewrichtsûntwerp, besparring fan grûnstoffen.
- Presys kontrolearbere enerzjy, stabile lasresultaten en poerbêste lasútstrieling.
Laserlasprosessen foar metalen materialen
Rustfrij stiel
- Goede resultaten kinne berikt wurde mei gewoane fjouwerkante golfpulsen.
- Untwerp ferbiningen om lasplakken fuort te hâlden fan net-metalen materialen.
- Reservearje genôch lasgebiet en wurkstikdikte foar sterkte en uterlik.
- Soargje derfoar dat it wurkstik skjin en in droege omjouwing hat by it lassen.
Aluminiumlegeringen
- Hege reflektiviteit fereasket hege laserpiekkrêft.
- Gefoelich foar barsten by pulspuntlassen, wêrtroch't de sterkte ferminderet.
- De gearstalling fan it materiaal kin spatten feroarsaakje; brûk grûnstoffen fan hege kwaliteit.
- Bettere resultaten mei grutte spotgrutte en lange pulsbreedte.
Koper en koperlegeringen
- Hegere reflektiviteit as aluminium; fereasket noch hegere laserpeakkrêft.
- De laserkop moat ûnder in hoeke kanteld wurde.
- Koperlegeringen (messing, kopernikkel, ensfh.) binne dreger te lassen fanwegen legeringseleminten; soarchfâldige parameterseleksje is fereaske.
Faak foarkommende defekten yn laserlassen en oplossingen
Ferkearde parameters of ferkearde operaasje feroarsaakje faak lasfouten, ynklusyf:
- Oerflak spatten
- Ynterne lasporositeit
- Lasskuorren
- Lasdeformaasje
Lasspatter
Spatten wurdt benammen feroarsake troch in te hege laserkrêfttichtens: it wurkstik absorbearret tefolle enerzjy yn in koarte tiid, wat liedt ta slimme ferdamping fan it materiaal en in heftige reaksje op it smeltebad.
Spatten beskeadigje it uterlik, de gearstallingsnauwkeurigens en de lassterkte.
Oarsaken
- Te hege laserpeakkrêft.
- Unpassende lasgolffoarm, foaral foar materialen mei hege reflektiviteit.
- Materiaal segregaasje dy't liedt ta lokale hege enerzjyopname.
- Fersmoarging of net-metallyske ûnreinheden op it oerflak fan it wurkstik.
- Stoffen mei in leech smeltpunt tusken of ûnder wurkstikken, dy't gas generearje by it lassen.
- Sletten holle struktueren dy't gasútwreiding en spatten feroarsaakje.
Oplossingen
- Optimalisearje parameters: ferminderje piekfermogen of brûk piekgolffoarmen.
- Brûk kwalifisearre, heechweardige grûnstoffen.
- Fersterkje de skjinmeitsjen foar it lassen om oalje en ûnreinheden te ferwiderjen.
- Optimalisearje it ûntwerp fan 'e lasstruktuer.
Ynterne porositeit
Porositeit is it meast foarkommende defekt by laserlassen. De rappe termyske syklus en koarte libbensdoer fan it smeltebad foarkomme dat gas ûntsnapt, wêrtroch't poaren ûntsteane.
Faak foarkommende typen: wetterstofpoaren, koalmonoksidepoaren en kaaisgat-ynstoartingpoaren.
Lasskrakken
Skuorren ferminderje de sterkte en libbensdoer fan 'e las sterk. De rappe ferwaarming en ôfkuolling fan laserlassen fergruttet it risiko op skuorren.
De measte laserlassenbarsten binne hjitte barsten, gewoan yn aluminiumlegeringen en stielen mei hege koalstofynhâld / hege-legearing stielen.
Previnsje
- Foar brosse materialen, foegje foarferwaarmings- en stadich ôfkuollingsgolffoarmen ta om barsten te ferminderjen.
- Optimalisearje it ûntwerp fan 'e ferbining om lasspanning te ferminderjen.
- Selektearje materialen mei in legere oanstriid ta skuorren ûnder lykweardige prestaasjes.
Lasdeformaasje
Deformaasje komt faak foar yn tinne platen, wurkstikken mei grutte oerflakken, of mearpuntslassen, wat ynfloed hat op gearstalling en prestaasjes. It wurdt feroarsake troch ûngelikense waarmte-ynfier en ynkonsistente termyske útwreiding/krimping.
Oplossingen
- Optimalisearje parameters om waarmteynfier te ferminderjen: ferheegje pykfermogen wylst de pulsbreedte wurdt fermindere.
- Legere lassnelheid en pulsfrekwinsje om waarmte per tiidseenheid te ferminderjen.
- Optimalisearje de lassekwinsje om unifoarme ferwaarming te garandearjen.
Pleatsingstiid: 25 febrewaris 2026
