1.2 Základní princip činnosti laseru
Základem každého laseru je aktivní prostředí tvořené látkou, jejíž atomy (ve většině případů, ale nemusí to být vždy pouze atomy - například chemická vazba, vibrační stav molekuly) se mohou nacházet jak v základním stavu s nižší energií, tak v excitovaném neboli vybuzeném stavu o vyšší energii. Pokud dojde k přechodu atomu z vyšší energetické hladiny do nižší, dochází k vyzáření fotonu, ten můžeme definovat jako kvantum elektromagnetického záření. Tento proces se označuje jako zářivý přechod a jedná se o spontánní děj, přičemž prostředí, ve kterém k zářivému přechodu dochází, má vždy tendenci zůstat ve stavu s nejnižší možnou energií. Tento jev se označuje jako stav termodynamické rovnováhy. Pomocí buzení dochází k narušení základního stavu aktivního prostředí, respektive jednotlivých atomů, a přechodu atomů do excitovaného stavu. Tento jev, při kterém je většina atomů ve stavu s vyšší energií, se nazývá inverze populace. (Novák 2011)
Při dosažení inverze populace se energie dodaná aktivnímu prostředí začíná přeměňovat na laserový svazek pomocí procesu stimulované emise. Laserový svazek není totiž nic jiného, než proud vyzářených fotonů. Proces stimulované emise lze popsat jako lavinový efekt, při kterém fotony dopadající na další atomy v excitovaném stavu způsobují přechod atomů z vyšší energetické hladiny do nižší a emisi mnoha dalších fotonů. Pomocí zrcadel, umístěných v rezonátoru, dochází k pohybu fotonů od jednoho zrcadla k druhému, čímž počet fotonů rapidně roste a vzniká proud fotonů = laserový svazek. (Novák 2011)
1.3 Základní členění laserů
Problematika členění laserů je poměrně obsáhlé téma, jelikož existuje mnoho parametrů, na základě kterých se jednotlivé lasery dělí. Podle J. Reichla a M. Všetičky (2006 – 2015) můžeme lasery členit na základě:
Způsobu čerpání energie
• optické - čerpané ve většině případů výbojkou (jiným laserem, slunečním světlem nebo radioaktivním zářením)
• elektrické – čerpané ve většině případů srážkami v elektrickém výboji, injektáží elektronů nebo interakcí elektromagnetického pole (svazkem nabitých částic)
• chemické – čerpané ve většině případů výměnou energie mezi molekulami a atomy (energií chemické vazby, fotochemickou disociací)
• termodynamické – čerpané zahřátím a ochlazením plynu
• jadernou energií – čerpané jaderným reaktorem nebo jaderným výbuchem
Režimu práce: kontinuální, pulzní a impulzní
Vyzařované vlnové délky:
• infračervené lasery
• lasery v oblasti viditelného světla
• ultrafialové lasery
• rentgenové lasery (Reichl, Všetička 2006 – 2015)
Nejběžnější rozdělení laserů se provádí na základě povahy aktivního prostředí laseru. Autor J. Kusala (2004) vyčleňuje následující základní typy laserů:
Pevnolátkové lasery (lasery využívající pevné látky)
Aktivní prostředí pevnolátkového laseru je tvořeno krystalickou nebo amorfní látkou s aktivní příměsí vhodných iontů. Tento typ laserů vyzařuje od infračerveného záření až po viditelné světlo. (Kusala 2004)
Nejrozšířenější typ pevnolátkového laseru:
• Neodymový laser (Nd: YAG – Yttrium Aluminum Garnet)
Aktivní prostředí nejrozšířenějšího typu pevnolátkového laseru tvoří krystal Y3Al5O12 s příměsí iontů neodymu Nd3+. V současné době bývá krystal nahrazován neodymovým sklem. Tento typ laseru je schopný produkovat velmi silné záblesky infračerveného záření o výkonu až 106 MW, proto se neodymový laser využívá také jako zdroj vybuzení jaderné reakce. (Kusala 2004)
Kapalinové lasery (lasery využívající kapaliny)
Aktivní prostředí kapalinových laserů tvoří roztoky organických barviv (například rhodamin). Velká výhoda zmíněného typu laseru spočívá především v tom, že za pomoci různých druhů barviv je možné dosáhnout téměř všech vlnových délek v rozmezí 300 – 1500 nm, naopak nevýhodou je jejich krátká životnost v důsledku rozkladu aktivního prostředí působením tepla a světla. Kapalinové lasery se v průmyslu využívají pouze ojediněle, své uplatnění nacházejí především ve spektroskopii. (Kusala 2004)
Plynové lasery (lasery využívající plyny)
Aktivní prostředí plynových laserů tvoří atomy, ionty nebo molekuly různých plynů. Tento typ laseru dosahuje poměrně malého výkonu a je schopný vyzářit od infračerveného (helium-neonový, CO2 laser), modrého (argonový laser), zeleného (argonový laser) až po ultrafialové záření (excimerový laser). (Kusala 2004)
Nejrozšířenější typy plynového laseru:
• CO2 laser
Jak je již z názvu patrné, tak jeho aktivní prostředí tvoří oxid uhličitý. Ačkoliv většina plynových laserů dosahuje pouze poměrně malého výkonu, tak právě infračervené záření CO2 laseru vyniká svým mimořádně vysokým výkonem, což tento typ laseru předurčuje zejména pro využití v průmyslu. (Kusala 2004)
• Excimerový laser
Aktivní prostředí excimerových laserů tvoří excimery (excitované molekuly) neboli dvouatomové molekuly různých vzácných plynů (argon – krypton, krypton – fluor, xenon - chlor), k jejichž spojení dochází působením svazku elektronů o vysoké energii. Excimery mohou existovat pouze ve vybuzeném stavu, v základním stavu dochází k jejich rozpadu na jednotlivé atomy. Tento typ laseru produkuje ultrafialové záření a jeho vlnová délka závisí na kombinaci halogenů a vzácných plynů. (Kusala 2004)
Polovodičové lasery (lasery využívající polovodiče)
S polovodičovými lasery přicházíme jako běžní spotřebitelé do styku nejčastěji. Zdrojem záření zmíněného typu laseru je laserová dioda o poměrně malém výkonu v řádu mW. Polovodičové lasery fungují na principu průchodu elektrického proudu polovodičovým přechodem PN, přičemž za vhodných podmínek se může část energie přeměnit na světlo. Jako běžní spotřebitelé se s polovodičovými lasery setkáváme v podobě svítivých led diod, které slouží především jako ekonomicky úsporné osvětlení, jelikož jejich účinnost dosahuje až 50 %, a jejich výkon se dá jednoduše regulovat v závislosti na změně elektrického proudu. Na principu polovodičových laserů funguje například laserové ukazovátko, laserová tiskárna a kopírka, čtečka čárových kódů nebo také CD přehrávač. (Kusala 2004)
1.4 Využití laserů v průmyslu
Lasery nacházejí v průmyslu široké uplatnění. S pomocí laserů je podle Z. Kerečaninové a J. Řasy (2008) možné vykonávat následující činnosti:
Svařování laserem
Svařování laserem má řadu výhod oproti klasickým metodám. Patří mezi ně například vysoká rychlost svařování, malá deformace svařence, malá tepelně ovlivněná plocha sváru, vysoká pevnost sváru a mnoho dalších. Ke svařování se nejběžněji využívají CO2 lasery, neodymové lasery nebo také diodové lasery. Z obtížně svařitelných materiálů lze za pomoci laserů svařovat například titan, hliník, niob nebo zlato. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Vrtání laserem
Velká výhoda vrtání laserem spočívá především v tom, že laserem je možné vrtat i na obtížně přístupných místech, kde je to za pomoci klasických metod prakticky nemožné. Laser je schopný vrtat malé díry o průměru od 10 do 100 mm, přičemž díry mohou být nejen kruhové ale i tvarové. S pomocí laserů je možné vrtat kovy, plasty, dřevo, textil, sklo, keramiku a jiné přírodní materiály. Vrtání laserem nachází své uplatnění například při průmyslové výrobě filtrů, lopatek proudových motorů nebo vstřikovacích trysek. K vrtání se nejčastěji využívají CO2 lasery, neodymové lasery a excimerové lasery. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Řezání laserem
Laser je schopný řezat takové materiály, které jsou konvenčními technologiemi pouze velmi špatně obrobitelné. Mezi materiály, které je možné řezat za pomoci laseru, patří například konstrukční oceli, korozivzdorné oceli nebo slitiny hliníku. Při řezání nachází využití především CO2 lasery a neodymové lasery. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Dekorace skla laserem
Dekorace skla laserem je založená na principu řezání laserem. V místě dopadu laserového paprsku na sklo dochází k částečnému odpaření skla a jeho povrchovému popraskání, které při dopadu světla vytváří zářivý vzhled. K dekoraci skla se nejčastěji využívají CO2 lasery a své uplatnění v této oblasti začínají nacházet také neodymové lasery, za pomoci kterých je možné vytvářet trojrozměrné objekty ve skle. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Značení, značkování a popis laserem
Značení laserem je ve většině případů založené na principu odpaření materiálu v místě dopadu laserového paprsku. Za pomoci laserů je možné označovat všechny materiály. Pro průmysl je důležitá především možnost označovat kalené i nekalené ocele, titan, litiny, hliník a jeho slitiny, mosaz, bronz a také plasty, přičemž při označování nezáleží na povrchové úpravě a tvaru popisovaného obrobku. Pro popisování se využívají CO2 lasery, neodymové lasery a excimerové lasery. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Gravírování (mikrofrézování) laserem
Gravírování se od popisování liší zejména v hloubce popisu, při větší hloubce popisu mluvíme o gravírování. Gravírování se využívá pro vytváření reliéfů nejen do kalených ocelí (zápustek nebo forem pro stříkání plastů), ale také do dřeva, gumy nebo keramiky. Při gravírování se uplatňují CO2 lasery a neodymové lasery. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Tepelné zpracování laserem
K tepelnému zpracování materiálu dochází při krátké době ohřevu malého množství materiálu. Tepelným zpracováním materiálů se rozumí procesy jako kalení, žíhání, popouštění, tepelné zpevnění povrchu, amorfizace povrchu nebo rázové zpevnění. Výhodou laserového kalení je možnost provést tepelné zpracování i na obtížně přístupných místech. Pro tepelné zpracování se využívají výkonné CO2 lasery nebo diodové lasery. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Nanášení ochranných a otěruvzdorných povlaků laserem
Nanášení ochranných a otěruvzdorných povlaků za pomoci laseru je založeno na principu přivádění prášku nebo umístění drátu do laserového paprsku, kde dochází k jeho natavení a přilnutí k povrchu obrobku, kde povlak následně tuhne. Výhodou nanášení laserem je, že povlak k obrobku dobře přilne a netvoří se na něm trhliny. Tloušťka povlaku může být až 1 mm a za účelem nanášení se využívají CO2 lasery. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Soustružení laserem
Při soustružení se nejběžněji využívají dva nezávislé laserové paprsky, pomocí kterých dochází k úběru materiálu z obrobku. Při soustružení laserem se používají CO2 lasery a neodymové lasery. (Kerečaninová, Řasa 2008)
Frézování laserem
Frézování laserem probíhá na základě stejného principu jako soustružení a provádí se stejnými typy laserů. (Kerečaninová, Řasa 2008)
|
