Kompendium wiedzy o laserach

W dzisiejszym artykule chciałbym szczegółowo omówić na jakiej zasadzie działa źródło laserowe. W publikacji „Budowa Lasera Czyszczącego” poznaliśmy tajemnice wnętrza urządzenia, dzisiaj chciałbym skupić się na rezonatorze, w którym zachodzi cała akcja laserowa.

Żeby zrozumieć na czym polega kształtowanie promieniowania laserowego musimy skupić się przez chwilę na elementarnych budulcach otaczającego nas świata jakim są atomy. Atom składa się z gęstego jądra złożonego z chmury dodatnich ładunków oraz z otaczających go na różnych orbitach elektronów o ładunkach ujemnych. I to właśnie zachowanie elektronów na poszczególnych orbitach atomu odgrywa najistotniejszą rolę w całym procesie kształtowania promieniowania laserowego.

Na początku XX wieku fizyka zakładała istnienie jedynie dwóch zjawisk jakie mogą zajść na orbicie atomu, pochłanianie energii z otoczenia (absorbcję) oraz spontaniczne emitowanie jej w postaci pojedynczych fotonów.

W momencie gdy elektrony krążące po orbicie podstawowej pochłoną energie z otoczenia „wskakują” na wyższą orbitę i przechodzą w tzw. stan wzbudzony. Po pewnym czasie powracają na poprzednią orbitę emitując przy tym foton w losowym kierunku. Emisję takiego fotonu nazywamy spontaniczną, jest ona bezpośrednio odpowiedzialna za świecenie każdego ciała, rozgrzanego gazu, topionego materiału itp.

Rys.2 Schemat emisji spontanicznej: A) elektron w stanie wzbudzonym B) emisja fotonu C) elektron w stanie podstawowym

W 1917 roku Albert Einstein rozważając teorię spontanicznej emisji promieniowania doszedł do wniosku, że poza procesami absorbcji energii z otoczenia przez elektron i jego spontanicznego powrotu na orbitę podstawową musi jeszcze występować zjawisko, w którym wymuszamy na elektronie przejście do stanu podstawowego. Okazało się, że miał rację i takie zjawisko również występuję w momencie gdy pobudzimy elektron na orbicie wzbudzonej fotonem o podobnej energii. „Przeskakuję” on wtedy na niższą orbitę emitując przy tym dodatkowy foton o takim samym kierunku i parametrach jak foton, którym wzbudziliśmy elektron.

Rys. 3 Schemat emisji wymuszonej: A) elektron w stanie wzbudzonym B) pobudzenie elektronu za pomocą fotonu C) elektron w stanie podstawowym i emisja dodatkowego fotonu

Założenia Einsteina były prawidłowe udowodnił, że poza spontaniczną emisją fotonu istnieje jeszcze zjawisko emisji wymuszonej. Jednak na praktyczne wykorzystanie jego założeń trzeba było czekać około 40 lat aby zbudować urządzenie dziś nazywane LASER, które dokładnie oznacza Light Amplification by Stimuleted Emission of Radioation i można tłumaczyć to jako Wzmocnienie Światła przez Wymuszoną Emisję Promieniowania.

Wiemy już jak przebiega proces emisji wymuszonej, teraz chciałbym omówić w jaki sposób to zjawisko wykorzystywane jest w rezonatorze laserowym i jak przyczynia się do ukształtowania wiązki promieniowania. Zacznijmy od budowy rezonatora laserowego, najważniejszym jego składnikiem jest ośrodek czynny, gdzie następuję pobudzanie atomów w celu zapoczątkowania emisji wymuszonej i wywołania lawiny wygenerowanych tym sposobem jednakowych fotonów.

Atomy w ośrodku czynnym są dobierane w taki sposób aby zapewnić odpowiednią długość fali generowanego promieniowania. Odległość pomiędzy poziomami energetycznymi (podstawowym i wzbudzonym) równa jest długości fali w jakiej pracować będzie dane urządzenie laserowe. Ze względu na rodzaj ośrodka czynnego lasery możemy podzielić na następujące typy:

NA CIELE STAŁYM, gdzie atomy w ośrodku czynnym mają postać kryształu o konkretnych parametrach.

GAZOWE, gdzie ośrodkiem czynnym jest odpowiednio dobrana mieszanina gazów z odpowiednio reagującymi na emisję światła atomami.

CIECZOWE, które wykorzystują mieszankę barwników i rozpuszczalników do uzyskania odpowiedniego czynnika aktywnego w ośrodku.

PÓŁPRZEWODNIKOWE, gdzie pompowanie odbywa się zazwyczaj za pomocą złączy p-n zasilanych elektrycznie, nazywane również laserami diodowymi.

NA SWOBODNYCH ELEKTRONACH, gdzie w odróżnieniu od pozostałych typów laserów generowanie promieniowania laserowego odbywa się za pomocą bardzo szybko poruszających się elektronów w specjalnie ukształtowanych polu magnetycznym.

Kolejnym ważnym elementem rezonatora jest tzw. układ pompujący. Jest to system, który zapewnia ciągłe pobudzanie kolejnych atomów w ośrodku czynnym i wywołuję w nich emisję. W rzeczywistości „pompowanie” odbywa się za pomocą lamp błyskowych, wyładowań elektrycznych, szeregu diod laserowych, reakcji chemicznych, a w niektórych urządzeniach przeprowadzane jest z wykorzystaniem innych laserów.

Ośrodek czynny ograniczony jest na swoich końcach dwoma zwierciadłami, jedno z nich całkowicie odbija promieniowanie drugie z kolei jest częściowo przepuszczające, mają one za zadanie zapętlić atomy w ośrodku czynnym do momentu uzyskania odpowiedniego stanu nazywanego inwersją obsadzeń.

W skrócie należy doprowadzić do momentu, w którym większość atomów posiada elektrony na orbitach wzbudzonych. Dzięki temu wyemitowanie przez jeden taki atom fotonu w wyniku emisji wymuszonej doprowadzi do powstania lawiny fotonów o takiej samej energii wyrzucanych przez sąsiadujące atomu. W efekcie dochodzi do powstania ogromnej ilości nowych fotonów o takiej samej energii, kierunku oraz długości fali. To właśnie wtedy rozpoczyna się akcja laserowa.

W ECL Tech Polska do czyszczenia wykorzystujemy laser włóknowy nazywany również fibrowym (ang. fiber = włókno), który jest typem urządzenia półprzewodnikowego. Lasery te cieszą się coraz większą popularnością z uwagi na swoją długą żywotność, która wynika ze specyficznie skonstruowanego ośrodka czynnego. W laserach tego typu jest nim światłowód, który bezpośrednio jest połączony ze źródłem laserowym. Pompowanie odbywa się z wykorzystaniem szeregu diod, które wysyłają kolejne porcje światła bezpośrednio do światłowodu. Składa się on z 4 warstw:

POWŁOKA , która jest ochronną warstwą całego światłowodu. Jest odpowiedzialna za ochronę światłowodu przed uszkodzeniami mechanicznymi.

BUFOR nie posiada specjalnych własności transmisyjnych, posiada najmniejszy współczynnik załamania światła, jego zadaniem jest uniemożliwienie wydostania się promieniowania na zewnętrze światłowodu.

PŁASZCZ posiada mniejszy współczynnik załamania światła niż rdzeń, umożliwia on dostanie się promieniowania do najgłębszej warstwy światłowodu i zapewnia optymalnej transmisji energii pompowania rdzenia.

RDZEŃ posiada najwyższy współczynnik załamania światła ponadto domieszkowany jest pierwiastkami ziem rzadkich, w przypadku naszego lasera są to aktywne jony iterbu, którego atomy gwarantują powstanie fali o długości 1064 nanometrów.

Podsumowując, budowa źródła laserowego jest ograniczona do kilku elementów, które spełniają dość proste funkcje jednak parametry urządzenia jakie chcemy uzyskać bezpośrednio wpływają na budowę ośrodka czynnego i sposób w jaki będziemy go pompować.

Opracowanie modelu teoretycznego emisji wymuszonej było niezwykłym osiągnięciem co doprowadziło do powstania wielu odmian urządzeń laserowych, które cały czas są rozwijane. Lasery włóknowe dopiero od jakiejś dekady prężnie zdobywają przemysł, już teraz z roku na rok charakteryzują się znacznie większymi mocami i lepszą stabilnością. Otwiera to wiele możliwości zastosowania tego typu urządzeń. Jedną z nich jest coraz lepiej rozwijane czyszczenie laserowe.

Mam nadzieję, że powyższy artykuł przybliżył was jeszcze bardziej do świata laserów i pokazał, że ta dziedzina techniki ma przed sobą jeszcze wiele do zaoferowania. Wkrótce na stronie pojawi się kolejny artykuł z dziedziny kompendium wiedzy o laserach.

-Karol Woźniak-

W poniższym artykule postaram się omówić czym właściwie jest ablacja laserowa i w jaki sposób wykorzystywana jest ona podczas procesów czyszczenia laserowego. Ablacja jest terminem, który często można spotkać w kontekście operacji medycznych, inżynierii materiałowej czy chociażby medycyny estetycznej. Zacznijmy od definicji encyklopedycznej: „Ablacja (łac. ablatio = odjęcie) w geologii oznacza stopniowe niszczenie, kruszenie się powierzchni lądu, także lodowca, na skutek działania wody, wiatru i temperatury. W technice lotniczej jest to sposób chłodzenia powierzchni bardzo szybkich statków powietrznych podczas lotu w gęstych warstwach atmosfery przez odparowanie, lub inaczej odsublimowanie (sublimacja oznacza bezpośrednie przejście materiału ze stanu stałego w stan gazowy) niektórych metali lub tworzyw sztucznych stanowiących zewnętrzną warstwę pokrywy tych statków”¹. Więc ablacja laserowa nie jest niczym innym jak po prostu odparowaniem cząstek materiału, które pochłonęły padające na nie światło lasera. Jednak aby sama ablacja mogła dojść do skutku musi wpłynąć na to szereg zdarzeń.

Wyobraźmy sobie wiązkę lasera w postaci tysięcy fotonów, które padają na obrabianą powierzchnię. Każdy foton zderza się z powierzchnią materiału powoduje pobudzanie pojedynczych atomów, które zderzając się ze swoimi sąsiadami zwiększając temperaturę, a tym samym energię. W pewnym momencie wytworzona w ten sposób energia przekracza wartość krytyczną zwaną progiem ablacyjnym, dochodzi wtedy do rozerwania połączeń pomiędzy atomami materiału i tym samym oderwania ich z jego powierzchni.

Podczas całego tego procesu dochodzi do rozpylania na powierzchni materiału dużej ilości najróżniejszych elementów jakimi są pojedyncze atomów, elektrony, molekuły itp. Tworzą one „chmurę” elementów na powierzchni materiału, w której powstaje plazma, która przenosi dodatkowe ciepło w głąb materiału. Plazma zawsze pojawia się w miejscach gdzie działają dwa czynniki, duże ilości gazu (w tym przypadku „chmura” powstałych elementów) i wyładowania energii, można ją zauważyć chociażby podczas procesu spawania. Grubość usuniętego materiału w procesie ablacji, skala w jakiej się nagrzeje i stopień zmian jakie zajdą w jego strukturze chemicznej zależy od kilku czynników. Są to:

MOC urządzenia laserowego przy jakiej będziemy przeprowadzać proces ablacji,

CZĘSTOTLIWOŚĆ emitowanych impulsów promieniowania laserowego.

Te dwa parametry bezpośrednio będą kształtować nam tzw. strefę wpływu ciepła w materiale. Jest to wielkość obszaru, w którym będą widoczne zmiany w składzie chemicznym spowodowane wzrostem temperatury w materiale. W zależności od obrabianego materiału ważne jest odpowiednie ustawienie tych dwóch parametrów.

DŁUGOŚĆ FALI jaką charakteryzuję się użytkowane przez nas urządzenie laserowe.

W naszej firmie pracujemy na laserze włóknowym, nazywanym czasem fibrowym (ang. fiber = włókno), który emituję wiązkę promieniowania laserowego o długości 1064 nanometrów. Długość ta należy do spektrum światła podczerwonego, fale w tym zakresie są bardzo słabo pochłaniane przez materiały metalowe. Wynika to z tego, że energia pojedynczej cząsteczki światła, tj. fotonu jest zbyt mała by rozerwać wiązanie pomiędzy pojedynczymi cząstkami materiału. Skutkuję to jedynie tym, że przy dłuższym naświetlaniu jednego miejsca takim laserem możemy doprowadzić do jego znacznego nagrzania, a czasami do przetopienia jego powierzchni.

Rys.1 Absorbcja śwatła laserowego dla wybranych metali

Skoro mamy już obraz tego jak przebiega ablacja laserowa przejdźmy do jej praktycznego wykorzystania w procesie czyszczenia. Wiemy już, że podczas czyszczenia laserowego używamy odpowiedniej długości fali, która jest bardzo słabo pochłaniania przez materiały metalowe, a całkiem dobrze absorbują ją zanieczyszczenia na obrabianej powierzchni. Proces czyszczenia laserowego sprowadza się więc do odpowiedniego sparametryzowania urządzenia w taki sposób aby jak największa część światła, które wydostaje się z lasera zostało pochłonięte przez nawarstwienia znajdujące się na czyszczonej powierzchni.

Czyszczenie laserowe wykorzystuję właśnie te różnicę pochłanialności, która jest zupełnie inna dla metali i zanieczyszczeń składających się najczęściej z powłok lakierniczych, rdzy, tłuszczu, pyłów i wielu innych drobnych cząstek. Proces czyszczenia składa się więc z następujących etapów:

Światło lasera trafia na czyszczoną powierzchnie powodując zwiększanie się energii w nawarstwieniach, dochodzi do przekroczenia progu ablacji w wyniku czego część materiału zostaje odparowana.
Generowana jest plazma, która przenosi część powstającego ciepła w głąb zanieczyszczeń.
W wyniku nagłego oderwania zanieczyszczeń dochodzi do powstania fali akustycznej, która porusza się w stronę podłoża. Fala akustyczna odbija się od materiału podłoża i zaczyna poruszać się w przeciwną stronę, powoduję przy tym powstawanie dodatkowych sił w nawarstwieniach, które pomagają szybciej rozbijać kolejne warstwy zanieczyszczenia.
Na koniec fala akustyczna wspomaga „wyrzucanie” oderwanych zniszczeń w powietrze, efekt ten można zauważyć oraz usłyszeć podczas każdego procesu czyszczenia laserowego. Drobinki zanieczyszczeń są z dużą prędkością wyrzucane w powietrze i towarzyszy temu „świszczenie”, które niektórzy wykorzystują podczas czyszczenia laserowego. Im głośniejsze „świszczenie” tym lepiej światło lasera jest pochłaniane przez zanieczyszczenia.

Rys.2 Schemat przebiegu czyszczenia laserowego z wykorzystaniem ablacji laserowej

Odpowiednie dobranie parametrów procesu czyszczenia laserowego charakteryzuję się tym, że po usunięciu zanieczyszczeń z powierzchni materiału światło nagle przestaje być pochłaniane, „świszczenie” ucicha, a w powietrze przestają być wybijane cząsteczki. Zupełnie inne parametry będą dobierane dla czyszczenia powierzchni z materiałem podłoża ze stali konstrukcyjnej, inne dla podłoża żeliwnego, a jeszcze inne dla podłoża aluminiowego czy miedzianego. Do tego jeszcze dochodzi rodzaj zabrudzenia i jego grubość. W ECL Tech Polska cały czas badamy nowe sposoby wykorzystania światła do czyszczenia powierzchni starając się stworzyć przy tym schemat doboru optymalnych parametrów dla każdej napotkanej powierzchni.

Mam nadzieję, że powyższy artykuł chociaż trochę rozjaśnił Wam na czym polega czyszczenie laserowe i pokazał, że w gruncie rzeczy ablacja laserowa brzmi tylko tak poważnie a w rezultacie jest dość prostym procesem, na który składa się kila równie prostych zjawisk. W następnym tygodniu na stronie pojawi się kolejny artykuł jeszcze bardziej przybliżający Was do świata laserów.

_{1. Encyklopedia fizyki, PWN, Warszawa 1974.}

-Karol Woźniak-

Kategoria: Kompendium wiedzy o laserach

Zasada działania źródła laserowego

Ablacja laserowa i jej wykorzystanie w procesie czyszczenia laserowego