LAVORAZIONI MEDIANTE LASER

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1 LAVORAZIONI MEDIANTE LASER Light Ampliication by the Stimulated Emission o Radiation arte II 1 Caratteristiche del ascio roilo temporale L emissione nel tempo può essere: Continua (Continuous Wave - CW): tipica dei laser a gas. Elevata rimozione in volume, buona initura delle superici ottenute Impulsata (ulsed Wave - W): tipica dei laser allo stato solido. Elevata penetrazione, scarsa initura supericiale t CW Continuous Wave AV τ W ulsed Wave t H τ H Q t τ H durata [s] (t) potenza istantanea [W] p 1/ τ requenza d impulso [Hz] 1

2 Caratteristiche del ascio Sorgenti impulsate AV τ W ulsed Wave t H τ H Q t K max( ( t)) otenza di picco [W] τ H 1 ( t) dt otenza media temporale singolo impulso [W] H τ H τ H Q ( t ) dt τ Energia singolo impulso [J] H H 3 Caratteristiche del ascio Sorgenti impulsate AV τ W ulsed Wave t H τ H Q t AV H τ H H τ H H τ τ H δ τ H τ δ otenza media [W] δ [,1] (duty cycle) spento continuo 4

3 Caratteristiche del ascio roilo temporale Una sorgente laser che opera in continuo può essere resa impulsata nei seguenti modi: Free running: Il pompaggio è intermittente (ad es. nel Nd:YAG si ottiene con lampade lash) Q-switch: Il Q-switch a aumentare il rapporto di inversione della popolazione durante la ase in cui non vi è emissione del ascio in modo che la successiva emissione sia ad una potenza maggiore (si raggiungono i GW di picco) Mode locking: Non esistono applicazioni industriali Esempio di Q-switch meccanico τ H 1 4 s τ 1 9 s τ H H 1 15 s (emto secondi) K TW Specchio rotante 5 Geometria del ascio punto di minimo diametro d uoco del ascio divergenza q 6 3

4 Geometria del ascio Divergenza er ogni ascio vale: In generale: θ k λ d 4 1,7 π k G θ d cost E una speciica del ascio: se, passando attraverso una lente, cambia θ, cambia anche d La cost dipende da λ: θ k λ Se la distribuzione non è gaussiana, il valore di k è maggiore e il ascio diverge maggiormente. La divergenza rimane comunque contenuta a qualche decina di milliradianti. d k dipende da I(r,θ), cioè da come è distribuita la potenza. er la gaussiana (TEM ) : (valore più piccolo che k possa assumere) 4λ θ g πd 7 Divergenza sorgente d Geometria del ascio Fattore di propagazione del ascio: d θ Fattore di qualità del ascio: θ mrad d d (diametro in uscita) (Dati orniti dal costruttore) kg K k < K < 1 k M 1 K M 1 M è legato al TEM, ma si usa maggiormente perché si può scrivere: 4 θ d M π λ k G gaussiano 8 4

5 Tipi di sorgenti laser Le sorgenti possono essere raggruppate a seconda del mezzo attivo che viene utilizzato come elemento radiante: Gas molecole: CO atomi: He/Ne ioni: Kr e Ar eccimeri Liquido (di scarso interesse industriale) Solido drogati: Nd:YAG a diodi Indipendentemente dalla sorgente usata, l eicienza del sistema è piuttosto bassa. Si va da circa 3% per il Nd:YAG a circa 1% per il CO al % per i laser a diodi. 9 Laser a CO miscela di CO N He mezzo attivo: CO eccitazione elettronica (lusso di e, corrente elettrica) N traserisce energia alla CO He asporta calore λ 1, CO 6µm Medio inrarosso 1 5

6 Tipologie di sorgenti a CO Sorgenti sigillate La cavità viene riempita con i gas attivi e sigillata. er unzionare non richiede ricambio di gas. La potenza emessa da una singola sorgente è però limitata a circa 1 W (si possono accoppiare più sorgenti con perdita di qualità del ascio). Inoltre la vita della sorgente è limitata a causa della ormazione di ossidi di azoto (5 ore). Cavità risonante SR R ~ Generatore RF 11 Tipologie di sorgenti a CO gas Flusso assiale: il gas attivo luisce attraverso la cavità in direzione assiale. Si suddividono in: Bassa velocità (Slow Flow SF): il gas luisce lentamente all interno della cavità (1 m/s) potenza 7 W per metro di sorgente max 1,5 kw possibilità di porre più cavità in serie ottima qualità (M 1) e, se la sorgente è costruita bene, la I è anche stabile nel tempo Alta velocità (Fast Axial Flow FAF): I il gas possiede una elevata velocità (4 m/s) potenza 8 W per metro di sorgente max 1 kw 1 < M < : la turbolenza del gas sporca la qualità del ascio distorsione termica contenuta grazie alla elevata velocità del gas ino a qualche anno a era la più diusa nell industria r 1 6

7 Tipologie di sorgenti a CO SR Sorgenti a lusso assiale in serie Flusso trasverso: il gas e la scarica di pompaggio luiscono in direzione trasversale. potenze elevate (ino a max 4 kw) 5 < M < : qualità del ascio (proilo spaziale) ineriore: I R Scambiatore di calore SR R ~ r Generatore RF 13 Altre sorgenti che utilizzano un gas come mezzo attivo Atomi: He/Ne (Elio/Neon, gas nobili): gli atomi di He vengono eccitati da una scarica elettrica e successivamente traseriscono energia agli atomi di Ne che emettono il ascio laser. λ 63,8 nm (Rosso) qualche centinaio di mw largamente utilizzato per misure e olograia Ioni: Ar/Kr (Argon/Krypton, gas nobili): prima di venire attraversato dalla scarica il mezzo attivo viene ionizzato. λ può variare da 5 nm a 1 nm (Visibile IR) ino a poche decine di W applicazioni prevalentemente in campo medicale 14 7

8 Altre sorgenti che utilizzano un gas come mezzo attivo Eccimeri: i laser ad eccimeri sono di recente messa a punto. Una scarica elettrica in un gas nobile genera il passaggio ad uno stato eccitato del gas che si combina con atomi di elementi alogeni presenti nel mezzo radiante ormando un nuovo composto. La vita del composto è però molto breve e, nel ritorno alla condizione di minima energia, viene emesso il ascio laser. λ nell UltraVioletto 1 W impulsati 1 khz applicazioni nella lavorazione dei materiali polimerici 15 Laser a Nd:YAG mezzo attivo allo stato solido: neodimio (Nd 3+ ) in granato di ittrio e alluminio (Y 3 Al 5 O 1 ) sorgente in continuo o impulsata pompaggio ottico da pochi W a 6 kw (in media 5 W impulsato e 1kW continuo) Anche gli ioni di cromo possono essere utilizzati per drogare il mezzo solido,che può essere anche vetro; in questo caso il regime deve essere impulsato a causa della scarsa diusività termica di questo materiale. λnd : YAG 1, 6µ m Vicino Inrarosso 16 8

9 Laser a Nd:YAG Barretta di mezzo attivo SR R Barretta Lampade La cavità è a doppia ellisse per are in modo che la luce emessa dalle lampade vada comunque sulla barretta Lampade lash allo xenon, al mercurio o al krypton Dimensioni tipiche della barretta: mm, 15 mm ossibilità di pompaggio con Diodi Laser (più eicienti grazie alla banda più stretta) 17 Laser a Nd:YAG Questo tipo di sorgente viene utilizzato prevalentemente nel taglio, nella saldatura e in tutte le applicazioni che richiedono una elevata qualità del ascio. Elevate potenze si ottengono mettendo in serie più elementi e sincronizzando le lampade di eccitazione. Lampade (di solito lash impulsato ree running) SR R Nd:YAG Nd:YAG Nd:YAG AV 5 W per sorgente; si arriva a AV 4 kw totali Un vantaggio del Nd:YAG rispetto al CO è che emette un ascio nel vicino inrarosso e che quindi può essere trasportato in ibra ottica. 18 9

10 Laser a diodi Sono sorgenti di recente messa a punto. Una serie di diodi laser posti in parallelo generano un ascio a orma di pennello. Sono sorgenti estremamente compatte e leggere di potenze anche elevate che presentano però una scarsa qualità del ascio e sono diicilmente ocalizzabili. Trovano quindi applicazione in tutti i settori dove non sono richieste elevate caratteristiche del ascio (saldatura, trattamenti termici). λ 81 nm oppure 97 nm (IR vicinissimo al visibile) anche 6 kw in congurazione a stack (ma bassa potenza speciica) applicazioni nella lavorazione dei materiali polimerici scarso ingombro (sorgente scatola di scarpe) 19 Tipi di sorgenti laser Tipo Costo di acquisto [k /kw] roduttore di rierimento CO 5 Trump Costo di unz. medio /alto Voce più rilevante di costo di unz. gas Nd:YAG 75 Roin Sinar medio lampade Yb:Vetro 1 IG basso Diodi 5 RC basso 1

11 Il sistema di lavorazione Schema tipico di sistema di lavorazione Laser Sorgente Laser Fascio LASER Specchio rilettente Sistema di rareddamento (Chiller) Gas di assistenza ezzo in lavorazione Tavola x-y Lente di ocalizzazione Ugello 1 Il sistema di trasporto del ascio Esistono due metodi di guidare il ascio dalla sorgente ino alla zona di lavorazione: Specchi: per laser di elevata potenza si utilizzano degli specchi issi in rame (ricoperto da molibdeno e lappato), eventualmente rareddati. resentano problemi prevalentemente di pulizia e ossidazione. Vengono utilizzati con le sorgenti a CO Fibre ottiche: per sorgenti laser di potenza non elevata e che emettono vicino al campo del visibile è possibile guidare il ascio mediante ibre ottiche. Vengono utilizzate con le sorgenti Nd:YAG. Sorgente CO Sorgente Nd:YAG Fascio deocalizzato Conigurazione Time Sharing 11

12 Catena ottica mediante specchi idonea per entrambe le sorgenti CO e Nd:YAG per qualsiasi proilo temporale specchi in rame rivestito rareddati per convezione naturale a basse potenze (alettati) rareddati ad acqua a elevate potenze 3 La ocalizzazione Il sistema ottico per trasmissione tramite lente (CO e Nd:YAG di potenza media, ino a 4 kw) per rilessione tramite specchi (CO di elevata potenza) 4 1

13 Lunghezza ocale - Altezza ocale Diametro ocale - spot d lunghezza ocale altezza ocale h diametro ocale d diametro dello spot d s 5 Diametro minimo del ascio La dimensione minima del ascio è legata alle proprietà di dirazione del ascio: Ipotesi di sorgente all ininito d θ d 1 d θ arctg d divergenza (caso generale): M 1 k k kg M K k G 4 θ d M λ π 4 d M λ π d Caso gaussiano (M 1): M θ k λ d G d M G dg d 4 M λ d π θ d 4λ π 4 k M π : lunghezza ocale della lente [mm] d M indica quanto sia ocalizzabile il ascio 6 13

14 Diametro minimo del ascio gaussiano Ad esempio, per un ascio CO con mm di diametro e ocalizzato da una lente da 15 mm ha un diametro minimo pari a: d 4 M λ 4 M λ π θ π d Se M 1 (ascio gaussiano) 6 3 ( )( 15 1 ) 3 ( 1 ) λ 4 3 d g kg mm d π 7 roondità di campo Il ascio laser viene ocalizzato ad una distanza z dalla lente. Allontanandosi da tale punto il diametro del ascio aumenta con conseguente diminuzione dell irradianza. La proondità di campo è la semilunghezza della porzione del ascio che possiede un diametro minore di un determinato valore d*. Convenzionalmente si issa: z pdc z pdc d * z h d con h > tipicamente: h e quindi: z z( h ) pdc d h d 1 d La pdc inluenza direttamente lo spessore massimo lavorabile mediante laser. La pdc cresce all aumentare della lunghezza ocale. 8 14

15 roondità di campo z pdc z pdc z h dg 1 d M z pdc g M er un ascio gaussiano con h z pdc g dg d mentre per un ascio non gaussiano z pdc dg d M 9 La potenza speciica La potenza speciica è di ondamentale importanza per poter riscaldare, ondere e vaporizzare i materiali durante la lavorazione laser. La potenza speciica (potenza per unità di area) del ascio è: p A 4 π d er rendere massima p è possibile ocalizzare il ascio tramite la lente. La massima potenza speciica è quindi: 4 πd p A πd 4λ Dove è la lunghezza ocale della lente. Mentre la potenza speciica cresce al diminuire di, la pdc ha un comportamento opposto. Considerando lo spessore da lavorare sarà necessario selezionare la corretta lente di ocalizzazione. 3 15

16 Interazione laser - materia Eetto radiazione elettromagnetica 31 Interazione laser - materia Quando il ascio laser raggiunge una supericie avvengono diversi enomeni: rilessione, assorbimento e trasmissione della luce. La rilessione comporta una perdita di energia. Se i è la potenza incidente, R verrà rilessa dalla supericie e solo la quantità A1-R viene assorbita dal materiale: A coe. di assorbimento supericiale [ - ] R coe. di rilessione supericiale [ - ] i a r A + R 1 + i r a a R i (1 R) A r i i Il coeiciente di assorbimento supericiale dipende dal materiale, dalla lunghezza d onda del laser (all aumentare della λ diminuisce A per i metalli mentre aumenta per i materiali organici) e dalla initura supericiale (all aumentare della initura diminuisce A). 3 16

17 Interazione laser - materia Andamento dell assorbimento laser in unzione della lunghezza d onda e del materiale: Assorbimento % A KrF Nd:YAG CO Metalli Non Metalli Lunghezza d onda (µm) Assorbimento A KrF Nd:YAG CO Ag Acciaio Au Fe Al Mo Lunghezza d onda (µm) 33 Interazione laser - materia Andamento dell assorbimento laser in unzione della temperatura e dello stato del materiale: 1 Assorbimento % A µm 1.6 µm unto di usione Temperatura unto di vaporizzazione 34 17

18 Flusso termico d s τ τ tempo di interazione v v velocità avanzamento ascio q '' a 4 A i s S π ds A I i q s lusso di calore medio sulla supericie F I τ A I τ F luenza [J/m ] t i I irradianza [W/m ] 35 Flusso termico elevato I t basso τ basso I t elevato τ 36 18

19 Classiicazione delle lavorazioni laser 37 Modalità di asportazione del materiale L asportazione di materiale può avvenire con diverse modalità e passa attraverso le asi seguenti: riscaldamento, usione e vaporizzazione La vaporizzazione è la modalità più utilizzata, ma, a causa della elevata conducibilità termica e del basso assorbimento, alcuni materiali non possono essere tagliati in questo modo. riscaldamento usione vaporizzazione Formazione di plasma Riscaldamento e reazione esotermica di ossidazione: viene utilizzata solo per i metalli. Il laser riscalda il materiale ad una temperatura alla quale avviene la reazione di ossidazione tra il materiale e il gas di assistenza. Tale reazione è ortemente esotermica e il calore prodotto contribuisce ad asportare il materiale

20 Gas di assistenza Durante le lavorazioni di taglio il ascio laser viene ocalizzato sulla supericie da lavorare. Nella stessa direzione del ascio viene atto luire del gas che ha lo scopo di: avorire l allontanamento del materiale uso proteggere la lente da eventuali proiezioni di materiale uso allontanare il plasma che si orma al di sopra della supericie Il gas è generalmente una miscela di gas inerti (N, He ). Nel caso di taglio ossiassistito, il gas inerte viene sostituito con l ossigeno che è estremamente reattivo. Gas di assistenza 39