Laser Işınının Kullanım Alanları

1. Tıp Malzeme İşlemi Haberleşme Elektronik Çekirdek Tekniği Komünikasyon Laser Işını Bilgisayar Tekniği Askeriye Bilgi Kaydı Bilim Ölçme Tekniği Laser Işınının Kullanım Alanları

2. Önemli Laser İşlem Metodlarında Kullanım Derecesi

3. Laser Karakteristiği ve Çalışma Kriterleri

4. Laser ışını ile malzeme arasındaki etkileşim prosesleri 104 W/cm2 105 - 106 W/cm2 107 – 108 W/cm2

5. Laser ışını ile malzeme arasındaki etkileşim prosesleri

6. Laserin dalga boyuna bağlı olarak soğurulma miktarı

7. Güç yoğunluğunun ve dalga boyunun fonksiyonu olarak metalsel malzemelere etki eden enerji

8. Laser ışını – malzeme etkileşimi

9. Parametre değişimine göre birkaç yöntemin niteliği ve durum değişimi

10. Bir laser cihazın çalışma prensibi ve bileşenleri

11. Laser Türleri • Katı Laserler : a) Yakut kristali (Al2O3 ve Cr3+); Dalga Boyu: 694,3 nm’dir. Başıboş çalışmada bir yakut laseri 30 - 40 kW, darbeli çalışmada ise 30 – 100 MW güç sağlar. • b)Nd:YAG; dalga boyu 1,06 mikrometre • Gaz Laserleri: He-Ne, Ar, CO2 (10,6), He-Cd (metalbuharı), HF(2,7) veya DF(3,8) • Boyar Madde Laserleri: Organik moleküller (100 nm) • Yarı İletkenli Laserler: AsGa • Serbest Elektronlu Laserler: Yüksek enerjili elektronlar

12. Laserin Esasları ve Özellikleri • LASER, akronim yazım kuralı ile Light Amplification by Stimulated Emission of Radition cümlesindeki baş harflerden elde edilmiş bir kelime olup, “ışınlandırmanın uyarılmış yayımı ile ışığın kuvvetlendirilmesi” şeklinde tercüme edilebilir.

13. Laserin Esasları ve Özellikleri Farklı laser ortamları ve uyarma yöntemleri ile üretilmiş bu laserlerin tümünde ortak olan yönler; • homojen (eş dağılımlı) bir ortam • enerjinin bir kısmını laser ışınına çeviren, enerji nakli için ayrıca uyarı düzeni sağlayan ve ışının ortamı pek çok kereler katetmesi ve gücünün artışını sağlamak amacıyla resonatörde mevcut olan aynalardır

14. Laserin Esasları ve Özellikleri • Radyo dalgaları ile ışık dalgaları kuşkusuz aynı kökenlidir; yani her ikisi de elektromanyetik dalga yayınımıdır. • Sadece frekansları, dolayısı ile dalga boyları farklıdır. • Radyo dalgaları sürekli bir enerji akışı sunarken, ışık ise enerji darbelerinden oluşmaktadır. • Her bir darbenin enerjisi ise h . v kadardır (h:Planck sabiti ve v: frekans). • Esasında sürekli olarak algılanabilen ışık, gerçekte milyonlarca küçük enerji paketlerinden oluşmaktadır.

15. Laserin Esasları ve Özellikleri

16. Işın Kaynağı • Laser ışını üretmek için termodinamik dengede olan bir konumdan aktif laser ortamına enerji transfer edilmelidir. • Tam ve kısmi yansıtıcı aynalara sahip olan resonatör, yükseltgenen enerjinin bir kısmını laser etkisi ile elektromanyetik bir ışın olarak yönlendirmektedir. • Bu ışın tek renkli, ardışık ve olağan dışı kuvvetli bir düzen ile yönlendirilmektedir. • Bu olayların gerçekleşmesini sağlayan teknik cihaz, tam olarak ışın kaynağı olarak adlandırılmaktadır

17. Işın Kaynağı • Laseri başlatmak için ulaşılmış yayınımı olanaklı kılacak enerji düzeylerine sahip atomlar, moleküller, iyonlar, vb. gibi kurucu öğelerden oluşan etkin bir ortam gereklidir. • Frekansı ışınımsal geçişe karşılık gelen tek renkli bir ışık demeti etkin bir ortama gönderildiğinde, buradan uyarılmış yayınımla yükseltilmiş olarak ve aynı doğrultuda çıkar. • Bu yükseltici ortamı, ışıma üretecine dönüştürmek için bir rezonans boşluğuna yerleştirmek gerekir. Bir laserde bu boşluk, birbirine koşut ve yayımlanan ışımaya dik iki aynadan oluşur (Pèrot-Fabry Boşluğu). • Aynalardan biri, üretilen ışımanın dışarı çıkabilmesini sağlamak için kısmen geçirgendir. Aynalar arasındaki uzaklık birkaç santimetreden birkaç metreye kadar değişebilir.

18. Işın Kaynağı Laser ışınının oluşum şeması

19. Işın Kaynağı • Üç düzeyli bir laserin enerji • şeması (neodim laseri). b) Dört düzeyli bir laserin enerji şeması (yakut laseri)

20. Işın Kaynağı • Laser ışını yönlendirilmiştir; demetin ıraksaması birkaç saniyelik bir açı ile sınırlandırılabilir; küçük bir uzay açısı içinde çok büyük bir enerji veya güç elde edilebilir. • Laser demeti odaklandığında, kullanılan optik düzeneğin odağında birkaç dalga boyu kadar çok küçük boyutlu bir odak noktası, dolayısı ile birim yüzey başına çok büyük bir enerji yoğunluğu elde edilir.

21. Laser ortamı, uyarılma şekli ve resonatöre göre elde edilen laserin özellikleri ve kullanım alanları

22. Laser Işınının Özellikleri • Laser ışını tek renklidir ve ışını oluşturan laser özelliği ile belirlenmiş elektromanyetik dalgalar ile yayınır. Malzeme işleminde kullanılan laser ışınında genellikle laser, kızılötesi bölgede yer alır; yani dalga boyu 750 nm’den büyüktür. • Laser ışını ardışıktır. Ardışıklık, laser ışınının elektromanyetik dalgalarının eşit fazda olması durumu olarak ortaya çıkmaktadır. • Laser ışını kurallı olarak polarize olmaz. Buna karşın laser sitemleri doğrusal (lineer) polarize olmuş ışın yayındırırlar; yani, tek renkli ve ardışık ışığın titreşim yüzeyinin yeri sabittir.

23. Laser Işınının Özellikleri • Laser ışını yaklaşık paraleldir. Laserde sadece elektromanyetik dalgalar kuvvetlendirilir. Laser ışın kaynağından ışının uzaklaşması ile paralellik bozulmaya başlar (ışın ıraksaklaşır). • Işın kesitinde laser ışınının sabit bir güç yoğunluğu yoktur. Işın kesitinde güç yoğunluğunun dağılımı Mod olarak tanımlanır (TEM = Elektromanyetik modda yayınım) ve her şeyden önce laserin yapısına ve laser etkin ortamının türüne bağlı olarak mod değişir. Mod düzeni ve laser ışınının ıraksaması, laser ışınının kalitesini belirler. • Laser ışını iyi odaklanabilir. Işın kaynağının çıkışında laser ışınının güç yoğunluğu 103 W/cm2’ye kadarken ve bu güç yoğunluğu malzemenin ısıtılması için yeterliyken, kaynak ve kesme işlemlerinin yapılabilmesi için, ışının yarıçapı 0,5 mm değerinin altına düşürülerek odaklanması ile, bu güç yoğunluğu değeri 105 – 107 W/cm2 değerine yükseltilmektedir.

24. Laser Işınının Özellikleri Etkin laser ortamında laser oluşumunun şematik olarak modeli: • Atomlar temel enerji seviyesinde • bulunmaktadırlar, • b) Uyarılan atomlar farklı yönlere doğru • foton yaymaktadırlar, • c) Etkin laser ortamının eksenine paralel • yayınan fotonlar uç aynaları tarafından • yansıtılmaktadırlar, • d) ve e) Bu yansıma olayları binlerce • kez tekrarlanmaktadır, • f) Laser ışını, etkin laser ortamını • terk ederek dışarı çıkmaktadır

25. Laser Işınının Özellikleri (laser güç yoğunluğu dağılımları)

26. Laser Işınının Özellikleri (Polarizasyon) Eşit genlikte ve birbirlerine 900’lik açı ile bulunan doğrusal polarize iki dalgadan dairesel polarizasyonun oluşum prensibi

27. Laser Işınının Özellikleri (Işının Taşınımı) • Laser ışını iletim kablosu ile laser ışınının taşınımı • (b) Işın iletim kablosu ile ışın taşınımı ve odaklama

28. Laser Işınının Özellikleri (Işının Taşınımı) Ayna hareketinin ışın yönlenmesine etkisi

29. Laser Işınının Özellikleri (Işının Taşınımı) Bükme kolu sistemi (sol) ve teleskop sistemi ile ışın taşınımı

30. Laser Işınının Özellikleri (Işının Taşınımı ve Odaklanması) Laser ışınının taşınımı: (a) düzlemsel konveks mercek ile, (b) 450 açı ile düzenlenmiş küresel ayna ile, (c) 900 açı ile düzenlenmiş parabolik ayna ile.

31. Laser Işınının Özellikleri (Işının Taşınımı ve Odaklanması)

32. Laser Çalışma Türleri(CO2 Laseri) • Sürekli dalga (cw: continuous wave) çalışma şekli • Darbeli çalışma (benzer biçimde süper darbeli) • HF-Uyarılma • darbe zamanı 0,5 ms • durma zamanı 1,5 ms • darbe frekansı 500 Hz • ortalama laser gücü %25

33. CO2 laser için; (a) Yüksek frekanslı sürekli dalga (b) Darbeli çalışma

34. Laser Çalışma Türleri(CO2 Laseri) CO2 laserinin ısıl şeması

35. Laser Çalışma Türleri(CO2 Laseri) Resonatör eksenine paralel (sol taraf) ve dik yönde yayınan laser; 1: elektrodlar, 2: boşalım odası, 3: resonatör aynası, 4: soğutucu, 5: uyarıcı

36. Laser Çalışma Türleri(CO2 Laseri)

37. Laser Çalışma Türleri(Nd:YAG Laseri) • Sürekli dalga (cw) işletmesi • Darbeli işletme (benzer biçimde darbeli şekillendirme) • Q-anahtar işletmesi. Sürekli laser (cw) işletmede ark lambaları kullanarak optik pompalama ile uyarım gerçekleştirilirken, darbeli laser için flaş lamba kullanılması gerekmektedir. Ortalama 50-1000 W Nd:YAG laser gücü kullanılarak gerçekleştirilen malzeme işlemlerinde darbeli laser kullanılmaktadır. Darbe süresi 0,1-20 ms aralığında değiştirilebilmektedir.

38. Laser Çalışma Türleri(Nd:YAG Laseri) Nd:YAG laserinin ısıl şeması

39. Laser Çalışma Türleri(Nd:YAG Laseri) Nd:YAG (katı laser) laserinin yapısı; 1: Flaş lamba (uyarım lambası), 2: Uyarı lambası için yansıtıcı, 3: Etkin laser malzemesi, 4: Tam yansıtmalı ve yarı geçirgen aynalar

40. Laser Çalışma Türleri(Nd:YAG Laseri) Nd:YAG laserinde darbeli çalışma

41. Laser Çalışma Türleri(Nd:YAG Laseri)

42. Laser - Malzeme Etkileşimi

43. Laser Işınının Isıl Etkisi • Işının soğurulan kısmı ısıya dönüştürülür. Bunun sonucunda, metallerde etki derinliğinin düşük olması nedeni ile ısı yüzeyde soğurulur ve gelen laser ışını yüzeyde ısı kaynağı oluşturur. • Yüzeyin ısınması malzeme içine doğru ısı akışını etkilemektedir. Bu durum için çevredeki ısıl kayıplar ihmal edilerek laser ışınındaki belirli güç yoğunluğu dağılımı ile yüzeydeki sıcaklığın değişimi hesaplanabilir. Genel olarak bir güç yoğunluk dağılımındaki sıcaklığın değişimi aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

44. Laser Işınının Isıl Etkisi • T (t) : Zaman bağlı olarak ışın merkezindeki sıcaklık • I : Laser ışınının güç yoğunluğu • rF : Odak yarıçapı • λW : Isıl geçirgenlik • κ : Sıcaklık geçirgenliği

45. Buhar Kanalındaki Oluşumlar Buhar kanalı ve çevresindeki oluşumlar

46. Buhar Kanalındaki Oluşumlar Buhar kanalına ve kaynak dikişine polarizasyonun etkisi

47. Laser Sistemleri Laser sistemleri ile gerçekleştirilen çalışma alanları

48. Hareket Eksenleri[Tek Eksenli Sistemler (1E)] • ve (b) laser cihazı sabit, parça dairesel hareketli • (c) laser cihazı sabit, parça düzlemsel hareketli

49. Hareket Eksenleri[İki Eksenli Sistemler (2E)] • parça: hareketli, laser cihazı ve • işlem optiği: sabit, • (b) parça ve işlem optiği: hareketli, • laser cihazı: sabit, • (c) parça ve laser cihazı: sabit, işlem optiği: hareketli, • (d) parça: sabit, laser cihazı ve işlem optiği: hareketli, • (e) parça, laser cihazı ve işlem optiği hareketli.

50. Hareket Eksenleri(Üç ve Daha Fazla Eksenli Sistemler ) Hareketli laser ve çalışma kafasına sahip dört eksenli makine