Przygotował: Piotr Wiankowski Lasery dyskowe Przygotował: Piotr Wiankowski

Budowa lasera dyskowego Laser dyskowy Yb:YAG (kryształ granatu itrowo – aluminiowego, łączy w sobie zalety geometrii cienkiego dysku oraz pompowanego za pomocą diod kryształu Yb:YAG. Lasery dyskowe wykorzystują kryształy uformowane w postaci cienkich dysków o standardowej grubości ok. 200 nm i średnicy 10 mm. Budowa lasera dyskowego Źródło promieniowania pompującego – diody. Źródło chłodzenia – radiator. System zwierciadeł, który przepuszcza światło powodując wysoką absorpcję. Zakryta tylnia część kryształu spełnia funkcję końcowego zwierciadła.

Rys.1 Budowa lasera dyskowego

Rys.2 Zasada działania lasera dyskowego

Zalety lasera dyskowego Chłodzenie odbywa się równolegle do kierunku rozchodzenia się wiązki laserowej (np. wzdłuż osi wiązki). Powoduje to niewielki gradient temperatury, dzięki czemu nie następuje nagrzewanie soczewek i w efekcie znacznie (czterokrotnie) poprawia spójność wiązki w stosunku do laserów prętowych. Geometria dyskowa zapewnia dużą pojemność chłodzenia Nowe możliwości zastosowania – cięcie, spawanie, wytwarzanie podzespołów Zalety wykorzystania kryształu Yb:YAG, zamiast Nd:YAG Spójność wiązki: Typowy 1 – 5 kW laser prętowy ma M2 pomiędzy 60 – 100. Dla porównania laser dyskowy ma M2 w granicach 15 -18, lasery dyskowe o niskiej mocy mają M2 w granicach 1. Częstość repetycji: Górny poziom laserowy itru ma względnie długi czas życia (1ms) i zapewnia znacznie większą częstość repetycji niż lasery Nd:YAG. Przestrajalność: Szerokość pasma wzmocnienia laserów Yb:YAG jest o rząd wielkości większa niż laserów Nd:YAG. Lasery Yb:YAG są także przestrajalne, w teorii, w paśmie 1020 – 1060 nm.

Zastosowania laserów dyskowych Zniekształcenie czoła fali: Gradienty temperatury w przyrządach opartych na Yb:YAG ustawione są zgodnie z kierunkiem propagacji wiązki, redukując zniekształcenie czoła fali. Pompowanie: Różnica energii pomiędzy pasmami emisyjnymi i absorpcyjnymi itru jest niewielka, co powoduje zmniejszenie mocy pompującej traconej na ciepło. Absorpcja: Maksimum absorpcyjne itru wynosi prawie 940 nm, co czyni go odpowiednim dla pompowania diodami InGaAs. Ogólna sprawność: Lasery dyskowe oparte na krysztale itru mają 4 – 5 razy większą sprawność niż lasery oparte na innych laserach na ciele stałym Zastosowania laserów dyskowych Wytwarzanie pojedynczych części Za pomocą galwoskanera wytapia się pojedyncze warstwy jednoskładnikowego metalicznego proszku, który nie zawiera zmiękczających go domieszek. Przy użyciu tej metody można wytworzyć 3 – wymiarowe części o kształcie zbliżonym do kształtu sieci.

Rys 3. Zastosowanie lasera dyskowego do tworzenia pojedynczych elementów.

Spawanie Bardzo duża spójność wiązki laserów dyskowych pozwala osiągać mniejsze apertury plamki, jak również większą gęstość energii. W rezultacie możliwe jest spawanie cienkich arkuszy metali z dużą prędkością i przy minimalnym nagrzewaniu się lasera. W dodatku na wyższych poziomach energetycznych można osiągnąć szczególnie dobre wyniki spawania przy dużych prędkościach spawania. Testy przeprowadzone dla lasera dyskowego o parametrach: Moc lasera – 750 W Grubość próbki – 3 mm Plamka – 0,1 mm Wykazały prędkość spawania ok. 50 m/min. Dla tej samej próbki po zmniejszeniu mocy lasera do 250 W osiągane prędkości spawania wynosiły ok. 20 m/min.

Cięcie Lasery dyskowe zapewniają również świetne wyniki przy cięciu materiałów. Prędkość cięcia jest proporcjonalna do średnicy ogniskowej i jest ograniczona jedynie poprzez odpryskiwanie topionego metalu. Zanotowano, że aluminium o grubości 0,2 mm dało się ciąć z prędkością 60 m/min. Nawet zwiększając grubość warstwy aluminiowej do 0,5 mm dało się osiągnąć prędkość cięcia 28 m/min. Porównywalne osiągi wykazano w przypadku stali nierdzewnej. Powszechne lasery wykorzystujące pręt, mające spójność wiązki  16mm – mrad są użyteczne w obszarze 150 x 150mm, na arkuszu metalu o grubości 1 – 2 mm. Szerszy obszar może być wykorzystany, jeśli użyje się większego skanera optycznego; co spowoduje jednakże ogólny wzrost wymiarów urządzenia, większy koszt budowy, jak również mniejszą zdolność dynamicznego ustalania położenia przez skaner optyczny. Użycie lasera dyskowego o porównywalnej mocy spowoduje 4 – krotne zwiększenie obszaru.

Bibliografia: Disk lasers – Enable Application Advancements; dr Kurt Mann, Timothy Morris; 2004 A New Spin: Thin – Disc Yb:YAG Lasers: Nadya Anscombe; 2002