In dit hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de voor het bewerken van metalen belangrijkste lasertypen. De hier gegeven specificaties zijn indicatief voor wat er eind 2002 commercieel verkrijgbaar is. De werkelijke eigenschappen van een specifieke laserbron zijn afhankelijk van de opbouw van het systeem, de kwaliteit van de gebruikte (optische) elementen en het gemiddelde vermogen waarop de laser werkt. De ontwikkelingen van lasers zal ertoe leiden dat de specificaties van laserbronnen in de toekomst verder zullen verbeteren.
CO2 laser
Het medium van de CO2-laser is koolzuurgas (CO2, zuiverheid 4.5) waaraan stikstof (N2, zuiverheid 5.0) en helium (He, zuiverheid 4.6) is toegevoegd. Stikstof is nodig om de CO2 moleculen in de geëxciteerde toestand te brengen. Het helium is nodig om warmte af te voeren.
Doordat het lasermedium gasvormig is, kan de energie die nodig is voor het opwekken van de laserstraling (pompmechanisme) via een gasontlading in het medium worden "gepompt". Dit kan middels elektroden waardoor een gelijkstroom (DC) stroomt of middels "condensator" platen waarover een wisselspanning (AC) wordt gezet. Bij deze laatste methode spreekt men ook wel over Radio Frequentie (RF) of Hoge Frequentie (HF) geëxciteerde CO2-lasers. HF lasers kunnen in het algemeen hogere pulsfrequenties leveren (meer dan 5kHz) dan DC lasers (tot circa 1kHz). CO2-lasers kunnen worden bedreven in CW, puls- of superpuls mode. De pulsduur in puls-mode is gewoonlijk langer dan 0.1 ms, terwijl in superpuls-mode 10 tot 500 ms pulsen opgewekt kunnen worden met hogere pulsvermogens dan in puls-mode.
Het energetisch rendement van de CO2-laser is 10 tot 15 %. De verlieswarmte (85 tot 90 %) wordt afgevoerd door het rondpompen van het gas via een warmtewisselaar. Hierbij maakt men onderscheid naar dwarsstroom-lasers, langsstroom-lasers en diffusie gekoelde lasers, zie figuren onderstaande drie figuren.
Dwarsstroom CO2 laser met een optisch stabiele resonator, M 2<=7.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Langsstroom CO2-laser met stabiele resonator opbouw en vouwspiegels. Door het toepassen van meerdere, in serie geplaatste resonatorbuizen (kwartsglas) kunnen hoge vermogens (meer dan 20 kW) worden opgewerkt.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Diffusiegekoelde CO2 laser met optische instabiele resonator. De rechthoekige bundel die de resonator verlaat wordt met een bundelvormer circulair gemaakt. M 2 <= 1.25, vermogens tot 3.5 kW.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
In dit laatste type CO2-laser wordt geen gas rondgepompt. Deze laser heeft daarom een relatief laag gasverbruik. De warmte in het medium wordt d.m.v. warmtegeleiding naar de elektroden afgevoerd.
Bovenstaande figuur van de langsstroom CO2 laser toont een resonatorconstructie, waarin de laserbundel (afgezien van de uitkoppelspiegel) binnen de eindspiegel en de uitkoppelspiegel 'gevangen' blijft. Deze resonatorconfiguratie wordt een passieve of optisch stabiele resonator genoemd. Dit in tegenstelling tot optisch instabiele resonatoren, waarin een deel van de laserbundel langs één van de spiegels 'ontsnapt', zoals in de figuren van de dwarsstroom en diffusiegekoelde CO2 laser hierboven.
Om een compacte opbouw van de resonator te verkrijgen, kunnen vouwspiegels worden toegepast zoals getoond in de figuur van de langsstroom CO2 hierboven. Deze spiegels kunnen ook van coatings worden voorzien om een gewenste polarisatie van het laserlicht te verkrijgen.
Gezien de hoge beschikbare vermogens (meer dan 20 kW) worden CO2-lasers veel toegepast voor het snijden en lassen van relatief dikke (meer dan 2 mm) materialen en/of voor het oppervlaktebewerken.
Nd:YAG laser
Het medium van de Nd:YAG-laser bestaat uit Neodynium3+ (Nd3+) ionen die zijn ingebed in een Yttrium-Aluminium-Granaat (YAG) kristal, dat een goede warmtegeleiding vertoont. Dit kristal is meestal staafvormig en heeft (afhankelijk van het vermogen) een diameter van 10 mm en een lengte van 150 mm, zie onderstaande figuur.
Opbouw van een Nd:YAG laser met (flits)lampen
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Het Nd3+ ion is verantwoordelijk voor het uitzenden van licht met een golflengte van 1.06 micrometer. Per staaf kan circa 500 W laserenergie worden opgewekt. Voor het verkrijgen van hoge vermogens worden daarom meerdere staven in serie geplaatst, zie onderstaande figuur.
Een 4 kW Nd:YAG laser, waarin meerdere resonatoren in serie zijn geplaatst. Elke module genereert 500 W.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Op deze wijze zijn vermogens tot circa 5 kW te genereren. Omdat het kristal niet elektrisch geleidend is, kan de pompenergie niet elektrisch worden toegevoerd, maar gebeurt dit optisch met behulp van krypton (flits)lampen of (AlGaAs) diodes. Omdat lampen 'wit' licht produceren, waarin alle golflengtes voorkomen, en de Nd3+ ionen slechts in een beperkte golflengteband licht absorberen, is het energetisch rendement van een lampgepompte Nd:YAG-laser slechts 3%.
Door het gebruik van diodes i.p.v. (flits)lampen wordt een energetisch rendement van ongeveer 10 % verkregen. De thermische belasting van de Nd:YAG staven is hierdoor lager, wat resulteert in een betere bundelkwaliteit. Bovendien hebben diodes een langere standtijd (circa 10000 uur) dan lampen (circa 1000 uur). Diodes zijn echter duurder dan lampen.
Nd:YAG-lasers kunnen werken in CW of puls mode. Met behulp van een Q-switch kunnen pulslengtes van 100 tot 500 ns (15 tot 150 ns voor diode gepompte lasers) bereikt worden. Een Q-switch is een snelle optische schakelaar in de resonator die de gestimuleerde emissie van fotonen blokkeert, terwijl het medium wel gewoon de pompenergie opneemt en de atomen in geëxciteerde toestand brengt. Wanneer de Q-switch wordt geopend, komt de gestimuleerde emissie ineens op gang en komt de opgeslagen energie ineens vrij. Hierdoor kunnen pulsvermogens van enkele honderden kilowatts bereikt worden.
Met behulp van niet-lineaire optische componenten buiten de resonator kan de golflengte van de Nd:YAG-laser worden gehalveerd van 1.06 micrometer tot 532 nm. Deze groene of frequentie verdubbelde Nd:YAG-lasers worden voornamelijk gebruikt voor het markeren/graveren. Het halveren gaat gepaard met veel vermogensverlies.
De voordelen van Nd:YAG-lasers t.o.v. CO2-lasers zijn o.a. dat het Nd:YAG laserlicht door een glasfiber kan worden getransporteerd en dat het beter wordt geabsorbeerd door metalen. Inmiddels zijn Nd:YAG-lasers beschikbaar in vermogens (meer dan 5 kW) voor het bewerken van dikke metalen producten. Nd:YAG-lasers zijn duurder in aanschaf en onderhoud dan CO2-lasers.
Diode laser
Het licht van een diode laser kan niet alleen gebruikt worden om energie te pompen in een Nd:YAG kristal (zie Nd:YAG laser), maar kan ook direct gebruikt worden om materiaal te bewerken.
In dit kristal is een laag gedoteerd met positief geladen GaAs ionen (zie onderstaande figuur, die gaten of p-ladingsdragers worden genoemd. Daarnaast is er een laag die gedoteerd is met GaAs moleculen met extra elektronen, die n-ladingsdragers worden genoemd. Ten gevolge van een aangebrachte electrische spanning over het kristal, 'reizen' de p-ladingsdragers en de n-ladingsdragers (electronen) naar de pn-overgang (circa 1 mm dik), waar ze recombineren tot een ongeladen GaAs-molecuul. Deze recombinatie gaat gepaard met het uitzenden van energie in de vorm van fotonen (laserstraling). Deze pn-overgang vormt, wanneer deze aan de voor en achterzijde wordt voorzien van spiegelende lagen, de laser-resonator.
Een uitvoeringsvorm van de pn-overgang van een diodelaser.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
De golflengte van het laserlicht hangt onder andere af van de concentratie van eventuele toevoegingen, bijvoorbeeld aluminium (780 tot 880 nm), indium (880 tot 1100 nm) en fosfor (630 tot 690 nm). De aluminium toevoeging wordt het meest toegepast voor hoogvermogen diode lasers. Veel toegepaste golflengtes zijn 808 en 940 nm.
De pn-overgang straalt een laservermogen uit van enkele milliwatts. Om de vereiste hoge vermogens (> 1kW) te verkrijgen, wordt een groot aantal pn-overgangen naast elkaar aangebracht waardoor er een diodebar ontstaat, zie onderstaande figuur.
Meerdere laserdiodes naast elkaar vormen een diodebar.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Met deze configuratie kan een vermogen van circa 50W worden opgewekt. Om meer vermogen te verkrijgen worden enkele tientallen diodebars, voorzien van waterkoeling en op elkaar gestapeld tot een stack (stapel), waardoor vermogens tot circa 1.5 kW bereikt kunnen worden. Onderstaande figuur geeft een voorbeeld van een stack. Door het combineren van meerdere stacks kunnen vermogens tot 6 kW worden bereikt.
Stapeling van diodebars tot een stack.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
Door de opbouw van de diodelaser is de laserbundel niet rond en vertoont een grote divergentie, die bovendien verschillend is haaks en parallel aan de diodebar, respectievelijk de slow- en fast-axis, zie de figuur van de diodebar hierboven. Dit resulteert in een lage helderheid en dus lage bundekwaliteit in vergelijking met de CO2-laser en Nd:Yag laser. Daarom worden per diodebar en per stack speciale lenzen, prisma's en spiegels gebruikt om de afzonderlijke laserbundels te bundelen, zie de figuur van de laserstack hierboven. Het laserlicht is niet coherent omdat licht van meerdere resonatoren wordt gebundeld. Dit is echter niet nadelig voor het bewerken van materialen.
Na focussering wordt een rechthoekig focus verkregen met dimensies variërend van 0.6 bij 0.8 mm tot 1.5 bij 1.5 mm. Het licht kan echter ook, net als bij een Nd:YAG-laser, worden ingekoppeld in een glasfiber (kern diameter 0.4 tot 1.5 mm). Met de huidige fibertechnologie is het vermogen beperkt tot 2.5 kW. De verwachting is dat toekomstige ontwikkelingen tot verbeteringen zullen leiden.
Voordelen van de diodelaser t.o.v. de CO2 en Nd:YAG laser zijn de moduleerbaarheid van het laservermogen tot wel 10 Ghz, het hoge energetische rendement h van circa 30 %, het lage gewicht (circa 10 kg) en kleine afmetingen ter grote van een schoenendoos, zie onderstaande figuur. Dit laatste maakt het mogelijk om de diodelaser te monteren aan een robot of mobiele bewerkingssystemen.
De diodelaser heeft de afmetingen van een schoenendoos.
Bron: dictaat Materiaalbewerking met lasers
De relatief grote focusafmetingen en grote divergentie maakt de diodelaser zeer geschikt voor toepassingen waar geen goede focuseerbaarheid en geen extreem hoge energiedichtheden nodig zijn, zoals bij solderen, het geleidingslassen en het oppervlaktebewerken (transformatie harden, cladden).
Excimeer laser
Het medium van een excimeer laser, is net als dat van een CO2 laser, gasvormig. De gassen bestaan meestal uit een mengsel van een edelgas xenon (Xe), krypton (Kr) of argon (Ar) en een halogeen, meestal fluor (F) of chloor (Cl). Uit dit mengsel worden moleculen gevormd (bijvoorbeeld KrF). Een dergelijk molecuul kan alleen in geëxciteerde toestand bestaan en wordt in het engels een excited dimer genoemd, vandaar de engelse benaming excimer (nederlands: excimeer). Bij het terugvallen in de grondtoestand valt het molecuul uiteen en zend een foton uit. Afhankelijk van de gassamenstelling wordt laserlicht van verschillende golflengten opgewekt in het UV bereik, zie onderstaande tabel.
| Gas | XeF | XeCl | KrF | KrCl | ArF |
|---|---|---|---|---|---|
| golflengte [nm] | 351 | 308 | 248 | 222 | 293 |
Net als bij de CO2 laser wordt het medium van een excimeer laser van energie voorzien middels een elektrische gasontlading. Het energetisch rendement bedraagt enkele procenten. Aangezien de gasontlading instabiel kan worden (en er vonken ontstaan) kunnen excimeer lasers alleen in puls mode werken. Typische pulstijden zijn 10 tot 25 ns. Maar met speciale technieken zijn ook zeer korte pulstijden van 100 femtoseconden en langere pulstijden tot enkele honderden nanoseconden mogelijk. Commerciële excimeer lasers produceren per puls van enkele mJ tot enkele tientallen J aan energie, bij herhalingsfrequenties tot circa 1 kHz. Commercieel zijn lasers verkrijgbaar met een gemiddeld vermogen tot 1 kW. De energieverdeling van de laserbundel is meestal rechthoekig met een min of meer uniform intensiteitsniveau in één richting en gaussisch in de andere richting. De bundeldivergentie varieert tussen 1 en 4 mrad.
De energie van fotonen is dermate hoog dat het bestraalde materiaal niet alleen wordt opgewarmd, maar ook de chemische verbindingen in het materiaal worden verbroken. Deze interactie wordt ablatie genoemd. Het gevolg hiervan is dat er nauwelijks thermische spanningen in het te bewerken materiaal optreden. Onder meer om deze reden, en vanwege de korte golflengte, worden excimeer lasers voornamelijk toegepast voor precisie bewerkingen, voor markeren, en als lichtbron in de fotolithografie. Bij precisiebewerkingen is een nauwkeurigheid van enkele microns haalbaar. Daarbij kan men bijvoorbeeld denken aan het boren van gaatjes in de printkop van een inktjet-printer. Hierbij wordt vrijwel altijd gebruikgemaakt van maskers in het bundelpad. Patronen in het masker worden dan verkleind op het werkstuk afgebeeld, zie onderstaande figuur.
Het patroon in het masker wordt verkleind afgebeeld op het werkstuk, dat geableerd wordt.
