6.2 Lasertyper. Color-center. Ruby. Solidstate. Nd-Glass Nd-YAG. Neodymium Ytterbium. Yb-Fibre. HeNe. Neutral. Ion Gas. Ar + Ion

Transkript

1 6.2 Lasertyper Det finns ungefär 600 olika lasertyper. Det lasrande mediet kan bestå av en fast kropp, en gas, en vätska eller en halvledare. I Figur 6-4 visas ett sätt att klassificera olika lasertyper beroende på dess lasermedium. Color-center Solidstate Ruby Neodymium Ytterbium Nd-Glass Nd-YAG Yb-Fibre Neutral HeNe Ion Gas Ar + Gas Ion Metal Vapou Lasertyper Liquid Chemical Free-electron Molecular Gas Vibra- Rota Vibronic Excimer CO 2 CO N 2 ArF KrF XeCl XeF Semiconductor Diod Figur 6-4. Olika lasertyper Av de totalt ca 600 olika lasertyperna är det endast ett fåtal som är användbara för materialbearbetning, nämligen; Diod, Nd:YAG, YB:YAG, Nd:Glas, Excimer och CO 2 -laser. Samtliga dessa lasrar, utom Excimer och Nd:Glas-lasrarna, kommer att beskrivas i detta kapitel. Excimer- och Nd:Glas-laser har en mycket begränsad användning som bearbetningslaser lamppumpad Nd:YAG-laser I en Nd-laser tillförs energin genom att ett fast material dopat med Nd-joner belyses av en lampa, se Figur 6-5. Kristallen omges av en elliptisk cylinderspegel, som invändigt är belagd med något högreflektivt material, vanligtvis guld eller keramik. I ellipsens ena fokus befinner sig kristallen och i den andra en avlång blixtlampa. Allt ljus som sänds ut av lampan reflekteras till laserstaven där det absorberas och åstadkommer populationsinversionen. Utanför stavändarna, finns en 100% reflektiv spegel och en delvis transparent spegel som släpper igenom de fotoner som bildar den utgående laserstrålen. Staven och blixtlamporna kyls noggrant (verkningsgraden är 3-5%) för att undvika termisk distorsion och termisk fokusering (staven fokuserar den utgående laserstrålen) av staven, vilket skulle försämra strålkvaliteten och samtidigt utsätta staven för sprickrisk. Kylningen

2 sker normalt genom att avjoniserat vatten cirkuleras i ett slutet system, som via en värmeväxlare är anslutet till ett externt kylsystem. Reflektor Nd-dopad stav av glas eller YAG Spegel Spegel Lampa Nd-dopad stav av Lampa Lampa Nd:YAG dual elliptic Figur 6-5 Olika resonatorkonstruktioner för Nd-lasern. I praktiken är det svårt att få en laser att fungera med endast två energinivåer. I Nd:YAGlasern används fyra energinivåer hos det aktiva ämnet neodym-jonen (Nd 3+ ). Genom tillförsel av energi i form av ljus, exciteras neodymjonerna till nivån E 4, som har mycket kort livslängd, dvs. jonerna förblir där bara en kort tid. Nivå E 4 deexciteras termiskt till nivå E 3, som har lång livslängd, så att många joner kan befinna sig i detta energitillstånd. Den underliggande nivån E 2, har återigen kort livslängd, därifrån återgår jonerna till grundnivån E 1, genom värmestrålning. På detta sätt åstadkommes en populationsinversion mellan nivå E 3 och E 2, varmed förutsättningarna för ljusförstärkning med motsvarande våglängd λ så att E 3 -E 2 = ΔE = hc/λ uppfylls. Resten av tillförd energi förloras som värme vilket förklarar varför en laser måste kylas kontinuerligt under drift. Laserns kvantverkningsgrad bestäms av kvoten η = (E 3 -E 2 ) / (E 4 -E 1 ), som kan bli så hög som 50%. Den elektriska verkningsgraden är dock endast några få procent, så det mesta av den tillförda energin måste kylas bort. E 3 E 4,1 E 3,2 E 2 E Grundtillstånd 1 1 Kvantverkningsgrad E 3,2 E 4,1 50% Figur 6-6 Optisk pumpad Nd-YAG laser. Kvantverkningsgraden är ca 50 %, men den totala elektriska verkningsgraden är endast 2 3 %.

3 Det material man använder för att dopa in jonerna i är vanligen glas eller YAG (Yttrium- Aluminium-Granat-kristall). Glasmaterialet kan göras i stora stycken och används då man vill ta ut stora energier i enstaka pulser. Då man vill ha ut stor medeleffekt eller hög strålkvalitet i stället väljer man den mer värmetåliga YAG-kristallen. En enkel Nd:YAG-laser består av en kristallstav av Yttrium-Aluminium Granat där en del av yttrium- eller aluminiumatomerna är utbytta mot (dopade med) grundämnet neodym, Nd. I kristallen är metallerna närvarande som joner, av formen Nd 3+ eller Al 3+ och Y 3+, men de aktiva jonerna i en Nd:YAG-laser är alltid Nd 3+ jonerna. Istället för enkristallina material har man utvecklat keramiska stavar, som består av hopsintrat, nanokristallint pulver av Nd:YAG. Sådana stavar presenterades först 2001 på LASER-mässan i München. Fördelen med sådana stavar istället för kristallina är att de är helt isotropa och uppvisar ingen dubbelbrytning. Lasersystemet kan användas i kontinuerlig mod om blixtlamporna är ständigt påslagna eller i pulsad mod om blixtlamporna pulseras ifrån strömkällan. I en blixtlamppumpad laser är pulstopp-effekten kring 5 kw och pulslängden mellan ms. Pulsfrekvensen är omkring 100 Hz och medeleffekten upp till 2 kw. Idag finns kontinuerliga lasrar med effekter på 6 kw. I vissa kontinuerligt pumpade lasrar med effekter upp till ca 200 W är det vanligt att man inför en Akusto-Optisk switch (AO-Q-switch) mellan speglarna som blockerar lasringen. När sedan switchen öppnas med en elektrisk signal, får man ut ljuset i en mycket kort högintensiv puls. Pulseffekten är av storleksordning kw men pulsens längd är endast ca 100 ns. Pulsrepetitionsfrekvensen, PRF kan röra sig upp till ca khz. Dessa lasrar används i huvudsak i märkningssystem. Vid höga medeleffekter används multipla stavar pga. att det blir dyrt att tillverka långa stavar med bra kvalitet (den övre gränsen för högkvalitativa stavar är idag 200 mm). Det finns tre olika konstruktionsprinciper med multipla stavar för högeffekts Nd:YAG laser enligt Figur 6-7. Bakre spegel a.) Främre spegel Laserstråle b.) c.) Laserstråle Figur 6-7 a) seriekopplad resonator, b) oscillator-förstärkare konstruktion, c) parallell fiberkoppling.

4 I det första alternativet a) kopplas stavarna i serie i en periodisk resonatoranordning. Strålkvaliteten kan hållas lika hög som från en ensam kavitet. Systemet producerar en hög medeleffekt men lägre toppeffekt än de andra systemen och används således för kontinuerligt arbetande högeffekts Nd:YAG lasrar (CW). För närvarande begränsas resonatorerna till 4-8 seriekopplade stavar pga. svårighet med linjering av resonatorerna (seriekoppling med önskvärd rakhet) och termisk fokusering vid längre resonatorer. I det andra alternativet b) finns en stav inne i resonatorn medan de andra fungerar som externa förstärkare. Laserstrålen sänds ett varv genom förstärkarna. Systemet är väl lämpat för applikationer som kräver pulsning med hög toppeffekt. I det tredje alternativet c) kopplas stavarna parallellt, vilket skapar ett mycket flexibelt system. Antingen kan höga toppeffekter erhållas om stavarna (kaviteterna) är aktiva samtidigt eller så kan en kontinuerlig uteffekt (CW) erhållas om stavarna är aktiva efter varandra. Tyvärr blir strålkvaliteten sämre än den individuella laserkällans. Effekten från Nd:YAG-lasern fokuseras in i en optisk fiber där laserns strålkvalitet avgör vilken minsta fiberdiameter som kan användas. I en modern Nd:YAG-laser kan flera fibrer vara tillgänglig för överföring av lasereffekten till olika arbetsstationer, se Figur 6-8 Figur 6-8 Nd:YAG-laser med 6 fiberutgångar (Trumpf Laser Division) Driftkostnaderna för lamppumpad Nd-YAG har tidigare dominerats av konsumtionen av blixtlampor. Blixtlamporna håller i genomsnitt ca 5 milj. blixtar Diod-pumpad Nd:YAG-laser I en modern typ av Nd:YAG-lasrar används inte längre lamp-pumpning, utan lamporna ersatts med laserdioder. Dioderna avger ljus med den våglängden, där Nd 3+ -jonerna har sin resonansabsorption. Genom detta kan man undvika att utsätta Nd:YAG-staven för höga termiska spänningar och samtidigt kan man höja den elektriska verkningsgraden med en tiopotens eller mera.

5 Relative Optical Density Nd:YAG Absorbtion R Relative Spectral Radience Flashlamp wasted energy Pump Spectral Emission Laser diode Wavelength ( µm ) Figur 6-9. Principen för diodpumpning. Energi tillförs endast i det smala spektralbandet R där Nd 3+ -jonerna har sin resonansabsorption. Sådana diodpumpade lasrar i mycket låga effektklasserna började dyka upp för ca 10 år sedan. Orsaken var att laserdioderna var mycket svåra att tillverka och därför extremt dyra. Utvecklingen av tillverkningsmetoderna för laserdioder och tekniken för att stapla dem i stackar som kan avge hundratals Watt kontinuerlig effekt per stack, se kapitel 6.2.5, har gjort att diodpumpning nu kan konkurrera med lamp-pumpning. Diodpumpning är fortfarande dyrare än lamp-pumpning, men diodernas långa livslängd (>10 x längre) och låga effektförbrukning (10% av lampornas effektförbrukning) gör dem mycket konkurrenskraftiga Laserstav, 2. Emitterad laserstråle, 3. Utgångsfönster, delvist genomsläppligt, 4. Diodarrayer, med integrerad vattenkylning, 5. Kollimeringsoptik för diodarrayens ljus, 6. Bakre spegel, 100% reflektiv, 7. Kylvattentillförsel, 8. Strömförsörjning, < 10 V, > 100 A, Figur 6-10 Den principiella uppbyggnaden för en diodpumpad Nd:YAG-laser. En modern diodpumpad Nd:YAG-laser har en elektrisk verkningsgrad på över 10%. En 4 kw diodpumpad Nd:YAG-laser har en strålkvalitet som tillåter att överföra strålen via en fiber med endast 0.4 mm i diameter.

6 För att erhålla ännu bättre verkningsgrad och strålkvalité. Man kan även integrera icke-linjära kristaller inuti resonatorn för att alstra synligt eller ultraviolett ljus med våglängderna 532 nm och 266 nm, se Figur Standard diode pumping Diode laser 0.80 µm High reflector 1.06 µm High transmission 0.80 µm Nd:YAG laser crystal Nonlinear crystal (optional) Output coupler 1.06 µm Laser Pump imaging lens High reflector 1.06 µm High transmission 0.80 µm Close coupled pumping Nd:YAG laser crystal Diode mode High reflector output coupler 1.06 µm Broad area diode laser 0.80 µm Laser mode Laser Figur Olika typer av diodpumpning Pumpningen med diodlaser som har en livslängd på > 10,000 tim och den kraftigt ökade elektriska verkningsgraden hos diodpumpade Nd-YAG har sammantaget lett till att priset och driftskostnaden för en 1 kw Nd-YAG är ungefär samma som för en 1,5 kw CO 2 -laser YB:YAG-disc laser Den s.k. skivlasern innehåller en tunn skiva, några tiondels mm tjock, av Yb:YAG. Den exciteras i den främre ytan av diodlasrar, se figur Figur Figur 6-12 Diod-pumpad Yb:YAG-disc laser (Trumpf Laser Division)

7 I disc-laserns kavitet absorberas ljuset från diodlasrarna nästan fullständigt och någon termisk distorsion förekommer inte, vilket medför en konstant strålkvalitet genom hela effektregistret. Flera disc-lasrar kan kopplas samman seriellt till större enheter, se Figur 6-13 där varje enhet ger ca 1 kw uteffekt. Figur 6-13 Två disc-lasrar seriekopplade Upp till 4 enheter på totalt 5 kw kan kopplas samman och den total elektriska verkningsgraden är över 10 % och med nära nog diffraktionsbegränsad strålkvalité som gör att den kan fokuseras i en fiber på endast 0,2 mm i diameter Ytterbium fiber-laser En fiber-laser är gjord av en ytterbium-dopad glasfiber med flerlagers ytbeläggning och avger en våglängd på 1,07 till 1,08 μm. Fiber-lasern pumpas av högeffekts multimode diodlasrar in till fibern genom dess bakre och främre ändar via Bragg gitter som också fungerar som speglar i en normal laserkavitet. se Figur 6-14 Figur 6-14 Principiell uppbyggnad av fiber-laser Konceptet medger en effektiv överföring av multimode-strålning från laserdioder in till en singelmode-strålande fiber-laser. Idag tillverkas fiber-lasrar i kilowatt-klass genom att

8 kombinera flera fibrer parallellt. På så sätt kan lasrar på upp till 20 kw med mycket hög strålkvalitet tillverkas. Figur 6-15 visar en 5 kw Yb-fiber-laser med dimensioner angivna i cm. Samma storlek gäller för modeller upp till 10 kw Figur 6-15 en 5 kw Yb-fiber-laser (IPG Photonics) Yb-fiber-lasern har många fördelar, bl a: Mycket hög diodlivslängd, beräknad till timmar eller mer än 11 års kontinuerlig drift Mycket hög verkningsgrad. Upp till 30 % elektrisk verkningsgrad medför lägre driftkostnader. Låga underhållskostnader eftersom den inte har några rörliga delar eller speglar som behöver linjeras och justeras. Kompakt utförande medför en mindre behov av utrymme Extremt hög strålkvalitet. En fiberdiameter på endast 0,3 mm kan användas vid en lasereffekt på 10 kw Hög effekts diodlasrar De första diodlasrarna konstruerades redan i början av 1960-talet. De var mycket enkla till sin uppbyggnad, då de består av p-n övergång, som vanliga dioder och transistorer är uppbyggda av. De första diodlasrarna krävde kylning ner till 77 K (flytande kväve) och kunde ge en uteffekt på några mw (milliwatt) i det infraröda. Först under 1980-talet utvecklades det diodlasrar som arbetade vid rumstemperatur och kunde emittera flera hundra mw. Dessa

9 lasrar arbetade ofta kring 1.5 µm våglängd, och användes mest för att snabbt utveckla telekommunikationen. Lasrar med kortare våglängd, µm utvecklades framför allt för datalagring och digital teknik. Principen för en heterojunction diodlaser visas i Figur n / n 5% Holes P Eg 0.3 ev d Reflector Г N or P Electrons N Index n Bandgap energy Figur Dubbel heterojunction diodlaser Den visar en propagerande ljusvåg inom ett skikt Γ av rekombinations-området, där elektroner och hål återförenas och avger energi som fotoner. Skiktets tjocklek är endast några mikrometer och dess bredd är några tiotals µm och dess längd är några hundratals µm. I Figur 6-17 visa uppbyggnaden av en AlGaAs/GaAs laserdiod, med ca 1 x 50 x 300 µm aktiv region som sänder ut nära infrarött ljus kring 1 µm våglängd. Effekten är några mw. Figur Uppbyggnaden av en AlGaAs/GaAs laserdiod Strålen från laserdioderna är mycket speciell: Den divergerar mycket kraftigt i ena riktningen, vinkelrätt mot det aktiva skiktets tjocklek, medan i breddled är divergensen mycket mindre. Detta gör att mycket speciella mikro-optik krävs för att kunna kollimera strålarna till mera hanterliga form och lägre divergens.

10 För att få ut hög effekt ur diodlasrar måste man lägga många små sådana i rad med varandra och stapla dem så att ett sk. stack kan byggas upp. Tekniken har utvecklats snabbt och under mitten av 1990-talet kunde man få ut mer än 100 W ur en stack. Men strålkvalitén var fortfarande mycket dålig, och fortsatt utveckling krävdes för att kunna integrera kollimeringsoptiken i ett sådant stack. Figur 6-18 visar principen för en diodlaser som emitterar ca 5 mw och det stegvisa uppbyggandet av en högeffekts diodlaser-array. p-doped + Ca. 10mm pn-transition 115 µm n-doped µm Figur a. Principen för en diodlaser som emitterar ca 5 mw. b. Högeffekts diodlasergrupp. Först tillverkas ett stort antal dioder i rad på ett enda chip. Här visas även strålens divergens. En sådan laserrad på 10 mm x 0.6 mm x 0.1 mm kan ha en uteffekt på ca 50 W. Nästa steg är att montera diodlasergruppen på ett kylblock av Cu., se Figur Solder Laser diode bar P npt(?) a.) Coolant P a b.) Figur a) Högeffekts diodlasergrupp med kylblock, effekt ca 50 W b). Kollimeringsoptik. Kylblocken med diodgrupper staplas ovanpå varandra till en stack Den färdiga stacken med kylkanaler kan emittera ca 500 W effekt., se Figur 6-20

11 Figur Stack med kylkanaler som kan emittera ca 500 W effekt. Höjd: ca 20 mm. Genom att optiskt kombinera ihop strålarna från flera stackar, kan man öka den totala effekten till flera kw. Man kan använda sig av både våglängd-sammankoppling och polarisationskoppling, se Figur a) b) Figur a) Våglängd-sammankoppling. b) Polarisationskoppling. En högeffekts diodlaser kan användas antingen med direktfokuserande optik eller via 1.5 mm fiberoptik, se Figur 6-22 Den innehåller tiotusentals enskilda dioder, alla riktade åt samma håll. Figur En 4 kw diodlaserhuvud, utan strömförsörjning och kylenhet.

12 6.2.6 CO 2 -laser I en CO 2 -laser driver man en urladdning genom en blandning av He, N 2 och CO 2. De olika energinivåerna som utnyttjas för laserverkan beror på vibrationer hos molekylerna. Tillförseln av energi sker genom kollisioner mellan elektroner och molekyler i gasblandningen. Koldioxid-molekylerna uppvisar ett mer komplicerat energinivådiagram än kvävemolekylerna, p g a att tre atomer är inblandade i molekylernas vibrationer, se Figur Den övre lasernivån i CO 2 blir därför ineffektivt besatt eftersom exciteringen kan ske till en mängd olika nivåer. I N 2 däremot sker en effektiv pumpning till en högre nivå som i stort sett är identisk med nivå E 4 hos CO 2 -molekylen. Genom kollision mellan N 2 och CO 2 kan energin föras över på ett effektivt sätt från kvävets nivå H till koldioxidens nivå E 4. Laserverkan fås mellan nivå E 3 och E 2. H Electronkollisioner Kollision N 2 -CO 2 E 4,1 E 3,2 Grund Tillstånd N 2 CO 2 Kvantverkningsgrad E h = 41% = 3,2 E 4,1 E 4 E 3 "Population inversion" 10.6 um E hf 2 Deexitation genom Heliumkollisioner E 1 Figur Energinivådiagram för urladdningspumpad CO 2 -laser. För att upprätthålla inversionen måste atomerna snabbt föras från nivå E 2 till grundtillståndet (relaxera). I medeleffekt CO 2 -lasrar ombesörjs detta genom kollisioner med heliumatomerna i gasblandningen. I högeffekts CO 2 -lasrar sker relaxationen ofta också genom en snabbt cirkulerande gas som för bort molekylerna från det aktiva området. Kvantverkningsgraden för en CO 2 -laser är 41 %. I kommersiella lasrar har man normalt ca 10 % totalverkningsgrad från elektrisk effekt till lasereffekt. Olika grundkonstruktioner för CO 2 -lasrar visas i Figur a Totalreflekterande spegel Elektrod Urladdningsfält Elektrod 50 W/m b) Gasflöde in 20 kv DC- generator Gasflöde ut Partiellt reflekterande spegel 500 W/m c) RF-generator MHz eller27 MHz 2 kv ~ 1 KW/m Figur Olika typer av CO 2 -lasrar. a) Långsamt axiellt gasflöde, axiell urladdning b) Snabbt axiellt gasflöde, axiell urladdnng. c) Snabbt axiellt gasflöde, RF-excitation

13 I en laserresonator kan man beräkna hur effekten fördelar sig i strålen. Dessa benämns Transversal Electromagnetic Modes, TEM mn där m och n är modens ordningstal. Ofta eftersträvar man den lägsta ordningens mod, TEM 00, eller grundmoden som den också kallas, vilken liknar en Gauss-kurva. För att undertrycka högre ordningens moder införs någon typ av radiell begränsning av strålen. Begränsningen kan t ex utgöras av en bländare. Man kan på så vis undvika att högre ordningens moder ger lasring. Dock ger aperturen en viss störning även på grundmoden. Moderna CO 2 -lasrar Utvecklingen i övrigt går mot allt större uteffekter med Fast-Axial-Flow principen. Idag finns RF-exciterade CO 2 -lasrar i 15 kw området, med TEM 01 (och TEM 00 vid reducerad effekt) och i 20 kw området med multimod kommersiellt tillgängliga. De största lasrarna är främst avsedda för svetsning och ytmodifiering. Även lasrar med Slow-Axial-Flow -principen utvecklas mot högre effekter och med bibehållen strålkvalitet. De modernaste CO 2 -lasrar med den lägsta förbrukningen av lasergas är de s.k. diffusionskylda och radiofrekvens- exciterade slab lasrarna. Principen visas i Figur Laserstråle, 2. Optik för strålformning, 3. Utgångsspegel, 4. Kylvatten ut, 5. Högfrekvent excitation, 6. Kylvatten in, 7. Bakre resonatorspegel, 8. Urladdning i lasergasen, 9. HF-Elektroder av koppar. Figur Principiella uppbyggnaden för den diffusionskylda CO 2 -lasern. Gasen befinner sig i spalten som är ca 10 mm mellan de vattenkylda kopparelektroderna, och kyls effektivt genom diffusion/värmeledning. Det behövs inga pumpar, gasen står stilla. Gasvolymen är på några liter. Lasern är utrustad med en gasreserv, innehållande färdigblandad lasergas som räcker för ett års drift (10 liter, 20 MPa). Gasen kan bytas ut med jämna mellanrum. Denna laser har den absolut lägsta gas- och effektförbrukningen och den bästa strålkvalitén. Den maximala uteffekten kan uppgå till 5 kw. I Figur 6-26 visas en principskiss för ytterligare en typ av CO 2 -laser nämligen tvärströmningslasern. Urladdningens riktning är x, gasen strömmar i riktning y och laserstrålen kommer ut i riktning z. Effekten är upp till 10 kw.

14 Laserstråle, 2. Tangential pump, 3. Gasflödets riktning, 4. Värmeväxlare, 5. Bakre spegel med integrerad effektmätare, 6. Vikningsspegel, 7. HF-elektroder, 8. Utkopplingsspegel, 9. Fönster som släpper ut strålen men behåller gasblandningen Figur Tvärströmnings CO 2 -laser med radiofrekvent excitering.