Zakład Obróbki Skrawaniem
Technologia maszyn: Technologie kształtujące- Obróbka skrawaniem
Nazwisko i imię: Pietrowiak Arkadiusz		Semestr: 3	Wydział: BMiZ	Kierunek: ZiIP		Grupa: ZP 4
Temat ćwiczenia: Lasery
Data wykonania ćwiczenia: 11.12.2009	Data i podpis prowadzącego:				Ocena:

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation) - jest to urządzenie elektroniki kwantowej, generujące lub wzmacniające spójne promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widmowym zawartym między daleką podczerwienią (fale submilimetrowe) a nadfioletem. W działaniu lasera wykorzystano zjawisko wzmocnienia promieniowania przez emisje wymuszona w ośrodku, w którym nastąpiło odwrócenie (inwersja) obsadzeń.

Laser składa się z substancji czynnej, w której uzyskuje się akcję laserową dzięki umieszczeniu jej w rezonatorze optycznym, warunkiem wstępnym zaistnienia akcji laserowej jest inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Typowo uzyskuje się ją w układzie trzech (lub czterech) poziomów energetycznych: podstawowego, wzbudzonego i leżącego między nimi poziomu metatrwałego, to jest charakteryzującego się względnie długim czasem życia, atomy przeprowadza się (tzw. pompowanie lasera) do poziomu wzbudzonego na kilka sposobów: oświetlając substancję czynną silnym światłem o dostatecznej energii fotonów za pomocą np. innego lasera lub błysku flesza (tzw. pompowanie optyczne), za pomocą wyładowania elektrycznego (lasery gazowe), wykorzystując energię reakcji chemicznych, za pomocą wiązki elektronowej, zderzeń atomów itd.

Zastosowanie lasera wywarło poważny wpływ na wiele dziedzin nauki i techniki np.:
-technologię materiałów (precyzyjne cięcie, spawanie i wiercenie trudno topliwych materiałów, wyważanie dynamiczne zautomatyzowane cięcie papieru, tkanin, tworzyw sztucznych itp.);
-precyzyjne pomiary długości, odległości, pułapu chmur, stopnia zanieczyszczeń atmosfery, szybkości przepływu itp.;
-sterowanie pracą maszyn roboczych, wytyczanie torów wodnych w portach, chodników w kopalniach, precyzyjne pozycjonowanie złożonych konstrukcji;
-medycynę i biologię (mikrochirurgiczne zabiegi okulistyczne, bezkrwawe zabiegi chirurgiczne, zapobieganie próchnicy, usuwanie naczyniaków, zabiegi kosmetyczne);
-zapisywanie i odtwarzanie dźwięków i obrazów;
-technikę wojskową (pomiar odległości, sterowanie bombami i pociskami, oświetlanie, specjalne metody rozpoznania i fotografowania);
-holografię;
-technologię chemiczną (selektywna kataliza reakcji chemicznych);
-telekomunikację optyczną (wielokanałowa łączność światłowodowa między dużymi centrami obliczeniowymi).

Laser jest urządzeniem, które wykorzystuje emisję wymuszoną (w zakresie światła widzialnego) i spontaniczną.

Zastosowanie laserów

Początkowo lasery zamierzano wykorzystać w celach wojskowych jak podają różne źródła (niepotwierdzone)pierwsze wykorzystanie laserów na polu walki miało miejsce już pod koniec lat 60 ubiegłego wieku. Laser został pomyślnie wykorzystany w konflikcie granicznym ZSSR z Chinami. W miarę wzrostu zapotrzebowania na nowe technologie lasery znajdują zastosowanie w każdej gałęzi przemysłu i usług. Najbardziej popularne jest wykorzystanie ich w przemyśle:

• cięcie

Laserowe cięcie ma obecnie bardzo duże zastosowanie w przemyśle. Jest to jedna z metod termicznego oddzielania materiału. Rozdzielanie materiału może następować w trzech rodzajach, poprzez: sublimację, topienie, wypalanie. Najczęściej stosowana jest kombinacja trzech rodzajów do oddzielania materiału. Cechą ciecia laserowego jest punktowe wprowadzenie energii i wysokoenergetyczny strumień tnący. Celem cięcia laserowego jest wytwarzanie elementów, które bez dodatkowej obróbki nadają się do dalszej przeróbki. Warunkiem uzyskania dobrej jakości cięcia i wysokiego stopnia utrzymywania wymiarów ciętych elementów konstrukcyjnych jest dokładnie prowadzony strumień tnący w połączeniu z najwyższej jakości maszyną do cięcia o dużej odporności na drgania i o dobrej własności powtarzania. Lasery są obecnie szeroko stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i niemetali. Są wykorzystywane w procesie cięcia stali niestopowych i wysokostopowych, aluminium, tytanu, tworzyw sztucznych, drewna i ceramiki.

Cięcie laserowe a inne metody:

Metoda/ Kryterium	cięcie gazowe	cięcie plazmowe	cięcie laserowe
PRĘDKOŚĆ	+	+ +	+ +
JAKOŚĆ	+	0	+ +

Nie tylko materiały metalowe mogą być obrabiane laserem. Laserem CO₂ ciąć można również wiele materiałów niemetalicznych, takich jak pleksiglas, PCV, PE, drewno, szkło, ceramika, papier, tekstylia itd. W przemyśle spożywczym możliwe jest nawet bezdotykowe, a więc absolutnie higieniczne, porcjowanie. Również materiały specjalne jak np.: tytan są cięte laserem CO₂. W tym przypadku użycie argonu daje cięcie o najlepszej jakości.

Możliwości cięcia różnych materiałów:

Materiał/ Proces	cięcie gazowe	cięcie plazmowe	cięcie laserowe
stal niestopowa i niskoweglowa	+	+	+
stal wysokostopowa	-	+	+
Aluminium	-	+	+
Tytan	-	-	+
materiały niemetalowe	-	-	+

Wyróżniamy następujące metody cięcia laserowego:

• Cięcie przez odparowanie- polega na tym, że materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki ulega odparowaniu w atmosferze gazu obojętnego. (Zastosowanie: materiały nie ulegające topnieniu- drewno, niektóre tworzywa sztuczne).

• Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie- materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki ulega stopieniu i jest usuwany strumieniem gazu obojętnego. (Zastosowanie: metale -szczególnie dobre wyniki daje cięcie ciśnieniowe stali nierdzewnych.)

• Cięcie przez wypalenie- materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki jest wypalany przez strumień tlenu lub mieszaniny gazów zawierającej tlen.( Zastosowanie: metale i inne materiały spalające się w wysokiej temperaturze. Jest to najczęściej stosowana metoda cięcia , standardowa metoda dla stali węglowych.)

• Generowanie pęknięć termicznych- zogniskowana wiązka wywołuje naprężenia cieplne, powodujące pękanie materiału. (Zastosowanie: materiały kruche, zwłaszcza szkło).

• Zarysowanie - nacinany jest rowek lub rząd otworów i następnie materiał jest łamany mechanicznie. ( Zastosowanie: płytki krzemowe i korundowe).

• "Zimne" cięcie - promieniowanie lasera ekscymerowego powoduje niszczenie wiązań cząsteczkowych. ( Zastosowanie: tworzywa sztuczne).

• spawanie

Spawanie laserowe polega na stapianiu obszaru styku łączonych przedmiotów ciepłem otrzymanym w wyniku doprowadzenia do tego obszaru skoncentrowanej wiązki światła koherentnego, o bardzo dużej gęstości mocy, ok. l0² do 10¹¹ W/mm² . Spawanie odbywać się może techniką z jeziorkiem spoiny, jak w klasycznym spawaniu łukowym, lub techniką z pełnym przetopieniem złącza, w jednym przejściu lub wielowarstwowo, bez lub z materiałem dodatkowym, czyli techniką z oczkiem spoiny. Bardzo duże gęstości mocy wiązki laserowej zapewniają, że energie liniowe spawania są na poziomie minimalnych energii wymaganych do stopienia złącza, a strefa wpływu ciepła i strefa stopienia są bardzo wąskie. Jednocześnie odkształcenie złączy jest tak małe, że spawane przedmioty mogą być wykonywane na gotowo, a po spawaniu nie jest wymagana dodatkowa obróbka mechaniczna. Wyróżnia się lasery małej mocy, które są wykorzystywane w elektronice do spawania punktowego oraz lasery dużej mocy (powyżej 1,5 kW) pozwalające spawać z oczkiem. W przypadku spawania laserem nie jest potrzebna próżnia, ponieważ wiązka bez przeszkód przenika przez powietrze. Przez to spoina jest narażona na zanieczyszczenia i wymagane jest stosowanie gazów ochronnych. Do spawania używane są zarówno lasery CO₂ jak i Nd:YAG.
Od wielu lat lasery Nd:YAG o mocy 100-500 W znajdują zastosowanie do spawania niewielkich elementów jak przyrządy medyczne, obudowy sprzętu elektronicznego. Lasery Nd:YAG dużej mocy często są wyposażane w tzw. miękką optykę i współpracują z robotami. Głównym obszarem ich zastosowania jest łączenie elementów karoserii samochodowych.
Zasada procesu spawania polega na lokalnym podgrzaniu materiału poprzez skupienie promienia. Wskutek parowania otrzymuje się kapilarę względnie oczko, którego średnica odpowiada 1,5 - 2 razy średnicy punktu skupienia. Zamknięciu się kapilary zapobiega ciśnienie oparów. Do spawania laserami CO₂ najczęściej stosuje się gazy: Ar, N2, CO2 lub He, które wspomagają ten proces, dzięki nim można osiągnąć głębokość spoiny do 25mm, służą one jednocześnie do ochrony wytopu przed skutkami utleniania.
Zasadniczo za pomocą lasera można łączyć wszystkie materiały, dla których dotychczas wykorzystywano konwencjonalne metody, osiągając przy tym większą jakość i prędkość posuwu podczas spawania. Udział węgla w materiałach nie powinien być większy niż 0,2%.

• znakowanie

W systemach przeznaczonych do znakowania materiałów używa się obecnie ok. 90% laserów Nd:YAG, gdzie wzbudzanie następuje poprzez diody lub lampy. Wydajny komputer PC steruje pracą całego sytemu oraz umożliwia sporządzanie i przygotowywanie grafiki, która ma zostać naniesiona na opisywany materiał. Prędkość znakowania sięga nawet do kilku metrów na sekundę. Typowy przedział mocy wyjściowej to 3 - 150 W.
Lasery Nd:YAG są najczęściej stosowane do znakowania prawie wszystkich metali, tworzyw sztucznych, ceramiki, materiałów emaliowanych. W aplikacjach służących do grawerowania szkła, drewna, skóry stosuje się lasery CO₂ o mocach od 10 do 50 W, lecz ich udział w przemyśle jest bardzo mały.
Znakowanie laserowe polega na noszeniu na powierzchnię przedmiotów znaków przy pomocy wiązki promieniowania laserowego. Promieniowanie to powoduje usunięcie cienkiej warstwy materiału, bądź zmiany termofizyczne lub termochemiczne wywołujące zmianę zabarwienia. Powierzchnia materiału bywa specjalnie pokrywana warstwą np. farby lub tlenku celem zwiększenia kontrastowości oznakowania.
Istnieją dwie podstawowe metody znakowania:

Pierwsza z nich polega na naświetlaniu przedmiotu poprzez specjalnie wykonaną maskę odwzorującą obraz, który ma być przeniesiony na przedmiot. Maska jest wykonana zazwyczaj z metalu (np. z miedzi z uwagi min. na dobre odprowadzania ciepła) umieszczona jest na drodze niezogniskowanej wiązki. Promienie przechodzące przez otwory w masce przechodzą następnie przez układ ogniskujący i dalej powodują zmiany w odpowiednich miejscach na powierzchni przedmiotów. Powierzchnia przedmiotu znajduje się poza ogniskiem wiązki.

Druga metoda znakowania polega na sterowaniu zogniskowanej wiązki promienia lasera za pomocą dwóch zwierciadeł poruszanych elektromagnetycznie jest to tzw. system galwo. Używa się do tego celu na ogół laserów Nd:YAG ciągłego działania lub impulsowych o mocach od kilkudziesięciu do kilkuset watów. Zwierciadła pozwalają na przeniesienie płaskiego obrazu o wymiarach dochodzących do 300X300 mm bez poruszania przedmiotem. Obraz może być tworzony z pojedynczych punktów lub linii.
Częstotliwość ruchów uchylnych luster dochodzą do 500Hz, prędkość zogniskowanej wiązki dochodzi do 100 m/s. Dokładność prowadzenia wiązki po materiale leży w granicach 0,01 mm.
Zalety znakowania laserowego:

• wysoka jakość znakowania i wysoka powtarzalność,

• trwałość: odporność na ścieranie, ciepło, chemikalia, światło UV,

• trudne do sfałszowania,

• możliwość znakowania z wysoką rozdzielczością,

• duże prędkości znakowania,

• możliwość znakowania obiektów poruszających się i pozostających w spoczynku,

• bezdotykowość znakowania (brak nacisku, brak deformacji, brak zanieczyszczania powierzchni, brak zużycia "narzędzi" znakujących,

• możliwość znakowania powierzchni niepłaskich, nierównych, miękkich, twardych,

• czystość i suchość procesu znakowania,

• bardzo wysoka elastyczność (systemy programowalne),

• bardzo niskie koszty eksploatacji, konserwacji.

Wady znakowania:

• wysoki koszt inwestycyjny,

• brak możliwości znakowania w kolorach

Zastosowanie laserów do pomiaru odległości

Geodeci używają przyrządów zwanych dalmierzami laserowymi do bardzo dokładnych pomiarów odległości - od kilku metrów do około 3 km. Wiązka dalmierza laserowego jest kierowana na odbijający cel. A gdy natrafi na lustro, zostaje obita z powrotem do niego. Instrument rejestruje czas, który upłynął od wysłania impulsu świetlnego do jego odbioru, i oblicza z niego odległość do celu.

Zastosowanie lasera do odczytu danych i dźwięków zapisanych na CD
Dźwięk i dane na CD jest przechowywany w formie danych cyfrowych, czyli serii zer i jedynek. Cyfrowy zapis dźwięku nie tylko ułatwia jego bardzo dokładne odtwarzanie, ale także umożliwia dokonywanie w nim zmian za pomocą komputera w celu jego ulepszania oraz wstawiania specjalnych efektów dźwiękowych. Indeksowanie informacji cyfrowych jest łatwe, zatem specjaliści od dźwięku mogą z łatwością odnaleźć dokładnie ten fragment, który ma być przetworzony, a słuchacz w domu może odszukać ścieżkę, której chce słuchać. Zapis dźwięku i danych na CD składa się z ciągu zagłębień - wycinanych za pomocą małego lasera półprzewodnikowego w warstwie metalu pokrywającej plastykowy dysk. Płyta wiruje w napędzie z dużą szybkością, a wiązka światła laserowego jest skupiona na jej płaszczyźnie. Gdy wiązka trafi na zagłębienie zostaje rozproszona, a gdy płaska powierzchnia odbije ją do detektora, wytwarza impuls. Z impulsów tych składa się kod zarejestrowanych danych lub dźwięku. Układ elektroniczny odtwarzacza zamienia ten kod na prąd sygnału elektrycznego, który zostaje przekształcony w dane lub dźwięki.

Zastosowanie laserów w medycynie

W medycynie stosuje się lasery:

• wysokoenergetyczne,

• niskoenergetyczne.

Lasery wysokoenergetyczne służą do destrukcji bądź usuwania tkanek. Mają średnią lub dużą moc, bądź są to lasery impulsowe.
W okulistyce lasery są wykorzystywane do przecinania cyst powiek lub spojówek, przecinania naczyń wrastających w rogówkę, perforacji cyst tęczówki, przecinania zrostów tęczówkowo - rogówkowych, do zabiegów przeciwjaskrowych i przeciwzaćmowych, do korekcji wad wzroku (astygmatyzmu, krótkowzroczności i dalekowzroczności) i do witreotomii. Szczególnym wskazaniem do laserowej korekcji wady refrakcji jest duża wada wzroku tylko w jednym oku. Najnowszą metodą korekcji wady refrakcji lub astygmatyzmu jest LASIK (Laser Assised In Situ Keratomileusis). Polega ona na użyciu lasera ekscimerowego, który działając z dokładnością do 0,25 mikrometra odparowuje nierówności w głębszych warstwach rogówki. Metoda ta koryguje wadę refrakcji w zakresie od +6 do -13 dioptrii.
Dermatolodzy za pomocą laserów usuwają naczyniaki oraz niektóre nowotwory (np. raka podstawnokomórkowego).
W laryngologii laserem leczy się nowotwory krtani oraz wykonuje rekonstrukcję kosteczek słuchowych.
W pulmonologii lasery są stosowane do rekanalizacji dróg oddechowych, usuwania ciał obcych i źródeł krwawienia, fotokoagulacji receptorów kaszlu.
W chirurgii lasery służą do udrażniania przełyku w chorobach nowotworowych, hamowania krwawienia z górnego odcinka przewodu pokarmowego, leczenia łagodnych nowotworów jelita grubego.
W ginekologii lasery są stosowane w laparoskopii do uwalniania zrostów wewnątrzmacicznych i w miednicy, w leczeniu endometriozy, mięśniaków, łagodnych torbieli przydatków, wodniaków jajowodów.
W urologii są stosowane do kruszenia złogów w moczowodach, leczenia łagodnego przerostu prostaty.
W neurochirurgii są wykorzystywane do usuwania oponiaków, glejaków i nerwiaków.
W chirurgii naczyniowej za pomocą laserów wykonywana jest przezskórna angioplastyka.
Lasery niskoenergetyczne działają biostymulująco poprzez wpływ na metabolizm komórek.
Jest to wykorzystywane w leczeniu ran, oparzeń, odleżyn oraz bólów stawowych.

Lasery mogą zastępować skalpele w sali operacyjnej i ułatwiają bezpieczniejsze, szybsze i skuteczniejsze wykonywanie niektórych delikatnych zabiegów. Otwierają też drogę do bezbolesnych wizyt w gabinecie dentysty. W tradycyjnej chirurgii wszystkich cięć dokonuje się za pomocą skalpela. Ale cięcia wykonane skalpelem krwawią, a w niektórych częściach ciała operowanie skalpelem jest utrudnione. Teraz chirurdzy dostali do rąk nowe narzędzie - skalpel laserowy. Bardzo skupiona wiązka tnie tkankę. Światło lasera zostaje doprowadzone do zakończenia skalpela za pośrednictwem światłowodu. W wielu bardzo delikatnych operacjach, jak w chirurgii mózgu, skalpele laserowe są używane do wykonywania cięć subtelniejszych od włosa ludzkiego. Skalpele laserowe ograniczają także krwawienia pooperacyjne, ponieważ ciepło, jaki wydzielają, zgrzewa przecinane naczynia krwionośne. Przy leczeniu ciężkich oparzeń, lekarz najpierw musi usunąć warstwę spalonej skóry i odsłonić zdrową powierzchnię, aby pozostała część skóry mogła się zagoić. Za pomocą skalpela laserowego można szybko i stosunkowo mało boleśnie zdejmować naskórek. Skalpel laserowy może także służyć do usuwania tatuaży przez zdejmowanie bardzo cienkich warstw skóry. Natężenie wiązki laserowej skalpela może być dostosowane do potrzeb. Przy małej mocy służy do spajania rozerwanych tkanek lub krwawiących naczyń krwionośnych. Przy dużej mocy może przebijać lub unicestwiać tkanki. Wiązka dużej mocy jest użyteczna do oczyszczania zablokowanych arterii lub niszczenia chorych tkanek.

ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA LASEROWEGO NA TKANKI

1. Efekt fototermiczny - po absorpcji promieniowania przez tkankę dochodzi do jej nagrzania, denaturacji i odparowania. Efekt ten zależy od ilości dostarczonej energii, czasu promieniowania oraz rodzaju tkanki.

2. Efekt fotochemiczny - wysyłanie krótkich impulsów o dużej gęstości mocy powoduje rozrywanie wiązań chemicznych bez nagrzewania tkanek, tzn. w miejscu oddziaływania promieniowania dochodzi do rozkładu i usunięcia tkanki, ale bez termicznego uszkodzenia tkanek sąsiednich.

3. Efekt fotojonizujący - współistnieje z efektem fotochemicznym. Na skutek wysyłania krótkich impulsów o dużej gęstości mocy dochodzi do jonizacji cząsteczek w tkance. Powstaje plazma, która silnie absorbuje promieniowanie - dochodzi do ekspansji plazmy, co wywołuje powstanie uderzeniowej fali akustycznej. Destrukcja tkanki ma charakter eksplozji.

4. Efekt biostymulacji - jest to efekt działania promieniowania o małej mocy. Zostaje stymulowany transport elektronów w łańcuchu oddechowym oraz dochodzi do kumulacji ATP.

Historia laserów w medycynie:

• W 1962 r. po raz pierwszy na świecie zastosowano lasery w dermatologii.

• W 1963 r. zespół naukowców z Katedry Podstaw Radiotechniki WAT pod kierunkiem prof. dr inż. Zbigniewa Puzewicza uruchomił pierwszy w kraju laser na ciele stałym (rubinowy).

• W 1965 r. na bazie tego lasera zbudowano koagulator okulistyczny i mikrodrążarkę laserową.

• W 1965 r. po raz pierwszy na świecie zastosowano laser CO₂ w chirurgii.

• Od 1972 r. zaczęto powszechniej wykorzystywać lasery w medycynie światowej. Wiązało się to z możliwością prowadzenia wiązki laserowej w światłowodach, co w efekcie pozwoliło na wprowadzanie promieni laserowych do jam ciała oraz narządów jamistych.

• W 1976 r. w Wojskowej Akademii Medycznej wykonano pierwsze zabiegi laryngologiczne aparaturą wykorzystującą promieniowanie lasera rubinowego.

• W latach 80. w Wydziałowym Instytucie Optoelektroniki WAT pod kierunkiem prof. dr inż. Zdzisława Jankiewicza zbudowano m.in. lancet chirurgiczny z impulsowym laserem Nd:YAG do zabiegów w przednim odcinku oka oraz zestaw do chirurgii ogólnej z laserem Nd:YAG.

• W 1986 r. po raz pierwszy na świecie użyto lasera do rozbicia kamieni żółciowych.

---