Fertigungstechnik (Subject) / Werkzeugmaschinenkomponenten (Lesson)

1. Licht und Materie 2. Lasterprinzip und -strahlquellen 3. Strahlführung und -formung 4. Umformmaschinen (Pressen)

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• 1 Licht und Materie 1.1 Einführung Was sind die wesentlichen Merkmale eines Laserlichtes? Monochromasie Kohärenz Geringe Divergenz und damit gute Fokussierbarkeit
• 1 Licht und Materie 1.2 Beschreibung von Licht Wie wird Licht als Wellencharackter angesehen? Licht wird als elektromagnetische Welle angesehen: Elektrische Feldstärke E und magnetische Feldstärke H schwingen senkrecht zueinander Ausbreitungsrichtung wiederum senkrecht zu diesen beiden Ebenen
• 1 Licht und Materie 1.2 Beschreibung von Licht Woraus setzt sich die Lichtgeschwindigkeit zusammen? Woraus setzt sich der Brechungsindex n zusammen? Wodurch wird die Intensität (Leistungsdichte) eines Lichtstrahls bestimmt? Lichtgeschwindigkeit ist Produkt aus Wellenlänge und Frequenz Brechungsindex n ist Produkt aus relativer Dielektrizitätszahl und relativer magnetischer Permeabilität Intensität durch zeitlichen Mittelwert des Quadrats der Feldstärkenamplitude
• 1 Licht und Materie 1.2 Beschreibung von Licht Wozu dient der Teilchencharakter des Lichtes? Teilchencharackter dient zur Beschreibung der Erzeugung des laserlichtes in der Laserstrahlquelle Wellenchrackter kann nicht alles erklären, daher Beschreibung mittels Photonen, die abhängig von der Wellenlänge bzw. Frequenz des Lichtes eine bestimme Photonenenergie [eV] tragen für gegebene Wellenlänge mit Hilfe des Plank'schen Wirkungsquantums h errechenbar Intensität des Lichts lässt aus Anzahl der Photonen pro Zeit und Fläche (Photonenstromdichte) errechnen
• 1 Licht und Materie 1.3 Materie und Energie Welche drei Mechanismen können zur Speicherung diskreter Energiebeiträge in Materie beitragen? 1. Elektronenenergie Durch Zufuhr bestimmter Energiemenge, die geringer als Ionisierungsenergie ist, können Elektronen in diskret angeregte Zustände gebracht werden Wechsel zwischen diesen Zuständen (Energieniveaus) mit Auf- oder Abgabe entsprechender Energiebeiträge (1eV - 20 eV) 2. Schwingungsenergie Speicherung von Energie, die in Molekülen (z.B. von Gasen) gegeben ist Art der Schwingung hängt vom Aufbau der Moleküle ab Bei CO2-Molekülen symmetrische oder asymmetrische Longitudinalschwingung sowie Biegeschwingung (0,01eV - 0,5 eV) 3. Rotationsenergie Moleküle können Rotationsenergie speichern (0,01 eV) Durch die drei genannten Energieanteile an der Gesamtenergie eines Moleküls liegen fein abgestufte Energieniveaus vor
• 1 Licht und Materie 1.4 Wechselwirkungsphänomenen Welche Wechselwirkungsphänomenen gibt es? Erläuter diese! 1. Absorption Treten Photonen in ein Medium ein, wird ein Teil de Photonen absorbiert, um z.B. Atome oder Moleküle anzuregen, d.h. Elektronen in höhere Energienieveaus zu heben Ausgangsintensität I0 des Lichtes(Photonen) wird dabei um den Betrag dI beim Durchtritt durch eine Schicht der Dicke dx abgeschwächt, abhängig von der lokalen Intensität des Lichtstrahls und vom Absorptionskoeffizienten des Mediums (Beersches Gesetz) Neben Absorption auch Anteile von Reflexion und Transmission Reflexion: durch Brechungsindex der beiden optisch unerschiedlich dichten Materialien und Einfallswinkel bestimmt Transmission: Der Anteil des Lichtstrahls, der in das Medium eintritt und entsprechend dem Beerschen Gesetz abgeschwächt wird, breitet sich unter einem bestimmten Winkel im jeweiligen Medium aus, der vom Verhältnis der Brechungsindizes der beiden Medien abhängig ist. Beim Eintreten eines Lichtstrahls vom optisch weniger dichten in ein optisch dichteres Medium ist der Ausbreitungswinkel im optisch dichteren Medium kleiner. Beim umgekehrten Fall kann ab einem bestimmten Einfallswinkel Totalreflexion auftreten. 2. Spontane Emission Angeregtes Atom strebt den energieärmsten Zustand an, sodass die Energiedifferenz in Form eines spontan emittierten Photons abgegeben wird. Da durch die spontane Emission gespeicherte Energie für den eigentlichen Laserprozess verloren geht, ist sie ein unerwünschter Nebeneffekt. 3. Stimulierte Emission Befinden sich die Atome bzw. Moleküle des laseraktiven Mediums in angeregtem Zustand, kann ein Photon die stimulierte Emission initiieren. Hierbei werden Photonen gleicher Richtung, Frequenz und Phase frei. Es gilt das verallgemeinerte Beersche Gesetz: Wenn die Dichte der angeregten Atome bzw. Moleküle größer ist als die der Atome oder Moleküle im Grundzustand, nimmt die Lichtintensität zu, d.h. das Licht wird verstärkt. Bei höherer Temperatur kommt es zu einer Angleichung der Besetzungsdichte von oberem und unterem Laserniveau (Boltzmann-Verteilung). Dies verhindert die zur stimulierten Emission notwendige Besetzungsinversion, so dass die Intensität der Laserstrahlung abnimmt. Zur Vermeidung dieses Effektes ist deshalb eine Kühlung notwendig. 4. Linienverbreiterung Das reale Laserlicht ist trotz der diskreten, um bestimmte Energiebeträgeangeregten Elektronen nicht exakt monochromatisch, sodass es durch folgende Mechanismen zur Linienverbreiterung komm kann: natürliche Linienbreite: i.d.R. vernachlässigbar, da nur Größenordnungen von 10MHz erreicht werden Stoß- oder Druckverbreiterung (Gaslaser): durch Stöße der Moleküle untereinander wird Lebensdauer der Energieneiveaus verändert. Etwa 100MHz Doppler-Verbreiterung: Zunahme der Frequenz der Strahlung eines angeregten Moleküls durch Doppler-Effekt. Mit 1,5GHz beim He-Ne-Laser maßgeblicher Mechanismus zur Linienverbreiterung
• 2 Laserprinzip 2.1 Wechselwirkung Licht - Materie Wann läuft die Absorption oder die stimulierte Emission ab? hängt vom Verhältnis der angeregten Zustände (nj) zu den Grundzuständen (ni) ab. Voraussetzung für eine stimulierte Emission ist: nj > ni , d.h. Besetzungsinversion. Es kommt dann zu einer lawinenartigen Lichtverstärkung und einer Verringerung der angeregten Zustände

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