Maschinenbau (Subject) / Laser in der Fertigung (Lesson)

Verwensung von Lasern in der Vertigung und Vermessung

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• Was ist die Beudeutung des Akronyms "Laser"? Ligth Amplification by Stimulated Emission of Radiation
• Wann und durch wen wurde der Physikalische Vorgang der Lichtverstärkung das erste mal Realisiert? Maimann 1960
• Anwendungsgebiete des Lasers Informations-, Messtechnik, Biophysik, Medizin, Materialbearbeitung und Fusionsforschung
• Geschichte Laser 1917: Albert Einstein, Beschreibung erzwungener Emission mit gerichteter Strahlung 1928: Ladenburg, Kopfermann, Nachweis der stimulierten Emission 1960: Maimann, Technische Realisierung mit Rubinkristall
• Meilensteine in der Laserentwicklung 1961: Nd: YAG-Laser 1962: Halbleiter-Laser 1964: CO2 Laser 1965: Bohren von Diamant 1969: Bohren von Lager- und Uhrensteinen 1970: Trimmen von Widerständen 1978: Erste Indsutrielle Laserschneidanlage 1980: Laser-Schweißen 1982: Laserdioden 1988: Diodenlasergepumter Festkörperlaser 1992: Erster Nd: YAG-Laser erreichen Leistungen im kW-Bereich
• Teilchen oder Welle? Huygens: Wellentheorie Newton: Korpuskalartheorie
• Sichtbarer Bereich des Lichtes 380 - 780 nm
• Welches Phänomen tritt am Doppelspalt auf? Interferenz
• Maxwell im Wortlaut: Wirbel Magnetfeld Die Wirbel des Magnetfeldes sind proportional zur zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes oder eines elektrischen Stroms. Die Änderung des elektrischen Feldes verursacht ein Magnetfeld.
• Maxwell im Wortlaut: Wirbel elektrisches Feld Die Wirbel des elektrischen Feldes sid proportional zur zeitlichen Änderung des magnetischen Feldes.Die Änderung des Magnetfeldes verursacht ein elektrisches Feld.
• Welche Arten von Wellen gibt es? Was davon ist Licht? Longitudinal und Transversal
• Kreisfrequenz Wellenzahl Ausbreitungsgeschwindigkeit ω = 2π*f k = 2π/λ c = ω/k
• Energie Lichtteilchen E = h * f
• Masse Photon Impuls Photon mP = h * (f/c2) IP = mp * c IP = h/f * c
• Verknüpfung zwischen Welle- und Teilchenmodell EP = h * f = h * c/λ
• Was besagt das Lebert-Beer'sche Gesetz? I = I0 * exp(-α*d) d: Dicke; α: Absorptionskoeffizient
• Was ist die Gefahr hoher Lichtintensitäten? Nicht lineare Absorption. Tritt auf, wenn eine Atom nahazu gleichzeitig zwei Photonen aufnimmt Gefahr: Bei geringen Intensitäten transparente Objekte, können bei hohen Intensitäten hochabsorbierend werden,
• Unterschiedliche Arten der Absorption Atome: Atomehülle/ einzele Atome Moleküle: Zusaätzlich Schwingung und Rotation Festkörper: Vielzahl an inneren Freiheitsgrade -> Gitterschwingungen (breiter Frequnzbereich)
• Was ist stimmulierte Emission? Emission eine Photons in einem Angeregtem Atom durch ein externes Photon. Die Frequenz des stimmulierenden Photons muss mit der Reseonanzfrequenz des angeregten Photons übereinstimmen. Beide Photonen weisen dieselbe Ausbreitungsrichtung, Phase und Polarisationsrichtung auf. -> Duplikation
• Was ist die Vorraussetzung für die Stimmulierte Emission? Was versteht man unter Besetzungsinversion? Möglichst viele Elektronen im metastabilen Zustand. Also eine höhere Besetzung des oberen Engerieniveaus. -> Besetzungsinversion
• Wie wird die Besetzungsinversion erreicht? (Zeichnen) Meist über ein 4-Niveau-System:                                           ------ kurzlebig                                           I                           ______ langlebig               Anregung              I                                 I       Laser-Emission                 (Pumpen)              I                           --------- kurzlebig                                           I_____ Grundzustand
• Wie ist ein Laser-Resonator aufgebaut? Hochrefleckteierender Spiegel (100 %) Laseraktives Material Teilreflecktierender Spiegel (90 %)
• Was sind die Eigenschaften von Laserlicht: Achsenparallel monochromatisch kohärent
• Nenne je Lasertyp, ein Laseraktives Material Fest: Rubin, Neodym - YAG - Laser Flüssig: Europium Gas: CO2 , Argon
• Was beschreibt der g-Parameter? Das Verhältnis zwischen Radius des Spiegels und Abstand zum zweiten Spiegel. g1 = 1 - (L/R1) g2 = 1 - (L/R2) Notwendig und hinreichend.
• Nenne 3 spazial Resonatortypen mit ihren jeweiligen Anordungseigenschaften Symmetrisch-kozentrische Resonator Spiegel mit gleicher Krümmg, Kugelflächen gleiches Zentrum R1 = R2 = 0,5 L Plan-plan-Resonator Unabhänig vom Abstand der Spiegel Semi-konfokaler Resonator Radius eines Spiegels = Absatnd zum (zweiten) Planspiegel
• Wie lauten die Grenzbedingungen für den g-Parameter g1 - g2 < 1 g1 - g2 > 0 Grenzfall: g1 * g2 = 1
• Worin liegen die Unterschiede in Aufbau und Anwendung bei stabilen und Instabilen Resonatoren? Stabil: Zwischen den Spiegeln hin und her laufender Strahl verbleibt innerhalb des Resonatorraums. Verwendung von transmittierenden Spiegeln -> schlechere Kühlung Instabil: Der Strahl verlässt den Raum. Verwendung hochreflecktierender Spiegel. Z.B.: Kupfer, effektive Kühlung -> Hochleistungslaserkonzept.
• Wann ist die Linenbreite besonder schmal? Stark verdünnte Gas Festkörper mit geringer Konzentration an aktiven Molekülen
• Wodurch kommt es zur Linienverbreitrung? Was sind typische Werte? Einflüsse von Nachbarn, durch Druck, Stöße und Temperaturbewegungen Gase: Δf = 109 Hz; Δf/f = 2*10-6 Festkörper: Δf = 1011 Hz; Δf/f = 2*10-4 Halbleiter: Δf = 1012 Hz; Δf/f = 2*10-3
• Wodurch wird die Linienbreite reduziert? Durch die Verstärkung des Resonators, in dem das laseraktive Material die Frequnz herausfiltert, die seiner Eigenfrequenz entspricht.
• Was versteht man unter dem Begriff Modenspektrum? Die Eigenschwingungen des Laserresonators
• Wie berechnen sich Länge (L) und Frequnzunterschied (ΔfM) für einen Resonator? L = q (c0/2nfq) fq = q*(C0/2nL) ΔfM = C0/2nL
• Wie ist die Gleichung für den Frequenzabstand fm? ΔFM = (C0/(2*n*L)) -> kleiner als natürliche Breite; bis 6 Modi möglich
• Wie wird der Monobetrieb erreicht? Absenken der Leistung, sodass sich nur der stärkste Mode durchsetzt
• Multimodebetrieb? Hohe Leistungen, baulich große Laser
• Wovon hängen die Intensitässtrukturen ab? Beugungsstruktur der Spiegel Begrenzter Durchmesser der Spiegel Geometrie allgemein Dies ergibt sich zu Welleformen, Eigenschwingungen oder Moden des Resonators,
• Was sind die Modenzahlen? Abkürzung + Bedeutung p: Radiale Modenzahl l: aziumutale Modenzahl Bild siehe Seite 31
• Was bedeutet TEM00? Transvere Electro-Magnetic Mode -> Grundmodus, Einfluss des ativen Mediums und des gefüllten Resonators kann vernachlässigt werden.
• Was besagt das Hermit modell? Kartesische Eigenlösungen. Spiegel und Blenden sind recheckförmig.
• Anwendungen verschiedener Moden Gauß: TEM00, Materialbearbeitung, Schneiden Flächig: Multimode, Oberflächenbehandlung
• Was ist der K-Faktor? Beurteilung Strahlenqualität, zwischen 0 und 1 Er wird auf den Gausschen Grundmodus bezogen: TEM00 = 1
• Was sind die Eigenschaften von Laserlicht? Bedeutungen klar machen. Monochromatisch, kollimiert, kohärent oder Monochromasie, Kollimation und Kohärenz.
• Was ist eine positive Eigenschaft des Kohärenten Laserlichtes? Höchstmögliche Intensitäten aufgrund der Fokussierbarkeit -> Je kleiner die Wellenlänge, dasto besser kann der Strahl fokussiert werden.
• Wodurch entsteht die Kohärenzzeit, Kohäerzlänge und damit die Halbwertsbreite? Statistische Störungen -> Spontane Emission, welche nicht in Frequnz und Phase mit dem vorhandenen Strahlungsfeld übereinstimmt.
• Unterschied zwischen zeitlicher und räumlicher Kohärenz Was ist die Strahlenzahl? Zeitlich: Frequnzbandbreite, Änderung des Monochromatischen Lichtes nach der Kohärenzzeit. Räumlich: Phasenbeziehung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung getrennten Raumbereichen. Hängt von Lichquelle und dem Abstand dazu ab. -> Strahlkennzahl K: Maß der Güte für räumliche Kohärenz
• Brechnungsgesetz von Snellius Beim Übergang vom optisch dünneren in das optisch dichtere Medium wird der Strahl zum Einfallslot hin gebrochen. Beim Übergang vom optisch dichterem in das optisch dünnere Medium wird der Strahl vom Einfallslot hin gebrochen. Bild 2-27
• Linsentypen Konvexe Fläche: nach außen gewölbt, positiven Krümmungsradius auf einfallender Fläche, negetiver Krümmungsradius auf ausfallender Fläche Ebene Fläche: Unendlicher Krümmungsradius Kokve Fläche: nach innen gewölbt, negativer Krümmungsradius auf einfallender Fläche, positiver Krümmungsradius auf ausfallender Fläche
• Linsengleichung: Abbildungsmaßstab A = B/G = b/g B: größe reelles Bild G: Größe abzubildender Gegenstand b: Bildweite g: Gegenstandsweite
• Was ist die Parallelverschiebung? Vereinfachter Strahlengang mit einmaliger Lichtbrechung zur Abbildungskonstruktion.

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