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Laserbearbeitungstechnik (Fach) / Lasertypen (Lektion)

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• 2. nennen Sie 8 verschiedene Lasertypen. i) HeNe Laser ii) Nd:YAG Laser iii) CO2 Laser iv) Farbstofflaser v) Dioden-/Halbleiterlaser vi) Excimerlaser vii) Faserlaser viii) Scheibenlaser
• 3. aus welchen Gasen ist das Lasergas eines CO2 Lasers zusammengesetzt? » Stickstoff, Kohlendioxid, Helium
• 4. welche Aufgabe haben die einzelnen Bestandteile des Lasergases eines CO2 Lasers? i) Stickstoff N2 ⇒ Pumpgas ii) Kohlendioxid CO2 ⇒ Lasergas iii) Helium He ⇒ Kühlgas
• 6. welche Anregungsarten für eine CO2 Laser kennen Sie? i) DC-Anregung ⇒ direkt Speisung mit Gleichstrom ii) HF-Anregeung ⇒ indirekte Speisung mit Wechselstrom
• 9. welche Vorteile biete ein diffusionsgekühlter CO2-Slab-Laser? i) kompakte und nahezu verschleißfreie Bauweise ii) hohe Strahlqualität iii) geringe opt. Verluste  iv) sehr hohe therm. Stabilität v) geringer Wartungsaufwand vi) keine zusätzliche Gaskühlung erforderlich vii) geringer Gasverbrauch viii) keine Gasströmung ⇒ keine Verunreinigungen der Resonator
• 10. was ist ein Sealed-Off CO2-Slab-Laser? » CO2-Laser, bei denen das Gas nicht strömt (Gasgemisch wird nicht durch eine mech. Pumpe ausgetauscht) » ein stationäres oder abgeschlossenes System. ((» H2, H2O, O2 werden zu dem Gasgemisch hinzugeben.)) » Rekombination der Dissoziationsprodukte im Gasgemisch durch katalytische Reaktion
• 11. welche Wirkungsgrad hat ca. ein 10kW CO2-Laser? ≈ 10%
• 12. nennen Sie die Vor- und Nachteile eines CO2-Lasers Vorteile i) erprobte Technologie ii) hohe kont. Leistung (50kW) iii) gute Strahlqualität iv) gute Effizienz v) gute Eignung für Kunstoffe u. Quarzglas (Wellenlänge im IR-Bereich) vi) Sicherheit einfach zu gewährleisten (Plexiglas) Nachteile i) Strahlführung nur mit Spiegeln möglich ii) Fokussierung mit ZnSe Linse oder Kupferhohlspiegel iii) rel. schlechtes Verhältnis von Laserleistung zu Bauvolumen iv) schlechtere Fokussierbarkeit wegen Wellenlänge um 10,6μm 
• 13. welchen Vorteil hat der Excimer Laser? i) sehr hohe Pulsenergie  ii) extrem gute Fokussierbarkeit ⇒ sehr hohe Bestrahlungsstärke  iii) sehr hohe Strahlqualität
• 14. nennen Sie zwei Anwendungsfelder des Excimerlasers. i) Medizintechnik ⇒ Korrektur der Kurzsichtigkeit ii) Fotolithografie ⇒ Herstellung von hochintegrierter Halbleiter-Bauelemente
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• 1a. Funktionsprinzip CO2-Laser. » N2 (Pumpgas) wird durch Elektronen angeregt (Molekülschwingung) (auf ν und 2ν-Niveau) » Anregung des CO2 (Lasergases) durch Stoßionisation vom angeregten N2. (auf ν3-Niveau) » Laserübergang zw. ν3 auf 2ν2 (9,6μm) und ν1 (10,6μm) » Kühlung des CO2 durch He (CO2 wird in Grundzustand angebracht)
• 1b. Funktionsprinzip eines Excimerlasers » Excimer sind Moleküle, die nur in elektronisch angeregten Zuständen existieren können. » d.h. der el. Grundzustand ist unbesetzt (mehr Moleküle im angeregten Zustand)    ⇒ Besetzungsinversion » die angeregten Moleküle geben die gespeicherte Energie in Form von ultravioletter Strahlung ab und sofort in ihre Bestandteile zerfallen. (wegen des instabilen Grundzustand der Moleküle)
• 15. welche Vor- und Nachteile haben Hochleistungs-Diodenlaser gegenüber Nd:YAG Lasern? Vorteile i) extrem kleine Abmessungen ii) geringe Kosten iii) wartungsfrei  iv) einfach, effektive Anregung und damit Modulation v) großer Spektralbereich (je nach Halbleitermaterial) Nachteile i) schlechtere Strahlqualität  
• 16. warum ist die Fokussierung eines Strahls eines Diodenlasers sehr schwierig? » starke Strahldivergenz, braucht ein komplexes Linsesystem
• 17. welche Möglichkeiten gibt es Hochleistung-Diodenlaser (HLDL) aufzubauen? » Barren- und Stapel-Technologie » anschließend werden die einzelnen Strahlen mit asphärischen Zylinderlinsen in ihrer "fast axis" (???) kollimiert.
• 18. welche Bauformen von Festkörperlaser kennen Sie? i) Stab- ii) Slab- iii) Faser- iv) Scheibenlaser
• 19. welche Möglichkeit gibt es die Frequenz des Lichtes eines Nd:YAG Lasers nachträglich zu verändern? i) (Frequenz-)Verdopplung durch nicht lineare Kristalle ii) (Frequenz-)Verdreifachung durch Verdopplung dann Verdreifach durch Überlagerung mit Original-Frequenz
• 20. wofür steht die Abkürzung Nd:YAG? » Neodynium dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser
• 21. welche Vor- und Nachteile hat der Nd:YAG Laser? Vorteile i) rel. hohe kont. und gepulste Ausgangsleistung bei mittlerer Strahlqualität ii) Strahlführung über Faser möglich iii) effiziente Frequenzkonversion möglich iv) einfacher Aufbau v) Leistungssteigerung durch Reihenschaltung mehrere Stäbe Nachteile i) starke therm. Linse ii) mäßige Strahlqualitat bei hohen Ausgangsleistungen iii) geringe Effizienz von Lampen gepumpten Nd:YAG Stablasern
• 1c. Funktionsprinzip eines Diodenlasers. » Emission von Licht (Laseraktivität) entsteht am Übergang zw. p- und n-dotiertem Bereich. (Verstärkungsmedium) » Endflächen des Bauelementes sind teilreflektierend und bilden somit einen opt. Resonator » bei genügend hoher Spannung (Anlegen eines el. Gleichstrom in Durchlassrichtung) tritt den Rekombinationsprozess von Elektronen und Löchern und dadurch werden Photonen emittiert.
• 22. warum haben Dioden gepumpte Nd:YAG Laser einen höheren Wirkungsgrad als Lampen gepumpte? wie groß ist der Wirkungsgrad ungefähr? » die Hauptabsorptionsbanden des Nd:YAG Kristalls stimmt viel mehr mit dem Hauptemissionsband des verwendete Diode (808nm) als Pumpquelle überein. » Wirkungsgrad: Lampen gepumpt ⇒ ca. 3%...5%                             Dioden gepumpt ⇒ ca. 20%...25%
• 23. was ist ein doppel elliptischer Reflektor bei einem Nd:YAG Laser? ??????
• 24. was versteht man bei einem Nd:YAG Laser unter einer thermischen Linse. » der Stabkristall wird während in Betrieb erwärmt » Kühlung des Kristalls nur von außen gekühlt       ⇒ d.h. Kern des Kristalls ist viel wärmer als äußere » Stabende am Kern biegt sich
• 25. erläutern Sie das Funktionsprinzip eines Faserlasers anhand einer beschrifteten Skizze. » eine oder mehrere Pump-Laserdioden werden in einer Glasfaser eingekoppelt (singe- oder multi-mode Einkopplung) » der Kern des Fasers ist ein aktives Lasermedium » die eingekoppelte Laserstrahlung erfährt durch die laseraktive Faser eine Verstärkung.
• 26. was ist ein Faser-Bragg-Gitter und welche Aufgabe hat es? ??????
• 27. erklären Sie den Aufbau einer Doppelkern Faser für einen Faserlaser. ?????
• 28. warum hat eine Doppelkernfaser für einen Faserlaser keinen kreisförmigen Querschnitt? » der asymmetrische Pumpkern ermöglicht eine bessere Absorption der Pumpstrahlung in longitudinaler Ausrichtung des laseraktiven Faserkerns     ⇒ erhöht somit die Effizienz des Laserprozesses
• 29. welche Vor- und Nachteile hat ein Faserlaser? Vorteile i) gute Skalierbarkeit ii) hohe Ausgangsleistung iii) sehr gute Strahlqualität bei hoher Ausgangsleistung iv) hoher Wirkungsgrad v) kompakte Bauweise vi) geringer Wartungsaufwand vii) günstig viii) Strahlführung direkt über Laserfaser Nachteile i) hohe Empfindlichkeit gegenüber Rückreflexen ii) gepulster Betrieb wegen hohen Leistungsdichten nur eingeschränkt möglich
• 30. erläutern Sie die Idee des Scheibenlasers » der Effekt der therm. Linse vermeiden/reduzieren. » stabformigem Laserkristall ⇒ parabolisches Temperaturprofil, radiale Kühlung, Kern viel wärmer ⇒ starke Effekt d. therm. Linse  » Scheibkristall ⇒ gleichmäßige Temperaturverteilung, effiziente Kühlung über Rückseite
• 32. wie kann die Leistung eines Scheibenlasersystems erhöht werden? i) Kopplung zweier Scheibenlaser in W-Anordnung ii) Kopplung mehrere Scheibenlaser
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• 33. welche Vor- und Nachteile hat der Scheibenlaser? Vorteile i) einfache Skalierbarkeit ii) hohe Ausgangsleistung iii) hohe Strahlqualität iv) hohe Effizienz v) Strahlführung über Faser möglich vi) gute Regelbarkeit vii) effiziente Frequenzkonversion viii) sehr gut für Pulsbetrieb geeignet Nachteile i) Komplexität ii) Preis
• 34. erklären Sie die Idee der Materialbearbeitung mithilfe eines Ultrakurzpuls Lasers. » es soll nicht mehr geschmolzen, sondern kontrolliert verdampft werden. » die Werkstoffe werden nahezu ohne Einbringung von Wärme bearbeitet.
• 35. wie unterscheidet man zw. einem konventionellem Laser und einem Ultrakurzpulslaser? Ultrakurzpulslaser » Erzeugung der Pulse durch Überlagerung mehrerer Moden im Resonator » durch konstruktive und destruktive Interferenz bilden sich einzelne scharfe Pulse aus, die im Resonator umlaufen Kurzpulslaser (konventionell?) » Erzeugung der Puls durch Modulation der Güte/Resonatorverluste » Speicherung der Pumpenergie im aktiven Medium » anschließend schlagartiges Abrufen der Energie in einem Puls
• 36. wie werden die Impulse in einem Ultrakurzpulslaser erzeugt? » Überlagerung meherer Moden im Resonator » durch konstruktive und destruktive Interferenz bilden sich einzelne scharfe Pulse aus, die im Resonator umlaufen
• 37. nenne Sie zwei Anwendungen von Ultrakurzpulslaser für die Materialbearbeitung » Glasschneiden » Kolbenbetrieb
• 38. nennen Sie sechs verschiedene Laser die für die Materialbearbeitung verwendet werden und jeweils einen Grund und die zugehörige Bearbeitung warum Sie gegenüber den anderen Laser zu bevorzugen sind. i) CO2 Laser Anwendungen ⇒ Bearbeitung von Halbzeugen, Bauteilen mit größerer Wanddicke          wegen   ⇒ hoher Strahllesitung, sehr guter Strahlqualität Festkörperlaser ii) Nd:YAG Stablaser iii) Yb:Glas Faserlaser iv) Yb:YAG Scheibenlaser ((Anwendungen ⇒ Medizintechnik z.B. Hautbehandlungen))           wegen    ⇒ hohere Wirkungsgrade, flexible Strahlfürungsmöglichkeiten v) Hochleistungs-Diodenlaser Anwendungen ⇒ Härten, Umformen, Kunstoffschweißen, Drucktechnik (keine hohe Strahlqualität erforderlich)          wegen   ⇒ hohen Wirkungsgraden, kompakte Bauweise vi) Excimer-Glaslaser Anwendungen ⇒ Fotolithografie         wegen   ⇒ hohe Strahlqualität, extrem gute Fokussierbarkeit

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