Historia lasera zaczęła się w zasadzie wówczas, gdy odkryto tajemnicę budowy atomu, wtedy to uznano, że możliwe jest stworzenie urządzenia wykorzystującego emisję wymuszoną promieniowania elektromagnetycznego do wytwarzania niemal równoległej wiązki monochromatycznego świata o dużej spójności czasowej i przestrzennej oraz dużej gęstości mocy, które w przyszłości posłużyć miało np. do cięcia blach. W 1913 r. duński fizyk Niels H. Bohr (1885 – 1962) przedstawił teorię budowy atomu wodoru. Wynika z niej m.in., że atom nie promieniuje energii, jeżeli elektron porusza się po orbicie dozwolonej. Emisja promieniowania następuje wtedy, gdy elektron w atomie przeskakuje z dalszej, na położoną bliżej jądra, dozwoloną orbitę. W 1916 r. Albert Einstein (1879 – 1955) podał nowe wyprowadzenie wzoru Plancka na rozkład promieniowania, a także uzyskał nowe, ważne wnioski dotyczące absorpcji i emisji światła przez atomy i cząsteczki. W jego pracy po raz pierwszy wyprowadzono pojęcie emisji wymuszonej, co stanowiło podstawę zjawiska laserowego. Francuski fizyk Alfred Kastler (1902 – 1984) zaproponował w 1950 r. optyczną metodę wytwarzania zmian w rozkładzie obsadzeń różnych poziomów energetycznych atomów, w wyniku oświetlenia ośrodka, którą nazwał pompowaniem optycznym. W 1966 r. został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. W pierwszej połowie lat pięćdziesiątych zastosowano zjawisko emisji wymuszonej do wzmacniania i generacji koherentnego promieniowania mikrofalowego. W 1953 r. Charles H. Townes wraz z J. Gorgonem i H. Zeigerem zbudowali w uniwersytecie Columbia (USA) pierwszy wzmacniacz mikrofalowy, działający na zasadzie emisji wymuszonej. Zastosowali oni gazowy amoniak jako ośrodek czynny, urządzenie to nazwano maserem, od początkowych liter angielskiego określenia: Micrawave Aplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmacnianie mikrofal za pomocą wymuszonej emisji promieniowania). Jednocześnie w Związku Radzieckim, w moskiewskim Instytucie Fizyki im. Lebiediewa, Aleksander M. Prochorow i Nikołaj G. Basow przedstawili teoretyczną możliwość skonstruowania urządzenia wytwarzającego mikrofale dzięki wykorzystaniu zjawiska emisji wymuszonej i nieco później uruchomili podobny maser. C.H. Townesowi, N.G.Basonowi i A.M. Prochorowowi przyznano w 1964 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, za wybitne osiągnięcia z zakresy fizyki kwantowej. Po odkryciu masera zaczęto się zastanawiać nad możliwością zbudowania urządzenia, które wówczas nazwano maserem optycznym, czyli generatorem światła opartym na zjawisku emisji wymuszonej. W 1957 r. C.H. Townes wspólnie z Arthurem L. Schawlowem opublikowali słynną pracę pt. „Infrared and optical masers”, dotyczącą możliwości rozszerzenia techniki maserowej przez zbudowanie urządzenia typu masera, generującego światło widzialne i promieniowanie podczerwone. A.L. Schawlowowi wręczono w 1981 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Pierwszy laser został uruchomiony w lipcu 1960 r. Przez T.H. Maimana w Hughes Research Aircraft Laboratories w Malibu (USA), który jako ośrodka czynnego użył rubinu (Al2O3) z koncentracją wagową 0,05% Cr2O3, stosując impulsowe pompowanie optyczne ksenonową lampą błyskową. W grudniu 1960 r. A. Javan, W.R. Bennett i D.R. Herriott z Bell Telephone Laboratories (USA) uruchomili pierwszy laser gazowy helowoneonowy, pracujący w sposób ciągły. Z kolei laser molekularny CO2, wzbudzany w sposób ciągły, zbudował w 1964 r. C.K.N. Patel także z Bell Telephone Laboratories. W 1972 r. H.A. Koehler i inni donieśli o uruchomieniu pierwszego lasera ekscimerowego (ksenonowego), wzbudzanego za pomocą wiązki elektronowej, dającego promieniowanie o długości fali 173 nm. Przez analogię do nazwy maser – pojęcie laser pochodzi z angielskiego wyrażenia Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (wzmacnianie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania).
Istota i przebieg akcji laserowej
Układy atomowe w określonych stanach kwantowych, charakteryzujących się dyskretnymi wartościami energii, czyli poziomicami energetycznymi. Jakkolwiek zmiana tych stanów może odbyć się jedynie w postaci przejścia, mającego charakter nieciągły, skokowy. Przejściu układu kwantowego od jednego poziomu energetycznego do drugiego, towarzyszy pochłonięcie (absorpcja) lub wydzielenie (emisja) ściśle określonej porcji energii (kwantu), równej różnicy poziomów przejścia. Przejście może być promieniste, kiedy pochłonięta lub wydzielona przez układ kwantowy energia ma postać promieniowania elektromagnetycznego lub bezpromieniste, kiedy energia ta zostaje przekazana innemu układowi atomowemu, np. przez zderzenia atomów lub cząsteczek w gazach czy ciałach stałych. Przejścia w wyodrębnionym, izolowanym atomie są wyłącznie promieniste i zachodzą zgodnie z podstawową zależnością kwantową Bohra (rysunek poniżej).
h=E2-E1
 Zasada absorpcji i emisji energii w atomie. |
gdzie: h – wartość kwantu promieniowania (fotonu)
(E2-E1) – różnica poziomów energetycznych, między którymi nastąpiło przejście kwantowe.
h – stała Plancka (h=6.6251 x 10-34Js)
v – częstotliwość promieniowania.
Od chwili wynalezienia lasera i jednocześnie z rozwojem techniki laserowej prowadzi się rozległe badania nad wykorzystaniem skoncentrowanej wiązki laserowej do obróbki materiałów (np. wycinanie laserowe). Zainteresowanie emitowanym przez laser promieniowaniem zrodziło się na tle jego specyficznych właściwości i możliwości wyboru źródeł o różnych parametrach, takich jak: długość fali, emitowana moc, energia w impulsie, czas trwania impulsu, częstotliwość powtarzania itp. Po zogniskowaniu przez optykę obróbkową (skupiającą) wiązki laserowej uzyskuje się w plamce ogniskowej większą gęstość mocy lub większe natężenie promieniowania laserowego niż otrzymywane innymi źródłami energii. Dzięki temu wiązką laserową można topić i odparowywać wszystkie znane materiały (realizować laserowe wycinanie z blach).
Przyczyną zwiększającego się zastosowania ubytkowej obróbki laserowej, w technice wytwarzania, nie jest tendencja do zastępowania nią wszystkich innych konwencjonalnych sposobów obróbki. Chodzi jednak o wprowadzenie jej wszędzie tam, gdzie jej cechy technologiczne objawiają się szczególnie korzystnie, bowiem:
- laserowe wycinanie przebiega bezstykowo, a więc nie występuje zjawisko zużywania się narzędzi, nie są potrzebne nakłady na ich przygotowywanie i przezbrajanie oraz nie trzeba określać ekonomicznej wielkości partii przedmiotów,
- laserowe wycinanie odbywa się bezsiłowo, a więc jest możliwe kształtowanie podatnych na odkształcenia materiałów i geometrii przedmiotów przy stosunkowo prostym ustaleniu lub manipulowaniu nimi,
- wiązka laserowa cechuje się dużą gęstością energii, następstwem czego jest możliwość kształtowania trudno topliwych materiałów, niewielka strefa wpływy ciepła, brak skrzywień czy wypaczeń oraz duża prędkość przebiegu procesu,
- laserowe wycinanie zapewnia dużą dokładność i dobrą jakość powierzchni, co sprawia na ogół, że dodatkowa obróbka wykańczająca jest zbędna,
- wycinanie laserowe może być w pełni zautomatyzowane, a to umożliwia sterowanie jego przebiegiem i integrację z elastycznymi systemami produkcyjnymi,
- laserowe wycinanie przebiega bez hałasu, co korzystnie oddziałuje na higienę miejsca pracy,
- wycinanie laserowe wiąże się jeszcze z wysokimi kosztami inwestycyjnymi, które czynią z niego proces mający na celu przede wszystkim uzupełnienie i rozszerzenie możliwości technologicznych istniejących sposobów wytwarzania. Do stosowanych bądź możliwych odmian ubytkowej obróbki laserowej należy zaliczyć:
- laserowe cięcie, wycinanie elementów o skomplikowanych kształtach w arkuszach blachy,
- cięcie 3D w wytłoczkach,
- drążenie otworów, perforowanie,
- gięcie i korekty dystorsji,
- korekcję rezystancji rezystorów,
- opisywanie, znakowanie, grawerowanie,
- toczenie, frezowanie.
Kształtowanie ubytkowe materiałów jest związane na ogół z potrzebą zastosowania znacznej mocy albo energii w impulsie.Do ubytkowej obróbki laserowej wykorzystuje się głównie lasery molekularne CO2 pobudzane ciągle i impulsowo, coraz częściej z uwagi na wyższą sprawność i prostszą budowę optyki można spotkać lasery typu FIBER, gdzie wiązka przesyłana jest za pomocą światłowodów (czytaj w zakładce lasery FIBER).
Wycinanie laserowe w Treko Laser realizowane jest za pomocą wycinarek laserowych CO2 jak i światłowodowych typu FIBER.
