Tecnologie speciali - riassunti e prove d'esame

Il mezzo attivo

Il mezzo attivo è l'elemento nel quale viene generato il fascio laser. Al suo interno ha luogo la transizione tra i due o più livelli energetici che produce la radiazione. È responsabile anche della lunghezza d'onda λ del fascio in uscita.

Laser allo stato gassoso

Risonatore a CO2 con flusso assiale lento

Il mezzo attivo è formato da una miscela di gas, non completamente laserante, composta da Azoto, Elio e CO2 (elemento laserante). È presente un generatore elettrico che fa passare una scarica tra i due elettroni. Affinché la scarica elettrica viaggi più velocemente, il tubo viene portato in depressione di 88-90 mbar aumentando la conducibilità elettrica del gas. La miscela all'interno del tubo viene continuamente cambiata mediante un circuito di ricircolo in modo da mantenerla fresca e produrre quindi un laser di buona qualità. La molecola di CO2 deve trovarsi in uno stato di eccitazione (un livello).

energeticosuperiore) in modo che appena viene colpita da un fotone decadrà al livelloinferiore rilasciando due fotoni in fase (emissione stimolata). Nel caso della CO2 non basta che essa si trovi al livello E1 ma è necessario che si trovi al salto quantico E3(per sua natura) altrimenti non avverrebbe l’emissione stimolata. La probabilità che con un bombardamentofotonico la molecola torni a E3 una volta che essa è scesa di livello è molto bassa in quanto il sistema tendea ritornare al suo stato iniziale in pochi microsecondi. Per tale motivo all’interno della miscela viene aggiuntoN2. Un salto quantico di tale molecola corrispondono a 3 salti quantici della molecola CO2. Quindi la N2bombardata dai fotoni sale di un livello energetico e urtando il C02 lo porterà al livello E3 in un unico colpo. Ora appena la molecola di CO2 verrà colpita da un fotone avverrà il fenomeno di emissione stimolata e passerà al livello E2.

focalizzazione e stabilità del raggio. Nel caso di risonatori a flusso veloce (i più usati) il compito di svuotare e riempire il risuonatore è dato alla turbina la quale permette di raggiungere velocità di flusso pari a 300-500 m/s. Le potenze si aggirano attorno ai 700 W per metro e si avrà un più basso rispetto al caso precedente.

Lo schema d'impianto è il seguente:

Le parti più chiare sono i risonatori, per la precisione sono due risonatori messi in serie ognuno dei quali ha un sistema di alimentazione indipendente. Si preferisce utilizzare risonatori più piccoli in serie piuttosto che uno più lungo in quanto sarebbe difficile permettere il passaggio di scarica elettrica (in quelli lunghi). Inoltre a causa del surriscaldamento delle miscele di gas i risonatori si deformano assialmente portando alla perdita di qualità. La deformazione assiale è il nemico principale della qualità. Quindi

Meglio piccoli e in serie piuttosto che uno unico.

In figura sotto è raffigurata una macchina cartesiana a tre assi (x, y, z). Il sistema di focalizzazione del raggio è lungo l'asse z. Il laser può anche partire lontanissimo, sarà poi trasportato fino al focalizzatore con opportuni sistemi. Il sistema utilizzato è composto da specchi di rame e il fascio viaggiano in aria in quanto questo tipo di laser non può essere trasportato in una fibra. Questo comporta che per quanto possono essere riflettenti gli specchi di rame un pochino assorbono e quindi si riscaldano, riscaldandosi si deformano e deviano dal percorso teorico (si devono raffreddare ad acqua). Con il passare del tempo tali specchi si rovinano essendo in aria costringendo a fermi macchina non da poco. Altri fermi macchina possono avvenire per ricaricare o sostituire le bombole di gas (altro punto a favore). Una volta posizionata la lamiera il sistema di focalizzazione sarà portato

Ad una distanza da essa più o meno simile al fuoco a seconda di come vogliamo lavorare. È presente quindi un posizionatore che gestisce la profondità di campo (pdc).

Come si è visto hanno diversi svantaggi, il motivo per cui hanno applicazione è perché sono i più economici sul mercato con il costo per kW più basso in commercio (15000-20000 €/kW).

Inoltre si può dire che hanno un funzionamento in continuo, ovvero una volta impostata la potenza essa verrà mantenuta costante.

2.4 RISONATORI ALLO STATO SOLIDO

Hanno lo scopo di massimizzare il rapporto superficie di scambio e volume del mezzo attivo, e di minimizzare i gradienti di temperatura nel mezzo attivo. Possono essere:

• A bacchetta cilindrica (rod)
• A lastra (slab)
• A disco (disk)

I mezzi attivi utilizzati sono elementi compresi tra la posizione 57 (lantanio) e la posizione 71 (lutezio) e vengono utilizzati in forma ionica trivalente. I più utilizzati sono il

Neodimio (Nd) e l'Itterbio (Yb). Vengono utilizzati questi materiali come mezzo attivo in quanto hanno il livello energetico 5d vuoto ed il 6s pieno (ovvero orbitale esterno pieno e quello più interno vuoto). I materiali ospitanti possono essere o vetri (hanno come caratteristica l'economicità di fabbricazione e una buona qualità ottica ma poco conduttori) o i cristalli solidi (possiedono caratteristiche ottiche meno pregiate e presentano maggiore difficoltà di fabbricazione ma possiedono una buona conducibilità termica e minor deformabilità durante l'utilizzo, prettamente utilizzati nei laser ad alta potenza).

Tutti i laser allo stato solido sono trasportati in fibra!!! Questa tipologia di laser può lavorare ad impulsi e il risonatore utilizzato non cambia molto ovvero continua ad essere un cilindro con due specchi allineati. L'elemento laserante però in tal caso è un solido posizionato tra gli specchi.

stessi.2.4.1 Risonatore a barretta

L'obiettivo è sempre quello di produrre laser con alta qualità e quindi di evitare deformazioni. Nel caso di laser a barretta la potenza massima ottenibile per ottenere un buon risultato è circa 70 volte la lunghezza della barretta stessa (L = 70Lb). Anche in questo caso si utilizzano tante sorgenti in serie per evitare la deformazione non salendo sopra i 10-15 cm per ogni barretta.

Altra differenza fondamentale rispetto ad un laser a CO2 è il sistema di pompaggio; prima utilizzavo la scarica elettrica ora invece utilizzo altri metodi per fornire energia.

-sistemi di pompaggio a lampade: sono praticamente in disuso, erano composti da due lampade di Krypton. Quando queste si illuminano vanno a illuminare nel miglior modo possibile anche la barretta. Lo spettro di frequenze sarà continuo e una di queste frequenze ecciterà gli atomi del mezzo attivo. Si ha trasferimento energetico mediante pompaggio ottico.

Rendimenti molto bassi dell'ordine del 1-2%.

Sistemi di pompaggio laser: utilizzo come eccitante della barretta un altro laser il quale emettendo un'onda monocromatica, e facendola coincidere perfettamente con la banda di assorbitività del mezzo attivo elimino le perdite energetiche. Rendimenti complessivi più alti del CO2.

Risonatore a lastra: sistema di raffreddamento realizzata sulla superficie ampia in modo da riuscire ad essere il più efficace possibile. La direzione del fascio è quella trasversale. Non vengono più utilizzati in quanto la sezione di uscita della piastra non è molto collimata e quindi ottengo qualità basse. I sistemi di pompaggio possono essere gli stessi del caso precedente.

Risonatore a disco: questa è senza dubbio la soluzione vincente. Quelli a piastra non si usano più, quelli a barretta ancora si, ma i più utilizzati sono quelli a disco. Il mezzo attivo è tipo una moneta.

fatta di Granatidentro la quale è presente Neodimio eItterbio. Si realizza un collegamentorigido con un cilindro di rame che fungeda raffreddatore di una delle duesuperfici del disco.Il raggio uscirà dalla parte opposta del raffreddatore. La geometria del disco combinata con il rame mi dà laଶܯmiglior dissipazione possibile e quindi la minor deformazione ottenendo la miglior qualità in termini dirispetto a tutti gli altri laser allo stato solido.

2.5 CONFRONTO YAG è l'acronimo del mezzo ospitante, cristallidi vetro Potenza [kW]

2.6 L FASER A IBRAÈ un laser allo stato solido il cui mezzogenerante e di trasporto è una fibra ottica.Questa tipologia di laser ha le miglioriqualità possibili. Vengono spesso utilizzatefibre di vetro su cui si depositano atomi diItterbio o Neodimio che rappresentano ilmezzo attivo. La dimensione del fascio èmolto piccola ma si propaga moltofacilmente.Il fascio di luce a fibra viene

Generalmente, il laser a fibra ottica è costituito da un mezzo attivo, solitamente una fibra di vetro drogata con ioni di terre rare, che viene pompato con un secondo fascio laser a diodi. Questo secondo fascio laser oscilla tra la parete superiore e la parete inferiore della fibra e, quando incontra gli atomi del mezzo attivo, li eccita.

Grazie alla sua architettura, il laser a fibra ottica ha sempre una modalità di oscillazione TEM 00, il che significa che il fascio laser è collimatissimo e la brillanza è estremamente elevata. Questa tipologia di laser è la più utilizzata in quanto non ha limiti di potenza in uscita, arrivando anche a 100 kW.

Tuttavia, il laser a fibra ottica ha costi molto elevati, circa 60.000 euro per kW, che sono circa 2-3 volte superiori rispetto ad un laser a diodi. Non sempre è necessario avere queste caratteristiche, dipende sempre da cosa si sta tagliando, dalle dimensioni e dalla qualità desiderata della lavorazione.

Un'altra tipologia di laser molto utilizzata è il laser a diodi. Questi laser sono di bassa qualità e vengono ad esempio utilizzati per scaldare un metallo. Sono più grandi rispetto ai laser a fibra ottica.