Upload
nermina-hodzic
View
256
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
7/27/2019 Laserske tehnologije
1/71
Laserske tehnologije
Red.prof.dr.sci. Nermina Zaimovi-Uzunovi
mailto:[email protected]:[email protected]7/27/2019 Laserske tehnologije
2/71
Sadraj
Uvod
1. ta su laserske tehnologije?
2. Gdje se koriste leserske tehnologije?3. Savremena proizvodnja i laserske
tehnologije.
Osnovi teorije lasera i vrste lasera
1. Teorije svjetlosti
2. Vrste i konstrukcije lasera
7/27/2019 Laserske tehnologije
3/71
Sadraj-nastavak
Laseri u obradi materijala
1. Tipovi lasera
2. Jedno, dvo, trodimenzionalne obradelaserom
3. Lasersko zavarivanje
4. Laserska termika obrada5. Lasersko rezanje
7/27/2019 Laserske tehnologije
4/71
Sadraj-nastavak
Laseri u mjerenju
1. Vrste lasera za mjerenje
2. Optike procedure mjerenja3. Laserska interferometrija
Ostale primjene laserskih tehnologija
1. Medicina i umjetnost
7/27/2019 Laserske tehnologije
5/71
Uvod
ta su laserske tehnologije?
Gdje se koriste leserske tehnologije?
Savremena proizvodnja i laserske
tehnologije.
7/27/2019 Laserske tehnologije
6/71
Laser
Light A mplification by S
timulated Emission of R adiation
Pojaanje svjetlosti pomoustimuliraneemisije zraenja.
Izvor i pojaalo usmjerenog
elektromagnetnog zraenje.
7/27/2019 Laserske tehnologije
7/71
ta su lasersketehnologije
Sve vrste tehnologija
iji je rad zasnovan nalaserima.
7/27/2019 Laserske tehnologije
8/71
Gdje se koriste laserske
tehnologije?
Medicina
Elektronika
Proizvodnetehnologije
ProcesiObradeRezanje
ZavarivanjeObiljeavanjeTermikaobrada,buenje
Mikrotehnika
MjerenjaKomunikacionetehnologije
Reparatura
7/27/2019 Laserske tehnologije
9/71
Savremena proizvodnja i
laserske tehnologije
7/27/2019 Laserske tehnologije
10/71
Savremena proizvodnja i
laseri
7/27/2019 Laserske tehnologije
11/71
Uee lasera
7/27/2019 Laserske tehnologije
12/71
Historija optike
1665 Grimaldi
1666/70 Newton Korpuskularna teorija
1678 Huygens-zakoni odbijanja iprelamanja
1801 Young trihromatska teorija tri
tipa osjetljivih dijelova oka osjetljivogna crvenu,utu ili plavu boju
7/27/2019 Laserske tehnologije
13/71
Historija optike
1816 Fresnel
1817 Young/Helmholtz
1871 Maxwell 1888 Hertz
1900 Planck
1905 Einstein 1917 Einstein-stimulirana emisija
1950 Dualna teorija
7/27/2019 Laserske tehnologije
14/71
Historija lasera
Einstein 1917.
Towens 1954. i Prohorov 1951.
Maser u infracrvenom podrujurazradio Maiman 1960. i vrsti laser,impulsni rad.
Bennett Herriot 1961. emisija svjetlostiu plinu , kontinuirani rad lasera.
Aigrain 1959. poluvodiki laseri.
7/27/2019 Laserske tehnologije
15/71
Youngova teorija
Osjetljivost na boje odgovara
relativnom aktivacionom nivou tri
populacije rezonatora. Trihromatska teorija je ignorisana pa
1852 ponovo otkrivenaod Hermana i
Helmholza pa se zove helmholzova
teorija.
7/27/2019 Laserske tehnologije
16/71
Korpuskularna teorija
Do sredine 17 vijeka se smatralo da se
svjetlost sastoji od mlaza korpuskula-
estica.estice emituju svjetlosni izvori.
One mogu da prou kroz providne materije iodbijaju se od povrine neprozirnihpredmeta.
Kad estice dospiju do oka izazivaju osjeajvienja.Teorija je korpuskularna.
7/27/2019 Laserske tehnologije
17/71
Korpuskularna teorija
Korpuskularna teorija objanjavaeksperimentalne injenice kao
pravolinijsko prostiranje svjetlosti,zakone odbijanja i prelamanja na
graninim povrinama.
7/27/2019 Laserske tehnologije
18/71
Talasna teorija
Huygens dokazuje da se zakoni
odbijanja i prelamanja mogu objasniti
na bazi talasne teorije koja u tovrijeme nije bila prihvaena.
Razlog za odbacivanje teorije slijedi iz
osobina talasa da zaobilaze prepreke
to je u to doba bilo u suprotnosti sapravolinijskim prostiranjem svjetlosti.
7/27/2019 Laserske tehnologije
19/71
Talasna teorija
Pojava savijanja svjetlostioko rubova
predmeta kasnije je nazvana
difrakcija.Eksperiment je pokazao dase interferencija svjetlosti ne moeobjasniti korpuskularnom
teorijom.Pojave interferencije i
difrakcije mogu se objasniti samotalasnom teorijom
7/27/2019 Laserske tehnologije
20/71
Stvarna priroda svjetlosti
Stvarna priroda svjetlosnih talasa i sredine
kroz koju se oni prenose ostala je nerijeenproblem.
Po Hajgensu je prazan prostor kojije
ispunjen elastinom sredinom-etar.Da bi seobjasnila velika brzina svjetlosti etar bi
morao biti posebno vrst,a on se opirekretanjutijela,planete se kreu kroz etar bezsamanjenja brzine.
7/27/2019 Laserske tehnologije
21/71
Maxwellova teorija
Pokazao je da oscilirajue elektrino kolozrai elektromagnetne valove ija je brzinaoko 3x108 m/s,to odgovara
eksperimentalno odreenoj brzini svjetlosti. Ove teorijske postavke dokazao je
eksperimentalno Hertz koji je napravio
oscilatorno kolo koje je emitiralo
elektromagnetne talase malih talasnih
duina i koji pokazuju sve osobine svjetlosti.
7/27/2019 Laserske tehnologije
22/71
nastavak
Ovi talasi se mogu fokusirati pomouspecijalnih soiva, polarizirati isto kao isvjetlosni talasi
Maxwellova elektromagnetna teorija
svjetlosti i njena potvrda su bitne ali nisu
univerzalne i njima se ne moe objasnitifotoelektrini efekat tj. emisija elektrona izprovodnika pod djelovanjem svjetlosti koja
pada na njegovu povrinu.
7/27/2019 Laserske tehnologije
23/71
Objanjenje fotoefkta
Einstein je 1905 .prihvatio ideju
Plancka i pretpostavio da je energija
svjetlosnog snopa, umjesto da jerasporeena u prostoru u elektrinim imagnetnim poljima elektromagnetnog
talasa, koncntrisna u male pakete-
kvente energije ili fotone.
7/27/2019 Laserske tehnologije
24/71
Ek i k fotona
Talasna priroda je zadrana jer foton imaodreenu frekvenciju i energiju koja jeproporcionalna frekvenciji E=h.
Konanu potvrdu fotonske priorde svjetlostidao ja Compton koji je eksperimentalnopokazao da se prilikom sudara foton ielektron ponaaju kao materijalna tijela koja
imaju Eki k i da pri sudaru te veliine ostajuouvane.Fotoefekat i Komptonov efekat iduu prilog korpuskularne teorije.
7/27/2019 Laserske tehnologije
25/71
Dualna priroda svjetlosti
Pojave interferncije, difrakcije ipolarizacije objanjavaju talasnuprirodu dok se interakcija svjetlosti imaterije u procesima emisije iapsorpcije objanjava korpuskularnomteorijom.
Dualna priroda svjetlosti vai i zaostale elementarne estice,elektroni,neutroni, protoni
7/27/2019 Laserske tehnologije
26/71
Osnovi teorije
lasera i vrste lasera
Teorije svjetlosti
Vrste i konstrukcije lasera
7/27/2019 Laserske tehnologije
27/71
Klasina optika
Klasina optika
Geometrijska optika Fizika optika
Svjetlosni talasiElektromagnetni
Transverzalni talasi
Odbijanje
Prelamanje
Difrakcija
Interferencija
Polarizacija
7/27/2019 Laserske tehnologije
28/71
Osobine svjetlosti
Korpuskularna priroda svjetlosti
objanjava pravolinijsko prostiranje
svjetlosti, zakone odbijanja iprelamanja na graninim povrinama.
Talasna priroda svjetlostiobjanjavainterferenciju i difrakciju.
Svjetlost je dualne prirode.
7/27/2019 Laserske tehnologije
29/71
Korpuskularna i talasna priroda
svjetlosti
7/27/2019 Laserske tehnologije
30/71
Prelamanje svjetlosnog
zraka
7/27/2019 Laserske tehnologije
31/71
Odbijanje zraka
7/27/2019 Laserske tehnologije
32/71
Difrakcija svjetlosnog
talasa
7/27/2019 Laserske tehnologije
33/71
Koherencija
7/27/2019 Laserske tehnologije
34/71
Elektromagnetni talas
7/27/2019 Laserske tehnologije
35/71
Pretvaranje elektrine umagnetnu energiju
U pogledu fundamentalne prirode nema razlike izmeusvjetlosnih i ostalih elektromagnetnih talasa
Proces pretvaranja elektrine energije u magnetnu iobratno traje beskonano dugo u lektrinom kolu ako
nema gubitaka.Rezultat je pojava elektrinih oscilacija.Ako se elektrino kolo otvori tj.razmaknu ploekondenzatora koji je u kolu sa kalemom L,smanji sekapacitet i induktivitet.
Linije sile promjenljivog elektrinog polja zauzimaju
vei prostor oko oscilatornog kola.
7/27/2019 Laserske tehnologije
36/71
Svjetlosni talasi u spektru
Elektromagnetni talasi reda veliinecentimetra-radar,proizvode se u
vakumskim cijevima. Svjetlosni talasi koji potiu od emisije
molekula i atoma i proteu se oddugih infracrvenih talasa, preko
vidljivog spektra do ultraljubiastogpodruja.
7/27/2019 Laserske tehnologije
37/71
Svjetlosni spektar
7/27/2019 Laserske tehnologije
38/71
Elektromagnetni i elektrinitalasi
Da bi dolo do emisije,molekule i atomi morajuprethodno biti pobueni.
Pobuivanje se vri putem termikog kretanjamolekula ili do njega dolazi u procesu sudara pri
elekrinom pranjenju. Molekuli primljenu energiju emituju u obliku
elektromagnetnih talasa.
Ako se atomi bombarduju elektronima ije je kinetikaenergija velika moe da doe do pobuivanja
unutranjihelektrona i povratak elektrona u normalnostanje, popraen je emisijom energije zraenja vrlokratke zalasne duine.Usporavanje brzih elektronadovodi do pojave elektromagnetnog zraenja
7/27/2019 Laserske tehnologije
39/71
Svjetlosni talasi
Sveukupnost svih elektromagnetskih pojavase opisuje MAXWELLOVIM jednainama.One povezuju vremenska i prostornaizvoenja elektrinih i magnetskih jainapolja E i H. Izvodei Maxwellove jednaine,J.C. Maxwell je rekao da egsistirajuielektromagnetni valovi se prostiru brzinomsvjetlosti. 1887/88 god.
Hertz je uspio ostvaririti i dokaz prostiranjaelekktromagnetnih valaova, ime jedokazano da je svjetlost specijalan sluajelektromagnetskog vala.
7/27/2019 Laserske tehnologije
40/71
Energija talasa
Pregled do danas istraenih i najveidio tehniki koritenih frekvencija
odnosno spektra valnih duina sekoristi.
Posebno interesantno podrujelaserskog zraenja ( ~ 0,1 10 m)
predstavlja samo mali isjeak izcjelokupnog spektra.
7/27/2019 Laserske tehnologije
41/71
Karakteristike
elektromagnetnog polja
Magnetno polje mijenja se sa vremenom
harmonijski po zakonu
H = H0cos(tkx)
Elektrino polje po zakonu
E = E0 cos(tkx)
Jedni bez drugih ovi talasi ne postoje. Zajedno
ine progresivan talas koji se kree upozitivnom smjeru ose x brzinom c.Ova dva
vektora su meusobno okomita
7/27/2019 Laserske tehnologije
42/71
Osobine svjetlosti
To je ravni svjetlosni talas.Svjetlost
ima:
Fizioloko Fotoelektrino
Fotohemijsko dejstvo.
Oni su rezultat oscilatrone prirodesvjetlosti.
7/27/2019 Laserske tehnologije
43/71
Elektromagnetni spektar
Ukupni spektar moe se podijeliti na: Ultravioletno gdje je djelovanje
fotohemijsko
Vidljivo postoje oba efekta
Infracrveno podruje djelovanje jeuglavnom termalno-
Ako su efekti veliki javljaju seoteenja tkiva.
7/27/2019 Laserske tehnologije
44/71
Spektar
7/27/2019 Laserske tehnologije
45/71
Ultravioletno,vidljivo i
infracrveno zraenje
UV zraenje obuhvata dio talasnihduina izmeu 180 i 400 mm.
Vidljivo podruje se sastoji od talasnihduina izmeu 400 i 700 mm.
Infracrveno podruje sastoji se odtalasnih duina izmeu 700 i 1mm.
7/27/2019 Laserske tehnologije
46/71
Svjetlosni vektor
To je vektor jaine svjetlosnog talasakojim se mijenja jaina elektrinog
vektoraA(x,t)=A0 cos(t-kx)
gdje je A0 amplituda svjetlosnog talasa
7/27/2019 Laserske tehnologije
47/71
Interferencija svjetlosti
Dva talasa istih frekvencija se superponiraju
jedan u drugi.Nastaju oscilacije istog smjera
ija je amplituda
x1=A1 cos(t+1)
x2 =A2 cos(t+2)
1,i 2 su faze a njihova razlika 1-2
je konstantna u vremenu. Ovi talasi zovu se koherentni
7/27/2019 Laserske tehnologije
48/71
Interferencija svjetlosti
2 32
Phase difference
2 32
Phase difference
incoherent non-monochromatic light of a bulb
coherent light of a laser in continuous wave use
The wavelength definesthe colour of light
The amplitude defines theintensity of light
I ~ A2
s
s
Destructive interference
s = (2n + 1)/2
Constructive interference
s = n
incoherent non-monochromatic light of a bulb
coherent light of a laser in continuous wave use
The wavelength definesthe colour of light
The amplitude defines theintensity of light
I ~ A2
s
s
Destructive interference
s = (2n + 1)/2
Constructive interference
s = n
Laser
s
A1A2
A3
E
E
7/27/2019 Laserske tehnologije
49/71
Koherencija svjetlosti
Kada su talasi koherentni fazna ralika
je konst
Kada su talasi nekoherentni faznarazlika se stalno mijenja.
Intenzitet svjetlosti pri slaganju
nekoherentnih talasa jednak je sumi
intenziteta pojedinih talasa
I=I1+I2
7/27/2019 Laserske tehnologije
50/71
Slaganje koherentnih talasa
Kada se dva koherentna talasa slaujavljaju se mjesta sa max i min
intenziteta svjetlosti.Ova pojava jeinterferencija.
Interferencija je naroito izraenakada su talasi istog intenziteta.tada je
minimum intenziteta svjetlosti I=0 amax I=4I1.
7/27/2019 Laserske tehnologije
51/71
Izvori svjetlosti i vrste
talasa
7/27/2019 Laserske tehnologije
52/71
Nekoherentni talasi
Za nekoherentne talase dobije se jednakaosvijetljenost u svim takama prostora priistim uslovima.
Pri osvijetljenju bilo koje povrineosvijetljene sa nekoliko izvora svjetlostinastaje interferencijska slika sa max i minintenzitetom-pruge interferencije.
Osvijetljenost povrine opada saudaljenou od izvora. Prirodni izvori svjetlosti nisu koherentni.
7/27/2019 Laserske tehnologije
53/71
Koherentni i nekoherentni
talas
7/27/2019 Laserske tehnologije
54/71
Svjelosni
izvor
Preprekanepravilni predmet
zaklon
Geometrijska sjenka
Difrakcija svjetlosti
FresnelovaFraunhoferova
7/27/2019 Laserske tehnologije
55/71
Difrakcija svjetlosti
Ako se izmeu takastog izvora S i zaklonaZ postavi nepravilan predmet Na zaklonu se
javlja otra granica izmeu dijela koji je
osvijetljen i zaklonjen. To je optika.To se deava jer se svjetlost
savija oko ivice predmeta i ulazi u oblast
sjenke.Intenzitet difrakcije zavisi od
dimenzija,prepreke i talsne duine
7/27/2019 Laserske tehnologije
56/71
Klasina optika
Geometrijska optika Fizika optika
Svjetlosni talasi
Odbijanje Prelamanje
Elektromagnetni talasi
Difrakcija Interferencija
7/27/2019 Laserske tehnologije
57/71
Fresnelova difrakcija
Nastaje kada su svjetlosni izvor i
zaklon na konanom rastojanju odprepreke.
Zraci koji dou do prepreke nisuparalelni pa za posmatranje slike
difrakcije nisu potrebni optikiinstrumanti.
7/27/2019 Laserske tehnologije
58/71
Fraunhoferova difrakcija
Predstavlja difrakciju paralelnihzraka.Nastaje kad se izvor svjetlosti i zaklonkonano udaljeni od prepreke na kojojnastaje difrakcija.
Za promatranje Fraunhoferove difrakcijepotreban je optiki aparat.
Hajgens Frenelov princip je dopunaHajgensovog koji ne prua podatke o
amplitudiIntenzitetu svjetosti.Svaka takado koje dolazi talasno kretanje postaje izvornovih sekundarnih talasa koji interferiraju.
7/27/2019 Laserske tehnologije
59/71
Frenelove zone
Mogu se izraunati faze i amplitude sekundarnih talasau bilo kojoj taki prostora.
H-F princip za nalaenje amplitude svjetlosnogoscilovanja koje se pobuuje u taki P sfernim
talasima koji se prostiru u homogenoj sredini iztakastog izvora S.Talasna duina takvog talasasimetrina je u odnosu na pravu SP.Frenel je podijeliotalasnu povrinu na prstenaste zone tako da serastojanje od krajeva svake zone do take P razlikujeza /2.Rastojanje b
m
od vanjskog kraja m-te zone od
take P moe se izraziti kao bm =b +m/2 b-rastojanje od tjemena talasne povrine do take P
7/27/2019 Laserske tehnologije
60/71
Slika Fenelovih zona
7/27/2019 Laserske tehnologije
61/71
Polarizacija svjetlosti
EM Talasi su transverzalni.Ne pokazujuasimetriju na pravac prostiranja zraka.
Priroda svjetlosti je sastavljena od oscilacijakoje se vre u smjerovima okomitim na zrak
svjetlosti. Postupak da se u rezultujuem talasu
oscilacije razliitih smjerova urede zove sepolarizacija.
Svjetlost kod koje su smjerovi oscilovanja
ureni zove se polarizovana. Ako se oscilovanje vri u jednoj ravni onda je
to ravno ili linearno polarizovana.
7/27/2019 Laserske tehnologije
62/71
Polarizatori
Ravan u kojoj osciluje svjetlosni
vektor zove se ravan oscilovanja.
Ravno polarizovana svjetlost moe sedobiti iz prirodne pomouinstrumenata koji se zovu
POLARIZATORI
P l i ij j tl
7/27/2019 Laserske tehnologije
63/71
Polarizacija svjetlosnog
zraka
P l i ij i dbij j i
7/27/2019 Laserske tehnologije
64/71
Polarizacija pri odbijanju i
prelamanju
Zrak pada na granicu dvije sredine indexa
prelamanja n1 i n2 pod uglom razliitim od0.Odbijeni i prelomljeni zrak su djelimino
polarizovani. U odbijenom zraku prevladavaju oscilacije
okomite na upadnu ravan .
U prelomljenom zraku prevladavaju
oscilacije paralaelne sa upadnim ravni .
Stepen polarizacije zavisi od upadnog ugla.
7/27/2019 Laserske tehnologije
65/71
Spektar
7/27/2019 Laserske tehnologije
66/71
Osobine talasa
7/27/2019 Laserske tehnologije
67/71
Fotoelektrini efekat
Di ij k i l
7/27/2019 Laserske tehnologije
68/71
Divergencija konvencionalne
svjetlosti
Divergencija laserske
7/27/2019 Laserske tehnologije
69/71
Divergencija laserske
svjetlosti
7/27/2019 Laserske tehnologije
70/71
Osnove lasera
Laser radi na principu
pobude atomaizazivajui svjetlosnuemisiju i apsorpciju priprelasku sa jednog nadrugi energetski nivo.
7/27/2019 Laserske tehnologije
71/71
Kraj prvog dijela
Nastavak
Laserske tehnologije 2