Endüstriyel Alan Lazerleri


Endüstriyel alanda en çok kullanılan lazer, bir gaz lazeri olan karbondioksit (CO2) lazeridir. Gaz lazerlerinde, lazer ışınımının elde edilebilmesi için birtakım özel gazların kullanılması gerekmektedir. Fakat bu gazların belirli oranlarda karıştırılması gerekir. Ayrıca bu özel gazların saflıkları oldukça yüksektir. Karbondioksit lazerinden sonra en çok kullanılan lazer, bir katı hal lazeri olan Nd: YAG lazeridir.

 

Karbondioksit (CO2) Lazeri

Karbondioksit lazeri, endüstriyel uygulamada en yüksek çıkış gücüne sahip bir moleküler gaz lazeri sistemidir. CO2 lazer bir gaz lazeridir. Lazeri oluşturan aktif ortamda % 5 Karbondioksit, % 10 Nitrojen ve geri kalan kısımda Helyum bulunmaktadır. CO2 gaz lazerlerinin çalışma prensibi hepsinin aynıdır. Fakat bunların tasarımları lazer üreten şirketlere göre değişmektedir. Lazer üreteç boşluğunun içerisindeki soğutucu gaz karışımı ve uyarılma şekilleri farklı olabilmektedir. Farklı Lazer Güç Üniteleri tasarlanmaktadır. CO2 molekülünü uyarmak için kimyasal bir katalizöre ihtiyacımız vardır.

Helyum’un buradaki görevi ise moleküller arasında meydana gelen çarpışmalardan ve CO2 molekülünde depolanmış enerjinin transferi sırasında ortaya çıkan ısıyı soğutmaktır. Darbe boşalması sırasında alt lazer seviyesini hızla boşaltmak ve yüksek ısıl iletkenliğiyle gaz karışımını soğutarak alt seviyenin termik bir yüklemeye maruz kalmasını engellemektedir. Lazerden çıkan dalga boyu 10.6 µm‘dir. Gözle görülmektedir ve kızıl ötesi (infrared) dalga boyu arasında yer almaktadır. 10 W gücünden başlayarak 45 kW gücüne kadar istenilen güçlerde üretilmektedir. Elektrik verimliliği hakkında farklı veriler olmakla birlikte yaklaşık olarak % 10’ dur. Yüksek güçlü bir endüstri lazer çeşididir. Geniş bir kullanım alanı vardır. Malzeme işlemede; kaynak, kesme ve yüzey işlemlerinde kullanılmaktadır. 

CO2 Lazerin çıkış gücü ve ışın kalitesi her şeyden önce gaz akış metotlarına bağlıdır. Optik kavitinin içerisindeki gazların akış şekli direk olarak CO2 molekülünün uyarılmasını etkilemektedir. CO2 lazerlerinin sınıflandırılması akış sekline göre olmaktadır. Bunlar: Eksenel akış, çapraz akış ve akış olmayan olarak üç gruba ayrılır. Lazerler ayrıca güçlerine göre, soğutma çeşitlerine ve optik kavitinin sekline göre sınıflandırılabilirler. Yavaş akışlı eksenel lazerler; cam tüpün (10 – 14 mm çapında) içerisinde gaz yavaşça hareket etmekte, soğutmak için etrafında su veya başka soğutucu hareket etmektedir. Gücü 50 -70 W arasındaki bir lazer tüpünün uzunluğu 1m dir.

Tüplü lazerlerin avantajları:

• Çok iyi odaklanabilen ışın demeti

• Darbeli (pulse) kullanımda yüksek ışın demeti

• Karmaşık bir yapısı olmaması

• Bakımının kolay olması

 Tüplü lazerlerin dezavantajları:

• Tüpün uzunluğunun çok büyük olması

• Limitli çıkış gücüne sahip olması

Tüplü lazerlerle yüksek güçlü lazerler elde etmek için uzun tüp gereklidir. Bir tane 2 kW Lazer yapmak için 20 tane lazer tüpünün seri bir şekilde olması gerekir. Bunun düzenli bir şekilde monte edilmesi çok zor olmaktadır.

Hızlı Eksenel Akış Lazerler; bu lazerlerde gazı bir üfleyici veya santrifüj pompa ile gaz hızlı bir şekilde lazer tüpünün içerisinde hareket etmektedir. Gazın hareketi ses hızına yakın olmaktadır.

Gaz tekrar dolaşmadan önce ısı değiştiriciler tarafından soğutulmaktadır. 20 kW gücünde Hızlı Eksenel Akışlı Lazerle Yavaş Eksenel Akışlı Lazer kıyaslandığında lazer tüpünün uzunluğundan çok büyük yer kazanılmaktadır. En büyük dezavantajları: Gazı üfleyici aletin veya santrifüj pompanın maliyeti ve bakım sorunlarıdır. Hızlı Akışlı Lazerler az yer kaplayan tasarımlar ile çok yüksek güçlere çıkmaktadır.
Çapraz Akışlı Lazerler yüksek frekansla (HF) uyarılmaktadır. Kaynak ve yüzey işlemlerinde ideal lazer ısının profilidir. Pazarlamada, endüstriyel uygulamalarda kullanılan yüksek güçlü lazerler ön plana çıkmaktadır. Yüksek frekanslılar en az yer kaplamakta ve kolaylıkla otomasyon üretim sistemine kurulabilmektedir.
Gaz karışımlarının uyarılmasında elektrik deşarjı kullanıldı. Bu yöntemle CO2 lazer demeti yapımında başarılı olundu. Uyarılmalarda doğru akım (DC), Radyo frekansı (RF) ve yüksek frekans (HF)kullanılmaktadır. Doğru akımla (DC) gaz tüpün her iki son tarafına anot ve katot yerleştirilerek uyarılır. Bunların arasına bir voltaj uygulanarak gaz karışımının uyarılması başlatılmaktadır. DC akımla uyarılmasının avantajı , uyarılan sistemin verimliğinin çok yüksek olmasıdır. Toplam sistem verimliliğinin yaklaşık olarak %10 kadardır. Ayrıca DC akım ünitesi (power supply) oldukça basit, bakımı kolay ve servis maliyeti azdır. Radyo frekansı ile uyarılmada, iki yüzeyi geniş bakır elektrotlar arasından bir RF gaz deşarjı uyarılması yapılmaktadır.
 
 
Nd: YAG Lazeri
 
YAG; Yttrium – Aluminnium – Granat ‘ ın kısaltılmış şeklidir. Nd: YAG lazer bir katı hal lazeridir. Dalga boyu 1.06 µm’dır. Bu lazer türünde lazer yayan eleman YAG kristal rodun içindeki Neodim’dir. Devamlı ve darbeli (pulse) olarak lazer elde edilmektedir. %3 ile % 5 arasında verimliliği olmaktadır. Verimliliğinden dolayı endüstride kullanılmaktadır. Tipik verim halinde, kristalin %1 ‘i iyon haline geçer. Gazlara göre katı bir cisimlerin atomları daha yoğun şekilde dizildiklerinden, birim hacimde çok atom bulundururlar. Bu nedenle katı cisim lazerinin amplifikasyonu ve çıkış yoğunluğu çok yüksektir. Genel olarak lazer roddunun çapı 10 mm ve uzunluğu 200 mm ‘dir. Bunlar sırayla dizilebilir ve CO2 Lazerden çok daha karmaşık olmaktadırlar. Nd: YAG Lazerin ana parçası Nd: YAG kristalidir.
 
Neodim’ in uyarılması, yüksek güçlü ark lambalarının ışığıyla yapılır. Yansıtıcı paneller ile ışık Nd: YAG kristalinin üzerine yansıtılır. Işığa maruz bırakılan Nd: YAG kristalinde, Neodim bu ışığı absorbe ederek uyarılmış hale getirir. Bu uyarma seviyesinde geçen süre çok kısadır ve iyon, hızla üst lazer seviyesinin biraz üzerine çıkar. Bu sırada serbest kalan enerji, ısı enerjisi olarak kristale geçer. Yüksek güçlü lazerler elde etmek için çoklu lazer rodlarına ihtiyaç vardır.
 
Nd: YAG lazer demeti, aynalar tarafından yönlendirilebilir, fiber optik kabloların içerisinde hareket ettirilip yönlendirilebilir. Lazer demetinin küçük alanlarda kolay hareketi çok zordur. 5 kW çıkış gücüne sahip Nd: YAG lazeri 0.6 mm çapında fiber kablo ile aktarımı yapılmıştır. Bir Alman şirketi olan TRUMPF 2004 yılında pazarlamaya başlamıştır. Yüksek güçlü CO2 lazeri fiber optik ile taşınamamaktadır.
Endüstriyel Nd: YAG lazerlerin kullanımı için fiber optik kabloların tasarımı yapılmaktadır.
 
 
Diyot ve Diyot Pompalı Nd: Yag Lazerler
 
Nd: YAG lazer teknolojisinde uzun zamandan beri lambalar kullanılmaktadır. Gelecekte kullanılabilecek olabilmesinin sebebi ise Nd: YAG lazerin düşük maliyetli olmasıdır. Bu yüksek güçlü lazer teknolojinin ana avantajı ise çok kısa spektral çıkışa sahip oluşudur. Düşük termik nüfusundan dolayı diyot pompalı Nd: YAG lazerler çok iyi ısın kalitesine sahiptir. Ayrıca çok az yer kaplaması, soğutma ihtiyacının az olması, diyotların ömürlerinin lambalara göre uzun olmasıdır.
 
Günümüzde yüksek güçlü diyot lazerler kaynak ve markalama işlerinde kullanılmaya başlanmıştır. Diyot lazerlerin en büyük avantajı yüksek verimliliği (%50 ye kadar çıkabilmekte) , düşük işletme maliyeti ve çok küçük boyutta olmasından dolayı robotlara ve makinelere çok kolay monte edilmesidir.
 
 
Excimer Lazerler

Excimer lazeri de bir soygaz ve halojen karışımdan meydana gelen bir gaz lazeridir. Soygaz ve halojen atomlarının karışım oranlarına bağlı olarak, elde edilen dalga boyları 0.15 µm – 0.35 µm arasında değişir. Excimer lazerinin tahriki için gerekli olan yüksek pompalama performansı için puls tahriki düzeneği ve enerjiyi boşaltmaya  arayan Tyratron- Şalteri kullanılmıştır. Gaz boşaltımında tüm hacmim homojen olarak doldurulabilmesi için bir “ön iyonlaştırma prosesine” ihtiyaç vardır. Elektrotlar vasıtası ile oluşturulan ark boşalmasında oluşan UV ışınları ile gerçekleştirilen “ön iyonlaştırma” yapılmaktadır.