Mini-encyclopedie: Principe en toepassingen van laserlassen
Energieniveaus
Materie is opgebouwd uit atomen, en atomen bestaan uit een kern en elektronen. Elektronen draaien in een baan om de kern. De energie van elektronen in een atoom is niet willekeurig.
De kwantummechanica, die de microscopische wereld beschrijft, leert ons dat elektronen vaste energieniveaus bezetten. Verschillende energieniveaus corresponderen met verschillende elektronenenergieën: banen verder van de kern hebben een hogere energie.
Bovendien kan elke baan een maximaal aantal elektronen bevatten. De laagste baan (het dichtst bij de kern) kan bijvoorbeeld maximaal 2 elektronen bevatten, terwijl hogere banen maximaal 8 elektronen kunnen bevatten, enzovoort.
Overgang
Elektronen kunnen van het ene energieniveau naar het andere overgaan door energie op te nemen of af te geven.
Wanneer een elektron bijvoorbeeld een foton absorbeert, kan het van een lager energieniveau naar een hoger niveau springen. Op dezelfde manier kan een elektron op een hoger energieniveau naar een lager niveau terugvallen door een foton uit te zenden.
Bij deze processen is de energie van het geabsorbeerde of uitgezonden foton altijd gelijk aan het energieverschil tussen de twee energieniveaus. Omdat de energie van een foton de golflengte van het licht bepaalt, heeft het geabsorbeerde of uitgezonden licht een vaste kleur.
Principe van lasergeneratie
Gestimuleerde absorptie
Gestimuleerde absorptie vindt plaats wanneer atomen in een lage-energiestand externe straling absorberen en overgaan naar een hoge-energiestand. Elektronen kunnen van lage naar hoge energieniveaus springen door fotonen te absorberen.
Gestimuleerde emissie
Gestimuleerde emissie betekent dat elektronen op een hoog energieniveau, onder invloed van een foton, overgaan naar een lager energieniveau en daarbij een foton uitzenden met dezelfde frequentie als het invallende foton.
Het belangrijkste kenmerk van gestimuleerde emissie is dat het gegenereerde foton identiek is aan het oorspronkelijke foton: dezelfde frequentie, dezelfde richting en volledig ononderscheidbaar. Op deze manier wordt één foton door één proces van gestimuleerde emissie twee identieke fotonen. Dit betekent dat licht wordt versterkt of vergroot – het basisprincipe van lasergeneratie.
Spontane emissie
Spontane emissie treedt op wanneer elektronen op een hoog energieniveau zonder externe invloed naar een lager niveau vallen, waarbij ze tijdens de overgang licht (elektromagnetische straling) uitzenden. De energie van het foton is E = E2 - E1, het energieverschil tussen de twee niveaus.
Voorwaarden voor lasergeneratie
Laserversterking gemiddeld
Lasergeneratie vereist een geschikt versterkingsmedium, dat gasvormig, vloeibaar, vast of halfgeleidend kan zijn. De sleutel is het bereiken van populatie-inversie in het medium, een noodzakelijke voorwaarde voor laseroutput. Metastabiele energieniveaus zijn zeer gunstig voor populatie-inversie.
Pompbron
Om populatie-inversie te bereiken, moet het atoomstelsel geëxciteerd worden om het aantal deeltjes op het hogere energieniveau te verhogen.
Veelgebruikte methoden zijn onder andere:
- Elektrische pompen: gasontlading met behulp van elektronen met hoge kinetische energie.
- Optische pomping: bestraling met gepulseerde lichtbronnen
- Thermische pompen, chemische pompen, enz.
Deze methoden worden gezamenlijk pompen genoemd. Continu pompen is nodig om meer deeltjes op het bovenste niveau te houden dan op het onderste niveau voor een stabiele laseroutput.
Resonator
Met een geschikt versterkingsmedium en pompbron kan populatie-inversie worden bereikt, maar de intensiteit van de gestimuleerde emissie is te zwak voor praktisch gebruik. Verdere versterking is nodig, die wordt geleverd door een optische resonator.
Een optische resonator bestaat uit twee sterk reflecterende spiegels die parallel aan elkaar aan beide uiteinden van de laser zijn geplaatst:
- Een spiegel die volledige reflectie weergeeft
- Een spiegel met gedeeltelijke reflectie en gedeeltelijke transmissie.
Een spiegel met totale reflectie weerkaatst al het invallende licht terug langs het oorspronkelijke pad. Een spiegel met gedeeltelijke reflectie weerkaatst fotonen onder een bepaalde energiedrempel terug in het medium, terwijl fotonen boven de drempel als versterkt laserlicht worden uitgezonden.
Licht oscilleert heen en weer in de resonator, waardoor een kettingreactie van gestimuleerde emissie op gang komt die als een lawine versterkt wordt en een laseroutput met hoge intensiteit produceert.
Wat is een pomplamp?
Een xenonlamp is een inertgasontladingslamp, meestal in de vorm van een rechte buis. Deze bestaat doorgaans uit elektroden, een kwartsbuis en gevuld met xenongas (Xe).
De elektroden zijn gemaakt van metaal met een hoog smeltpunt, een hoge elektronenemissie-efficiëntie en een lage sputteringsneerslag. De lampbuis is gemaakt van zeer sterk, hittebestendig, hoogdoorlatend kwartsglas en gevuld met xenongas.
Wat is een Nd:YAG-laserstaaf?
Nd:YAG (neodymium-gedoteerd yttriumaluminiumgranaat) is het meest gebruikte vaste lasermateriaal.
YAG is een kubisch kristal met een hoge hardheid, uitstekende optische eigenschappen en een hoge thermische geleidbaarheid. Drievalente neodymiumionen vervangen een deel van de drievalente yttriumionen in het kristalrooster, vandaar de naam neodymium-gedoteerd yttriumaluminiumgranaat.
Kenmerken van een laser
Goede samenhang
Licht afkomstig van gewone bronnen is chaotisch qua richting, fase en timing, en kan zelfs met een lens niet tot één punt worden gefocust.
Laserlicht is zeer coherent: het heeft een zuivere frequentie, plant zich in dezelfde richting voort in perfecte fase en kan worden gefocusseerd tot een minuscule stip met een zeer hoge energieconcentratie.
Uitstekende richtingsgevoeligheid
Laserlicht heeft een veel betere directionaliteit dan elke andere lichtbron en gedraagt zich vrijwel als een parallelle bundel. Zelfs wanneer het op de maan is gericht (op ongeveer 384.000 km afstand), is de diameter van de lichtvlek slechts ongeveer 2 km.
Goede monochrome uitstraling
Laserlicht dat ontstaat door gestimuleerde emissie heeft een extreem smal frequentiebereik. Simpel gezegd heeft laserlicht een uitstekende monochromaticiteit – de "kleur" is uiterst zuiver. Monochromaticiteit is cruciaal voor laserbewerkingstoepassingen.
Hoge helderheid
Laserlassen maakt gebruik van de uitstekende gerichtheid en hoge vermogensdichtheid van laserstralen. De laserstraal wordt via een optisch systeem gefocusseerd tot een klein gebied, waardoor in zeer korte tijd een sterk geconcentreerde warmtebron ontstaat. Deze warmtebron smelt het materiaal en vormt stabiele laspunten en -naden.
Voordelen van laserlassen
Vergeleken met andere lasmethoden biedt laserlassen de volgende voordelen:
- Hoge energieconcentratie, hoge lasefficiëntie, hoge precisie en een grote verhouding tussen lasdiepte en -breedte.
- Lage warmte-inbreng, kleine warmtebeïnvloede zone, minimale restspanning en vervorming.
- Contactloos lassen, flexibele glasvezeltransmissie, goede toegankelijkheid en hoge mate van automatisering.
- Flexibel scharnierontwerp, waardoor grondstoffen worden bespaard.
- Nauwkeurig regelbare energie, stabiele lasresultaten en een uitstekend lasuiterlijk.
Laserlasprocessen voor metalen materialen
Roestvrij staal
- Met gewone blokgolfpulsen kunnen goede resultaten worden behaald.
- Ontwerp de verbindingen zo dat de laspunten geen contact maken met niet-metalen materialen.
- Zorg voor voldoende lasoppervlak en werkstukdikte voor sterkte en een fraai uiterlijk.
- Zorg tijdens het lassen voor een schoon werkstuk en een droge omgeving.
Aluminiumlegeringen
- Een hoge reflectiviteit vereist een hoog piekvermogen van de laser.
- Gevoelig voor scheuren tijdens pulspuntlassen, waardoor de sterkte afneemt.
- De materiaalsamenstelling kan spatten veroorzaken; gebruik daarom hoogwaardige grondstoffen.
- Betere resultaten met een grote spotgrootte en een lange pulsbreedte.
Koper en koperlegeringen
- Hogere reflectiviteit dan aluminium; vereist een nog hoger piekvermogen van de laser.
- De laserkop moet onder een hoek worden gekanteld.
- Koperlegeringen (messing, cupronikkel, enz.) zijn moeilijker te lassen vanwege de legeringselementen; een zorgvuldige parameterselectie is vereist.
Veelvoorkomende defecten bij laserlassen en oplossingen
Onjuiste parameters of een verkeerde bediening veroorzaken vaak lasfouten, waaronder:
- Oppervlaktespatten
- Porositeit in de lasnaad
- Las scheuren
- Lasvervorming
Lasspat
Spatten worden voornamelijk veroorzaakt door een te hoge laservermogensdichtheid: het werkstuk absorbeert in korte tijd te veel energie, wat leidt tot ernstige verdamping van het materiaal en een heftige reactie in het smeltbad.
Spatten beschadigen het uiterlijk, de nauwkeurigheid van de montage en de sterkte van de las.
Oorzaken
- Een te hoog piekvermogen van de laser.
- Ongepaste lasgolfvorm, met name voor materialen met een hoge reflectiviteit.
- Materiaalscheiding die leidt tot plaatselijke hoge energieabsorptie.
- Verontreiniging of niet-metallische onzuiverheden op het oppervlak van het werkstuk.
- Stoffen met een laag smeltpunt tussen of onder werkstukken, die gas genereren tijdens het lassen.
- Gesloten holle structuren die gasexpansie en spatten veroorzaken.
Oplossingen
- Optimaliseer de parameters: verlaag het piekvermogen of gebruik piekgolfvormen.
- Gebruik gekwalificeerde, hoogwaardige grondstoffen.
- Voer een intensievere voorreiniging uit om olie en onzuiverheden te verwijderen.
- Optimaliseer het ontwerp van de lasconstructie.
Interne porositeit
Porositeit is het meest voorkomende defect bij laserlassen. De snelle thermische cyclus en de korte levensduur van het smeltbad voorkomen dat gas kan ontsnappen, waardoor poriën ontstaan.
Veelvoorkomende typen: waterstofporiën, koolmonoxideporiën en poriën die ontstaan door het instorten van een sleutelgat.
Las scheuren
Scheuren verminderen de sterkte en levensduur van de las aanzienlijk. De snelle opwarming en afkoeling bij laserlassen verhogen het risico op scheurvorming.
De meeste scheuren die ontstaan bij laserlassen zijn hittescheuren, die veel voorkomen in aluminiumlegeringen en staalsoorten met een hoog koolstofgehalte/hooggelegeerd staal.
Preventie
- Voeg bij brosse materialen voorverwarmings- en langzame afkoelingsgolven toe om scheurvorming te verminderen.
- Optimaliseer het ontwerp van de verbinding om de lasspanning te verminderen.
- Kies materialen met een lagere neiging tot scheurvorming bij gelijkwaardige prestaties.
Lasvervorming
Vervorming treedt vaak op bij dunne platen, grote werkstukken of bij meerpuntslassen, wat de montage en prestaties beïnvloedt. Het wordt veroorzaakt door een ongelijkmatige warmte-inbreng en inconsistente thermische uitzetting/krimp.
Oplossingen
- Optimaliseer de parameters om de warmte-input te verminderen: verhoog het piekvermogen en verklein tegelijkertijd de pulsbreedte.
- Verlaag de lassnelheid en puls frequentie om de warmte per tijdseenheid te verminderen.
- Optimaliseer de lasvolgorde om een gelijkmatige verwarming te garanderen.
Geplaatst op: 25 februari 2026
