{"id":130,"date":"2023-12-13T18:00:53","date_gmt":"2023-12-13T17:00:53","guid":{"rendered":"https:\/\/zvaranie.mtf.stuba.sk\/?page_id=130"},"modified":"2024-04-08T15:36:05","modified_gmt":"2024-04-08T13:36:05","slug":"zvaranie-laserom","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/zvaranie.mtf.stuba.sk\/?page_id=130","title":{"rendered":"Zv\u00e1ranie laserom"},"content":{"rendered":"

Laserov\u00e9 svetlo sa v\u00fdrazne odli\u0161uje od prirodzen\u00e9ho svetla. Prirodzen\u00e9 svetlo je tvoren\u00e9 elektromagnetick\u00fdm \u017eiaren\u00edm r\u00f4znych vlnov\u00fdch d\u013a\u017eok, ktor\u00e9 n\u00e1\u0161 zrak vn\u00edma ako r\u00f4zne farby spektra. Na rozdiel od neho je laserov\u00e9 svetlo monochromatick\u00e9 (m\u00e1 jednu vlnov\u00fa d\u013a\u017eku) a\u00a0koherentn\u00e9 (jednotliv\u00e9 vlny s\u00fa vz\u00e1jomne vo f\u00e1ze). \u010eal\u0161ou v\u00fdzna\u010dnou vlastnos\u0165ou laserov\u00e9ho svetla je jeho ve\u013emi mal\u00e1 divergencia, t. j. rozbiehavos\u0165. Neexistuje sn\u00e1\u010f oblas\u0165, v\u00a0ktorej by laser nena\u0161iel svoje uplatnenie. V\u00a0priemysle sa vyu\u017e\u00edva na obr\u00e1banie, zv\u00e1ranie, nav\u00e1ranie a tepeln\u00e9 spracovanie povrchu materi\u00e1lov. V\u00fdznamn\u00e9 vyu\u017eitie m\u00e1 aj v\u00a0komunika\u010dn\u00fdch technol\u00f3gi\u00e1ch (prenos inform\u00e1ci\u00ed cez optick\u00e9 k\u00e1ble), v\u00a0oblasti optick\u00fdch m\u00e9di\u00ed (CD, DVD, BlueRay Disc), medic\u00edny, kartografie, astron\u00f3mie, ale i\u00a0v\u00a0oblasti z\u00e1bavn\u00e9ho priemyslu na tvorbu vizu\u00e1lnych efektov [1, 2, 3].<\/p>\n

Zvarov\u00e9 spoje s\u00fa v\u00a0porovnan\u00ed s\u00a0in\u00fdmi technol\u00f3giami u\u017e\u0161ie a\u00a0hlb\u0161ie vzh\u013eadom na vysok\u00fa koncentr\u00e1ciu energie do ve\u013emi mal\u00e9ho miesta. Naj\u010dastej\u0161ie chyby vyskytuj\u00face sa pri zvarov\u00fdch spojoch vyhotoven\u00fdch zv\u00e1ran\u00edm laserov\u00fdm l\u00fa\u010dom s\u00fa p\u00f3rovitos\u0165, z\u00e1paly, alebo tzv. spiking.<\/p>\n

\n

Princ\u00edp vzniku laserov\u00e9ho \u017eiarenia<\/h2>\n<\/div>\n
N\u00e1zov LASER je akronym zlo\u017een\u00fd zo za\u010diato\u010dn\u00fdch p\u00edsmen anglick\u00fdch slov Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, \u010do v\u00a0preklade znamen\u00e1 zosil\u0148ovanie svetla stimulovanou emisiou \u017eiarenia. Pri vzniku laserov\u00e9ho \u017eiarenia s\u00fa k\u013e\u00fa\u010dov\u00e9 \u0161tyri fyzik\u00e1lne javy. Prv\u00fdm z\u00a0nich je spont\u00e1nna emisia. Ak je at\u00f3m vo vybudenom stave, jeho elektr\u00f3n sa do\u010dasne nach\u00e1dza na vy\u0161\u0161ej energetickej hladine. Na nej elektr\u00f3n nem\u00f4\u017ee zosta\u0165 \u013eubovo\u013ene dlho a\u00a0\u010das jeho zotrvania na tejto energetickej hladine je dan\u00fd jej energetickou \u00farov\u0148ou ako aj \u00a0at\u00f3mom samotn\u00fdm. Po kr\u00e1tkom \u010dase tak elektr\u00f3n spont\u00e1nne prejde sp\u00e4\u0165 na svoju p\u00f4vodn\u00fa energetick\u00fa hladinu. Preto\u017ee plat\u00ed z\u00e1kon zachovania energie, absorbovan\u00e1 energia sa vy\u017eiari vo forme fot\u00f3nu, teda svetla, ktor\u00e9ho frekvencia je \u00famern\u00e1 rozdielu energetick\u00fdch hlad\u00edn (obr. 1).<\/div>\n<\/div>
<\/a><\/span><\/div>
Obr. 1 Princ\u00edp spont\u00e1nnej emisie
E1<\/sub>, E2<\/sub>\u00a0\u2013 energetick\u00e9 \u00farovne elektr\u00f3nu, h \u2013Planckova kon\u0161tanta, f \u2013 frekvencia \u017eiarenia<\/h6>\n<\/div>

Druh\u00fdm d\u00f4le\u017eit\u00fdm javom je absorbcia. Ak sa nach\u00e1dza at\u00f3m v nevybudenom stave a d\u00f4jde k jeho interakcii s fot\u00f3nom, at\u00f3m fot\u00f3n pohlt\u00ed a jeho energia sa vyu\u017eije na prechod elektr\u00f3nu zo z\u00e1kladnej energetickej hladiny na vy\u0161\u0161iu energetick\u00fa hladinu. K interakcii at\u00f3mu a fot\u00f3nu d\u00f4jde iba vtedy, ak frekvencia fot\u00f3nu zodpoved\u00e1 rozdielu energetick\u00fdch hlad\u00edn elektr\u00f3nu (obr. 2)<\/p>\n<\/div>

<\/a><\/span><\/div>
Obr. 2 Princ\u00edp absorbcie fot\u00f3nu
E1<\/sub>, E2<\/sub>\u00a0\u2013 energetick\u00e9 \u00farovne elektr\u00f3nu, h \u2013Planckova kon\u0161tanta, f \u2013 frekvencia \u017eiarenia<\/h6>\n<\/div>

Tret\u00edm javom je stimulovan\u00e1 emisia. T\u00e1 vznik\u00e1 tak, \u017ee fot\u00f3n s\u00a0vhodnou frekvenciou interaguje s\u00a0at\u00f3mom vo vybudenom stave, teda tak\u00fdm, ktor\u00fd u\u017e m\u00e1 elektr\u00f3n na vy\u0161\u0161ej energetickej hladine. Na z\u00e1klade tejto interakcie d\u00f4jde k\u00a0prechodu elektr\u00f3nu z\u00a0vy\u0161\u0161ej energetickej hladiny, na ni\u017e\u0161iu energetick\u00fa hladinu a k\u00a0vygenerovaniu \u010fal\u0161ieho fot\u00f3nu, podobne ako tomu bolo pri spont\u00e1nnej emisii. Na rozdiel od nej v\u0161ak v\u00a0tomto pr\u00edpade s\u00fa v\u00fdsledkom dva fot\u00f3ny \u2013 p\u00f4vodn\u00fd, ktor\u00fd interakciu vyvolal a\u00a0nov\u00fd, ktor\u00fd vznikol prechodom elektr\u00f3nu z\u00a0vy\u0161\u0161ej energetickej hladiny na ni\u017e\u0161iu. Oba fot\u00f3ny maj\u00fa rovnak\u00fa frekvenciu, f\u00e1zu i rovnak\u00fd smer \u0161\u00edrenia (obr. 3).<\/p>\n<\/div>

<\/a><\/span><\/div>
Obr. 3 Princ\u00edp stimulovanej emisie
E1<\/sub>, E2<\/sub>\u00a0\u2013 energetick\u00e9 \u00farovne elektr\u00f3nu, h \u2013Planckova kon\u0161tanta, f \u2013 frekvencia \u017eiarenia<\/h6>\n<\/div>

Po\u010det vybuden\u00fdch at\u00f3mov v dvojhladinovom syst\u00e9me je na z\u00e1klade z\u00e1konov \u0161tatistickej fyziky v\u0161ak v\u017edy ni\u017e\u0161\u00ed ako po\u010det nevybuden\u00fdch at\u00f3mov. Znamen\u00e1 to, \u017ee je potom vy\u0161\u0161ia pravdepodobnos\u0165 interakcie fot\u00f3nov z\u00edskan\u00fdch stimulovanou emisiou s nevybuden\u00fdmi at\u00f3mami, v d\u00f4sledku \u010doho sa fot\u00f3ny nevybuden\u00fdmi at\u00f3mami pohltia. K postupn\u00e9mu n\u00e1rastu generovan\u00fdch fot\u00f3nov, a teda k zosilneniu svetla tak nem\u00f4\u017ee d\u00f4js\u0165.<\/p>\n

Aby k\u00a0tomu do\u0161lo, syst\u00e9m mus\u00ed ma\u0165 minim\u00e1lne tri hladiny, pri\u010dom pre energetick\u00e9 \u00farovne jednotliv\u00fdch hlad\u00edn plat\u00ed E1<\/sub><E2<\/sub><E3<\/sub>. Pri absorbovan\u00ed fot\u00f3nu at\u00f3mom d\u00f4jde k\u00a0prechodu elektr\u00f3nu zo\u00a0stabilnej energetickej hladiny E1<\/sub>\u00a0na najvy\u0161\u0161iu energetick\u00fa hladinu E3<\/sub>. \u010cas zotrvania na tejto energetickej hladine je v\u0161ak najkrat\u0161\u00ed a\u00a0elektr\u00f3n ve\u013emi r\u00fdchlo prech\u00e1dza na tzv. metastabiln\u00fa hladinu E2<\/sub>, na ktorej sa m\u00f4\u017ee vyskytova\u0165 podstatne dlh\u0161\u00ed \u010das ako na hladine E3<\/sub>. Ak v\u0161ak na\u010falej doch\u00e1dza k\u00a0budeniu elektr\u00f3nov na hladinu E3<\/sub>, nastane v\u00a0syst\u00e9me stav, kedy at\u00f3mov s\u00a0vybuden\u00fdmi elektr\u00f3nmi na energetickej hladine E2<\/sub>\u00a0bude viac ako at\u00f3mov s\u00a0elektr\u00f3nmi na z\u00e1kladnej energetickej hladine E1<\/sub>. Tento stav sa naz\u00fdva popula\u010dn\u00e1 inverzia m\u00e9dia a\u00a0je \u0161tvrt\u00fdm k\u013e\u00fa\u010dov\u00fdm javom potrebn\u00fdm na vznik laserov\u00e9ho \u017eiarenia (obr. 4). M\u00e9diom sa rozumie akt\u00edvna l\u00e1tka, v\u00a0ktorej doch\u00e1dza ku generovaniu laserov\u00e9ho \u017eiarenia.<\/p>\n<\/div>

<\/a><\/span><\/div>
Obr. 4\u00a0Princ\u00edp vzniku popula\u010dnej inverzie
E1<\/sub>, E2<\/sub>\u00a0\u2013 energetick\u00e9 \u00farovne elektr\u00f3nu, h \u2013Planckova kon\u0161tanta, f \u2013 frekvencia \u017eiarenia<\/h6>\n<\/div>

Ak potom v\u00a0stave popula\u010dnej inverzie d\u00f4jde k\u00a0interakcii fot\u00f3nu s\u00a0vhodnou frekvenciou a\u00a0at\u00f3mu, ktor\u00fd m\u00e1 elektr\u00f3n na energetickej metastabilnej hladine E2<\/sub>, elektr\u00f3n prejde na z\u00e1kladn\u00fa hladinu E1\u00a0<\/sub>a vygeneruje sa \u010fal\u0161\u00ed fot\u00f3n. Tento fot\u00f3n m\u00f4\u017ee spolu s\u00a0budiacim fot\u00f3nom interagova\u0165 s\u00a0\u010fal\u0161\u00edm at\u00f3mom vo vybudenom stave. Aby bola t\u00e1to interakcia \u010do najv\u00e4\u010d\u0161ia, akt\u00edvne m\u00e9dium lasera je umiestnen\u00e9 medzi dve zrkadl\u00e1. T\u00e1to \u010das\u0165 sa tie\u017e naz\u00fdva rezon\u00e1tor, alebo kavita. Fot\u00f3ny, u\u00a0ktor\u00fdch nedo\u0161lo k\u00a0interakcii s\u00a0vybuden\u00fdmi at\u00f3mami sa tak od pl\u00f4ch zrkadiel odrazia sp\u00e4\u0165, \u010d\u00edm sa zv\u00fd\u0161i pravdepodobnos\u0165, \u017ee napokon d\u00f4jde k ich interakcii s\u00a0vybuden\u00fdmi at\u00f3mami a\u00a0d\u00f4jde tak k\u00a0stimulovanej emisii a\u00a0zosilneniu \u017eiarenia. Ak by ale boli obe zrkadl\u00e1 neprieh\u013eadn\u00e9, generovan\u00e9 laserov\u00e9 svetlo by sa z\u00a0akt\u00edvneho m\u00e9dia nedostalo von. Preto je nutn\u00e9, aby jedno z\u00a0dvojice zrkadiel bolo polopriepustn\u00e9. Schematick\u00e9 zn\u00e1zornenie tvorby laserov\u00e9ho l\u00fa\u010da v\u00a0akt\u00edvnom m\u00e9diu je zn\u00e1zornen\u00e9 na obr. 5. Generovanie laserov\u00e9ho l\u00fa\u010da je n\u00e1zorne prezentovan\u00e9 v\u00a0online aplik\u00e1cii na\u00a0str\u00e1nke PhET<\/a>.<\/p>\n<\/div>

<\/a><\/span><\/div>
\n
Obr. 5 Zosil\u0148ovanie laserov\u00e9ho l\u00fa\u010da [7]<\/h6>\n<\/div>\n<\/div>

Laserov\u00e9 l\u00fa\u010de m\u00f4\u017eu ma\u0165 r\u00f4zne rozlo\u017eenie intenzity l\u00fa\u010da v jeho priereze. Toto rozlo\u017eenie sa naz\u00fdva tie\u017e m\u00f3d lasera alebo TEM (Transverse ElectroMagnetic). TEM m\u00f3d na rozdiel od TE, TM a hybridn\u00fdch m\u00f3dov nem\u00e1 \u017eiadne elektrick\u00e9 alebo magnetick\u00e9 polia v smere \u0161\u00edrenia. M\u00f3d laserov\u00e9ho l\u00fa\u010da z\u00e1vis\u00ed od optick\u00e9ho rezon\u00e1tora [4, 5]. Rozdielne pr\u00edklady r\u00f4zneho rozlo\u017eenia energie v laserovom l\u00fa\u010di s\u00fa n\u00e1zorne uk\u00e1zan\u00e9 na nasledovnom videu firmy Ophir.<\/p>\n<\/div>