P R O I E C T D E D I P L O M Ă pag. 1 PROIECT DE DIPLOMÃ P R O I E C T D E D I P L O M Ă pag [629630]

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 1
PROIECT DE DIPLOMÃ

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 2
CUPRINS
Bibliografie
Scurt istoric al laserului
1. Prelucrabilitatea cu energii radiante
2. Bazele fizice ale emisiei laser
2.1. Tranzi țiile atomului de pe un nivel energetic pe altul
2.1.1. Emisie spontană, emisie stimulată, inversiune de populație
2.2. Sisteme de realizare a fasciculului laser
2.3. Cavitatea rezonantă și modurile de oscilație
2.4. Proprietățile radiației laser
2.5. Clasificarea instalațiilor de prelucrare cu laser
3. Elemente de proiectare pentru un laser cu gaz
3.1. Tipuri constructive de laseri cu CO2
3.2. Elemente constructive ale generatoarelor laser
3.3. Proiectarea sistemului de vidare
3.3.1. Agregate de obținere a vidului
3.3.2. Calculul sistemului de vidare
3.4. Proiectarea schemei electrice și de acționare
3.4.1. Calculul transformatoarelor monofazate
4. Proiectarea unei mese orizontale mobile în coordonate xOy
4.1. Proiectarea elementelor mecanice ale mesei de lucru în coordonate xOy
4.2. Adaptarea mesei mobile la instalația laser

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 3
5. Tratamente termice cu laser
5.1. Fenomene specifice interacțiunii radiațiilor laser cu materialul de prelucrat
5.2. Acțiunea radiațiilor laser asupra materialului de prelucrat
5.3. Transformări de fază și structurale la prelucrarea cu laser a metalelor
5.4. Prelucrarea materialelor cu laser
5.5. Tratamente termice cu laser

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 4
BIBLIOGRAFIE
1. Drăgănescu, V., Velculescu, V. G. – Prelucrări termice cu laser, Editura Academiei
R.S.R., București,1986.
2. Andreescu,F., Andreescu, B. – Prelucrări termice cu energii radiante. Editura.
Lux Libris. Brașov. 2005.â
3. Popescu, N., Gheorghe, C., Popescu, O. – Tratamente termice neconvenționale,
Editura Tehnică, București, 1990.
4. Donțu, O. – Tehnologii de prelucrare cu laser, Editura Tehnică, București,1985.
5. Micloși V., Andreescu F. – Echipamente pentru sudare – E.D.P. Buc. 1985.
6. Andreescu, F., Andreescu, B. – Utilaje și echipamente pentru sudare și procedee
conexe sudării. Ed. Lux Libris. Brașov. 2004.
7. Boarnă C. s.a. – Procedee neconvenționale de sudare Ed. Fada Timișoara
1981.
8. Andreescu, F., Machedon P.T., Andreescu B., Machedon P.T. – Sisteme
tehnologice de prelucrare cu energii radiante, Editura Lux Libris, Brașov, 1999.
9. Ceangă E. s.a. – Electronică industrială, E.D.P . București 1981.
10. Andreescu, F., Trif, N., Andreescu, B. – Elemente de electronică cu aplicații în
sudură. Ed. Lux Libris. Brașov, 2004.
11. Pietrăreanu I. – Agenda Electricianului, Ed. Tehnică București 1987.
12. * * * – Colecția de standarde comentate în domeniul sudării și tehnicilor co-
nexe. Vol.I, Ed. Sudura, Timișoara – 2001

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 5
SCURT ISTORIC AL LASERULUI
Deși dezvoltate relativ recent, procedeele de prelucrare cu laser ocupă un loc
important între procedeele industriale de prelucrare, mai ales pentru sudarea metalelor,
parcurgând în mai puțin de 30 ani toate etapele de la cercetarea fundamentală la aplicarea
curentă în industrie.
Se consideră că scurta istorie a laserilor începe în anul 1917 când Einstein a
studiat pentru prima dată fenomenul emisiei stimulate. În acea vreme, în plin razboi,
nimeni nu se gîndea la faptul că acest fenomen ar putea avea vreo aplicație practică. Din
acest punct de vedere, fenomenul emisiei stimulate a fost dat uitării, trecînd neobservat
pînă în ultimii ani.
În 1953, fizicianul american Charles N. Townes și, independent, fizicienii sovietici
N.G. Basov și A.M. Prohorov au demonstrat că prin emisie stimulată se poate realiza o
amplificare a microundelor.
În anul 1954, Townes și colaboratorii au construit un dispozitiv care permitea, într-
adevăr, să amplifice microudele. Cu ajutorul unui cîmp electric ei au realizat inversiunea
populațiilor a două nivele energetice ale moleculelor de amoniac. Dirijînd unde ultrascurte
asupra moleculelor, T ownes a reușit să amplifice semnalele electrice foarte slabe, aproape
imperceptibile. În felul acesta se năștea primul amplificator cuantic, maserul . Denumirea
de maser provine de la inițialele cuvintelor englezești: microwave amplification by stimulated
emission of radiation . Ceea ce înseamna, în traducere, amplificarea microundelor prin
emisia stimulata a radia ției.
Maserii se caracterizează, în special, printr-o foarte bună stabilitate a frecvenței
tranzițiilor emise. De aceea ei au permis mărirea sensibilității aparaturii de măsură și
control în anumite domenii. Printre altele, maserii se folosesc ca etaloane de timp cunoscute
și sub denumirea de ceasuri atomice sau moleculare .
Continuîndu-si cercetările, Townes a demonstrat, în 1958, că nu numai microudele,
ci și undele luminoase pot fi amplificate prin emisie stimulată.
Într-adevar, peste doi ani Maiman construia primul “maser optic”, denumit apoi
laser (“light amplification by stimulated emission of radiation “), cu ajutorul c`ruia a putut
observa fenomenul de amplificare prin emisie stimulat` a radiației vizibile (roșii) cu lungimea
de und` de 0,6943m.
La scurt timp după inventarea lor, maserii și laserii au cunoscut o rapidă dezvoltare
și perfecționare. Prin performanțele lor extraordinare, noile dispozitive au lărgit considerabil
posibilitățile științei și tehnicii actuale.

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 6
Importanța deosebită acordată maserilor, și, în special, laserilor a fost subliniată,
printre altele, și prin faptul că, pînă în prezent, în acest domeniu s-au acordat trei Premii
Nobel pentru fizică:
– în 1964, fizicienilor Basov, Prohorov și Townes:
– în 1966, savantului Alfred Kastler;
– în 1971, fizicianului englez Dennis Gabor.
S-au realizat însă și alte dispozitive cuantice asemănătoare laserilor, dar care
funcționează în alte domenii ale spectrului electromagnetic. Astfel a fost construit graserul,
dispozitiv care emite radiații gamma, fiind în acelasi timp mult mai puternic decât laserul.
De asemenea, se prevede realizarea unor generatoare cuantice, de putere și mai mare,
care să emita raze X. Ca și graserii, aceste noi surse de radiații electromagnetice vor
lărgi și mai mult sfera aplicațiilor laserilor.
Odată cu dezvoltarea laserilor de putere, la începutul anilor '70, utilizarea acestora
în procesele de tăiere a materialelor a cunoscut o aplicabilitate nelimitată. Astăzi se
apreciază că circa 60 % din utilizările laserilor în prelucrarea materialelor sunt în domeniul
procesului de tăiere, indiferent de gabaritul pieselor de debitat.
În ultimul deceniu procedeele de prelucrare cu laser au cunoscut o dezvoltare
explozivă, existând domenii cum ar fi microelectronica, robotica, obținerea unor materiale
de superaliere pentru tehnica medicală sau cercetările cosmice, de neconceput fără
aceste posibilități.
Totuși, până în prezent, aplicarea industrială, comparativ cu procedeele clasice
de prelucrare, este realtiv restrânsă, datorită costurilor ridicate ale instalațiilor. Există însă
domenii industriale, unde fără instalații cu laser realizarea produsului ar fi de neconceput.

ghnfdghht

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 7
1. PRELUCRABILITATEA CU ENERGII RADIANTE
Prelucrarea modernă a materialelor metalice și nemetalice este strâns legată de
marile descoperiri ale fizicii, în care secolul XX a excelat, fiind aplicații remarcabile ale
electrotehnicii, electromagnetismului, electronicii și microelectronicii, fizicii atomice și
nucleare, termodina-micii, științei materialelor, mecanicii fluidelor, fizicii cuantice etc.
Extinderea considerabilă a unor domenii de vârf cum ar fi energetica nucleară,
microelectronica, zborurile cosmice, tehnicile medicale, tehnicile de măsurare, a atras
după șine apariția unor materiale și implicit a unor procedee de prelucrare care au creat
mutații importante în concepțiile de proiectare, respectiv de prelucrare a unor produse și
repere. Nivelul ultraînalt al cercetării experimentale a mărit considerabil performanțele
unor unelte relativ noi, utilizate în prelucrarea materialelor, cum ar fi fasciculul de electroni ,
radiația laser , radiația luminoasă sau plasma termică .
Dezvoltarea impetuoasă a științei și tehnicii din ultimele decenii a scos în evidență
noi posibilități de prelucrare dimensională cuprinse sub genericul de tehnologii
neconvenționale . Majoritatea lor însă s-au dovedit deosebit de costisitoare, astfel încât
s-a impus stabilirea unor criterii de apreciere pe baza unor indicatori economici legați și
de eficiența prelucrării. Tehnologiile neconvenționale se pot constitui ca tehnologii noi
atunci când prin intermediul lor se realizează materiale sau prelucrări imposibil de realizat
prin procedee clasice, în condițiile reducerii consumurilor, creșterii vitezelor de prelucrare,
a valorii parametrilor de calitate și conferirii de atribute calitative noi produsului prelucrat.
Dezvoltarea puternică a industriei constructoare de mașini a impus utilizarea unor
materiale cu proprietăți fizico-chimice deosebite în ceea ce privește duritatea, fragilitatea,
refractaritatea, rezistența la coroziune etc, greu sau imposibil de prelucrat prin așchiere.
Prelucrarea acestor materiale în forme finite a necesitat introducerea noțiunii de
prelucrabilitate (fig.1.).
Fig.1. Dependența dintre productivitate și prelucrabilitate:
1 – tehnologii convenționale; 2 – tehnologii neconvenționale.

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 8
La prelucrările convenționale energia de prelucrare transmisă agentului de lucru
este de obicei mecanică, termică, chimică, în timp ce la prelucrările neconvenționale se
prezintă sub formă electrică, chimică, elctromagnetică, electrochimică, termică, biochimică,
energie de radiații etc. La procedeele convenționale energiile se aplică relativ continuu,
într-o perioadă de timp lungă și la nivele energetice moderate, iar în cele neconvenționale
se aplică concentrat, de cele mai multe ori sub formă de impulsuri de scurtă durată și la
nivele energetice ridicate.
Prelucrările cu energie de radiații (descărcări laser, fascicul de electroni sau de
ioni, radiații luminoase, radiații solare, plasmă termică), datorită proprietăților deosebite și
mai ales a flexibilității și utilizării raționale a energiei, au suscitat un foarte mare interes din
punct de vedere științific și tehnic, fiind rezultatul cooperării unui număr mare de specialiști
în diferite domenii cum ar fi: optica electronică, fizica atomică și cuantică, electronica și
electrotehnica, automatizarea și robotica, informatica și cibernetica, fizica tensiunilor înalte,
tehnica vidului, știința materialelor etc.
Posibilitatea generării în spațiu a unor unde sau particule rapide, purtătoare de
energie, a determinat găsirea unor posibilități de prelucrare a materialelor utilizând aceste
energii. Procedeele rezultate se bazează pe acțiunea unor fascicule de radiații de mari
energii , focalizate la locul de prelucrare cu ajutorul unor lentile electrice, magnetice și
electromagnetice pentru radiații corpusculare, sau cu lentile optice, în cazul radiațiilor
electromagnetice luminoase.
Dintre tehnologiile de prelucrare cu energii radiante, în practica industrială se
remarcă utilizarea fasciculelor de fotoni (laser), fasciculelor de electroni și într-un
domeniu mai restrâns, utilizarea fasciculelor de ioni și a radiațiilor luminoase . Tot aici
trebuie menționată plasma termică , constituită ca o stare specială de manifestare a
materiei, pretabilă la numeroase prelucrări, imposibile sau foarte scumpe prin folosirea
altor procedee.
Prelucrările tehnologice ce pot fi efectuate cu energiile radiante de mari densități
enumerate pot fi:
– prelucr ări cu laser : tăiere, găurire materiale metalice și nemetalice,
(plastice, ceramice, sticlă, lemn, hârtie, stofă), sudare materiale metalice
ți nemetalice (inclusiv sticlă), tratamente termice ți de aliere în strat
superficial, marcare, inscripționare, îndepărtarea unor straturi subțiri de
materiale depuse pe materialul de bază;
– prelucrări cu fascicul de electroni : găurire, sudare materiale metalice,
aliere în strat superficial, îndepărtarea unui strat subțire de material depus
pe un material de bază;
– prelucrări cu plasmă : tăiere materiale metalice ți din pulberi sintetice,
sudarea materialelor metalice, alierea în strat superficial a unui material
de bază, depunerea de pulberi de metal topit prin pulverizare.
Prelucrările cu laser formează o categorie aparte caracterizată printr-o mare
densitate de energie pe unitatea de suprafață (tabelul 1) ceea ce le situează, din acest
punct de vedere, pe primele locuri. Ca o caracteristică definitorie, energia de radiații se

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 9
transformă în căldură, motiv pentru care, în general, categoria lucrărilor ce pot fi executate
prin aceste procedee se referă la tratamente termice, sudare, găurire, tăiere, gravare,
inscripționare, adică toate acele prelucrări la care intervenția asupra materialului se face
prin agent termic, la nivelul unor temperaturi mai mici, egale sau mai mari decât temperatura
de topire (caz în care apare vaporizarea materialului de debitat).
Bineînțeles că decizia de alegere a unui procedeu de prelucrare cu laser în locul
unui procedeu clasic de prelucrare trebuie să țină cont de oportunitatea investiției în acest
tip de echipament respectiv de gradul de rentabilitate.Tabelul 1
Laser
Fascicul de electroni
Arc de plasmă
Arc electric
Flacăra oxiacetilenică10
9
5 . 10
8
10
6
10
5
5 . 10
4
10
-8
10
-7
10
-4
10
-3
10
-2
Sursă termicăPuterea specifică
[W/cm
2
]Suprafața minimă
de acțiune [cm
2
]

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 10
2. BAZELE FIZICE ALE EMISIEI LASER
Laserul este un dispozitiv amplificator cuantic de radiații electromagnetice
din spectrul vizibil, folosit pentru obținerea unor fascicule de lumină foarte intense și
foarte înguste, cu mare directivitate, bazate pe emisiunea forțată, în urma iradierii cu
o sursă de radiație secundară, a unor sisteme atomice (gaz sau cristal) conținute
într-o cavitate rezonantă.
Într-o sursă de lumină obișnuită există o anumită zonă în care sunt emiși fotoni
(cuante de lumină) într-o f ază întâmplătoare . O radiația ce trece printr-un volum oarecare,
luminat cu surse individuale, obligă aceste surse să emită fotoni în fază cu unda de
excitație, mărindu-i în acest fel intensitatea. Prin acest procedeu lumina este amplificată ,
obținându-se la ieșire radiația laser sub forma energiei însumate a radiațiilor unui număr
mare de atomi .
2.1. Tranzițiile atomului de pe un nivel energetic pe altul
Spre deosebire de becul cu filament incandescent, care emite o lumină albă și
are o temperatură ridicată, tubul cu gaz este aproape rece și emite o culoare specifică
gazului din interior.
Trecând lumina emisă de cele două surse printr-o prismă (fig.2), lumina becului
incandescent va fi descom-pusă în cele șapte culori fundamentale ale spectrului, între
culori neexistând zone marcante de trecere. Emisia se face deci în benzi continue, adică
spectrul luminii emise de filamentul incandescent este un spectru continuu . În schimb
lumina tubului de descărcare va prezenta, după trecerea prin prismă, un spectru format
din lungi zone întunecoase și un număr limitat de zone înguste, distincte, de culori diferite.
Una sau mai multe din aceste zone sau linii spectrale luminoase este mai intensă și are
culoarea caracteristică dominantă a descărcării, specifică gazului respectiv. Un astfel de
spectru se numește spectru discret .
Această particularitate a spectrului gazelor sugerează existența unor nivele de
energie distincte, bine definite, discrete, pe care se poate situa un atom. Se știe că energiaFig.2. Descompunerea luminii albe la trecerea printr-o prismă.
Lumina
albă
n
Ψ
Δε
roșuportocaliugalben verde albastruindigo violet

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 11
unui atom nu poate lua decât un set discontinuu de valori E
0
, E
1
, E
2
, … E
i
, E
j
, … E
n
. Înaintea
aprinderii tubului, atomii neexcitați au de regulă energia cea mai joasă, aflându-se pe nivelul
de enrgie fundamentală E
0
. Efectul curentului electric asupra unui gaz este acela că, furnizând
energie, un număr de atomi trece pe nivele de energie superioare , astfel încât o linie
luminoasă din spectrul gazelor corespunde unei treceri a atomului respectiv de pe un nivel
excitat superior pe unul inferior, adică unei reveniri a atomului în starea de echilibru
corespunzătoare nivelului de energie minimă. Rezultă deci că fenomenul de producere a
luminii este intim legat de tranziția atomilor de pe un nivel energetic pe altul.
Modelul atomic a lui Bohr (fig.3) ia în considerație nucelul atomic și învelișul
electronic compus, în funcție de substanță, dintr-un anumit număr de electroni ce orbitează
în jurul nucleului. Electronii se află în câmpul electric al nucleului atomic, asupra lor
exercitându-se o forță ce îi atrage spre nucleu, în echilibru cu forța centrifugă care se
formează la mișcarea circulară în jurul acestuia. Electronul, gravitând în jurul nucleului,
are o anumită energie compusă din energie cinetică care depinde de viteza de mișcare a
electronului și energie potențială care este determinată de distanța între electron și nucleu.
Energia totală a electronului este cu atât mai mare cu cât electronul este mai departe de
nucleu, este deci dependentă de calea pe care circulă.
De asemenea se aplică principiul fizicii cuantice, în baza căruia energia se
transformă în mod continuu în valori arbitrar de mici. De aceea și energia totală a electronilor
nu variază continuu ci numai în salturi, ceea ce determină pentru fiecare tip de substanță
o anumită valoare minimă admisibilă, respectiv traiectorii ale electronilor bine determinate.
În fizica atomică valoarea energiei atomilor are o mare importanță și se reprezintă
grafic prin linii drepte orizontale (fig.4) corespunzătoare valoriilor energiilor admisibile,
valoarea minimă aparținând electronului cel mai apropiat de nucleu .
Fizica cuantică permite calculul razei minime a traiectoriei pe care circulă electronul
în jurul nucleului și a energiei totale corespunzătoare electronului. Dacă elec-tronul circulă
pe aceiași traiectorie care este cea mai apropiată de nucleu și are o valoare energetică
mică, atunci atomul este în stare de repaos . Dacă atomului i se mărește energia, el poate
sălta pe un nivel de energie mai mare, fiind în așa numita stare excitată . Electronii au deci
posibilitatea de a trece de pe o traiectorie pe alta și de a-și modifica starea energetică.
Pentru ca cest fenomen să aibe loc trebuie alimentată acea cantitate de energie
corespunzătoere diferenței energetice dintre cele două traiectorii . Invers, la trecereaFig. 3. Modelul atomic al lui Bohr.
nucleu
electron

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 12
electronului de pe o traiectorie mai depărtată pe una mai apropiată de nucleu, se eliberează
o cantitate de energie bine determinată, sub formă de radiație (fig.5).
Frecvența n
0
a radiației capabilă de a produce trecerea pe un nivel energetic
superior n
2
(nivelul 2), trebuie să aibe o valoare bine determinată, proporțională cu diferența
de energie dintre cele două nivele. Atomul poate rămâne în starea excitată numai o scurtă
perioadă de timp, după care electronul se întoarce la nivelul de bază n
o
, furnizând energia
primită inițial tot sub forma unei radiații de frecvența n
0
. Energia pusă în libertate se
numește foton și este egală cu pierderea de energie a atomului .
Electronul poate ajunge la nivelul de bază și printr-un nivel intermediar n
1
, situație în
care se emit doi fotoni având frecvențele n
1
, respectiv n
2
, spectrul emisiei nemaifiind continuu.
E3
E2
E1
Nivel de bază
Energie
Fig. 4 Schema nivelelor energetice.
Fig. 5. Trecerea electronilor între nivelele energetice
Nivel 2
(n
2
)
Nivel 1
(n
1
)
Nivel de
bază
(n
0
)
ν
0
ν
1
ν
0
ν
2

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 13
2.1.1. Emisie spontană, emisie stimulată, inversiune de populație
În general tranzițiile atomilor de pe un nivel pe altul sunt de mai multe feluri (fig. I.6.).
Energia atomului nu poate lua decât un set discontinuu de valori: E
0
, E
1
, E
2
, … E
i
, E
j
, … E
n
.
Inițial, atomii neexcitați au energia cea mai joasă , aflându-se pe nivelul fundamental
E
0
. Excitația cu o radiație externă produce saltul pe un nivel energetic superior E
j
. Un
foton cu energie h · n
ij
determină trecerea de pe nivelul E
i
pe nivelul E
j
– fenomen ce se
numește absorbție (fig. 6) și se produce cu consumarea întregii energii a fotonului. Trecerea
de pe un nivel energetic superior E
j
pe unul inferior E
i
se numește emisie spontană și se
produce prin punerea în libertate a unei cuante de lumină (foton), având frecvența:
(
)
[
]
1 i j
ji
s
h
E E
−
−= ν
(1)
în care E
i
, E
j
sunt energiile stării de bază și excitate [J]; h – constanta lui Planck, h =
6,625 10
-34
[J s].
În starea de echilibru termic, densitatea atomică la diferite nivele de energie este
dată de repartiția Boltzmann :
T kh
t kE E
ij
ji i j
e eNN
⋅ν ⋅−⋅−−
= =
(2)
în care N
i
, N
j
sunt densitățile atomilor în starea de bază, respectiv în starea excitată [m
3
];
k – constanta lui Boltzmann [J . K
-1
]; T – temperatura absolută [K]. Se apreciază ușor că
populația (densitatea atomică) este sensibil mai mare ( N
i
> N
j
) în cazul nivelelor de energie
mai mică ( E
i
< E
j
).
Tranzițiile spontane se produc în momente de timp întâmplătoare , neexistând
nici o corelație între fotonul emis de un atom dat și alt foton emis mai târziu de alt atom. De
aici și denumirea de emisie spontană .
Prin acțiunea unui câmp electromagnetic radiant, starea de echilibru în starea
excitată se modifică, în sensul că pe lângă emisia spontană proprie, care se propagă în
Emisie
spomtanăAbsorbțieEmisie
stimulatăE
E
i
E
j
E
0
Fig.6. Schema tranzițiilor unui electron între două nivele energetice E
i
și E
j
.
ï ð

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 14
toate direcțiile, se produce și o altă emisie, avînd direcția razelor incidente, numită emisie
stimulată sau indusă , fundamentală pentru obținerea radiației laser. Este remarcabilă
corelația între fotonul inductor și fotonul indus , în sensul unor caracteristici identice .
In concluzie, sub acțiunea unui câmp radiant se produce întotdeauna emisia spontană
proprie și emisia indusă sau stimulată , fenomen ce se poate exprima cu relația:
(
)
(
)
ji j ji j ij i
B q N A N B q N⋅ ν ⋅ + ⋅ = ⋅ ν ⋅
(3)
unde q(ν) este densitatea de energie spectrală [J . s . cm
-3
]; B
ij
– o constantă caracteristică
pentru absorbție și B
ji
o constantă caracteristică pentru emisia stimulată în [cm
3
.J
-1
. s
-1
];
A
ji
– probabilitatea de trecere de la starea j la starea i în [s
-1
].
În cazul absorbției, densitatea de energie spectrală se micșorează în funcție de
drumul parcurs de unda de radiație, în conformitate cu relația:
(
)
( )
ij ij i
h1B x , q Nt dx , q dν ⋅ ⋅ν Δ⋅ ⋅ ν ⋅ − =
ν
(4)
unde Δν este lățimea benzii de frecvență.
În cazul emisiei stimulate, densitatea de energie spectrală va crește conform relației:
(
)
( )
ν ⋅ ⋅ν Δ⋅ ⋅ ν ⋅ =
ν
h1B x , q Nt dx , q d
ji i
. (5)
Modificarea distanței de energie spectrală, la trecerea prin sistem a unei unde
luminoase, este dată de suma dintre absorbție și emisie , exprimată cu relația:
(
)
(
)
( )
ν ⋅ ⋅ν Δ⋅ ⋅ ν ⋅ − =
ν
h1B x , q N Nt dx , q d
ji i j
(6)
în care pentru simplificarea exprimării s-a considerat ν
ij
= ν
ji
și B
ij
= B
ji
.
În baza acestei relații se pot trage următoarele concluzii:
♦ în stare de echilibru termic, întotdeauna N
i
< N
j
și are loc o absorbție;
♦ prin introducerea de energie în sistem se poate obține N
i
= N
j
, eliminând
prin aceasta absorbția și unda incidentă poate să treacă nestingherită
prin sistem;
♦ dacă se mărește în continuare energia introdusă în sistem rezultă N
i
> N
j
și unda incidentă se amplifică prin emisie stimulată. Amplificarea devine
maximă atunci când toți atomii se găsesc pe un nivel superior adică N
i
= 0.
Deci, prin introducere de energie suplimentară în sistem denumită energie de
pompare se realizează inversiunea de populație , situație caracterizată de faptul că pe
nivelul superior se găsesc un număr mult mai mare de atomi decât pe nivelul inferior.
Numai cu această condiție îndeplinită poate avea loc emisia stimulată , fenomen ce stă la
baza efectului laser .

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 15
2.2. Sisteme de realizare a fasciculului laser
Recapitulând, condiția de bază pentru obținerea emisiei stimulate și în ultimă instanță
a emisiei laser, și anume realizarea inversiunii de populație , adică starea în care pe
nivelul energetic superior să se găsească un număr mult mai mare de atomi decât pe
nivelul energetic inferior, condiție înde-plinită cu ajutorul energiei de pompare , se remarcă
faptul că pentru producerea inversiunii de populație este necesar un sistem cu minimum
trei nivele energetice (fig.7.) în care o sursă de radiație cu energia:
1 2 31
E E h− = ν ⋅ (7)
pompează energie în sistem astfel încât să se producă inversiunea de populație N
3
> N
2
.
Trecerea de la E
3
la E
1
trebuie să aibă loc cu o probabilitate mică sau să fie interzisă ,
adică o cât mai mică cantitate de atomi să aibe posibilitatea de a trece în starea de bază
pe această cale. În plus se impune ca tranziția de la E
3
la E
2
să fie o tranziție neradiativă,
fapt tradus prin condiția E
3
– E
2
< E
2
– E
1
, atomii fiind nevoiți să tracă în starea de bază
prin nivelul de energie E
2
. Se ajunge deci, în situația apariției și între nivelele E
2
și E
1
a unei
inversiuni de populație ( N
2
> N
1
) respectiv a emisiei stimulate. În timpul acestui proces
atomii transferă diferența de energie cîmpului electromagnetic din incinta în care are loc
fenomenul, incintă numită cavitate rezonantă , în care se află mediul activ laser .
Plecând de la construcția simplificată a unui laser (fig.8), săgeata P sugerează că
într-un mediu laser trabuie pompată o anumită energie necesară pentru realizarea inversiunii
de populație. Mediul activ este închis între oglin-zile O
1
și O
2
al că-ror coeficient de reflexie
R este definit prin:
1IIR
0r
< =
(8)
Fig.7. Inversiunea de populație pentru sistemul cu trei nivele energetice.
trecere fără radiație
trecere cu amplificare
prin emisie stimulatăE
3
E
1
E
2
Fig.8. Schema simplificată a unui laser
P
O
1
O
2
I
0
I
r
= R I(L)I(L) (1 – R) I(L)

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 16
în care I
0
, I
r
reprezintă radiația incidentă, respectiv reflectată înapoi în mediu. Notând cu
R – reflectivitatea și A – absorbția oglinzii, rezultă că transmisia T va fi:
T = 1 – R – A (9)
Pentru îmbunătățirea performanțelor oglinzilor se folosesc depuneri dielectrice (în
loc de depuneri metalice), care au o absorbție mult mai mică (A << 0).
Să considerăm că, la un moment dat, din vecinătatea oglinzii O
1
pornește o
radiație cu intensitatea I
0
, care va ajunge în dreptul oglinzii O
2
cu intensitatea:
(
)
L k
0
e I L I
⋅
λ
⋅ =
(10)
în care k
λ
este coeficientul de absorbție și L – lungimea mediului activ laser. Se consideră
pentru simplificare că ambele oglinzi au același coeficient de reflexie R și că absorbția
este nulă ( A = 0). Ținând seama de relația (8) se apreciază că în mediu este reflectată
înapoi intensitatea I . R iar complementara I · (1 – R) va fi radiația laser care părăsește
mediul
Prin aceasta dispozitivul se află în pragul emisiei laser dacă câștigul în intensitate
pe parcursul L este cel puțin egal cu radiația care părăsește mediul trecând prin oglindă.
Sistemul încetează de a mai emite radiație laser în momentul în care pierderea prin
transmisie depășește amplificarea.
Analitic, emisia are loc dacă:
(
)
R 1 I I I
0
− ⋅ > − (11)
în care egalitatea descrie condiția de prag . Ținând seama de realțiile (10) și (11 rezultă:
R 1 L k− > ⋅
λ
(12)
știind cu aproximație că pentru majoritatea tranzițiilor laser cunoscute:
L k 1 e și 1 L k
L k
⋅ + >> << ⋅
λ λ
λ
Când k
l .
L ajunge supraunitar laserul funcționează cu R >> 0 (adică fără oglinzi),
regim cunoscut sub numele de superradianță .
Neglijându-se emisia spontană și ținând seama de relația (12) rezultă:
( )( )
LR 1K N N N N
prag1 2 1 2
⋅ λ ρ
−
⋅ = − > −
(13)
în care ρ (λ) este densitatea de radiație și K o constantă.
Relația (13) scoate în evidență că efectul laser nu poate să apară decât dacă
înversia de populație depășește o valoare de prag (N
2
– N
1
)
prag
și pragul poate fi coborât
prin următoarele metode:
♦ lungind mediul activ;
♦ mărind reflexia oglinzii;
♦ mărind densitatea de radiație.
Prezentând calitativ cele expuse (fig.9) se pune în evidență modul de funcționare a
unui laser: I – atomii sunt în stare neexcitată; II – se produce amorsarea sursei de pompaj; III
– începe inversiunea de populație; IV , V – reflexii succesive; VI – radiația laser este formată.
Metodele de excitație a mediului activ laser ( pompajul ) sunt specifice tipului de
mediu activ utilizat și tranziției de pompaj alese. După felul materialului activ folosit, pompajul
se poate clasifica în:

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 17
♦ pompare prin iradiere optică – procedeu utilizat pentru medii solide
constând în iradierea cu lumină intensă a bastonului ce constituie mediul
activ;
♦ pompare prin ciocniri electronice și inducție magnetică – la
descărcări în mediu activ gazos ;
♦ pompare prin disociație – inversia de populație realizându-se prin
anumite reacții chimice și prin mecanismul de transfer al energiei pentru
medii active lichide .
În cazul laserilor cu semiconductori , emisia stimulată se obține plecând de la
faptul că electronii participanți la tranziție sunt liberi să se deplaseze într-o regiune relativ
întinsă din semiconductor, deplasarea fiind dependentă de potențialul periodic al rețelei
cristaline a semiconductorului. Condiția de obținere a inversiunii de populație este ca
numărul de fotoni emiși prin tranziții stimulate să fie superior numărului de fotoni absorbiți
prin tranziții inverse.
În cele mai multe cazuri, mediile laser capabile de o putere suficientă pentru
prelucrări sunt gazoase sau solide , introducerea energiei inițiale în mediu (energia de
pompaj care menține inversiunea de populație) realizându-se la laserii gazoși printr-o
descărcare luminiscentă sau în arc în regim pulsat iar la laserii solizi prin pompaj optic.Fig.9. Apariția efectului laser.I
II
III
IV
V
VI

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 18
2.3. Cavitatea rezonantă și modurile de oscilație
Condiția fundamentală de funcționare a laserului necesită ca mediul activ să fie
introdus între două oglinzi puternic reflectante, alcătuind o cavitate rezonantă a cărei rol
esențial este de a menține un câmp radiativ intens care să favorizeze emisia stimulată.
Față de cazul opticii geometrice unde diametrele d ale oglinzilor sunt comparabile
ca mărime cu distanța L dintre ele și unda care se reflectă între cele două oglinzi este o
undă plană a cărei amplitudine și fază rămân constante când unda este reflectată de pe o
oglindă pe cealaltă, în cazul opticii ondulatorii, diametrul d este mai mic ca distanța L ceea
ce determină apariția fenomenului de difracție . Cantitativ, difracția este legată de numărul
lui Fresnel
ℜ
definit prin:
Ld
2
⋅ λ= ℜ
(14)
Se consideră că pentru
ℜ
< 50 trebuie să se țină seama de fenomenul de difracție
(în cazul laserilor
ℜ
= 1 … 10 ).
Presupunând o undă plană pe una din oglinzi, se calculează prin metodele opticii
ondulatorii valorile amplitudinii și fazei undei, așa cum ajunge unda pe oglinda opusă
(fig.10). Cunoscându-se noua distribuție se calculează amplitudinea și faza pe oglinda
inițială. După un număr mare de astfel de pendulări se obțin anumite configurații ale
amplitudinii (și fazei), care pot avea în afara unui maxim situat pe axa oglinzilor și alte
maxime situate în anumite puncte bine precizate de pe suprafața oglinzilor constituind
modurile denumite TEM
ij
.
Fig.10. Formarea modurilor în cavitatea rezonantă.
a. – de pe oglinda plană O
1
pleacă unda plană U
1
și ajunge pe oglinda plană O
2

puțin
difractată; b. – după prima reflexie unda ajunge pe O
1
și mai difractată; c. – procesul de
modificare a formei prin reflexii continuă până se ajunge la starea staționară; d – undele U
n
și U
n+1
ajung la aceiași formă; e. – intensitatea luminoasă pe un plan paralel cu oglinzile
O
1
O
2
a.
b.
c.
d.TEM
00
U
n+1
U
n
e.

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 19
Indicii i, j determină univoc modul în funcție de: distanța între oglinzi, suprafața
oglinzilor, unghiurile de înclinare dintre oglinzi și razele de curbură ale oglin-zilor.
Utilizând profilul radial gausian se poate realiza reprezentarea grafică pentru modul
fundamental de oscilație TEM
00
alături de modurile de ordin superior TEM
10
și TEM
20
(fig.1.12.). Frecvențele de rezonanță pe modurile axiale de oscilație corespund condiției
ca distanța între oglinzi să fie un număr întreg de semilungimi de undă:
L 2cn
c
⋅ = ν
(15)
unde n este un număr întreg, c – viteza luminii; L – distanța între oglinzi. Condiția (15)
trebuie neapărat îndeplinită la montajul oglinzilor cavității rezonante și la alinierea elementelor
generatorului laser.
2.4. Proprietățile radiației laser
Radiația laser este o radiație electromagnetică diferită de radiația surselor de
lumină clasice prin proprietățile sale specifice (derivate din faptul că sunt radiații stimulate)
care sunt: monocromaticitatea , coerența , direcționalitatea , intensitatea ,distribuția
temporală a fasciculului etc. Parametrii care caracterizează un fascicul laser sunt: puterea
fasciculului, focalizarea fasciculului și lungimea de undă a radiației.
Monocromaticitatea este proprietatea laserilor de a emite fascicule de radiație în
domenii spectrale foarte înguste.
Monocromatiocitatea este proprietatea surselor de a emite lumină de o singură
culoare.
Monocromaticitatea este determinată de procesul emisiei stimulate, modul de
oscilație axial al cavității rezonante (strâns legat de rezonanța optică în jurul căreia se
concentrează lărgimea radiației laser), lărgimea naturală (>> 16 MHz) și lărgimea Doppler
(>>1000 MHz) a tranziției atomice.
Puritatea spectrală deosebită a radiației laser se explică prin faptul că efectul
laser se produce în special în centrul unui mod de oscilație al cavității rezonante, părțileFig.11. Reprezentarea grafică a modurilor de oscilație TEM
00,

10, 20
.
I – intensitatea spectrală; r – lungimea de undă
I I I
r r r
TEM
00
TEM
10
TEM
20

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 20
laterale ale acestuia rămânând neamplificate.
Monocromaticitatea este în primul rând dependentă de caracteristicile cavității
rezonante și este legată de faptul că emisia are loc stimulat.
Lărgimea de bandă Δn
c
a unei cavități rezonante este dată de relația:
(
)
L
R 1 c
c
−
⋅
= ν Δ
(16)
în timp ce lărgimea de bandă a radiației laser Δν
osc
este mult mai redusă și anume:
(
)
P
h 4
2
c osc
ν Δ ⋅=νν Δ
(17)
unde P este puterea laserului și h – constanta lui Planck ( h = 6,63 · 10
-34
Js).
Se definește puritatea spectrală ca raportul între lărgimea liniei (în frecvență) și
frecvența ei:
ν
ν
Δ
=S
. Pentru un laser cu gaz această puritate spectrală poate atinge valori
de 10
-15
.
În aparență puritatea spectrală depinde de fenomenul emisiei stimulate care impune
condiția ca fotonii induși să posede aceleași caracteristici cu fotonii inductori . Acest
lucru este contrazis însă de faptul că fotonii inductori sunt la început fotoni de tip spontan ,
care ocupă întreaga lărgime a nivelelor energetice. Rezultă că rolul esențial este deținut
de cavitatea rezonantă care din lărgimea tranziției naturale selectează anumite frecvențe
care îi sunt proprii și pe care le lasă să oscileze și să se amplifice .
Distanța între două astfel de frecvențe proprii sau moduri , este:
L 2c
i 1 i i
= ν − ν = ν Δ
+
(18)
unde c este viteza luminii și L distanța între oglinzile cavității rezonante.
Coerența. Conceptul de coerență este strâns legat de fenomenul de interferență
a radiațiilor. Coerența poate fi înțeleasă ca urmare a monocromticității fasciculului –
coerența temporală , sau legată de un front de undă cu fază constantă – coerență
spațială .
Coerența este proprietatea radiațiilor de a avea aceiași lungime de undă și o
diferență de fază constantă în timp.
Coerența temporală se înțelege pornind de la faptul că o undă monocromatică
este o sinusoidă aproape perfectă (fig.12) în comparație cu o undă amortizată, ce
caracterizează o sursă obișnuită, care poate fi aproximată cu o sinusoidă numai pe un
anumit interval t. Utilizând un interferometru Michelson (fig. 13) , fasciculului de lumină
care pleacă de la sursa S este divizat de oglinda semiargintată (cu reflexie parțială) O în
două fascicule f
1
și f
2
care sunt reflectate de oglinzile O
1
și O
2
ajungând din nou la oglinda
O. Dacă distanțele L
1
și L
2
la cele două oglinzi O
1
și O
2
nu sunt la distanțe egale rezultă o
diferență de drum:
ΔL = L
1
– L
2
.
Dacă diferența de drum este parcursă într-un timp mai lung decât τ, lumina obișnuită
nu va da naștere la franje de interferență , spre deosebire de lumina laser la care

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 21
suprapunerea undei este posibilă deorece durata trenului de undă este mult mai mare.
Suprapunerea undelor în plan înseamnă realizarea unor franje de interferență a căror
vizibilitate se definește prin relația:
min maxmin max
I II IV+
−
=
(19)
în care I
max
și I
min
sunt intensitatea maximă, respectiv minimă a două franje centrale
vecine. Contrastul maxim se obține când V = 1 și dispare complet când V = 0 , situație în
care I
max
= I
min
. Diferența de drum ΔL
c
la care se mai pot observa franje de interferență se
numește lungime de coerență , căruia îi corespunde timpul de coerență
c
Lt
c
c
Δ
= Δ
,
unde c este viteza luminii. Cu această mărime se definește lărgimea spectrală (în Hz) ca
inversul timpului de coerență:
cL
t1
Δ>> ν Δ
.
Coerența spațială este legată de diferite puncte aflate pe o suprafață perpendiculară
pe direcția de propagare a fasciculului de radiații. La fel ca și în cazul precedent, posibilitatea
de interferență și în ultima instanță vizibilitatea franjelor va măsura gradul de coerență
spațială. Utilizând un interferometru Young (14) se observă că în timp ce sursa incoerentă
spațial dă naștere în fiecare punct la unde sferice cu faze distribuite întâmplător (de pe
suprafața transversală a laserului pornește o undă plană de fază constantă). Prin focalizarea
cu o lentilă, sursa obișnuită își va reproduce imaginea inversată în timp ce unda plană va fi
focalizată într-un punct. Tocmai aceasta este una din proprietățile cele mai importante aleFig. 12. Conparație între o undă amortizată (a) și o undă tipică laser (b).
a)
b)
τ
E
Et
t
Fig. 13. Schema de principiu a interferometrului Michelson
f = f
1
+
f
2
L
2
L
1
O
2
O
1
Pf
1
f
2
Δ
LS

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 22
radiației laser din punct de vedere al posibilităților de prelucrare a materialelor, imaginea
activă fiind rezultatul focalizării unor unde unifază, ceea ce permite concentrarea sa pe
suprafețe extrem de mici cu mari densități de energie și putere .
Direcționalitatea fasciculului laser . Prin însăși modul de generare a emisiei,
laserul realizează toată puterea într-un fascicul direcționat, puternic colimat.
Considerându-se un tub de descărcare laser (fig.14) cu mediu activ gazos, prin
pompaj are loc emisia spontană care generează fotoni în toate direcțiile. O parte din ei vor fi
emiși pe direcția axei tubului dând naștere emisiei stimulate întreținută de reflecțiile multiple
între oglinzile O
1
și O
2
ale cavității rezonante. Se remarcă că emisia stimulată se desfășoară
eficient numai în lungul axei tubului, un foton care nu se propagă după această direcție fiind
pierdut pentru fenomenul laser. Numai fotonii ce se propagă în lungul axei tubului vor fi
puternic amplificați, motiv pentru care radiația laser se propagă într-o singură direcție, dând
naștere proprietății de direcționalitate .
Datorită fenomenului de difracție pe fereastra de ieșire, fasciculul laser trebuie să
prezinte o anumită divergență , care la majoritatea laserilor este extrem de redusă și dă
de fapt măsura direcționalității (fig.15). Direcționalitatea emisiei laser depinde de modul
de obținere a radiației laser fiind funcție de mărimea lungimii de undă λ și de diametrul
fasciculului d
f
. Divergența minimă a fasciculului se apreciază cu relația:
fmin
d22 , 1
λ
= θ
(20)
Practic fasciculul laser are o direcționalitate de 10
8
ori mai bună față de un fasciculFig.1.16. Comparație între proprietățile radiației provenite de la o sursă incoerentă
spațial de tip bec cu filament (a) și și de la o sursă coerentă spațial de tip laser (b).
lentilă
filament laser
B
AB
Aa)
b)
Fig. 14. Explicativă privind direcționalitatea radiației laser.
Laser
O
1
O
2

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 23
de radiație emis de un corp incandescent, unghiul de divergență efectiv fiind de 2 … 10
ori mai mare decât cel limitat numai de difracție. De exemplu divergența unui laser He-Ne
în câmp îndepărtat este de 0,1 µrad.
Intensitatea deosebit de mare a fasciculului laser este o consecință a proprietăților
de direcționalitate și coerență spațială . Radiația laser fiind rezultatul unor emisii stimulate,
permite obținere unor densități ridicate ale radiațiilor generate, deoarece secțiunea și
unghiul solid sub care se emite, sunt foarte mici. Pentru un laser funcționând în regim
continuu, prin intensitate se înțelege puterea fasciculului .
Un laser cu CO
2
ce emite la o putere de 100 W are o strălucire de 10
6
ori mai
mare decât o lampă cu vapori de mercur cu aceiași putere de ieșire, iar emisia unui laser
cu rubin este de 5 . 10
9
ori mai puternică decât emisia unei arii echivalente a suprafeței
soarelui.
Intensitatea mare și divergența mică a radiațiilor laser face posibilă obținerea unor
densități de putere foarte ridicate, cu aplicații dintre cele mai importante în diverse ramuri
ale științei și tehnicii. Pentru prelucrările efectuate cu laser fasciculul este focalizat cu
ajutorul unor lentile sau oglinzi astfel încât întreaga energie să fie concentrată pe o suprafață
mică.
Uzual laserii utilizați pentru prelucrări au o densitate de putere de 10
4
… 10
10
W/
cm
2
și o densitate de energie de 10
2
… 10
8
J/cm
2
.
La trecerea unui fascicul laser printr-o lentilă trebuie să se țină seama de modul de
oscilație , TEM
00
și de faptul că un fascicul gausian trecând printr-un sistem optic rămâne tot
un fascicul gausian (fig.16). Pentru calculul distanței focale f, ținând seama că se utilizează
o lentilă subțire se utilizează relația:
λ
⋅
⋅
π
=a af
o
(21)
unde a
o
este raza minimă a fasciculului la intrare în lentilă numită talie,
a
– talia fasciculului
ce converge după lentilă și λ – lungimea de undă.
Nu trebuie să se creadă că alegând distanța focală convenabilă se pot atinge
orice densități de putere. Acest lucru nu este posibil datorită a două efecte: difracția și
aberația . Din punct de vedere al difracției raza minimă a spotului g
s
este proporțională cuFig. 15. Direcționalitatea unui fascicul laser
DR
r

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 24
d
d
f f
a
0
a
Fig. 16. Sistem optic simplu cu o lentilă subțire
lungimea de undă a radiației λ și cu deschiderea focală F determinată ca raportul între
distanța focală f și diametrul lentilei D. Cu cât deschiderea focală este mai mică cu atât
aberația unui sistem optic și în special aberația de sfericitate, este mai mare și mai greu
de corectat.
Aberația de sfericitate este dată de faptul că razele care intră la diferite distanțe
față de axa lentilei nu sunt focalizate în același punct obținându-se o pată focală și poate fi
minimizată în trei feluri: folosind lentile asferice, folosind lentile optimizate sau folosind
sisteme de lentile special proiectate.
Optimizarea difracției cere o lentilă cât mai clară, dar pentru aceasta aberația de
sfericitate devine din ce în ce mai semnificativă.
2.5. Clasificarea instalațiilor de prelucrare cu laser
Clasificarea laserilor se poate face în general după mediul activ :
1. laseri cu mediul activ solid dielectric ;
2. laseri cu mediul activ lichid;
3. laseri cu mediu activ gazos ;
4. laserii cu semiconductori ;
5. laseri chimici
Pentru prelucrări termice, cei mai utilizați sunt laserii cu mediu activ solid dielectric,
laseii cu semiconductori (cu diode laser) și laserii cu gaz. În ceea ce privește distribuția
temporală a fasciculului pentru acești laseri, se disting următoarele situații:
è cazul funcționării în regim continuu (laseri cu gaz, laseri YAG-Nd,
laseri cu semiconductori). La acești laseri pot apărea fluctuații de putere
datorită efectelor termice sau interferenței modurilor (fenomen întâlnit cel
mai frecvent la laserul cu argon ionizat).
è cazul funcționării în regim pulsat (în general laseri cu mediul activ
solid). Se disting mai multe regimuri funcționale distincte cum ar fi: regim
de pulsuri normale , regim declanșat , regim declanșat cu moduri cuplate .
La toate tipurile de laseri menționate alimentarea se face de regulă cu energie
electrică. Cercetările au arătat însa că există posibilități de a construi laseri care să poată
fi alimentați și cu alte forme de energie, cum ar fi energia solară , calorică , nucleară ș.a.

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 25
Deja s-au realizat laseri care funcționează cu ajutorul energiei solare. Lumina provenită
de la Soare este captată cu ajutorul unor oglinzi parabolice și apoi, prin intermediul unei
lentile, concentrată pe substanța în care ia naștere radiația laser.
De asemenea, s-au construit laseri care funcționează cu ajutorul căldurii produsă
într-un cuptor electric sau obținută în urma fisiunii nucleare a unui combustibil.
Laseri cu mediul activ solid dielectric (fig.17) care în majoritatea lor au ca
mediu activ rubinul sau ioni dispersați în concentrație foarte mică într-o rețea cristalină
pură, respectiv încorporați în sticlă sau material plastic. Un material utilizat cu succes in
construcția laserilor și care se dovedește în această privință un important concurent al
cristalelor, este sticla . Interesul acordat sticlei se datorește faptului că ea poate fi prelucrată
ușor în forma și di-mensiunile dorite, avînd în acelasi timp și calități optice deosebite.
Laserii cu sticlă sunt actualmente utilizați pentru realizarea unor puteri mari, avînd un
randament superior laserilor cu rubin. În afara crista-lului de rubin s-au descoperit și alte
materiale solide care pot fi utilizate pentru construirea laserilor. Dacă în laserul cu rubin
amplificarea radiației se realiza prin intermediul ionilor de crom dupa o schemă cu trei
nivele, majoritatea laserilor solizi construiți în ultima vreme funcționează după o schema
cu patru nivele. Aceștia se caracterizează prin faptul că emisia stimulată (tranziția laser)
nu are loc de pe nivelul intermediar pe cel fundamental ca la cristalul de rubin, ci se
produce de pe un nivel intermediar superior pe unul intermediar inferior, tranzițiile laser
efectuându-se între aceste nivele. Trebuie menționat ca în acest caz inversiunea populațiilor
se realizează mult mai rapid decît în cazul rubinului, iar energia necesară realizării pompajului
este mult mai mică față de cea utilizată în cristalul de rubin, ceea ce implică o creștere a
randamentului. Reprezentativi în această categorie sunt laserul cu neodin (Nd), laserul
cu granați (YAG) dopați cu neodin etc. Acești laseri folosesc dopaj de tip optic, au randament
scăzut și funcționează în regim de impulsuri, datorită încălzirii puternice a mediului activ;
Dintre laserii cu mediu activ solid, cel mai frecvent folosit este laserul cu sticlă
dopată cu neodin și în anumite aplicații speciale, laserul cu rubin .
Alți laseri solizi, destul de utilizați, folosesc ca impurități ionii de crom într-o rețea
Fig. 17. Laser cu mediu activ solid.
1 – bară de rubin; 2 – lampă bliț; 3 – oglindă cu reflexie totală; 4 – oglindă cu reflexie
parțială; 5 – reflector eliptic; 6 – dispozitiv de pompaj.Axă tub de
descărcare
Axa barei
laser
radiație
laser
3 6 42
1

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 26
cristalină de Al
2
O
3
. Acesta este laserul cu rubin. Capetele barei sunt prelucrate optic și
depuse cu straturi reflectante ce constituie cavitatea rezonantă a laserului. Paralel cu
mediul activ se montează o lampă flash de formă cilindrică ce are rolul de a realiza
pompajul optic al mediului activ, adică furnizează energie mediului activ sub forma unui
puls luminos. O parte din energia radiată de flash este absorbită în mediul activ, ducând în
final la obținerea unei inversii de populație, care la rândul ei determină apariția efectului
laser. Pentru ca radiația emisă de flash să lumineze cât mai eficient mediul activ, întreg
ansamblul este montat într-un reflector cilindric cu secțiune eliptică, astfel ca fasciculul și
mediul activ să se plaseze fiecare în unul din focarele elipsei.
Randamentul laserului cu rubin este destul de mic, deoarece din toată energia
consumată de tubul de descărcare doar o mica parte din ea se regăsește în energia
fasciculului laser. Astfel, la primii laseri cu rubin randamentul era sub 1 %. Cu toate acestea,
puterea unui facicul laser poate atinge valori foarte mari. Un calcul simplu arată că dintr-o
energie de numai 1[J], suficientă să încalzeasca până la fierbere doar două grame de apa,
poate să debiteze timp de o milionime de secundă o putere de un milion de wati.
În aplicațiile de prelucrare termică a materialelor sunt utilizate următoarele tipuri
de laseri cu mediu activ solid: sticlă: Nd și cu YAG:Nd (fig. 18). Emisia se face în
infraroșu la 1,06 µm. Se pot realiza cele trei regimuri de lucru și anume:
♦ pulsat relaxat , laserul conține un tren de impulsuri de durată totală de
0,1 – 1 ms și energie de 0,1 – 20 J (putere în impuls 1 – 50 [kW], în funcție
de dimensiunile mediului activ);
♦ pulsat declanșat , laserul conținând un singur impuls de durată 10 – 50
[ns] și energie 0,01 – 0,2 [J] (putere de impuls 1 – 20 [MW]);
♦ regim continuu (numai laserul YAG:Nd), laserul emițând un fascicul
continuu de putere 1 – 100 W.
Indiferent de regimul de lucru un laser cu solid conține: emițătorul laser (cap laser),
IN IMPULSURI
Fig. 18. Laser YAG-Nd de mare putere cu regim de lucru în impulsuri

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 27
format din mediul activ, lampa de excitare, incinta reflectantă și oglinzile laser, sursa de alimentare,
circuite de comandă și instalația de răcire a capului laser. Tipul și dimensiunile mediului activ
determină performanțele laserului.
Laseri cu mediul activ lichid utilizează în marea lor majoritate ca mediu activ unele
substanțe organice lichide ca benzenul , nitrobenzenul , piridina și, în ultima vreme, soluțiile
unor coloranți organici. Reprezentativi în această categorie sunt laserii cu pyrolină , radomină ,
tripoflaviu , dizolvate în alcool, glicerină sau acid sulfuric și apă. Acești laseri folosesc un
pompaj optic și au frecvență de lucru ce poate fi variată, randament ridicat, coerența și
eficiența emisiei fiind comparabile cu a laserilor cu mediul activ solid. Principiul de funcționare
a laserilor lichizi este asemănător celui ce stă la baza funcționării laserilor solizi. În general,
în lichidele utilizate sunt incluși ioni de pământuri rare care prezintă o schema e-nergetică
cu patru nivele. Lichi-dele folosite pentru realizarea laserilor prezintă avantajul de a putea fi
răcite ușor și în același timp, permit să se obțină lumina laser, teoretic, de orice frecvență.
Randamentul laserilor lichizi ajunge la valoarea de 50%.;
Laseri cu mediul activ gazos . La rîndul lor, gazele pot fi utilizate și ele pentru
producerea luminii laser. Deși construirea lor este ceva mai complicată, totuși laserii cu
gaz (fig.19) au cunoscut o largă răspîndire, mai ales datorită faptului că ei pot funcționa
încontinuu multă vreme. Pe de altă parte, lumina emisă de ei se caracterizează printr-un
grad înalt de coerență si monocromaticitate. Dintre laserii gazoși cei mai reprezentativi
sunt l aserii cu argon ionizat, cu heliu cadmiu, cu heliu neon și cu dioxid de carbon (CO
2
).
Acești laseri pot funcționa atât în regim continuu cât și în impulsuri, au un randament
superior laserilor cu mediu activ solid și o puritate spectrală bună.
În categoria laserilor cu gaz se disting trei categorii principale:
♦ laseri atomici , folosesc tranzițiile atomilor neutri, Acești laseri oscilează
după tranziții în infraroșu apropiat și mijlociu, precum și în domeniul roșu.
În gemeral un astfel de laser lucreză cu emisie continuă, cu puteri cuprinse
între câțiva microwați și câțiva miliwați și este constituit dintr-un tub deFig.19. Laser cu mediul activ gazos.
1 – tub de descărcare; 2 – radiație laser; 3 – oglindă cu reflexie parțială; 4 – oglindă cu
reflexie totală; 5 – pompă de absorbție; 6 – butelii de gaz; 7 – robinete; 8 – manometru;
9 – circuit de răcire; 10 – sursă de alimentare cu energie electrică.
89
7
51
10632
4
CO
2
N
2
He

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 28
sticlă lung de 1 [m] și umplut cu neon și heliu, cu cavitatea re-zonantă
formată din două oglinzi plane, cu înaltă putere de reflexie, a căror
paralelism, datorită unor dispozitive de reglare, este asigurat cu mare
precizie. Excitația gazului se efectuează printr-o decărcare de înaltă
frecvență. Reprezentativ este laserul He-Ne , realizat înca din 1961, folosind
un amestec format din heliu și neon în diferite proporții. Funcționarea
acestui laser se bazează în principiu pe interacțiunile dintre atomii celor
două gaze aflați pe nivele energetice vecine. În timpul descărcării electrice
realizată cu ajutorul unui generator de înaltă frecvență, atomii de heliu vor
primi o anumită cantitate de energie. În urma ciocnirilor dintre atomii de
heliu și cei de neon această energie se va transfera atomilor de neon și va
fi suficientă pentru a provoca inversiunea populațiilor nivelelor energetice
ale neonului între care pot avea loc tranziții laser (fig.20);
♦ laseri ionici , sunt utilizați entru obținerea fasciculelor laser cu frecvență
mare, cei mai indicați fiind cei ce funcționează cu ajutorul gazelor nobile din
ultima coloană a tabelului lui Mendeleev care dau linii laser plecând de la
nivelurile ionice ale atomilor. Cel mai utilizat laser în această categorie este
laserul cu argon (fig. 21), având o lungime de 1 [ µ] și diametrul de 4 [mm].
Printre aceștia se cunosc laseri cu ioni de argon, cu ioni de neon sau cu
ioni de cripton. Permite producerea unei radiații continue de 15 [W],
fasciculul emis având un diametru de 4 mm și o divergență foarte bună.
Puterea sa este suficient de mare pntru a perfora o lamă de oțel de 0,5
[mm], în câteva secunde, plsată în focarul unei lentile cu distanța focală de
5 [cm]. Câmpul magnetic de excitație este creat cu ajutorul unei bobine ce
înfășoară tubul capilar în care are loc descărcarea;
♦ laseri moleculari , cei mai importanți laseri de tip gazos, cu randamentFig.20. Exemplu de laseri He-Ne pentru prelucrări termice
Sursa de energie
Panou de comanda
Cap laser
CARACTERISTICI:
– PUTERE 350W
– RACIRE CU APA
– GREUTATE 642kg
Caracteristici tehnice
– Puterea 350 [W]
– Răcire cu apă
– Greutate 642 [kg]
Sursa de energie
Cap laser
Panou de comandă

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 29
mai mare decât laserii atomici sau ionici, folosesc tranzițiile între nivelele
de vibrație ale moleculelor. Laserul cu bioxid de carbon este cel mai
reprezentativ în această categorie. Are o construcție relativ simplă fiind
constituit dintr-un tub de sticlă în care circulă un maestec de gaz carbonic,
azot și heliu la presiuni mici. Excitația gazelor se obține prin descărcări în
curent continuu, alternativ sau în impulsuri. Rezonatorul este format din
două oglinzi plan paralele sau confocale din oțel inoxidabil sau cuarț,
acoperite cu un strat subțire de aur, una din ele fiind prevăzută cuun
orificiu central necesar trecerii fasciculului laser în mediul exterior.
În figura 22 se prezintă configurația tipică a unui laser cu gaz. Mediul activ ocupă un
volum cilindric C închis la capete cu oglinzile O
1
și O
2
; oglinda O
2
este parțial transparentă
Fig. 21. Laser cu argon ionizat
Fig. 22. Configurația tipică a unui laser ce utilizează un amestec de gaze.
CB
1
B
2
B
3
g
1
g
2
g
3
O
2
O
1
A+Laser
GPompă
R

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 30
astfel încât prin ea iese fasciculul laser.
Amestecul de gaze care formează mediul activ este realizat de gazele g
i
(i=1,2,3…)
aflate în buteliile B
i
și cu ajutorul pompei de vid P cu care se ajustează presi-unile parțiale
(și finală) a amestecului. În anumite cazuri amestecul este realizat în prealabil și introdus
într-o singură butelie, fapt care face manevrarea mult mai comodă.
În mod obișnuit se lucrează în acel regim de descărcare luminiscentă asemănător
celor în care funcționează de exemplu tuburile de neon al reclamelor luminoase. Pentru a
realiza acest regim în mod stabil este necesară intercalarea în circuit a rezistenței R
pentru limitarea curentului, altfel descărcarea ar trece în arc care ar duce la distrugerea
laserului. Rolul descărcării în gaz este tocmai acela de a excita cu predilecție nivelul
superior al gazului activ, de a aduce pe el un exces de populație în raport cu nivelul
inferior. Rolul celorlalte gaze este de a ajuta la realizarea inversiei și eventual la răcirea
amestecului sau la micșorarea impedanței electrice.
În funcție de direcția de descărcare , direcția de curgere a gazului și direcția
fasciculului laser , laserii cu transport de gaz pot fi realizați în următoarele variante (fig. 23):
♦ laseri cu toate cele trei direcții paralele (fig. 23.a);
♦ laseri cu descărcarea perpendiculară pe direcția de transport a
gazului, respectiv a radiației laser (fig. 23.b);
♦ laseri cu descărcarea și trans-portul gazului după direcții perpen-
diculare pe direcția de producere a radiației laser (fig. 23.c).
Laserul cu bioxid de carbon (fig.24), alături de laserul cu heliu-neon sunt laserii
cei mai reprezentativi ai familiei de laseri cu mediu activ gazos. Tranzițiile laser au loc
între nivelele energetice de vibrație a moleculei de CO
2
. Dioxidul de carbon este amestecat
cu azot și heliu. Prin ciocnire, azotul este excitat pe un nivel energetic superior, cedând
energia proprie moleculei de CO
2
. Heliul are rolul de a mări conductivitatea termică a
amestecului gazos permițând o răcire mai eficientă.
Laserii cu CO
2
pot fi din punct de vedere funcțional de trei feluri: laseri cu gaz
dinamic, laseri chimici și laseri cu descărcare electrică .
Laserii cu descărcare electrică se prezintă sub două tipuri constructive:
♦ laseri convenționali , la care descărcarea electrică are loc într-un tubFig. 23. Clasificarea laserilor după direcțiile relative de curgere a gazului, de emisie a
fasciculului laser și direcția de descărcareCO
2
LASER
U (kV)
CO
2
LASER
U (kV)
U (kV) CO
2
LASERa.
b.
c.

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 31
de sticlă prevăzut cu oglinzi la capete, amestecul de gaz având o curgere
lentă. Au dezavantajul că pentru puteri ridicate trebuie să aibă o lungime
mare. Prin dispunerea în paralel sau în zig-zag se poate reduce din lungime;
♦ laseri cu transport de gaz , sunt caracterizați printr-o curgere rapidă a
amestecului în zona descărcării. Se compun dintr-o instalație de
recirculare-răcire și ansamblul de electrozi care realizează descărcarea
electrică.
În aplicațiile de prelucrare termică a materialelor sunt utilizațe următoarele tipuri
de laseri cu gaz:
1. Laseri cu CO
2
de putere medie . Posibilitatea de a se obține puteri de zeci și
sute de wați, în regim continuu, precum și randamentul de conversie a energiei laser, de
până la 20 %, au făcut ca laserul cu CO
2
să devină, la scurt timp după apariție, foarte
important pentru domeniul prelucrării materialelor.
În ceea ce privește puterea maximă emisă de laserii cu CO
2
, cu descărcare
continuă în tuburi lungi, s-a demonstrat că aceasta este proporțională cu lungimea
descărcării electrice și nu depinde de alți parametrii ca diametrul tubului, presiunea gazului
etc. Valoarea ei se situează între 40 – 60 W/m.
Un ultim aspect privind funcționarea laserilor cu CO
2
este cel al evoluției compoziției
chimice a amestecului de gaze. În timpul funcționării în urma ciocnirilor cu electronii,
moleculele prezente în descărcarea electrică se disociază ducând la apariția unor
mecanisme chimice foarte complicate. Totuși fenomenul cel mai important îl constituie
disocierea moleculei de CO
2
, după relația:
CO
2
→ CO + 1/2 O
2
Reacția este reversibilă dar nu total. Ca rezultat, proporția CO
2
în amestec scade
și cu aceasta și eficiența laserului.
Problema admite două soluții și anume: micșorarea gradului de ireversibilitate al
reacției de mai sus, respectiv înlocuirea permanentă a gazului în descărcare. Aplicarea
primei soluții a determinat realizarea unor laseri închiși, care funcționează mii de ore fără
schimbarea amestecului de gaze. Soluția este însă aplicabilă la laseri de până la 100 W.
Fig. 24. Laser cu CO
2

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 32
Cea de-a doua soluție este mai complicată sub aspectul echipamentului tehnic (sursă de
gaze, pompă de vid etc.), dar permite realizarea unor laseri cu putere de până la 1 kW.
Peste această putere lungimea rezonatorului optic devine excesivă.
2. Laseri cu CO
2
de mare putere . Sunt cunoscute următoarele regimuri de
funcționare pentru laserii cu CO
2
de mare putere:
a. laserii cu gaz dinamic având puteri de sute de kW, prezintă unele dezavantaje
determinate de gabaritul foarte mare, timp lung de funcționare (de ordinul secundelor sau
minutelor), consum mare de gaz, temperatura de lucru ridicată, grad ridicat de periculozitate
(toxicitate, pericol de explozie);
b. laseri chimici , caracterizați de proprietăți similare cu cele arătate la laserii
cu gaz dinamic;
c. laserii cu descărcare electrică , care se prezintă constructuiv sub două
aspecte:
♦ sticlă de 1 – 10 cm diametru prevăzut cu oglinzi la capete. Amestecul
CO
2
– He curge prin tub cu o viteză foarte mică, atât cât să compenseze cu amestec
proaspăt disocierea CO
2
.. Laserii convenționali de putere mare au lungimi foarte mari, de
ordinul 12 – 200 m. Prin dispunerea tuburilor de descărcare în paralel sau în zig zag și
folosind oglinzi cu deviere a razei laser se obține o reducere corespunzătoare a lungimii
instalației laser;
♦ laserii cu transport de gaz sunt caracterizați printr-o curgere rapidă a
amestecului de gaz prin zona descărcării electrice astfel ca temperatura să nu depășească
limita de aproximativ 150°C. Puterea laser nu mai este determinată numai de puterea de
descărcare, ci și de volumul de mediu activ (presiunea amestecului de gaze și viteza de
curgere) Laserul cu transport de gaz (fig.25) se compune dintr-o instalație de recirculare-
Fig. 25. Elemnte constructive ale unui laser TEA în geometrie cilindrică
1 – cilindrul metalic; 2 – electrod placă; 3 – electrozi anod; 4 – ventilator centrifugal;
5 – ax ventilator; 6 – palete; 7 – element de răcire internă; 8 – sistem de răcire anodică
2
6 7 54183

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 33
răcire și ansamblul de electrozi care realizează descărcarea electrică. În cilindrul metalic
1 se găsesc: electrodul placă 2 și electrozii anod 3. Circulația gazului în scopul răcirii
acestuia, se realizează cu ajutorul ventilatorului centrifugal 4, compus din axul 5, paletele
6, elementele de răcire internă 7 etc..Circulația gazului se realizează de-alungul cilindrului
metalic, asigurând răcirea. Pentru a preveni încălzirea anozilor este prevăzut sistemul 8
de răcire cu apă. Pentru mărirea lungimii de descărcare se poate plasa încă un rând de
electrozi, paralel cu primul și dispus diametral opus.
Laserii cu semiconductori , folosesc ca mediu activ materiale semiconductoare,
de regulă o joncține plană p-n (laserul cu injecție ), ce au posibilitatea de a converti direct
energia electrică în lumină coerentă (fig. 26). Cei mai reprezentativi sunt laserii cu arseniură
de galiu, cu sulfură de cadmiu, cu seleniură de plumb, fosfura de indiu , telurura de plumb
etc. Acești laseri au un randament foarte mare, funcționează în regim de impulsuri, au puteri
mari și gabarite redu-se. Folosesc ca meto-dă de pompaj injecția de electroni sau bom-
bardarea cu electroni de energie mare.
Bineînțeles că diodele laser nu se folosesc singular, puterea lor individuală fiind
sufi-cient de mică pentru a nu permite nici un fel de prelucrare termică. S-au realizat ansamble,
nu-mite blocuri de diode , astfel de blocuri alipindu-se liniar, focalizat sau legate prin fibră
optică . Ca soluție s-a impus configurația blocului de diode focalizt.
În laserii cu semiconductori pompajul nu se mai face cu ajutorul luminii, ci pe cale
electrică. Un curent electric intens poate realiza inversiunea populațiilor intre electronii din
banda de conducție și golurile din banda de valență. În miscarea lor între cele doua benzi,
electronii si golurile se recombina putând emite fotoni care vor stimula recombinarea
dintre alți electroni și alte goluri, realizîndu-se lumina laser. În felul acesta, energia electri-
că se transformă direct în energie luminoasă, ceea ce face ca laserii cu semiconductori
să aibă un randament mult mai mare decît alte tipuri de laseri.
La modelele actuale (fig. 27) randamentul este de circa 60-70%, sperîndu-se să
crească pînă la valori apropiate de 100%. În plus, laserii cu semiconductori au un volum
mai mic și o greutate de numai cîteva kilograme, precum și o inerție foarte mica în
funcționare. De asemenea, ei au posibilitatea de a emite într-un larg spectru de frecvențe.
Grație acestor calități laserii cu semiconductori sunt mult utilizați în cercetări stiințifice ca
și în aplicații tehnice.
Sunt remarcabile realizările privind transmisia laser prin fibre optice (fig. 28) care
perit mărirea manevrabilității în operațiile de prelucrări termice de finețe și implementarea
laserului în sistemele de prelucrare robotizate.
–Strat activStrat de metal
Emisielaser+
tip p
tip n
substrat
d
suprafață total
reflectantăsuprafață parțial
reflectantă
Fig. 26. Structura unui laser cu semiconductori (dioda laser)

P R O I E C T D E D I P L O M Ă
pag. 34
Calitățile demonstrate ale laserilor cu semiconductori fac ca deja aceștia să se
impună categoric în marea familie a laserilor, fenomenul laser producându-se cu mult mai
multă ușurință și mediul activ fiind mai simplu de realizat, fără complicațiile existente la
laserii cu mediul activ solid sau la cei cu mediu activ gazos.
La laserii chimici , efectul laser se produce direct printr-o reacție chimică a unor
gaze care intră în amestec. Excitarea cu energie exterioară are rolul numai de a declanșa
reacția chimică.
În ultima vreme s-au realizat laseri chimici care funcționează pe baza energiei ce
se produce în urma unor reacții chimice. Spre exemplu, prin combinarea deuteriului cu
fluorul rezultă o energie suficientă producerii luminii laser.Caracteristici:
– putere: 4000 [W];
– lungime de undă: 808 [nm];
– răcire cu apă;
controlul computerizat al operațiunilor
de prelucrare;
– regim de lucru: pulsat sau continuu.
Fig. 27. Sistem laser cu semiconductori (diode) de 4000 [W]
Fig. 28. Cap laser cu transmiterea radiației prin fibră optică
Caracteristici:
– putere: 1000 [W];
– dimensiuni: 1020 x 200 x 11 [mm];
– lungimea de undă: 808 [nm];