Prod. 21. Jh. - 1
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Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- u. Oberflächentechnik
Professuren Laser- und OberflächentechnikProf. Dr. Ing. habil. E. BeyerProfessur für Fügetechnik und MontageProf. Dr.-Ing. habil. U. FüsselFertigungsmesstechnik undQualitätssicherungProf. Dr. Ing. habil. H. Weise
Produktions-technik
Oberflächen-technik
Laser-technik
Werkstoff-technik
Mess-technik
Wissenschaft braucht Zusammenarbeit,in der sich das Wissen des einen durchdie Entdeckung des anderen bereichert.
José Ortega y Garset
TU D
resd
en IOFLeitungOrganigrammForschungAusstattung
StellenangeboteDoktorarbeitenHiWi TätigkeitenWiss. techn. Mitarbeiter
Wir über uns
AusbildungsangeboteVorlesungenDiplom- und BelegarbeitenIndustriepraktikaUSA Aufenthalt
AktuellesSeminareWorkshops, Messen
ZusammenarbeitProduktionstechnisches
Zentrum DDFraunhofer Institut IWS
Sie werden im Einklang mit der Produktions- und Werk-stofftechnik am IOF
- gelehrt,- weiterentwickelt und- in die industrielle Nutzungüberführt.
Laser- und Oberflächentechnik sind Querschnittsgebiete mit stark wachsender Bedeutung.
Institut Oberflächen- u. Fertigungstechnik
Prod. 21. Jh. - 2
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Die akademische Ausbildung wird in enger Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik IWS durchgeführt.
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AktuellesSeminareWorkshops, Messen
Zusammenarbeit
Lehrveranstaltungen des Lehrstuhles Laser- und Oberflächentechnik (LOT) :(auszugsweise)
Institut Oberflächen- u. Fertigungstechnik
Prod. 21. Jh. - 3
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Die Ausstattung:
- CO2-Laser- Nd:YAG-Laser- Diodenlaser- Excimerlaser- div.Bearbeitungsanlagen - Robotersysteme
Mitarbeiter ca. 250Betriebshaushalt 2008 ca. 16,4 Mio. €Investitionen 2008 ca. 2,1 Mio. €Laborfläche 3500 m²
- PVD-Beschichtungsanlagen- CVD-Beschichtungsanlagen- Plasma- und Induktions-anlagen
- Ausrüstungen für Schicht-und Werkstoffprüfung,
- Metallographie- TEM, REM, etc.
Fraunhofer IWS Dresden
Prod. 21. Jh. - 4
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Light Amplification by
StimulatedEmission of
Radiation
LASER
1) Lasercharakteristika
Was bedeutet Laser:
Prod. 21. Jh. - 5
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1) Lasercharakteristika
KommunikationLichtleiter, Optoelektronik, IntegrierteOptik, Optische Koppler, OptischeRechnersysteme, Optische Datenver-arbeitung, Optische Kommunikations-systeme
ProduktionstechnikFertigungssysteme, Qualitätssiche-rung, Materialsynthese, Neue Werk-stoffe, Schweißen, Schneiden,
Bohren, Härten, LötenBeschichten, Beschriften, Veredeln,
Lasertechnik
Meßtechnik
Doppler-Spektrometer, Holographi-sche Analysen, Laser-Anemometrie,Oberflächenprüfung, Standards fürLängen und Zeit
Längen- und Winkelmessungen, Laser-
Bildung, UnterhaltungCD, Lernprogramme, DVD,Laserdisplays, Videotechnik, Bild-platten
MedizinDermatologie, Angioplastic, Laser-chirurgie; Augenheilkunde: Star-behandlung/Netzhautablösung;Steinzertrümmerung, Photodyna-mische Therapie
VerkehrKlopfsensoren, Abstandsradar, Fahr-leitsysteme, Flugwarnsysteme,Emissionskontrolle, Nebel-, Warn-systeme, Orientierungs-, Leitsysteme
Energie und UmweltLidar, Umweltkontrolle, Fusions-forschung, Entsorgungs- und Recy-clingverfahren, Plasmaspektroskopie,Luft- und Wasseranalyse, Kontrollevon Verbrennungsabläufen
Handel und IndustrieKodierprüfsysteme, Strichkodierung,Laserscanner, Mikroanalyse, Laser-drucker, Drucktechnik, Beschriften,Farbtaster
Einsatzbereiche für Laser:
Prod. 21. Jh. - 6
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minimaleAbmessunga / 2
Nutzungsgrad 1
Vergleich Laser undthermischer Strahlungsquelle:
Laserquelle: gerichtete und gebündelte Emission
Thermische Quelle: isotrope Emission
1) Lasercharakteristika
minimaleAbmessunga >> / 2
Nutzungsgrad (D / L)2 << 1
D
L
Prod. 21. Jh. - 7
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Energiedichte, Leistungsdichte:
Als Folge des maximalen Ordnungsgradeskann Laserstrahlung auf
- kleinste Volumina- kürzeste Zeiten
komprimiert werden.
1) Lasercharakteristika
Damit werden die
- höchsten Energiedichten- höchsten Leistungsdichten
erreicht, die terrestrisch und ausserterrestrischbekannt sind.
Laserstrahlung ist die Energieform mit dem naturgesetzlich höchstmöglichen Ordnungsgrad
Prod. 21. Jh. - 8
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Licht wechselwirkt mit denElektronen der Atome.
Durch die Wechselwirkung eines Lichtquantes mit einem Elektron kann dieses absorbiert oder verstärkt werden.
Entscheidend ist der Energie-zustand des Elektrons.
Atomistische Darstellung von Absorption und Emission
E1
E2
E3
h12
Absorption
E1
E2
E3
h 21
spontaneEmission
h21
E1
E2
E3
2x h21
induzierteEmission
2) Realisierung des Lasers
Beispiel für die Anregung des Laserprozesses:
Prod. 21. Jh. - 9
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Stimulierte Emission
Stoß
Stoß
Stoß
h
h
Kern
Stimulierte Emission
2) Realisierung des Lasers
Video
Beispiel für die Anregung des Laserprozesses:
Prod. 21. Jh. - 10
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Eigenschaften des Lasers
Wellenlänge, Leistung, Strahlqualität,Wirkungsgrad, Betriebsweise,
Bauform, Herstellungskosten, Lebensdauer
Resonator
stabil / instabil,mit / ohnefrequenz-selektiveKomponenten
Laserstrahl
teildurch-lässigerSpiegel
voll-reflektierter
Spiegel
Res
on
ato
r
Anregung(Energiezufuhr)
z.B. Blitzlampen,elektr. Entladung(Gleichstrom oderHochfrequenz),Pumplaser,Elektronenbe-schleuniger
Anregungsenergie(Strahlung, elektr. Entladung)
Verlustenergie(Wärme)
LaseraktivesMedium
z.B. Festkörper,Gas, organischerFarbstoff in flüs-siger Lösung, Halbleiter,Plasma,Metalldampf
laseraktivesMedium
2) Realisierung des Lasers
Prinzipieller Aufbau eines Lasers:
Prod. 21. Jh. - 11
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2) Realisierung des Lasers
r1 r2
L01 L02
R1 R2
r0
L
0
0 z0 z
R1R2
Randbedingung:
- auf der Spiegelober-fläche befindet sich ein Wellenknoten
Stehende Welle im Resonator
- die Krümmung der Phasenfront entsprichtder Krümmung desSpiegels
Resonator als elementare Komponente eines Lasers:
Prod. 21. Jh. - 12
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2) Realisierung des Lasers
Laser Spektrallampe Glühlampe
rela
tive
r A
nte
il
1
0,5
400 800 1200 1600max
Definition der Linien-oder Bandbreite einer Emissionslinie
rela
tive
r A
nte
il
1
0,5
max
Resonator - Spektrum eines Lasers:
Prod. 21. Jh. - 13
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Hauptkomponenten einer Laserstrahlanlage:
Sicherheits-einrichtungenSteuerung
Werkstück-handhabung
Laserstrahl-anlage
Strahl-manipulation
Laser/Laserzubehör
Lasersteuerung
Handhabungs-steuerung
Überwachung
Schutzrohr
Sicherheits-kabine
Strahl-Shutter
AbsaugungFilter
Be- und Entladung
Positionierung
Bewegung
Arbeits- und Schutzgas
Laserstrahl-quelle
Gasversorgung
Kühlsystem
Strahlführung
Strahlformung
Strahlschalter
21 53 4
3) Laserbearbeitungsanlage
Prod. 21. Jh. - 14
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3) Laserbearbeitungsanlage
5-Achs-Portal:
Video
Diese Anlagensind charakteristisch für die Bearbeitung größerer Bauteile
Kleinere Bauteile undKomponenten der Mikrotechnik könnenmit Scannern erstelltwerden
Prod. 21. Jh. - 15
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3) Laserbearbeitungsanlage
Beispiel zur Reinigen von goldplatierten Skulpturen
Video
Scanner:
Prod. 21. Jh. - 16
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4) Wechselwirkung der Strahlung
Wirkung der Laserstrahlung – Absorption:
Prod. 21. Jh. - 17
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4) Wechselwirkung der Strahlung
Wirkung der Laserstrahlung – Absorption und Temperatur:
- hierbei werden die Elektronen des bestrahlten Körpers angeregt (Absorption):
- die Elektronen geraten in Bewegung und stoßen aneinander- durch die Stöße kommt es zur Wärmeübertragung, der Körper erwärmt sich:
22
*
cL
ec
vnv
TCTTK
Lv pc **)( 10
2
Prod. 21. Jh. - 18
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Absorptionsverhalten von Metallen:
Ab
sorp
tio
nsg
rad
A [
%]
10
30
25
20
15
5
Wellenlänge [m]0.1 0.2 0.4 0.8 1 2 4 6 8 10 20
193 308 nm
Nd:YAGLaser
1.06 m
COLaser
~5.4 m
CO2Laser
10.6 m
EximerLaser
Al
Ag
Au
Cu
Mo
Fe
Stahl
gilt nur für idealeOberflächen:
• keine Verunreinigung• kein Oxid• Rauhigkeit klein
gegen Wellenlänge
4) Wechselwirkung der Strahlung
Prod. 21. Jh. - 19
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• Stereo-lithographie
• Lasersintern
• LOM
• Laser-generieren
• Laserbiegen
• Laser-unterstütztesUmformen
• Brenn-schneiden
• Schmelz-schneiden
• Sublimier-schneiden
• Laser-unterstütztesSpanen
• Schweißen
• Löten
• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion
• Auftrags-schweißen
• Dispergieren
• PLD
• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion L + SpritzenL + PVD
• Umwandl. -härten
• Umschmelzen
• Anlassen
UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-
schaftenändern
Fertigungsverfahren DIN 8580
5) Anwendungen in der Fertigung
Laserfertigungsverfahren:
Prod. 21. Jh. - 20
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• Stereo-lithographie
• Lasersintern
• LOM
• Laser-generieren
UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-
schaftenändern
Fertigungsverfahren DIN 8580
5) Anwendungen in der Fertigung
Video
Prod. 21. Jh. - 21
Folie 21 von 65
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• Stereo-lithographie
• Lasersintern
• LOM
• Laser-generieren
• Laserbiegen
• Laser-unterstütztesUmformen
UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-
schaftenändern
Fertigungsverfahren DIN 8580
5) Anwendungen in der Fertigung
Quelle: Fh-ILT
Prod. 21. Jh. - 22
Folie 22 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 23
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• Stereo-lithographie
• Lasersintern
• LOM
• Laser-generieren
• Laserbiegen
• Laser-unterstütztesUmformen
• Brenn-schneiden
• Schmelz-schneiden
• Sublimier-schneiden
• Laser-unterstütztesSpanen
UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-
schaftenändern
Fertigungsverfahren DIN 8580
5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 24
Folie 24 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Laserschneidverfahren:
Sublimierschneiden: Schmelz- und Brennschneiden:
Abtrag durch Verdampfen Austreiben der Schmelze mit Gasstrahl
Prod. 21. Jh. - 25
Folie 25 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 26
Folie 26 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 27
Folie 27 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Laserschneidverfahren Schmelz- und Brennschneiden im Vergleich:
Prod. 21. Jh. - 28
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Laserschneidanlage mit Linearantrieben
Daten: Geschwindigkeit bis 280 m/minBeschleunigung x-Achse: 22 m/s2
y-Achse: 42 m/s2
Genauigkeit 5/100 mmBearbeitungsraum 1,2 m x 1,0 m
Schneiden von Elektroblechen
Laserschneiden von 500 Löchern / min Stahlblech d=0,5 mm, =10 mm
5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 29
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Laserschneidanlage mit Linearantrieben
Laserschneiden von 500 Löchern / min Stahlblech d=0,5 mm, =10 mm
5) Anwendungen in der Fertigung
Video
Prod. 21. Jh. - 30
Folie 30 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 31
Folie 31 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Mikrobearbeitung durch Sublimation:
Prod. 21. Jh. - 32
Folie 32 von 65
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Laser Mikrobearbeitung eines menschlichen Haares:
Lasertechnik
Bohren
Abtragen
50
m
Beschriften
Prod. 21. Jh. - 33
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5) Anwendungen in der Fertigung
Beispiele aus der Mikrobearbeitung:
Prod. 21. Jh. - 34
Folie 34 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Beispiele aus der Mikrobearbeitung:
Prod. 21. Jh. - 35
Folie 35 von 65
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• Schweißen
• Löten
• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion
UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-
schaftenändern
Fertigungsverfahren DIN 8580
5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 36
Folie 36 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Arten des Schweißens:
Prod. 21. Jh. - 37
Folie 37 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Wärmeleitungsschweißen:
Prod. 21. Jh. - 38
Folie 38 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Wärmeleitungsschweißen:
Prod. 21. Jh. - 39
Folie 39 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Tiefschweißen:
Prod. 21. Jh. - 40
Folie 40 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Tiefschweißen:
Prod. 21. Jh. - 41
Folie 41 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Tiefschweißen:
Prod. 21. Jh. - 42
Folie 42 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Tiefschweißen:
Prod. 21. Jh. - 43
Folie 43 von 65
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• Auftrags-schweißen
• Dispergieren
• PLD
• Hybrid:L + PlasmaL + Induktion L + SpritzenL + PVD
UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-
schaftenändern
Fertigungsverfahren DIN 8580
5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 44
Folie 44 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Video
laser beam
layer
HAZ
substrate
ceramic powder 2
pneumaticpowder mixing head
ceramic powder 1
Prod. 21. Jh. - 45
Folie 45 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
• EndkonturnaheBeschichtung:Stellit auf X40 CrMoV 5.4
• Schweißzeit: 10 Min.
• Standververlängerungund Verringerung des Nacharbeitsaufwandesgegenüber Hand-Auftragsschweißen
Werkzeugreparatur:
Warmumformwerkzeug (Preßstempel)links: hand-, rechts: laserauftragsgeschweißt
Prod. 21. Jh. - 46
Folie 46 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Präzision durchWerkstoffauftrag inKokille:
- Aufschweißen einer Ni-Basis-Legierung- b/h = (0,1 ... 0,8) mm / 1 mm in einer Schweißlage- extrem niedriger Nacharbeitsaufwand
Video
Prod. 21. Jh. - 47
Folie 47 von 65
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• Umwandl. -härten
• Umschmelzen
• Anlassen
UmformenUrformen Trennen Fügen BeschichtenStoffeigen-
schaftenändern
Fertigungsverfahren DIN 8580
5) Anwendungen in der Fertigung
Prod. 21. Jh. - 48
Folie 48 von 65
Fakultät Maschinenwesen, Institut für Oberflächen- u. Fertigungstechnik, Lehrstuhl für Laser- u. Oberflächentechnik
5) Anwendungen in der Fertigung
Video
Laserstrahlhärten:
Werkstück und Laserstrahl werden relativ zueinander mit der Geschwindigkeit vH bewegt. In dem von der Ac1-Isothermen umrandeten Bereich wandelt sich das Gefüge in Austenit um. Im daran angrenzenden Bereich innerhalb der Martensit-Start-Isotherme wird der Austenitunterkühlt, bis nach Passieren der MS-Linie die Martensit-bildung einsetzt.
Prod. 21. Jh. - 49
Folie 49 von 65
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5) Anwendungen in der Fertigung
Lasergehärtete Laufbuchsen für verschiedene Dieselmotoren:
Prod. 21. Jh. - 50
Folie 50 von 65
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Rotation / 10 Umdrehungen6
Tröpfchenschlagverschleißtest
vergütetflammgehärtet beschichtet mit Stellit W3K
ND-Stufe 80 MW-Turbine
Härtungsprozeß 1300 MW-Schaufel
laserstrahlgehärtet
Laserstrahlhärten
Laserstrahlhärten von Turbinenschaufeln:
Prod. 21. Jh. - 51
Folie 51 von 65
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6) Lasertypen
Scheibenlaser
Lasereinsatz in Abhängigkeit von der Applikation:
Prod. 21. Jh. - 52
Folie 52 von 65
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6) Lasertypen
CO2-Laser - Generierung:
Prod. 21. Jh. - 53
Folie 53 von 65
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6) Lasertypen
CO2-Laser:
Prod. 21. Jh. - 54
Folie 54 von 65
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6) Lasertypen
Nd:YAG-Laser - Generierung:
Prod. 21. Jh. - 55
Folie 55 von 65
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6) Lasertypen
Nd:YAG-Laser - thermische Linse: Verminderung der Strahlqualität
Prod. 21. Jh. - 56
Folie 56 von 65
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6) Lasertypen
Nd:YAG-Laser - Minimierung der thermischen Linse:
Scheibenlaser
lampengepumpter Nd:YAG-Laser Faserlaser
diodengepumpte Nd:YAG-Laser
Prod. 21. Jh. - 57
Folie 57 von 65
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6) Lasertypen
Nd:YAG-Laser- Varianten:
Prod. 21. Jh. - 58
Folie 58 von 65
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6) Lasertypen
Nd:YAG-Laser - Variantenvergleich:
bis 100 V
Prod. 21. Jh. - 59
Folie 59 von 65
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6) Lasertypen
Hochleistungsdiodenlaser - Halbleiter:
Prod. 21. Jh. - 60
Folie 60 von 65
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6) Lasertypen
Hochleistungsdiodenlaser - Aufbau:
Prod. 21. Jh. - 61
Folie 61 von 65
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6) Lasertypen
Hochleistungsdiodenlaser – Vergleich mit anderen Lasersystemen:
Prod. 21. Jh. - 62
Folie 62 von 65
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6) Lasertypen
Excimerlaser - Generierung:
1. Ionisation:e- + F2 F- + Fe- + Kr 2 e- + Kr+
2. Kollision:Kr+ + F- + Ne KrF* + Ne
3. Laser:KrF* + h Kr + 0,5 F2 +2h
Prod. 21. Jh. - 63
Folie 63 von 65
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6) Lasertypen
Excimerlaser - Strahleigenschaften:
Prod. 21. Jh. - 64
Folie 64 von 65
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6) Lasertypen
Excimerlaser - Anwendungsbereiche:
Prod. 21. Jh. - 65
Folie 65 von 65
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Vorlesungsende
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Stephan Hunze
Technische Universität Dresden
Institut für Oberflächentechnik und Fertigungsmesstechnik
Lehrstuhl für Laser- und Oberflächentechnik
Tel.: 0351/463-33338
e-Mail: [email protected]
www.iof.mw.tu-dresden.de