Laser som "materialförintare"

Alla har vi sett den berömda scenen där James Bond, agent 007, ligger fastspänd på en bädd och tittar smått desperat mot hans eget mellangärde. Böjd över honom står ärkeskurken Goldfinger och hånskrattar samtidigt som han förklarar på vilket raffinerat sätt han tänker avsluta den berömda agentens liv. Det är nämligen så att mellan 007:s ben rör sig sakta en laser upp mot honom och denna laser skär rakt igenom hela den bädd som han är fastspänd på och kommer med stor sannolikhet att göra samma sak med Vår berömda agent.
Bild 6 James Bond hotas av Goldfingers Laser.

En otroligt spännande scen. Som naturvetare frågar man sig genast: kan en laser verkligen påverka materia på detta sättet? Detta avsnitt behandlar hur långt tekniken har kommit när det gäller att använda lasern som ett skärverktyg eller rent utav som ett vapen.

Laser inom metallindustrin

Man finner de mest spektakulära tillämpningarna inom industrin där man kan tala om lasern som 'förintelsestrålen', nämligen som svets- och skärverktyg. När man vill ha svetsfogar och metallytor gjorda med stor noggrannhet och jämnhet är lösningen att använda en laser. Det finns dock vissa problem, metaller reflekterar ljus väldigt bra varför det krävs väldigt höga effekter. Lasrar med optisk effekt på 5 kW (en "vanlig" peklaser har motsvarande optisk effekt på 0,1 mW) är inget ovanligt!

Laserskärning

Laserstrålens uppgift när man använder den för att skära, är att hetta upp materialet till en sådan temperatur att den smälter eller förgasas.

Lasertillskärning är väldigt materialbesparande eftersom strålen skär så smalt utan att omvandla värdefull metall till spån. Därför används laser bla för tillskärning av titan som är en dyr och svårsågad metall. Med laserskärning ges möjligheter att tillverka detaljer med konturer som tidigare inte varit möjligt annat än med metoder som stansning eller trådgnistning, vilka båda är dyrare respektive långsammare.

Material som annars är besvärliga att bearbeta, såsom rostfritt/syrafast stål, titan, glas, keramik mm, går snabbt och effektivt att skära.

I järnplåt är oxiderande skärning den enda användbara metoden. När strålen värmer upp materialet, förgasas det och oxideras till järnoxid. För att underlätta oxidering tillför man ren syrgas i snittet genom skärmunstycket. Oxideringsprocessen i sig ger en hel del värme som bidrar till att öka bearbetningshastigheten.

I högtrycksskärning, ersätter man syrgasen med en skyddsgas (normalt kväve) för att förhindra oxidering samtidigt som man låter gasstrålen blåsa bort det av laserstrålen smälta materialet. Detta innebär att man förlorar energitillskottet som syrets ger, varför skärhastigheten minskar dramatiskt.

Metodens namn kommer av att skyddgasen riktas mot snittet med väldig högt tryck, ibland upp till 25-30 bar. Det innebär att högtrycksskärning är en dyr metod pga av dels den höga gaskonsumtionen och dels den låga bearbetningshastigheten.

Att skära i extrema material såsom titan, som är ett material som är extremt hårt, går utmärkt att skära med laser. Det går dock inte att skära med syre, eftersom titan då kan bete sig som magnesium och helt enkelt brinna upp under stor rök- och värmeutveckling.

Av säkerhetsskäl bör man alltså endast skära titan med argon. Kväve fungerar inte särskilt bra, eftersom det förenar sig med titanet och ger dålig snittkvalitet.

Håltagning

Laser är också ett utmärkt verktyg för håltagning tex i diamanter som med konventionell teknik kan ta upp till dagar. Med en pulsad koldioxidlaser tar det några sekunder. Laser lämpar sig särskilt bra för upptagning av små hål på några tiondelars mm eftersom det är väldigt svårt att borra så små hål med konventionell teknik.

Nackdelarna består i att i vissa material blir hålen koniska, eftersom strålen fokuseras med en lins och därigenom blir konisk. Använder man högre effekter, vilket man är tvungen till vid tex metallbearbetning, blir temperaturerna oftast så höga att materialet totalt förgasas.

Det finns användningsområden för laser till materialbearbetning i mer vardagliga sammanhang som de flesta kanske inte känner till. Man använder lasrar för att ta hål på munstyckena till vanliga sprayflaskor och även mjukare ämnen som gummi och papper är ibland lämpligt att bearbeta med laser. Hålet i toppen på nappflaskan görs med laser och likaså de små hålen (diam. ca 0.25 mm) som finns i cigarettpapper för att reglera förbränningen för att på så sätt hålla mängden tjära på en så låg nivå som möjligt.

Svetsning

En tillämpning som kommer mer och mer, är lasersvetsning. Om man fokuserar laserstrålen lite ovanför materialet och blåser ut en skyddsgas mot ämnet istället för syrgas, vilket ju är fallet med skärning, så kommer materialet att smälta utan oxidation. Man kan då istället sammanfoga material ungefär som vid lödning, eller ännu mer likt, som vid TIG-svetsning.
Bild 7 Lasersvetsning.

Laser som vapen

Man räknar med att i framtiden kunna använda lasrar för att förblinda militära satelliter genom att bränna sönder dess antenner och kameraögon med en kraftig laser. Det är alltså inte fråga om att förgasa hela satelliten utan endast sätta den ur spel. Samma teknik kan användas för att sätta robotar för sjö-, luft- eller pansarmål ur spel. USA:s Strategic Defense Initiative (SDI), det som kommit att kallas "Stjärnornas krig", har innan dess nedläggning givit upphov till många fantastiska, men också skrämmande, laserkonstruktioner. Det hela gick ut på att snabbt detektera och oskadliggöra angripande robotar vid ett kärnvapenkrig. De angripande robotarna skulle förstöras mha jättelika lasrar, antingen placerade på jorden eller också uppe rymden. Laserstrålen riktas mot robotarna med stora speglar uppe i rymden.

I detta perspektiv var inte tanken långt borta ifrån att skapa stora lasrar uppe i rymden som medelst en extremt kraftig puls skulle kunna förinta en hel stad. Småskaliga experiment har genomförts och man har lekt med tanken att placera extremt kraftiga 'engångslasrar' i rymden riktade mot storstäder i motståndarens land. Dessa lasrar ska i sådana fall exciteras med en atombombsladdning, enda sättet att få ut tillräckligt stor energimängd.

Man experimenterar också med kemiska lasrar som använder sig av förbränning av väte och fluorgas, som när det brinner bildar exciterat fluorväte som placerat mellan resonatorspeglar ger extremt kraftiga lasringar. Det har också på senare tid uppkommit försök med kemiska CO2-lasrar, som 'eldas' med CO och O2. Det är mycket hemlighetsmakeri kring detta, men det står klart att man kan få ut effekter i storleksklassen 5 MW i upp till en halv sekund åt gången. Ett exempel på dessa

konstruktioner är amerikanska Marinens 'Miracle'-laser, som först var avsedd till att i fartygsbaserad tjänst oskadliggöra robotar, men sedermera blev överförd till SDI.

Tillbaka till James Bond.......

Så Goldfingers laserskärare som för 25 år sedan sågs som rena science fiction, är idag ingen orimlighet. Visserligen skär man inte igenom stora bänkar, men tunna plåtar, diamanter och andra material klarar vi nu av. Det största problemet när det gäller kraftigare lasrar är den stora energiåtgången. Men med de stora framsteg som görs idag ligger en lösning på detta säkert inte långt borta. Det blir väl som många stora uppfinningar att dessa lasrar först blir vapen, vilket vi människor är mycket bra på att skapa.
Bild 8 James Bond