Laserele diferă de lumina obișnuită prin faptul că sunt formate din fotoni, toți având aceeași frecvență și fază (coerență). Capacitatea unui laser de a produce lumină coerentă se bazează pe principiul că fotonii de lumină pot stimula electronii atomilor și, în consecință, pot emite fotoni de frecvență identică. Mecanismele de bază necesare pentru producerea luminii laser includ stimularea, amplificarea și inversarea populației și au fost descrise în detaliu în (Chryssolouris 1991).

Prelucrarea cu laser face parte din familia largă a proceselor de îndepărtare a materialului sau de prelucrare. Prelucrarea cu laser este procesul de îndepărtare a materialului realizat printr-un fascicul laser și interacțiunile cu materialul țintă. Astfel de procese de prelucrare transportă energia fotonică în materialul țintă sub formă de energie termică sau fotochimică și îndepărtează materialul prin topire sau prin vaporizare/ablație directă. Procesele de prelucrare convenționale se bazează pe solicitările mecanice induse de scule pentru ruperea legăturilor materialului. Această diferență de bază în mecanismul de îndepărtare a materialului precizează avantajele și dezavantajele prelucrării cu laser, în comparație cu cele ale proceselor tradiționale de prelucrare.

Laserele pot fi utilizate în multe procese de prelucrare industrială pentru o varietate de materiale, inclusiv metale, ceramică, sticlă, materiale plastice și compozite. Fasciculele laser, folosite ca unelte de prelucrare, nu sunt însoțite de probleme precum uzura sculei, ruperea sculei, zgomotul, deformarea mașinii și deteriorarea materialului indusă mecanic, fenomene care sunt de obicei asociate cu procesele tradiționale de prelucrare (Chryssolouris 1991; Kempfer 1995; Chryssolouris et. al. 1988a). Scopul acuratețea cu laser este ca rata de îndepărtare a materialului, calitatea suprafeței și precizia dimensională să fie maximizate pentru ca o piesă sau un produs de înaltă calitate să fie fabricat economic. Prelucrarea cu laser permite o mare flexibilitate, deoarece fasciculul laser este manipulat optic și ar putea duce la implementarea de găurire, tăiere, scriere, placare, procese de sudare și tratare termică într-o singură configurație pe o singură mașină, unde diferitele procese sunt executate doar prin modificarea parametrilor procesului. Prelucrarea cu laser, printre alte aplicații, este utilizată în industrie pentru a produce caracteristici unidimensionale în paletele turbinei, camerele de ardere și duzele de aerosoli, forme complicate bidimensionale în piesele de prelucrat sau substraturi marcate pentru răcire și etichete de identificare în piesele finite (Hutfiess et al. 1995; Kikuchi). și colab. 1995; Hecht 1994; Ziegert și Mize 1994; Katsuki și colab. 1994; Poprawe și colab. 1995). Aceste aplicații, totuși, se află în diferite stadii de dezvoltare și exploatare industrială. Unele dintre ele nu prezintă nicio exploatare semnificativă, fie pentru că nu oferă suficiente avantaje față de procesele concurente sau pentru că nu sunt încă dezvoltate și dovedite adecvat pentru uz industrial. Utilizarea industrială a unor aplicații de prelucrare pe bază de laser este, de asemenea, dictată de o dezvoltare suplimentară a surselor laser îmbunătățite și rentabile (Haferkamp și Seebaum 1994; Firestone și Vesely Jr 1988; Hugel și colab. 1994; Leidinger și colab. 1995). Un sistem tipic de prelucrare cu laser este complex, sursa laser fiind totuși componenta cea mai critică. Pe baza mediului laser utilizat, sursele laser pot fi clasificate în solide, lichide sau gazoase fie într-o undă continuă (continuous wave = CW), fie în modul pulsat (pulsed mode = PM). În zilele noastre, deși există o varietate de surse laser diferite (Tabelul 1), cele mai frecvente utilizate în prelucrare sunt laserele CO2, Nd:YAG și excimer. Intensitatea puterii fasciculului poate varia, de asemenea, de la 10⁹ W/cm² la 10¹⁵ W/cm².

Interacțiunea fascicul laser și materialul piesei de prelucrat

Prelucrarea cu laser este un proces termic extrem de, spațial și temporal, localizat. În timpul interacțiunii fascicul-material, o anumită parte a energiei luminii incidente este absorbită de material (absorbția fotonului) și se dezvoltă o temperatură ridicată în vecinătatea punctului fasciculului, rezultând înmuierea materialului, cedarea locală, topirea, arderea sau evaporare. Pe lângă efectele termice, interacțiunile laser-material pot fi asociate cu procese fotochimice, și anume, fotoablația materialului. Efectele interacțiunii laser-material sunt prezentate schematic în Fig. 1.

În funcție de materialul de prelucrat, de intensitatea puterii fasciculului laser, de dimensiunea spotului, de distribuția fasciculului și de viteza de scanare, în cazul mișcării relative între fascicul și piesa de prelucrat, pot fi observate o serie de efecte (Chryssolouris 1991; Chryssolouris și colab. 1988a; Chryssolouris și colab. 1997; Choi și Chryssolouris 1995; Haferkamp și Seebaum 1994), cum ar fi:

Efecte mecanice. În cazul unei intensități moderate a puterii laserului și al vitezei de scanare destul de ridicate, creșterea temperaturii suprafeței piesei afectate de laser este de obicei sub punctul de topire al materialului. Ca rezultat, piesa de prelucrat este încălzită local, materialul se înmoaie și apar gradienți de stres termic. În consecință, pot apărea cedarea locală, pierderea rigidității, fisurarea termică sau flambajul local.

Efecte de schimbare a fazei. Intensitatea puterii laserului poate crește temperatura suprafeței piesei afectate cu laser peste punctul de topire al materialului, suficient de mare pentru a schimba faza și poate duce la topirea sau evaporarea materialului.

Interacțiuni fizico-chimice. În funcție de materialul de asistență utilizat în proces (de exemplu, gaz, lichid, pulbere, grafit etc.), care îl influențează (adică, răcește, îndepărtează topește, reacționează etc.), pot avea loc reacții fizico-chimice simultane între materialul de asistență și piesa de prelucrat, dacă acestea sunt reactive chimic. Aceasta are ca rezultat activarea diferitelor fenomene precum arderea, sinterizarea, lipirea, alierea etc.

În orice operație de prelucrare cu laser, apar unul sau mai multe dintre fenomenele menționate mai sus. Modelele analitice și numerice ajută la înțelegerea prelucrării cu laser, dar încă mai sunt multe întrebări de răspuns. În funcție de mecanismul implicat în timpul interacțiunii fascicul-material, procesele laser pot fi împărțite aproximativ în procese de îndepărtare a materialului, procese de îmbinare sau aditive și procese de modificare.