ایرن‏آن

ليزر
واژه ليزر از سر كلمه‌هاي انگليسي در عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معني «تقويت نور به روش گسيل القايي تابش» است.

اين ماده پرتو نور را كه به وسيله يك منبع انرزي بيروني (از نوع الكتريسيته يا نور) به وجود آمده، تقويت مي‌كند.

مباني نظري ليزر را آلبرت ايشتين در سال 1916 ميلادي طي مقاله‌اي مطرح كرد ولي سال‌هاي نسبتاً زيادي طول كشيد تا صنعث و فناوري امكان ساخت اولين ليزر را فراهم كند. در سال 1953 چارلز تاونز ميزر (تقويت‌كننده موج ميكروويو) را اختراع كرد و مي‌خواست آزمايشات خود زا حول جايگزيني نور مرئي به جاي مادون قرمز ادامه دهد و هم‌زمان اين امر بين آزمايشگاه‌هاي مختلف در سراسر جهان به عنوان رقابتي جدي در نظر گرفته شد كه عبارت ليزر در همان زمان در مقاله‌اي از گوردون هولد، دانشجوي دكتراي دانشگاه كلمبيا، پيشنهاد شد و در سال 1960اولين ليزر (كه با موفقيت كار كرد) توسط تئودور ميمن (Theodore H. Maiman) ساخته شد. و اولين ليزر گازي(با استفاده از هليوم و نئون) هم توسط علي جوان فيزيكدان ايراني در همان 1960 ساخته شد. نخستين بار طرح اوليه ليزر (ميزر) توسط انيشتن داده شد،كار ليزر به اين گونه‌است كه با تابش يك فوترون به يك ذره (اتم يا مولكول يا يون)برانگيخته يك فوترون ديگر نيز آزاد مي‌شود كه اين دو فوترون با هم همفركانس مي‌باشند در صورت ادامه اين روند تعداد نوترونها افزايش مي‌يابند كه مي‌توانند باريكه‌اي از فوتونها را به وجود بياورند.


كاربرد ليزر در پزشكي : چاقوي ليزري ، مته ليزري و ...

كاربرد ليزر در صنعت : جوشكاري ليزري ، برشهاي ليزري ، برش الماس ، مسافت ياب ليزري و ...

كاربردهاي نظامي : ردياب ليزري ، تفنگ ليزري و ...

كاربردهاي آزمايشگاهي و تحقيقاتي:اندازه گيري ، سنتز مواد و ...

انواع ليزر

تقسيم بندي از روي تنوع :
- ليزر هاي حالت جامد، بلوري يا شيشه اي - ليزرهاي گازي - ليزرهاي نيمرسانا - ليزرهاي الكترون آزاد - ليزرهاي رزينه اي رنگين - ليزرهاي شيميايي - ليزرهاي مركز رنگي - پرتو X

عناصر اساسي ليزر
ابزار ليزريك نوسانگر اپتيكي است كه باريكه ي بسيار موازي شده ي شديدي از تابش همدوس را گسيل ميكند.اين ابزار اساسا از 3 عنصر ساخته شده است: چشمه ي انرژي خارجي يا دمنده ، محيط تقويت كننده ، و كاواك اپتيكي يا تشديدگر.

دمنده
دمنده يك چشمه ي انرژي خارجي است كه واروني جمعيت را در محيط ليزري به وجود مي آورد. تقويت موج نور يا ميدان تابش فوتون تنها در يك محيط ليزري كه در آن واروني جمعيت بين دو تراز انرژي وجود داشته باشد روي مي دهد.(براي اينكه ليزر كار كند لازم است تعداد اتمهاي N2 در تراز انرژي E2 از تعداد اتمهاي N1 در تراز انرژي E1 بزرگتر باشد.اين وضعيت را واروني جمعيت مي نامند.) واروني جمعيت و گسيل القائي با هم در محيط ليزري كار مي كنند و باعث تقويت نور مي شوند. در غير اين وضعيت موج نور عبور كننده از محيط ليزري تضعيف خواهد شد.
دمنده ها مي توانند از نوع اپتيكي ، الكتريكي ، شيميايي يا گرمايي باشند به شرط اين كه انرژي لازمي را فراهم كنند كه بتواند با محيط ليزري براي برانگيختن اتمها و ايجاد واروني جمعيت لازم همراه شود.
در ليزر هاي گازي مانند He-Ne ، دمنده اي كه از همه بيشتر به كار مي رود از نوع تخليه ي الكتريكي است. عوامل مهم حاكم بر اين نوع دمش مقطع هاي برانگيزش الكتروني و طول عمرهاي ترازهاي انرژي مختلف هستند. در بعضي از ليزرهاي گازي ، الكترون هاي آزادي كه در فرايند تخليه توليد شده اند با اتمها ، يونها يا مولكول هاي ليزر مستقيما برخورد و آنها را برانگيخته مي كنند . در ساير ليزرها ، برانگيزش توسط برخوردهاي ناكشسان اتم-اتم ( يا مولكول-مولكول) روي مي دهد.


محيط ليزري

محيط تقويت كننده يا محيط ليزري يك قسمت مهم از ابزار ليزر است . بسياري از ليزرها از روي نوع محيط ليزري به كار رفته در آنها نامگذاري مي شوند ، بعنوان مثال ، هليم-نئون (He-Ne ) ، دي اكسيدكربن (Co2 ) و نئوديميم : نارسنگ ايتريم آلومينيم (Nd:YAG) . محيط ليزري ، كه مي تواند گاز،مايع يا جامد باشد ، طول موج تابش ليزري را تعيين مي كند.
مهمترين لازمه ي محيط تقويت كننده توانايي آن براي ايجاد واروني جمعيت بين دو تراز انرژي اتمهاي ليزري است.اين وضعيت با برانگيختن ( يا دميدن ) اتمهاي بيشتري به تراز انرژي بالاتر نسبت به اتمهاي موجود در تراز پايين تر تحقق مي يابد.( چنانكه معلوم شده است ، حتي با دمش قوي ، به علت اختلاف زياد طول عمرهاي ترازهاي انرژي اتمهاي قابل استفاده ، تنها جفت هاي مشخصي از ترازهاي انرژي با طول عمرهاي خودبه خودي مناسب را مي توان " وارون " كرد.

تشديدگر
يعني يك "ابزار پسخور " اپتيكي كه فوتون ها را در محيط ( تقويت كننده ي ) ليزري به جلو و عقب ميراند. اين تشديدگر يا كاواك اپتيكي ، از يك جفت آينه ي تخت يا خميده تشكيل شده است كه دقيقا همرديف شده اند و مراكز آنها روي محور اپتيكي دستگاه ليزر قرار دارند. بازتابندگي آينه ي انتهايي بايد تا حد امكان نزديك به 100% باشد. آينه ي ديگر با بازتابندگي اندكي كمتر از 100% انتخاب مي شود تا قسمتي از باريكه ي بازتابنده ي داخلي بتواند ، بعنوان باريكه ي ليزري مفيد خروجي ، از آن عبور كند . هندسه ي آيينه ها و فاصله ي آنها تعيين كننده ي ساختار ميدان الكترومغناطيسي داخل كاواك ليزري هستند.
مناسب است كه تشديدگر ليزري را يك تشديدگر فابري-پرو با چند متغير در نظر بگيريم. در تشديدگر ليزري ، كاواك بطور كلي با آيينه هاي خميده بجاي آيينه هاي تخت محصور شده است ، و بجاي كاواك تهي كه مشخصه ي تشديدگر فابري-پرو است كاواك پر (يا تقريبا پر) از ماده ي بهره به كار ميرود. با وجود اين ، وضعيت تشديد براي مدهاي محوري (يا طولي) براي دو تشديدگر يكسان است.
توصيف ساده ي كار ليزر

اساسا ميدانيم كه فوتونها با انرژي تشديدي مشخصي بايد در كاواك ليزري توليد شوند ، بايد با اتمها برهم كنش كنند ، و بايد از طريق گسيل القائي تقويت شوند ، و تمام اينها در حين رفت و برگشت بين آينه هاي تشديدگر روي مي دهند.

در مرحله ي 1 انرژي از يك دمنده ي مناسب به محيط ليزري جفت ميشود.

اين انرژي به اندازه ي كافي هست تا بتواند تعداد زيادي اتم را از حالت پايه ي E0 به چندين حالت برانگيخته ، كه دسته جمعي با E3 نشان داده شده اند ، ببرد. همين كه اتمها در اين ترازها قرار گرفتند خودبه خود ، از طريق زنجيره هاي مختلف ، دوباره به حالت پايه ي E0 فرو مي افتند. اما بسياري از آنها سفر بازگشت را ترجيحا با يك فروافت بسيار سريع ( و معمولا بي تابش) از ترازهاي دمنده ي E3 به يك تراز بسيار خاص مانند E2 شروع مي كنند. اين فرايند فروافتادن در مرحله ي 2 نشان داده شده است. تراز E2 را "تراز ليزري بالاتر " مي ناميم. اين تراز به اين معني يك تراز خاص است كه طول عمر زيادي دارد. بنابراين ، وقتي اتمها از ترازهاي دمنده ي E3 به E2 سرازير مي شوند در اين تراز شبه پايدار ، كه به منزله ي تنگه عمل ميكند ، تدريجا جمع مي شوند. در اين فرايند ، N2 به مقدار زيادي افزايش مي يابد. وقتي تراز E2 مثلا با گسيل خودبه خودي فروافت مي كند ، به تراز E1 ، كه " تراز ليزري پايين تر " ناميده مي شود ، فرو مي افتد. تراز E1 يك تراز عادي است كه سريعا به حالت پايه فرو مي افتد و در نتيجه جمعيت N1 نمي تواند چندان زياد شود. اثر نهايي عبارت است از واروني جمعيت ( N2 > N1 ) كه براي تقويت نور از طريق گسيل القائي لازم است.

همينكه واروني جمعيت برقرار شد اگر فوتوني با انرژي تشديدي h = E2 ? E1 از كنار يكي از اتمهاي N2 كه در تراز ليزري بالاتر هستند بگذرد ( مرحله ي 3 ) گسيل القائي مي تواند روي بدهد . با وقوع گسيل القائي ، تقويت ليزري شروع مي شود.

شكل (الف ) اساسا همين كنش را بر حسب رفتار اتمها در محيط ليزري و جمعيت فوتون در كاواك نشان مي دهد. در ( الف ) محيط ليزري واقع در آيينه هاي تشديدگر اپتيكي نشان داده شده است. آيينه ي 1 اساسا 100% بازنابنده است ، در حاليكه آيينه ي 2 بطور جزئي بازتابنده و بطور جزئي ترا گسيلنده است . بيشتر اتمها در محيط ليزري در حالت پايه اند . اين حالت با نقطه هاي سياه نشان داده شده است. در ( ب ) ، انرژي خارجي ( نور ناشي از درخشزن يا از تخليه ي الكتريكي ) به محيط دميده مي شود و بيشتر اتمها را به ترازهاي برانگيخته ( E3) بالا مي برد. حالت هاي برانگيخته با دايره نشان داده شده اند . در فرايند دمش ، واروني جميت برقرار مي شود . فرايند تقويت نور در (ج) ، وقتي اتمهاي بر انگيخته ( تراز E2 ) خودبه خود به تراز E1 فرو مي افتد ، شروع مي شود . چون اين يك گسيل خودبه خودي است فوتون هاي توليد شده در اين فرايند بطور كاتوره اي در تمام راستا ها منتشر مي شوند. بنابراين ، بسياري از آنها با عبور از جدار جانبي كاواك ليزر از دست مي روند. با اين همه ، بطور كلي چند فوتون -كه آنها را فوتونهاي "بذر " مي ناميم- در راستاي محور اپتيكي ليزر انتشار مي يابند. اين در شكل (ج) با پيكانهايي كه عمود بر آينه هستند نشان داده شده اند. با وجود فوتونهاي بذر با انرژي (تشديدي) صحيح كه دقيقا در بين آينه ها جهت گرفته اند و مقدار بسياري اتم N2 كه هنوز در حالت وارون E2 هستند ، مرحله ي گسيل القائي شروع مي شود. همچنانكه فوتونهاي بذر از كنار اتمهاي وارون N2 مي گذرند، گسيل القائي فوتونهاي يكساني را در همين راستا اضافه مي كند، و در نتيجه جمعيت دائما افزايش يابنده ي فوتونهاي همدوسي كه بين آينه ها به جلو و عقب بازتابيده مي شوند فراهم مي آيد. اين فرايند سازندگي ، كه در شكلهاي (د) و (ه) نشان داده شده است، تا وقتي اتمهاي وارون و فوتونهاي انرژيِ تشديدي در كاواك وجود داشته باشند ادامه مي يابد. چون آينه ي خروجيِ 2 تا حدي شفاف است، كسري از فوتونهاي فرودي به اين آينه از آن عبور مي كنند. اين فوتونها باريكه ي ليزري خارجي را كه در شكل (و) نشان داده شده است تشكيل مي دهند. آن فوتونهائي كه از آينه ي خروجي بازتابيده مي شوند، حركت رفت و برگشت را در ماده ي بهره ي كاواك تكرار مي كنند.

خواص باريكه ي ليزر
1- نور ليزر تكفام است.
2- همدوس است.
3- جهت مند است.
4- درخشان است.(درخشائيِ يك چشمه ي امواج الكترومغناطيسي عبارت است از توان گسيل شده از واحد سطح چشمه در واحد زاويه فضائي.)

كاربردهاي ليزر

كاربرد در فيزيك و شيمي ،

كاربرد در زيست شناسي و پزشكي ،

كاربرد در فرآوري مواد ،

كاربرد در ارتباطات نوري ،

كاربرد در اندازه گيري و بازرسي ،

كاربرد در گداخت گرما هسته اي ،

كاربرد فرآوري اطلاعات نوري و ضبط آنها ،

كاربردهاي نظامي ،

تمام نگاري (هولوگرافي) ،

كاربردهاي صنعتي و الكتريكي.

برشهاي ليزري
ليزر در برش انواع مواد مانند فلزات و مواد غير فلزي همچون كامپوزيت‌ها كاربرد دارد. روش كلي كار بدين صورت است كه ابتدا پرتو ليزر را به‌وسيله لنزي متمركز كرده سپس بر روي ماده مورد نظر مي‌‌تابانند وبريدگي تقريبآ به اندازه قطر پرتو متمركز گرديده ايجاد مي‌گرددو در حين كار از يك گاز كمكي نيز به منظور سرد كردن قطعه كار ونيز زدودن فوري زائده‌ها استفاده مي‌شود. از انواع گازهايي كه به عنوان گاز كمكي استفاده مي‌گردد مي‌توان از اكسيژن و نيتروژن و يا آرگون نام برد.

چاقوي ليزري

چاقوي ليزري وسيله‌اي است براي برش با استفاده از ليزر توسط جراحان.

جوشكاري ليزري

جوشكاري توسط پرتو ليزر در توليدات صنعتي بشكل روزافزوني در حال گسترش است و دامنه? استفاده? آن از ميكرو الكترونيك تا كشتي سازي گسترده شده است. توليد انبوه خودكار در اين بين از بيشترين توسعه برخوردار گشته‌اند كه اين پيشرفتها را مي‌توان مرهون عوامل زير دانست:
حرارت ورودي محدود منطقه حرارت پذيرفته كوچك ميزان ناصافي اندك سرعت بالاي جوشكاري اين خصوصيات جوشكاري ليزري را گزينه منتخب بسياري از قسمتهاي صنعتي كرده كه از جوشكاري مقاومتي در گذشته استفاده ميكردند. با توجه به خصوصيات منحصر به فرد اين روش مي‌توان بكارگيري گسترده آنرا در زمينه كاربردهاي مختلف انتظار داشت.

فرآيندهاي تركيبي كه از تركيب ليزر و قوس MIG استفاده مي‌كنند براي قرار گرفتن بر سطحي كه بايستي جوشكاري در آن انجام شود طراحي شده اند. علاوه بر اين تجهيزات ويژه بكار گرفته شده بشكل قابل توجهي ابزارهاي مورد نياز براي آماده سازي لبه مورد نظر براي جوشكاري را كاهش مي‌دهند. آلياژهايي كه براي سيمهاي پر كننده در قسمت درز گيري بكار ميروند باعث يكدست شدن فيزيكي آن ناحيه ميشوند. علاوه بر اين فرآيندهاي تركيبي بكار گرفته شده قادر اند سرعت انجام كار را بشكل قابل توجهي افزايش دهند. همچنين در نفوذ عمقي و درزگيري كلي هم موثرند. پيشرفتهاي بي نظير اخير در زمينه ديودهاي ليزري موقعيت جديدي را براي حل مشكلات هميشگي صنعتي فراهم كرده است. البته بايد در نظر داشت كه اين فرآيندها براي همگون شدن با قسمتهاي مورد نظر بايستي بشكلي اختصاصي تغيير يابند.


ليزرهاي دي اكسيد كربني قدرتمند(2-10kW) در حال حاضر در جوشكاري بدنه اتومبيلها، قسمتهاي حمل و نقل، مبادله كننده‌هاي حرارتي و پر كردن حفره‌ها مورد استفاده قرار ميگيرند. سالها ليزرهاي ياقوتي كمتر ازw500براي جوش بخشهاي كوچك مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. براي مثال قسمتهاي كوچك و ظريف ابزارهاي پزشكي، بسته‌هاي الكترونيكي و حتي تيغ هاي اصلاح صورت. ليزرهاي ياقوتي چند كيلوواتي از گذراندن پرتو از فيبرهاي نوري استفاده ميكردند. اينكار بسادگي توسط روبوت ها انجام مي‌شد و دامنه وسيعي از كاربردهاي سه بعدي مثل برش ليزري و جوش بدنه اتومبيلها را ممكن ميكرد.
پرتو ليزر در نقطه كوچكي متمركز مي‌شود و باشدتي كه در آن نقطه ايجاد مي‌كند باعث ذوب و حتي بخار كردن فلز مي‌شود. براي تمركز نيروي ليزرهاي دي اكسيد كربني قدرتمند، آينه‌هاي خنك شونده توسط آب بجاي عدسي ها مورد استفاده قرار مي‌گرفتند. جوشكاري بطور كلي به دو شكل انجام مي‌شود. در شكل هدايتي جوشكاري، حرارت از طريق هدايت گرمايي به فلز منتقل مي‌گردد. اين روش مختص ليزرهاي ياقوتي نسبتا كم انرژي تر است كهم معمولا جوشكاري هاي كم عمق تر با آنها انجام مي‌شود. جوشكاري با ليزرهاي پر انرژي معمولا در پر كردن حفره‌ها مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين قسمت است كه ذوب و تبخير فلز اتفاق مي‌‌افتد.

ليزر گازي
ليزر گازي, ليزري است كه درآن جريان الكتريكي ،براي توليد نور، در يك گاز تخليه مي‌شود. علي جوان مخترع اين نوع ليزر اولين بار با كمك گاز هليوم و نئون موفق به ساخت اين دستگاه شد. تئوري ساخت ليزر CO2 :

اجزاي سازنده ليزر CO2 با جريان گاز
تيوپ ليزر آينه هاي ليزر منبع گاز CO2 و N2 و He پمپ خلا منبع ولتاژ بالا آند و كاتد سيستم خنك كننده پيچ ها و پايه هاي تنظيم
در ادامه به برسي هريك از اجزاي ليزر به طور مجزا مي پردازيم و با ارائه آمار و ارقام و روش هاي پيشنهادي ، تئوري كاملي از ساخت ليزر CO2 با جريان گاز ارائه خواهيم داد .

سيستم خلا و گازهاي ليزر

همان طور كه در طرح ساخت بيان شد ، از سيستم جريان گاز با تخلي الكتريكي ولتاژ بالا استفاده مي شود. در ادامه نكات مهمي در مورد راه اندازي سيتم خلا و جريان گاز بيان مي شود
- تمام هواي داخل لوله بايد تخليه شود . تخليه بايد تقريبا به طور كامل انجام شود چرا كه وجود هواي پس ماند در لوله باعث ضعيف شدن پرتوي خروجي يا عدم خروجي ليزر مي شود. - هر گونه آلودگي را از روي تيوپ ليزر پاك كنيد چرا كه ممكن است باعث اختلال در پرتوي خروجي شود . توجه شود كه برخي از مواد خلا مانند گريش و مواد پوشاننده درز ها مشكلي ايجاد نمي كند. - فشار گاز ليزر را به صورت تكي يا مخلوط ، چه در ابتداي كار و چه به هنگام عمل ليز كنترل كنيد .

درصد تركيب گاز ها در ليزر co2 به صورت زير است:

گاز ها
حجم (ليتر)
فشار (بار) دي اكسيد كربن 16% تا 4%
7930 – 280
167 - 2400 نيتروژن 20% تا 10%
5664 – 200
2124 - 75 هليوم به ميزان تعادل
2124 – 75
146 - 2100

با توجه به نقشه ساخت ليزر به صورت زير عمل مي كنيم . ابتدا ورودي گاز ليزر را ميبنديم و سپس از طرف ديگر توسط پمپ تخليه كاواك را به طور كامل تخليه مي كنيم . منبع گاز را با توجه با جدول بالا پر ميكنيم و سپس آن را به ورودي كاواك متصل مي كنيم . سپس شير ورودي را باز كرده تا مخلوط گاز وارد كاواك شود به منظور برقرار كردن جريان گاز در طول كاواك بايد خروجي ليزر را به پمپ خلا متصل كنيم تا با مكشي كه ايجاد ميكند ، گاز در طول لوله جريان يابد . راه ديگر براي ايجاد جريان گاز اين است كه خروجي كاواك را به يك مخزن خالي گاز با فشار كمتر از مخزن ورودي متصل كنيم . توجه شود كه بايد مسير جريان گاز در طول لوله از آند به كاتد باشد تا تخليه الكتريكي هم مسير با عبور جريان انجام شود . لوله هايي كه مخزن گاز و پمپ خلا را به ليزر متصل مي كنند بايد انعطاف پذير باشند . محل اتصال لوله ها به ليزر بايد كاملا عايق بندي شود تا هيچ گونه نشط به بيرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .

تيوپ ليزر

مهمترين قسمت ليزر co2 تيوپ آن مي باشد . تيوپ هاي ليزر را معمولا از جنس لوله تخليه پلاسما يا از جنس شيشه مي سازند . اما كاواك هاي شيشه اي مرسو تر هستند زيرا دست رسي و ساخت آنها آسان تر است . بهترين شيشه به منظور ساخت كاوا ليزر ، شيشه پريكس نسوز است كه در مقابل تغيير دما مقاومت بالايي دارد . چرا كه سيستم ليزر با توليد گرماي زيادي همراه است. با توجه به طرح ساخت ، طول تيوپ ليزر را 45 سانتي متر و قطر مقطع آن را 2.5 سانتي متر در نظر مي گيريم . جهت اتصال لوله هاي ورودي و خروجي گاز ، دو سوراخ در قسمتهاي ابتدا و انتهاي تيوپ ليزر تعبيه مي كنيم يا اينكه تيوپ را به هنگام ساخت به گونه اي مي سازيم كه قابليت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهاي ان وجود داشته باشد. تيوپ ليزر ابتدا در يك لوله شيشه اي بزرگتر كه همان لوله سيستم خنك كننده است قرار مي گيرد و سپس بر رويه پايه هاي نگه دارنه ليزر محكم مي شود.

سيستم خنك كننده

از انجا كه عمل ليز گرماي زيادي ايجاد مي كند و توان ليزر را تا حد زيادي كاهش مي دهد پس بايد به فكر راهي براي خنك كردن تيوپ ليزر و آينه ها باشيم. يك روش خنك كردن سيستم استفاده از جريان گاز مي باشد . و روش ديگر استفاده از سيستم خنك كننده ي گردش آب مي باشد . به اين منظور بايد كاواك را در يك لوله شيشه اي بزرگ قرار دهيم . طرز كار به گونه اي است كه تيوپ ليزر در وسط لوله بزرگتر قرار دارد و آب از اطراف آن جريان مي يابد و آن را خنك مي كند. جهت اجاد جريان اب در سيستم خنك كننده بايد دو سوراخ در لوله شيشه اي بزرگ به منظور اتصال لوله هاي ورودي و خروجي آب تعبيه كنيم . و با اتصال آن از طريق لوله ها به يك پمپ ، آب را از يك مخزن درون لوله شيشه اي به جريان بيندازيم . جهت پمپ آب ميتوان از پمپ آكواريوم يا پمپ كولر هاي آبي استفاده كرد كه اب را از يك منبع به داخل سيستم خنك كننده جريان مي دهند. در بستن لوله هاي آب و سيستم خنك كننده به هم سعي شود تا هيچگونه نشط آب به بيرون وجود نداشته باشد.
طبق طرح طول لوله شيشه اي سيستم خنك كننده 30 سانتي متر و قطر آن 5 سانتي متر مي باشد .

آينه ها و نصب آنها در ليزر

همانطور كه در قسمت تشديد كننده هاي نوري بيان شد براي افزايش توان ليزر و موازي كردن مسير بازتاب پرتوها در كاواك از آينه هايي با درصد بازتابش بالا استفاده مي شد تا فوتونها بتوانند بين دو آينه بازتاب كننده براي جلوگيري از تلفات به دليل جلوگيري از پراش در لبه هاي آينه ها از سيستمي استفاده مي شود كه در آن يك آينه تخت با در صد بازتابش تقريبا 100% و يك آينه مقعر با در صد بازتابش تقريبا 90%در دو طرف كاواك تعبيه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آينه مقعر با بازتابش 90% مي باشد. از آنجا كه خروجي ليزرهاي co2 در محدوده 10.6 ميكرون است از قطعات اپتيكي مثل شيشه و يا كوارتز جهت ساختن آينه هاي ليزر نمي توان استفاده كرد .چون اين مواد در محدوده 10.6 جذب زيادي دارند بنابراين خروجي ليزر را به شدت كاهش مي دهند و در اثر گرماي زيادي كه در اثر فرايند جذب در آنها ايجاد مي شود ممكن است بشكنند يا ذوب شوند. بنابراين براي ساختن آينه هاي ليزر از موادي مانند ژرمانيوم – گاليوم - آرسنايد- سولفيد روي- طلا و هالوژن ها مي توان استفاده كرد. در ميان اين آينه ها هالوژنها كمترين جذب را دارند ولي جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشكلاتي را فراهم مي كند. آينه هاي فلزي با در صد بازتاب 100% نيز مي توانند براي استفاده در اين طول موجها مورد استفاده قرار گيرند. ما در ساخت ليزر co2 با جريان گاز از آينه ژرمانيوم و طلا استفاده مي كنيم. به اين صورت كه آينه تخت را از جنس آينه ژرمانيوم و آينه مقعر را از جنس آينه طلا انتخاب مي كنيم.
تقريبا بيشترين هزينه در ساخت ليزر co2 مربوط به تهيه آينه هاست. لازم به تذكر است كه آينه مقعر طلا كه مورد استفاده قرار مي گيرد داراي شعاع انحناي cm 120 بايد باشد در ضمن خروجي ليزر هم از همين آينه هاست. نكته ديگري كه بايد هنگام تهيه آينه ها در نظر گرفت اين است كه آينه ها بايد از طرف جلوي آينه پوشش داده شده باشند يعني پوشش طلا يا ژرمانيوم بايد بر روسي سطح ِنه باشد نه پشت آينه. در صورتي كه در تهيه آينه طلا با مشكل مواجه شديم مي توانيم از آينه آلومينيوم نيز استفاده كرد. گاهي اوقات نيز در ساخت آينه ها سطح آينه را با استفاده از چند ماده مختلف با در صد بازتابش بالا در طول موجهاي متفاوت استفاده مي شود. ولي ضخامت پوش هر ماده بر روسي سطح آينه برابر با نصف طول موج نوري است كه آينه براي آن طراحي شده است. در انتخاب آينه مقعر بايد توجه كرد كه شعاع انحناي آن بايد بزرگتر از طول كاواك ليزر باشد. در ادامه جدولي از آينه ها و اطلاعات مربوط به آن ارائه شده است.

نصب آينه ها و پيچهاي تنظيم

نصب آينه ها به صورت ثابت ولي حركت در دو انتهاي كاواك ممكن است مشكلاتي از قبيل عدم موازي بودن پرتوها و يا ضعيف شدن توان خروجي ليزر براي ما ايجاد كند. بنابر اين بهترين كار اين است كه آينه ها را بر روي پايه هاي متحرك با پيچ تنظيم نصب كنيم تا بتوانيم ان را به راحتي حركت داده و تنظيم كنيم. از انجا كه تهيه يك تنظيم كننده ايدهآل كه با سيستم خلا كاواك ليزر سازگار باشد بسيار هزينه بر است پس يك راهكار پيشنهادي ارائه مي كنيم. مطابق شكل ارائه شده با دوقطعه فلز در ابتدا ، نگهدارنده اي براي آينه ها مي سازيم و براي تعبيه پيچ هاي تنظيم دو سوراخ در آنها ايجاد مي كنيم .براي اتصال اينه ها به كاواك خلا ، به ورقه اي از جنس آلومينيوم انعطاف پذير نياز داريم . فويل الومينيوم را به صورت زيگ زاگ مطابق شكل به صورت استوانه اي كه قطر سطح مقطع ان برابر با قطر كاواك است شكل مي دهيم و لبه هاي آن را توسط چسب قابل انعطافي مانند چسب آكواريوم به هم مي چسبانيم . سپس يك انتهاي استوانه انعطاف پذير ساختگي خود را به آينه مي چسبانيم و طرف ديگر آن را به كاواك ليزر . با قرار دادن پيچ هاي تنظيم مطابق شكل پس از چك كردن عدم نشط گاز به بيرون با روشن كردن ليزر ، آينه ها را تنظيم مي كنيم . لازم به ذكر است كه اين سيستم بايد براي هر دو آينه تخت و مقعر به كار برده شود .

تنظيم پرتوي خروجي

جهت استفاده از پرتوي ليزر بايد قادر باشيم آن را در جهات مختلف هدايت كنيم. قبل از هر چيزي بايد از موازي بودن پرتو هاي خروجي اطمينان حاصل كنيم. براي اين منظور كاغذي را از وسط سوراخ كرده به گونه اي در جلوي كاواك ليزر قرار مي دهيم كه محور مركزي گذرنده از كاواك هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستكاري پيچ هاي تنظيم آينه ها پرتوي خروجي از ليزر را به گونه اي تنظيم مي كنيم تا از مركز سوراخ عبور كند . اكنون ما يك دسته پرتوي مستقيم داريم . از قبل لازم به ذكر است كه به دليل نوع اينه هاي استفاده شده و سيتم بازتابش رفت و برگشت فوتون بين دو آينه پرتوي خروجي يك پرتوي موازي است.اكنون مي خواهيم پرتو را با قطر هاي متفاوت بر روي نقطه مورد نظر متمركز كنيم. جهت اين كار مي توان از سيستم عدسي هاي مركب استفاده كرد . چند نمونه از سيتم هاي عدسي مركب به منظور هدايت پرتو در شكل نشان داده شده كه باتوجه به انها مي توانيم با استفاده از عدسي هاي گوناگون با فاصله كانوني ها وشعاع هاي انحناي مختلف پرتوي خروجي را به گونه اي كه تمايل داريم هدايت كنيم .
نكته ي ديگر در تنظيم پرتوي خروجي استفاده از پهن كننده پرتو است . پهن كننده ها شعاع پرتو هاي نوري را افزايش داده و ما ميتوانيم با عبور دسته پرتوي گسترده تر از عدسي ، سطح كانوني كوچك تري بدست آوريم و پرتو را بيشتر متمركز كنيم .
راه ديگري كه در انتقال پرتو ها مفيد است استفاده از تارهاي نوري موج بر است كه مي توانند با قابليت انعطاف پذيري خود ، پرتو را به نقاط مختلف انتقال دهند. اصولا اين تارهاي نوري داراي قطرهاي كوچك ، از جنس شيشه يا كوارتز هستند و داراي يك هسته مركزي با ضريب شكست بزرگتر از محيط اطراف خود مي باشند.پرتو نور قادر به حركت در داخل هسته مركزي به صورت زيگ زاگ به دليل بازتاب كلي از فصل مشترك هسته مركزي با جداره مي باشد. متاسفانه اين روش براي طول موجهاي تا 1.6 ميكرون به كار مي رود . چون ميزان جذب براي طول موج هاي بزرگتر زياد است ، از اين روش براي انتقال پرتو در ليزر co2 نمي توان استفاده كرد .


ولتاژها

همان طور كه قبلا نيز بيان شد ، دمش در ليزر هاي گازي از نوع تخليه الكتريكي است كه توسط ولتاژ هاي بالا انجام مي شود .از آنجا كه دمش در ليزر هاي co2 طي دو مرحله انجام مي شود ، بنابر اين ابتدا بايد توسط تخليه الكتريكي ولتاژ بالا اتم هاي نيتروژن را تحريك كنيم تا به حالت برانگيخته برسند و با انتقال انرژي خود به مولكول هاي co2 عمل ليز آغاز شود . اوين حالت تحريكي ازت تقريبا در 0.3 الكترون ولت است . بنا بر تجربه براي شروع عمل ليز به 2 الكترون ولت انرژي نياز دارد . لازم به ذكر است كه ليزر هاي co2 با جريانDC يا جريان متناوب AC با فركانس خيلي پايين كار مي كند. البته جريان هاي AC در ليزر هايي استفاده مي شود كه به صورت ضرباني دمش مي شوند و خروجي ناپيوسته دارند . در مورد ليزر هاي co2 ولتاژي را برابر با 10 تا 15 كيلو ولت DC به ازاي هر متر تخليه الكتريكي استفاده مي كنيم . كه حدود جريان الكتريكي ما بين 10 تا 15 ميلي آمپر است . براي ايجاد جريان DC مي توانيم از يكسو كننده هاي جريان AC استفاده كنيم تا به ولتاژ آغازين 10 كيلو ولت برسيم . در ليزر هاي co2 نياز نداريم كه از سيستم هاي ولتاژ بالا با قابليت تنظيم استفاده كنيم . اما استفاده كردن از چنين سيستمي كه قابليت تنظيم ولتاژ خروجي را داشته باشد براي تنظيم قدرت خروجي ليزر مناسب ست.چرا كه هر چه ولتاژ بالاتري به كار ببريم ، عمل ليز با قدرت بيشتري انجام مي شود. ولتاژ بالاي اعمال شده به دو سر تيوپ ليزر اعمال مي شود ، يك ميدان يكنواخت در سر تا سر لوله ايجاد ميكند و الكترونها در اين ميدان شتاب مي گيرند و با برخورد به ديگر اتم ها آنها را تحريك مي كنند. گاهي اوقات قبل از عمل تخلي گاز را كمي يونيزه مي كنند . اين عمل به كمك يك پالس ولتاژ بالا كه به يكي از الكترود ها اعمال مي شود يا به كمك ي سيم كوتاه كه به دور لوله پيچيده شده ، انجام مي گيرد . در اين روش هم الكترون ها و هم يون ها و هم مولكول هاي خنثي در محيط وجود دارند . الكترونهايآزاد توسط ميدان الكتريكي شتاب گرفته و به سمت آنود حركت مي كنند. نكته اي كه به هنگام تنظيم ولتاژ مناسب در نظر مي گيريم اين است كه ولتاژ اعمال شده را از مرز 15 كيلو ولت آغاز ميكنيم . ولتاژ را اندك اندك افزايش ميدهيم تا يك باريكه نوري موازي و درخشان در مركز كاواك ليزر مشاهده شود . در چنين حالتي ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبي است.

لازم به ذكر است كه استفاده از ولتاژ هاي بالا به مراقبت بسيار زيادي نياز دارد .

از سيم هاي رابط عايق استفاده كنيد و هر جا كه سيم پوشش خود را از دست مي دهد آان را عايق كنيد . سيستم ولتاژ بالا و خود دستگاه ليزر بايد بر روي پايه هاي محكم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالي برخورد سيم ها جلو گيري شود.
به هنگام كار كردن با چنين سيستمي بسيار دقت كنيد تا سيمهاي كاتد و انود 2 اينچ به ازاي هر 10 كيلو ولت از هم فاصله داشته باشند. تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال كوتا اجتناب شود.

الكترود ها

يكي از مهمترين اجزاي يك ليزر الكترود هاي آن مي باشد. همان طور كه قبلا نيز اشاره شد ، الكترود ها با آزاد كردن الكترون هاب اوليه نقش مهمي در شروع عمل ليز ، ايفا مي كنند . در ليزر هاي مختلف ، انواع متعددي از الكترودها استفاده مي شود. در ليزر هاي co2 به طور معمول از الكترود هايي از جنس آلو مينيوم استفاده مي شود. چراكه آلومينيوم داراي الكتونهاي ظرفيت مناسب جهت ازاد شدن توسط ولتاژ بالا مي باشد . همچنين از انجا كه سطح الومينيوم هميشه پوشيده از يك لايه اكسيد آلومينيوم است اين امر به ازاد كردن الكترون هاي بيشتري كمك مي كند. در طرح ليزر از ورقه هاي نازك و انعطاف پذير آلومينيوم براي ساخت كاتد و آنود استفاده مي كنيم . روش كار به اين صورت است كه درو قطعه ورقه الومينيوم با عرض 3 و طول 15 سانتي متر تهيه مي كنيم . سپس اين ورقه ها را به شكل استوانه هايي هم قطر با تيوپ ليزر يعني به قطر 2.5 سانتي متر لوله مي كنيم و در دو انتهاي تيوپ ليزر فرو ميكنيم . سپس يك سانتي متر از هر طرف را از لوله خارج كرده و بر روي خود تيوپ خم مي كنيم . پس از اتصال سيم هاي رابط جريان به ورقه هاي آلومينيوم ، آن قسمت از تيوپ را كه ورقه هاي آلومينيوم بر روي آن تا خورده به شدت عايق بندي مي كنيم تا از هرگونه تماس با آن ها غير ممكن شود . لازم به ذكر است ، سيتم آينه ها و پيچ هاي تنظيم كه قبلا توضيح داده شد بايد پس از عايق بندي الكترود ها و لوله كاواك به انتهاي ليزر متصل شود. چراكه اگر بدون عايق بندي عمل شود ، خطر برق گرفتگي وجود دارد.

محاسبه تقريبي توان ليزر

ليزر هاي گونتگون با نوجه به سيستمي كه در ساخت آنها به كار برده شده از قبيل : نوع ماده ليزي ، طول كاواك ليزر ، روش هاي گوناگون دمش و نوع سيستم خنك كننده داراي توان هاي خروجي متفاوتي هستند. براي محاسبه توان خروجي ليزر روش هاي گوناگوني وجود دارد كه بسياري از آنها حاوي فرمول هاي سخت و پيچيده است و نياز مند اطلاعات دقيقي از قسمت هاي مختلف دستگاه مي باشد . در اينجا يك راه پيشنهادي و ساده جهت محاسبه توان تقريبي ليزر ارائه مي شود كه مي تواند مفيد باشد . جهت محاسبه توان خروجي، پرتوي ليزر را به يك مايع كه ظرفيت گرمايي آن براي ما مشخص است مي تابانيم و در مدت زمان تابش ، تغييرات دمايي را اندازه مي گيريم . با محاسبه انرژي گرمايي مي توان توان خروجي ليزر را از رابطه معروف p=w/t بدست آورد . يكي از مناسب ترين مايعاتي كه مي توان از آن استفاده كرد آب مي باشد . چرا كه ظرفيت گرمايي آن مشخص است و به راحتي در دسترس مي باشد . اما براي محاسبه توان دقيق بايد ضريب بازتابش سطح آب را نيز به هنگام محاسبات در نظر بگيريم .چرا كه مقداري از پرتوي تابيده شده به سطح آب ، توسط سطح بازتابيده مي شود . استفاده از مايعاتي با ظريب بازتابش كمتر ، محاسبات را دقيقتر مي كند.

تلفات ليزر

راه هاي متفاوتي براي اتلاف در ليزر وجود دارد كه به كاهش توان خروجي ليزر منجر مي شود . در زير به برخي از آنها اشاره مي شود كه تلاش براي رفع هر كدام از موارد ذكر شده باعث افزايش توان خروجي ليزر است . - جذب و پراكنده كردن نور توسط آينه ها . - پراش از لبه آينه ها . - عبور نور از آينه ها قبل از رسيدن به حد آستانه تابش . - پخش و پراكندگي پرتوها توسط ماده ليزري به دليل عدم يك نواختي ماده از نظر اپتيكي . - جذب ماده ليزري و گسيل تابش هايي كه مورد نظر ما نيست. - كاهش توان خروجي به دليل گرماي حاصله از عمل ليز كه ميتواند باعت بالا رفتن دماي آينه ها ، كاواك ليزر و يا الكترود ها شود . - كاهش توان خروجي به دليل عدم وجود خلا كامل در كاواك قبل از جريان دادن گاز درون كاواك. تعدادي از عوامل اتلاف ذكر شده از جمله تلفات ناشي از گرم شدن سيستم و يا پراش از لبه هاي آينه ها قابل رفع است كه قبلا در مورد آنها توضيح داده شد . تعدادي ديگر از عوامل نيز با استفاده از مواد مناسب در ساخت ليزر قابل رفع است . به طور كلي هر جه بيشتر بتوانيم در رفع عوامل بالا تلاش كنيم ، توان خروجي بيشتري خواهيم داشت .





ايمني ليزر

بيشتر ليزر ها تابشي گسيل مي كنند كه با احتمال خطر همراه است . درجه خطرناكي ليزر به مشخصات خروجي ليزر ، طريقه استفاده و تجربه فردي كه از آن استفاده مي كند بستگي دارد . از مشخصه هاي تابش ليزر جمع شوندگي پرتوي آن است . اين امر به همراه انرژي بالاي ليزر مي تواند انرژي زيادي به بافت هاي فيزيو لوژيكي بدن منتقل كند.از آنجا كه پرتو هاي ليزر داراي طول موج هاي متفائتي هستند ، مي توانند به بافت هاي مختلف بدن با توجه به قابليت جذب آنها آسيب برسانند . جذب تابش باعث افزايش دما مي شود و به قطع شدن اتصالات مولكولي مي انجامد . يكي از آسيب پذير ترين قسمت هاي بدن تا آنجا كه به تابش ليزر مربوط مي شود ، چشم انسان است . اين امر به اين دليل است كه عدسي چشم ، پرتوي تابيده شده از ليزر را در ناحيه اي به شعاع حدود چندين برابر طول موج ليزر با چگالي بالاي انرژي متمركز مي كند . ميزان خسارت به طول موج بستگي دارد به طوري كه تابش در نواحي ماورائ بنفش و مادون قرمز كه توسط قرنيه جذب مي شود ، باعث صدمه ديدن آن مي شود و جذب در ناحيه مريي باعث آسيب ديدن شبكيه مي گردد. اين جذب ها توسط چشم مي تواند به سوختگي يا نقص بينايي منجر شود . پوست مي تواند بيشتر از چشم مورد تابش قرار گيرد . پوست ممكن است در تابندگي سطح بالا تاول بزند و يا آسيب كمتري ببيند . در مورد پوست هم ميزان خسارت به طول موج تابش و ميزان جذب بستگي دارد به يژه در محدوده پرتوهاي ماورائ بنفش . معمولا مكان هايي كه دستگاه هاي ليزر در آن ها قرار دارد ، با چراغ هاي اخطار و متوقف كننده هاي پرتو تجهيز مي شوند . در اين مكان ها از موادي كه بازتاب كننده پرتو هستند نيز استفاده مي گردد . به هنگا كار كردن با لبزر ها بايد از عينك هاي محافظ چشمي استفاده كرد و با توجه به اينكه در ليزر ها معمولا از مولد هاي ولتاژ بالا استفاده مي شود ، رعايت نكات ايمني در اين مورد نيز ضروري مي باشد .

منبع

Sams FAQ in laser construction Laser principle and application /J.Wilson – J.F Havaks Laser miloni منبع: كارگاه هواشناسي و پژوهشگاه ليزر و نانو تكنولوژي

تازه هاي ليزر
دانشمندان دانشگاه استون شهر بيرمنگام در انگلستان (Aston University in Birmingham, UK) چيزي اختراع كرده اند كه به عنوان طولاني ترين ليزر جهان تلقي ميشود. آنها يك تار نوري optical fibre 75 كيلومتري را به ليزر تبديل كرده اند و اميدوارند كه بهبودي بر ارتباطات در فواصل زياد گردد.
ليزر جديد استثنايي است، زيراكه ميتواند سيگنال هاي نوري را در چنان فواصل طويلي انتقال دهد بدون آنكه انرژي هدر رود. هنگاميكه اطلاعات تبديل به نور ميشود تا با استفاده از تار هاي نوري استاندارد انتقال يابد به ازاي هر كيلومتر حدود 5 درصد توانش تلف ميشود. از اين رو ميبايستي سيگنال ها را تقويت نمود تا به مقصد برسند. اما هر بار كه سيگنال تقويت مي شود نويز ها و خش هاي پس زمينه نيز تقويت ميگردند و اين امر تا آنجا ادامه ميبايد كه ديگر سيگنال قابل فهم نميباشد.
دكتر آنيا (Juan Diego Ania Castan) و همكارانش از يك فرايند به نام اثر رامان (Raman effect) براي تبديل تار نوري طويل به ليزر استفاده نمودند. اثر رامان يك پديده طبيعي است كه بر نور عبوري از درون ماده تاثير ميگذارد. ليزر هايي در هر انتها نور را به درون تار ميفرستند كه باعث افزايش انرژي اتم هاي تار شده و تابش فوتون را از آنها را منجر ميشود. اين فوتون ها كه طول موج بلند تري دارند توسط آينه هاي مخصوصي در محل اتصالات بازتابيده ميگردند. بدين ترتيب مقدارس نور ليزر كه پايدار و يكنواخت است درون فيبر ذخيره شده و سيگنال هاي عبوري را قدرت ميبخشد. اين كار از هدر رفتن انرژي سيگنال جلوگيري ميكند و احتياج براي تقويت سيگنال ها را رفع ميكند.
اين كشف نه تنها در دنياي علم بلكه در دنياي ارتباطات نيز شگفت آور بوده است. دكتر آنيا ميگويد: " در دنياي ارتباطات، انتقال بي اتلاف اطلاعات همواره يك هدف رويايي بوده است و با گسترش اين روش امكان پژوهش در زمينه هاي ديگر نيز فراهم ميشود ".