ليزر

مقدمه

بدون شك ليزر يكي از برجسته‌ترين ابزار علمي و فني قرن بيستم بشمار مي‌آيد .

پيشرفت سريع تكنولوژي ليزر از سال 1960 ميلادي ، هنگامي كه اولين ليزر با موفقيت تهيه شد ، شروع گرديد . ليزر امروزه در زمينه‌هاي گوناگون از قبيل بيولوژي ، پزشكي ، مدارهاي كامپيوتر ، ارتباطات ، سيستم‌هاي اداري ، صنعت ، اندازه‌گيري در زمينه‌هاي مختلف و … بكار برده مي‌شود . ليزر يك منبع نور خاص است و بطور كلي با نور لامپهاي معمولي ، چراغ برق ، نور فلورسانت و غيره تفاوت فاحش دارد و در مقايسه با ساير منابع نور : در رده‌اي با مشخصات فوق‌العاده نوري قرار دارد . اين مطلب با عنوان اينكه نور ليزر از همدوستي (coherence) فوق‌العاده برخوردار است ، بيان مي‌شود .

ليزر را مي‌توان در مقايسه با ساير مولد‌هاي نوري كه فقط نور را منتشر مي‌كنند ، يك فرستنده نوري پنداشت . تا قبل از ظهور ليزر محدوده فركانس امواج راديوئي و محدوده نوري از نقطه‌ نظر همدوستي با يكديگر اختلاف داشتند . در فيزيك راديوئي بطور گسترده‌اي امواج همدوس مورد استفاده قرار مي‌گيرند و اين در حالي است كه امواج نوري (اپتيكي) غير همدوس نيز در اختيار است . در گذشته كتب درسي تنها مكاني بود كه امواج ليزري مورد بحث قرار مي‌گرفت . اين امواج هنگامي واقعيت پيدا كردند كه ليزر اختراع گرديد .

1)   ليزرها

ليزرها دستگاههايي هستند كه تابش همدوس يا تقويت تابش در بسامدهايي در ناحيه مادون قرمز، مريي يا فرابنفش طيف موج الكترومغناطيسي را ايجاد ميكنند.

 2) مولفههاياساسييكليزر

مولفه هاي اساسي يك ليزر به قرار زير است :

الف) محيط فعال شامل مجموعة مناسبي از اتمها، مولكولها، يونها و يا نيمرساناها.

ب ) فرآيند دمش كه قادر است اين اتمها و يا مولكولها را به ترازهاي با انرژي بالاتر تحريك سازد.

ج ) عناصر بازخور مناسب كه به باريكه تابش اجازه ميدهد كه در محيط فعال نوسان كند (به اين امر نوسان ليزر ميگويند) و يا آنكه باريكه از محيط فعال يك بار بگذرد (كه به آن تقويت تك عبور ميگويند) و ممكن است تعداد عبورها زيادتر شده به آن تقويت دو عبور، سه عبور و ... ميگويند. عناصر بازخور در واقع از دو آينه تشكيل شده است. يك آينه (آينه انتهايي) تمام بازتابنده است و آينه ديگر نيمهشفاف است. با رفت و بازگشت باريكه بين دو آينه، هر بار عمل تقويت براي باريكه حاصل شده و هنگامي كه بهره سيستم از كل تلفات بيشتر گردد، عمل ليزر آغاز ميشود و خروجي ليزر را از طرف آينه نيمهشفاف دريافت ميدارند.

 3) تاريخچهليزر

ليزرها بر اساس اصل كلي كه در بسامدهاي ميكروموج اختراع گرديده بود و به آن ميزر (تقويت ميكروموج توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشد، كار ميكنند. وقتي طول موج نوسان به ناحيه بسامدهاي اپتيكي ميرسد، طبيعتاً به آن ليزر (تقويت نور توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشود.

اختراع اولين ليزر به سال 1960 توسط تئودور مايمن بازميگردد و آن يك ليزر ياقوت است كه با لامپ درخش فعال ميشود. جالب است بدانيم كه امروزه ليزرهاي حالت جامد (نظير ياقوت، نئوديميوم ياگ) نيز كم و بيش به صورت همان تكنيك قديمي خود كار ميكنند. روش دميدن محيط فعال از طريق اپتيكي است. البته حضور ليزرهاي نيمرسانا و تابش انها در ناحيه جذب شديد بلورهاي ليزر، تكنولوژي بسيار جديد امروزي را كه دمش ليزرهاي حالت جامد توسط ليزرهاي نيمرساناست متحول ساخته است. اين ليزرها كه با باريكة ليزرهاي نيمرسانا دميده ميشوند، بسيار كوچك و قابل حمل و كم مصرف و با بازدهي بالايي هستند. حتي در اين خصوص پا فراتر گذاشته شده است و ليزرهاي پرقدرت كه در حجم كوچك ساخته ميشوند قادر به توليد باريكههاي پرتوان براي مصارف صنعتي ميباشند.

اصول كار ليزر

محيط فعال و عناصر ديگر در داخل مشدد نوري قرار دارند . مشدد محور نور در ليزر را تعيين و نور ساطع شده در امتداد محور تابش مي‌كند . بايد توجه داشت كه يك ليزر مي‌تواند نور را در يك يا دو امتداد مخالف در امتداد محور نوري ساطع كند . ماشه تحريك يك ليزر بوسيله سيستم پمپاز شروع بكار مي‌نمايد . كار اين سيستم تحريكي عناصر فعال است كه در اثر آن جمعيت وارونه (inrerted population) سطوح تابش‌كننده ايجاد مي‌گردد . مشدد نور (همراه با عناصر) اضافي عمل گزينش را بر روي حالات فوتوني تدارك مي‌بينند . در نتيجه ، يك تابش فوق‌العاده همدوس موسوم به تابش ليزر در امتداد محور حاصل مي‌شود .

محيط‌هاي فعال و روش‌هاي تحريك:

مواد فعال زير در ليزرها بكار برده مي‌شوند :

گازها و يا مخلوطي از گازها (ليزرهاي گازي)

بلورها و شيشه‌هاي ممزوج با يونهاي مخصوص (ليزرهاي جامد)

مايعات (ليزرهاي مايع)

نيمه‌هادي‌ها (ليزرهاي نيمه‌هادي)

كاربردهاي ليزر :

در نظر اول فهم اين نكته مشكل است كه چرا با نور ليزر مي‌توان يك تيغه را سوراخ كرد ولي با نور معمولي ، مثلاً نور يك لامپ الكتريكي ـ هر قدر هم قوي باشد اين كار ميسر نيست . اين سئوال سه جواب دارد

اولاً نور لامپ ناهمدوس است يعني فوتونهاي لامپ همفاز نيستند و با مختصري اختلاف زماني به هدف مي‌رسند ، در حالي كه فوتونهاي تابه ليزري ، همه دقيقاً با هم حركت مي‌كنند و درست در يك نقطه به هدف مي‌رسند . دليل دوم اين كه نور از چشمه‌هاي ديگر كوبنده‌تر است ، اين است كه تابه نور معمولي فقط از يك طول موج معين تشكيل شده است بلكه شامل طيف نسبتاً وسيعي از طول موج‌هاست . اين مطلب ، دليل سوم را نيز در بر مي‌گيرد : نور معمولي بر خلاف نور ليزر به شكل تابه‌اي باريك و موازي توليد نمي‌شود ، بلكه راستاهاي مختلف را اختيار مي‌كند .

نور ليزر براي روشنايي :

ليزرهاي حالت جامد و ليزرهاي تزريقي درخشهاي كوتاه بسيار روشني توليد مي‌كند كه براي عكسبرداري بسيار سريع ، ايده‌آل است . ما در عصري هستيم كه سالانه ميليونها پوند صرف ساختن هوانوردهاي سريع ـ اعم از موشك‌هاي بالستيكي ، قاره‌پيما يا هواپيما مي‌شود . بايد دانست كه سرعتهاي زياد چه بر سر اجسام متحرك مي‌آيد و يكي از بهترين راههاي اين كار عكسبرداري از جسم در حال حركت است . سرعت بعضي از پرتابه‌ها بقدري زياد است كه اغلب چندين كيلومتر در ثانيه كه حتي عكسي كه به كمك سريعترين فلاشهاي متداول از آنها گرفته مي‌شود ، چيزي جز تصويري محو نيست . از آنجايي كه حتي سريعترين پرتابه‌ها هم در اين مدت فاصله بسيار كمي را خواهند پيمود ، عكسي كه با درخشش ليزري از اجسام تيز پرواز گرفته مي‌شود ، واضح و دقيق خواهد بود . ارتش آمريكا سرگرم آزمايش با تلويزيون ليزري براي استفاده در گشتهاي شبانه مخفي با هواپيماست و طراحان نظامي درصدد ساختن كلاهك بمب‌هايي هستند كه هدف را با استفاده از پرتو ليزري نامرئي مادون قرمز پيدا كنند .

استفاده از ليزر در فاصله‌يابي :

يافتن فاصله هدف مورد نظر از مشكلات دائمي توپچيها و ضدهوايي‌ها بوده است . فاصله‌ياب ليزري ، اساساً از يك ليزر ، يك منبع توان ، يك سلول فتوالكتريك و يك كامپيوتر رقمي كوچك تشكيل مي‌شود . پرتويي كه ليزر مي‌فرستد ، پس از برخورد به هدف بازتابيده مي‌شود و وارد سلول فتوالكتريك مي‌گردد . از روي زمان رفت‌وبرگشت فاصله هدف ، توسط كامپيوتر محاسبه و بر حسب هر واحدي كه بخواهد ثبت مي‌شود .

نوعي فاصله‌ياب ليزري كه براي ناتو ساخته شده ، به اندازه يك تفنگ نسبتاً بزرگي است كه منبع توان و كامپيوتر آن را مي‌توان در بسته‌اي روي پشت حمل كرد . فاصله‌يابهاي ليزري تا مسافت 11 km را با دقتي حدود 5/4 متر تعيين كرده‌اند .

استفاده از ليزر در هوانوردي و دريانوردي :

يكي از بديعيترين وسايل ليزري ، ژيروسكوپ ليزري است . ژيروسكوپ معمولي اساساً چرخ دواري است كه بسرعت مي‌چرخد . به دليل اين چرخش ، محور چرخ همواره در يك صفحه باقي مي‌ماند . محور ژيروسكوپ چرخنده هميشه در يك راستا باقي مي‌ماند و تغيير مسير كشتي تأثيري بر آن ندارد . اين محور ، كار يك ((خط مبنا)) را انجام مي‌دهد كه تغييرات جهت كشتي را از روي آن مي‌توان تشخيص داد . سفينه‌هاي فضايي كه غالباً بي‌سرنشينند تنها به كمك ژيروسكوپ مسير خود را حفظ مي‌كنند .

 اين ژيروسكوپ متشكل است از يك ليزر گازي مثلاً ليزر هليوم ، نئون كه از هر دو انتهايش نور همدوس خارج مي‌شود . با نصب اين ژيروسكوپ به سفينه فضايي ، انحراف سفينه از مسير ، قابل تشخيص است .

 استفاده از ليزر در پزشكي

ليزر بعنوان يك منبع قوي انرژي ، در پزشكي نيز بكار گرفته شده است بخصوصدر امريكا كه زادگاه ليزر بود و هنوز هم موطن آن است . به عقيده برخي جراحان ، ليزر براي بريدن اعضايي كه رگهاي خوني بسيار پيچيده دارد ـ مانند مغز ـ فوق‌العاده مناسب است. تابه ليزر در حين قطع‌كردن رگهاي خوني ، با سوزاندن، دهانه آنها را مي‌بندند . برخي از چشم‌پزشكان ليزر را براي جوش‌دادن جداشدگي شبكيه چشم ، مفيد يافته‌اند .

 كاربرد ليزري در نوسازي صنعت

گسترش تكنولوژي ليزر در دهه گذشته در تمامي شاخه‌هاي زندگي رشد فزاينده‌اي داشته است به گونه‌اي كه امروزه ليزر جزء لاينفك زندگي انسان محسوب مي‌شود يكي از شاخه‌هائي كه ليزر از ابتداي اختراع آن بيش از ديگر زمينه‌هاي كاربردي مورد توجه محققين و متخصصين قرار گرفت ، كاربرد صنعتي ليزر بوده است .

برش‌كاري توسط ليزر از همان روزهاي آغازين تولد ليزر مورد توجه بسياري از علاقه‌مندان و صنعتگران كه به آينده درخشان كار خود اميد داشتند قرار داشت . پرتو ليزر با توجه به ويژگيهاي منحصر خود كه شامل تك‌رنگي ، همدوسي ، شدت بالا و واگرائي كم است نشان داد كه با بكارگيري آن مي‌توان نه تنها به گسترش حوزه صنعت بلكه به تحول كيفي محصولات آن اميد فراواني پيدا نمود . بدنبال ساخت اولين ليزر گازكربنيك در سال 1964 اين امكان فراهم‌شد كه بتوان با حداقل امكانات ليزرهاي پرقدرتي در ناحيه حرارتي مادون قرمز ، همان منطقه‌اي كه موردنياز صنعت است تهيه و به بازار عرضه نمود . اينك وسيله‌اي پا به عرصه وجود گذاشته بود كه امكان فراهم‌نمودن يك منبع حرارتي قابل كنترل و در عين حال بسيار باريك به راحتي در دسترس كاربران قرار مي‌گرفت . با يك نگاه گذرا اما عميق به نقش ليزر در صنعت مي‌توان به اين نكته واقف شد كه ليزر تحولي بي‌سابقه در اين عرصه ايجاد كرده است كه دامنه رشد آن هر روزه گسترش مي‌يابد . امروزه اگر شاهد محصولاتي باشيم كه به جهت كيفي و مرغوبيت در كمترين زمان به بازار عرضه مي‌شوند ، متوجه نقش و اهميت ليزر در صنعت خواهيم بود .

 اثربخشي ليزر در تمامي زيرشاخه‌هاي صنعت امري محسوس و غيرقابل انكار است . براي مثال برش‌كاري، سخت‌كاري ، سوراخكاري ، علامت‌زني ، بيشترين كاربردها را در خانواده صنعت عهدا‌دار بوده است . آمارها نشان مي‌دهد بيش از 85% فعاليت‌هاي صنعتي در همين موارد خلاصه مي‌شود .

امروزه بكارگيري ليزر در شاخه‌هاي مورد اشاره بالا امري طبيعي ، روتين و با يك سابقه 20 ساله مملو از تحقيقات و تجربيات فراوان است

 . در خصوص برشكاري اين امكان فراهم مي‌شود كه پرتوي ليزر توسط يك عدسي بر روي قطعه كار متمركز شده بطوريكه در زماني نزريك به يك‌هزارم ثانيه درجه حرارتي بيش از 4000 درجه سانتي‌گراد بر روي قطعه‌كار (فلز) ايجاد مي‌كند .

نتيجه اين عمل ذوب‌شدن لحظه‌اي فلز در يك باريكه‌اي به قطر 1/0 ميلي‌متر است . اينك با حركت‌دادن 2 آينه كه نقش هدايت پرتو ليزر بر روي عدسي مورد‌نظر را دارد اين امكان فرهم مي‌شود كه پرتو ليزر در جهت x و yحركت نموده و براحتي هر شكلي را كه مايل باشيم بر روي قطعه كار ايجاد نماييم .

. از ديگر مزاياي بكارگيري ليزر در برش‌كاري مي‌توان به : افزايش سرعت كار ، دقت بالا ، كمترين خسارت حرارتي به قطعه‌كار اشاره كرد . در زمينه جوشكاري نيز بكارگيري ليزر مزاياي قابل‌ملاحظه‌اي را در صنعت بدنبال داشته است .

در نگاه اول جوشكاري با ليزر بنظر مي‌رسد كه قادر است براحتي و در كمترين زمان ممكن نه تنها فلزات را در ابعاد و اندازه‌هاي مختلف به يكديگر جوش دهد بلكه با اين تكنيك اين امكان فراهم شده است كه فلزات غيرهمنام نيز به يكديگر جوش داده شوند . ليزر در كنار يك CNC يك سيستم كامل ليزر جوش را ايجاد مي‌كند كه با كمك آن صنعت گران قادرند با سرعت زياد ، دقت بالا و حداقل هزينه مصرفي از قابليت‌هاي آن استفاده نمايند . يكي از شاخه‌هاي صنعت كه در دو دهه اخير مورد توجه و بسط فراوان قرار گرفته است پديده بهينه‌سازي و بكارگيري مواد با آلياژهاي مختلف با طول‌عمر بالاست . هر قطعه مكانيكي بعد از يك دوره مشخص بر اثر صدمات مختلف از رده خارج شده و بايد قطعه‌هاي نو جايگزين آن شود . قطعاتي مانند مته‌ها ، توربين‌ها ، تيغه اره‌ها و سيلندرها دچار بيشترين ساييدگي و پوسيدگي هستند لذا بيش از عناصر تشكيل‌دهنده مورد توجه قرار گرفته‌اند .

سلاحهايليزريونحوهمقابلهباسلاحهايليزري :

غير قابل اجتناب است كه ميدان جنگ ليزري به طور محسوسي سالهاي آينده جنگ را تهديد نكند . اين نتيجه نه تنها توسعه و استفاده از سلاحهاي ليزري مفيد است بلكه نتيجه شمار فزاينده‌اي از وسائل ليزري از قبيل مسافت‌ياب و هدف‌ياب مي‌باشد . بنابراين در نيروهاي مسلح لازم است كه از حساسه‌ها و توسط اقدامات عامل و غير عامل الكترومغناطيسي حفاظت شود . تهديد اوليه ليزري از خود سلاحهاي ليزري بوجود مي‌آيد. نگهداري و نحوه مقابله با سلاحهاي ليزري مسائل مشكلي است كه تاكنون حل نشده باقي مانده‌اند .

5) انواعليزرها

5-1) ليزرهايحالتجامد

سه موضوع اساسي براي ايجاد بهره در ليزرهاي حالت جامد عبارتند از :

محيط ميزبان ، يونهاي فعال در داخل محيط ميزبان ، منابع نوري براي دمش مواد تشكيل دهنده محيط ميزبان محيط ميزبان به دو دسته بلوري و شيشهاي تقسيم ميشوند. محيط ميزبان ميبايد از نظر اپتيكي، مكانيكي و خواص گرمايي شرايط عمل كرد ليزري را متحمل شوند. محيطهاي ميزبان بلوري كه پس از اختراع اولين ليزر ياقوت مورد بررسي و مطالعه و كاربرد قرار گرفتهاند عبارتند از:

سافاير، Al₂O₃ گارانتها، ايتريوم، آلومينيوم گارنت Y₃Al₅O₁₂ كه با YAG نشان ميدهند.

5

-2 ليزرهايرزينهاي (مايعرنگين)

ليزرهاي رزينهاي به آن دسته از موادآلي گفته ميشود كه در حلالهاي مناسب حل شده جهت محيط فعال مورد استفاده قرار ميگيرند. دمش اين رنگها از طريق نوري است كه با استفاده از لامپ فلاش و يا يك ليزر مناسب ميباشد. اين مواد قادراند بسته به نوع رنگ به كاررفته از ناحيه فرابنفش تا نزديك مادون قرمز نوسان قابل تنظيم طولموجي داشته باشند. لذا از زمره ليزرهاي كوكپذير هستند و داراي كاربردهاي وسيع در طيفنگاري ميباشند. براي دمش اين ليزرها، اگر به صورت پالسي مد نظر باشد از ليزرهاي نيتروژن، اگزايمر، بخار مس استفاده ميشود. هارمونيكهاي مراتب بالاي ليزرNd:YAG در طولموجهاي 532، 353 و 266 نانومتر براي دمش رنگهاي آلي نيز مناسب و مقرون به صرفه اقتصادي است. براي نوسان موج پيوسته از ليزر آرگون يوني ميتوان استفاده نمود.

.

5-3 ليزرهايگازي

نظر به اين كه گازها به عنوان محيط فعال نسبت به محيط هاي فعال حالت جامد از چگالي پايينتري برخوردار هستند. بنابراين بايد انتظار داشت كه ليزرهاي گازي نسبتا بزرگ و حجيم باشند. گازها در ليزرهاي گازي توسط برخورد الكتروني و يا باريكه الكتروني تحريك ميشوند و لذا دمش آنها از نوع دمش الكتريكي است.

تحريكبرخوردالكتروني

تحريك مناسب در گازها در فرآيندهاي برخورد الكتروني رخ ميدهد. تحريك تراز بالايي ليزر يا به صورت برخورد مستقيم الكترون مثلا در ليزر آرگون خنثي است

5-3-3 ليزربخارمس

ليزر بخار مس يكي از ليزرهاي مهم و پرقدرت به حساب ميآيد. براي آن كه جمعيت كافي از اتمهاي مس حاصل شود نياز به آن است كه دماي محيط به 1400ْC تا 1500ْC برسد . اين امر در تيوبهاي خاص از آلومينا و با رگبار بسيار بالا (kHz 5~ ) براي گرم شدن تيوب ليزر و بخار شدن فلز مس توسط سوئيچهاي تايروترون حاصل ميشود. قطر لوله ها بين 10 تا 80 ميليمتر است. همچنين براي دريافت قدرت مناسب از ليزر نياز به استفاده از گاز نئون در فشار 50-25 ميليمتر جيوه ميباشد.

عمل ليزر در دو طول موج nm 578 و nm 510 تحقق مييابد، هر دو گذار به تراز نيمهپايدار منجر ميشود و عمل ليزر تنها در مدتي كوتاه قبل از نابودشدن جمعيت معكوس حاصل ميشود. توان متوسط در رگبار kHz 5~ ، W 40-10 است، براي توانهاي بالاتر نياز به آن است كه سيستم به صورت نوسانگر-تقويتكننده عمل كند. بازدهي كلي سيستم نسبتا بالا (تا 2%) ميرسد، بنابراين اگر توانهاي كمي مورد نياز باشد سيستم ليزر ميتواند توسط هوا خنك شود. در غير اين صورت در توانهاي بالا، به سرد كردن ليزر توسط جريان آب سرد نياز ميباشد.

ž      5-3-4 ليزرگازكربنيك (ليزرCO₂)

ž      ليزر گازكربنيك تاكنون مهمترين ليزر در ردة خود به شمار ميرود و از نقطهنظر كاربردهاي تكنولوژيكي اين ليزر از مهمترين ليزرها محسوب ميشود. با در نظر گرفتن بازدهي (30%~) و خروجي پرتوان، توانهاي موج پيوسته اين ليزر به دهها كيلووات ميرسد، بنابراين كاربردهايي نظير جوشكاري، برش فلزات و اجراي نقوش فلزي و كاربردهاي نظامي اين ليزر ميسر شده است. گذار ليزري در اين ليزر با ليزرهاي يوني يا اتمي متفاوت است، چه ترازهاي انرژي مرتبط با حالتهاي كوانتومي مدهاي ارتعاشي و چرخشي مولكول CO₂ ميباشد. در مورد مدهاي ارتعاشي، سه نوع مد ارتعاشي غيرمتقارن، متقارن و خمشي در گذارهاي ليزر درگير ميباشند. عمل ليزري در نواحي بين دو طول موج 9/4و 10/6 ميكرومتر است كه در ناحيه فروسرخ طيف واقع ميشود. اين ليزر با ساختارهاي متفاوت تكنيكي ساخته ميشود كه عبارتند از : ليزر پالسي فشار اتمسفري (TEA)، محفظه بسته، جريان گازي و ديناميك گازي.

ž      5-3-5 ليزرنيتروژن (N₂)

ž      گذارهاي ليزري در ليزر نيتروژن بين ترازهاي انرژي الكتروني مولكول N₂ صورت ميگيرد كه منجر به خروجي در ناحيه فرابنفش (337/1nm) ميشود. اين ليزر در نوع پالسي فعال است و پهناي زماني آن كوتاه و به حدود چند نانو ثانيه ميرسد. دمش الكتريكي اين ليزر ميبايد بسيار سريع و در زمانهاي حدود مقياس پهناي پالس تحقق يابد. اين ليزرها در رده ليزرهاي خودپايانيابنده قرار ميگيرند.

ž      5-3-6 ليزرهاياگزايمر

ž      واژة «اگزايمر» از بهم بستن واژة excited dimer يا دوتايي تحريك شده ساخته شده است و مفهوم آن است كه انرژي الكتروني مولكول دو اتمي در حالت تحريك شده به صورت پايدارو در حالت پايه به صورت دافعه است. هالايدهاي گاز نادر نظير ArF ، KrF و XeCl نمونه هايي از اين نوع ليزر هستند. تخليه الكتريكي و باريكه هاي الكتروني را ميتوان براي تحريك اختلاطهاي گازي از نوع گازهاي نادر و مولكولهايي نظير F₂ يا HCl براي حصول عمل ليزر در ليزرهاي اگزيمر به كار برد.

ž      5-4 ليزرهايشيميايي

ž      تركيبات شيميايي داراي اين توانايي هستند كه مقادير زيادي از انرژي كه ممكن است بخشي را در واكنشهاي شيميايي گرمازا از دست بدهند، در خود ذخيره نمايند. به اين ترتيب آنها نمونه هاي جالب توجهي جهت تبديل انرژي شيميايي به تابش نوري همدوس به شمار ميآيند. ليزرهاي شيميايي كه امروزه با آن سر و كار داريم مرتبط با گذارهاي حالتهاي ارتعاشي مولكولهايي نظير HF ، CO و امثالهم ميباشند. حد پايين گذار ليزري آنها در طول موج μm2~ ميباشد. مثال خاصي از اين ليزرها، انواع ليزرهاي HF و DF ميباشند كه قدرتهاي بسيار بالايي از آنها به دست آمده است. واكنشهاي مرتبط به قرار زير هستند :

ž      F + H₂ -> HF ^* + H

ž      F + D₂ -> DF ^* + D

ž       5-5 ليزرهاينيمرسانا

ž      يكي از پراستفاده ترين ليزرها، ليزرهاي نيمرسانا ميباشد كه در حجم زياد ساخته ميشوند و داراي كاربردهاي بسيار زيادي هستند. امروزه آنها را حتي به عنوان علامت دهنده نور موازي در دست مردم عادي ميبينيم و يا در هنگام خريد از فروشگاه هاي بزرگ قيمت اجناس را فروشنده توسط دستگاهي كه به ليزر نيمرسانا مجهز است تعيين كرده در كار مشتري سرعت قابل ملاحظهاي ميبخشد. ليزرهاي نيمرسانا با استفاده از پرش الكترون بين نيمرساناهايي كه شامل نوعهاي مختلف و ترازهاي ناخالصي كنترل شده ميباشد كار ميكنند. مهمترين مواد نيمرسانا شامل مواد دوتاييها نظير نيمرساناي V-III مثل GaAs ، InSb با مواد سهتاييها نظير Al_xGa_1-xAs (كه x فاكتور كوچكتر از واحد است) يا مواد چهارتاييها مثل In_xGa_1-xAl_yP_1-y ميباشند. مهمترين پارامتر كه از يك سيستم نيمرسانا به سيستم ديگر تغيير ميكند، گاف انرژي است. اين گاف فاصلة انرژي Eg بين بالاترين نوار پرشده از الكترون و يا پايين نوار انرژي خالي از الكترون است. طول موج منتسب به اين گاف انرژي از μ=Ch/E_g به دست ميآيد. ليزرهاي نيمرساناي امروزي چنان ساخته ميشوند كه جريان الكتريكي را به ناحيهاي خاص در قطعه محدود سازند

ž      اين هندسه ساخت به طرق : هدايت شده بهره، هدايت شده ضريب شكست و امثالهم ميباشد. ساخت ردّه جديدي از ليزرهاي نيمرسانا به گونهاي است كه باريكه ليزر در جهت عمود بر ويفر گسيل ميشود كه به آن «ليزر گسيل سطحي» ميگويند. نوع ديگركه نوع «ليزر گسيل سطحي جفت شده توري» ناميده ميشود. به گونهاي است كه توان خروجي بالا و واگرايي پايين را به دست ميدهد. براي قدرتهاي بالاتر رديفهاي دايودي اختراع شده كه از تعداد ليزرهاي زيادي نزديك به يكديگر شكل گرفته است.

ž      از ليزرهاي جديد ديگر نيمرسانا، ليزرهاي چاه كوانتومي هستند كه محيط فعال آن با لايه بسيار نازك (مثلا nm 20) از دو طرف توسط GaAlAs محدود شده است. اگر ليزر تنها يك چنين لايه اي داشته باشد به آن تك چاه كوانتومي گفته ميشود (SQW) و اگر از چند لايه با تناوبي از GaAs و GaAlAs شكل گرفته باشد به آن ليزر چاه كوانتومي چندتايي (MQW) ميگويند.

ž      5-6 ليزرهايالكترونآزاد

ž      طرز عمل ليزرهاي الكترون آزاد كاملا با ساير ليزرهايي كه از آنها نام برده شده است متفاوتست. چشمه اصلي انرژي در اين نوع ليزرها باريكه نسبيتي الكترون است. تحت بعضي شرايط اين الكترونها قادرند مقداري از انرژي خود را به صورت باريكهاي از فوتون در همان مسير الكترونهاي سريع رها سازند. به اين منظور باريكه الكترون سرعت يافته را از مغناطيسهاي تناوب يافته كه به آن ويگلر (جنبانده) گفته ميشود عبور ميدهند. با عبور الكترونها از ويگلر آنها شروع به نوسانهاي عرضي ميكنند. نتيجه امر در اين نوسانها تشعشع موج الكترومغناطيسي است كه طول موج آن در جهت تشعشع از μ=μ_w/2γ² به دست ميآيد. μ_wتناوب ويگلر و γ نسبت انرژي الكترون به انرژي الكترون در حالت سكون است.

ž      بنابراين با تغيير μ_wو يا γ ميتوان گسترة وسيعي از فركانسهاي ليزر را حاصل كرد، يعني اين ليزرها كوكپذير هستند. ضمنا سيستمهاي ليزرهاي الكترون آزاد به علت استفاده از شتابدهنده، دستگاههاي عظيمي به شمار ميآيند يعني در واقع براي راهاندازي آن نياز به تجهيزات شتابدهنده الكترون ميباشد.

ž       جوشكاريبااشعهليزر

ž      ليزر يك نام اختصاري به معني تقويت نور با انتشار برانگيخته تابش است . فرآيند به برخورد يك اشعه نور تكرنگ همفاز جهت دار و شديد به قطعه كاري كه ماده به وسيله تبخير از آن خارج ميشود بستگي دارد .

ž      جوشكاري و برشكاري با استفاده از اشعه ليزر از روشهاي نوين جوشكاري بوده كه در دههاي اخير مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر كيفيت ، سرعت و قابليت كنترل آن به طور وسيعي در صنعت از آن استفاده مي شود .به وسيله متمركز كردن اشعه ليزر روي فلز يك حوضچه مذاب تشكيل شده و عمليات جوشكاري انجام مي شود

ž        
اصول كار و انواع ليزرهاي مورد استفاده در جوشكاري :

ž      به طور عمده از دو نوع ليزر در جوشكاري و برشكاري استفاده مي شود : ليزرهاي جامد مثل Ruby و ND:YAG و ليزرهاي گاز مثل ليزر CO2 . در زير اصول كار ليزر Ruby كه از آن بيشتر در جوشكاري استفاده مي شود توضيح داده مي شود

ž      . اين سيستم ليزر از يك كريستال استوانه اي شكل Ruby (Ruby يك نوع اكسيد آلومينيوم است كه ذرات كرم در آن پخش شده اند . ) تشكيل شده است . دو سر آن كاملا صيقلي و آينه اي شده و در يك سر آن يك سوراخ ريز براي خروج اشعه ليزر وجود دارد . در اطراف اين كريستال لامپ گزنون قرار دارد كه لامپ فوق براي كار در سرعت حدود 1000 فلاش در ثانيه طراحي شده است . لامپ گزنون با استفاده از يك خازن كه حدود 1000 بار در ثانيه شارژ و تخليه شده فلاش مي زند و هنگامي كه كريستال Ruby تحت تاثير اين فلاش ها قرار بگيرد اتمهاي كرم داخل شبكه كريستالي تحريك شده و در اثر اين تحريك امواج نور از خود سطع مي كنند و با باز تابش اين اشعه ها در سطوح صيقلي و تقويت آنها اشعه ليزر شكل مي گيرد . اشعه ليزر شكل گرفته از سوراخ ريز خارج شده و سپس به وسيله يك عدسي بر روي قطعه كار متمركز شده كه بر اثر برخورد انرژي بسيار زيادي در سطح كوچكي آزاد مي كند كه باعث ذوب و بخار شدن قطعه و انجام عمل ذوب مي شود .

ž      محدوديت ليزر Ruby پيوسته نبودن اشعه آن است در حاليكه انرژي خروجي ان بيشتر از ليزر هاي گاز مانند ليزر CO2 است كه در آنها اشعه حاصله پيوسته است، از ليزر CO2 بيشتر به منظور برش استفاده مي شود و از ليزر ND:YAG بيشتر براي جوشكاري آلومينيوم استفاده ميشود .

ž      از انجا كه در اين روش مقدار اعظمي از انرژي مصرف شده به گرما تبديل مي شود اين سيستم بايد به يك سيستم خنك كننده مجهز باشد .

ž      در جوشكاري ليزر دو روش عمده براي جوشكاري وجود دارد : يكي حركت دادن سريع قطعه زير اشعه است تا كه يك جوش پيوسته شكل بگيرد و ديگري كه مرسوم تر است جوش دادن باچند سري پرتاب اشعه است .

ž      در جوشكاري ليزر تمامي عمليات ذوب و انجماد در چند ميكروثانيه انجام مي گيرد و به خاطر كوتاه بودن اين زمان هيچ واكنشي بين فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از اين رو گاز محافظ لازم ندارد .

ž      طراحياتصالدرجوشكاريليزر : بهترين طرح اتصال براي اين نوع جوشكاري طرح اتصال لب به لب مي باشد و با توجه به محدوديت ضخامت در آن مي توان ازطرح اتصال هاي T يا اتصال گوشه نيز استفاده نمود .

. مزاياي جوشكاري ليزر :

حوضچه مذاب مي تواند داخل يك محيط شفاف ايجاد شود ( باعكس روشهاي معمولي كه هميشه حوضچه مذاب در سطح خارجي آنها ايجاد مي شود ) .

-        محدوده بسيار وسيعي از مواد را مانند آلياژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غير همجنس و ... را ميتوان به يكديگر جوش داد .

-        در اين روش ميتوان مكان هاي غير قابل دسترسي را جوشكاري نمود . 
- از آنجا كه هيچ الكترودي براي اين منظور استفاده نمي شود نيازي به جريانهاي بالا براي جوشكاري نيست .

-        اشعه ليزر نياز به هيچگونه گاز محافظ يا محيط خلايي براي عملكرد ندارد . 
- به خاطر تمركز بالاي اشعه منطقه HAZ بسيار باريكي در جوش تشكيل ميشود

- جوشكاري ليزر نسبت به ساير روشهاي جوشكاري تميز تر است .

محدوديت ها و معايب جوشكاري ليزر :

 سيستم هاي جوشكاري ليزرنسبت به ساير دستگاههاي سنتي جوشكاري بسيار گران هستند و در ضمن ليزرهايي مانند Ruby به خاطر پالسي بودن اكثر آنها از سرعت پيشروي كمي برخوردارند ( 25 تا 250 ميليمتر در دقيقه ) . همچنين اين نوع جوشكاري درراي محدوديت عمق نيز مي باشد .

موارد استفاده اشعه ليزر :

از اشعه ليزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشكاري استفاده مي شود . اين نوع جوشكاري در اتصال قطعات بسيار كوچك الكترونيكي و در ساير ميكرو اتصال ها كاربرد دارد . از اشعه ليزر ميتوان در جوش دادن آلياژها و سوپر الياژها با نقطه ذوب بالا و براي جوش دادن فلزات غير همجنس استفاده نمود . به طور كلي اين روش جوشكاري براي استفاده هاي دقيق و حساس استفاده ميشود . از اين روش ميتوان در صنعت اتومبيل و مونتاژآن براي جوش دادن درزهاي بلند استفاده نمود

«« نكاتموردنظردرجوشكاريليزري»»

1.شدت حرارت بالا از انواج نوراني ليزر بدست مي آيد.

2.هنگام تبديل اشعه ليزر به صورت نور مي تواند از دو محيطي مانند هوا خلاء , گازهاي خنثي.

3.نياز به تماس ميكانيكي با قطعه كار مانند روشهاي ديگرندارد و از طرفي قطعه مورد نظر براي جوشكاري نياز به قابليت هدايت الكتريكي ندارد.

4.هنگام متمركز شدن اشعه ليزري كه يك سيستم ساده است مي توان آنرا به سهولت خم ـ مستقيم و بصورت انعكاسي در آورد.

5.جوشكاري ليزري بوسيله انرژي ماكزيمم و مينيموم تعشعشعي آن و مدت ضربان و تعداد متوسط اين ضربه ها و نيز قدرت بزرگنمايي مشخص مي شود.

كاربردليزردرصنعتچيست؟

ماشين‌كاري با ليزر كه از گاز اكسيژن مي‌توان براي افزايش بازده ماشين‌كاري بهره برد. مثلاً سوراخ‌كاري با ليزر، به علت اينكه برخورد فيزيكي بين ابزار ليزر و قطعه وجود ندارد بنابراين شكست و سايش سرمته حذف مي‌شود. برشكاري: براي برش فولاد از ليزري با توان 1 تا kw200 استفاده مي‌شود. همان‌طور كه گفته شد جت اكسيژن مي‌تواند به عمل برش كمك بسزايي كند. كنده‌كاري : مواد ترد مثل سيليسيم، شيشه و سراميك را با كنده‌كاري با ليزر مي‌توان براده‌برداري و شكل‌دهي كرد. شكست كنترل شده : انرژي ليزر را مي‌توان براي شكستن اجزاء دقيق مثل مدارها و يا اجزاء الكترونيك، به صورت كنترل شده بكار برد. برش اجزاء الكترونيك: بالانس ديناميكي اجزاء مدار: با برشكاري ليزر بالانس بسيار دقيق قابل انجام است. در اين كار براده‌برداري با سرعت چند ميلي‌گرم در هر پالس با سوراخ‌كاري عميق انجام مي‌شود. جوشكاري : در صنايع اتومبيل سازي براي جوشكاري درب‌ها و سقف اتومبيل به ندرت استفاده مي‌شود.

 سوالات جوش لیزر
ا-اشعه لیزر جزءکدام یک از منبع انرژی زیر است.
الف)انرزی شیمیای     ب)انرژی الکترکی     ج)انرژی مغناطیسی    د)انرژی الکترومغناطیسی-نوری
2-کدام یک موارد زیر ازمزایای جوشکاری لیزر می باشد.
الف)حداقل حرارت ورودی    ب)سرعت بالا    ج)جوشهای دقیق وباریک  د)همه موارد 
-3از انواع لیزرهای زیر کدام یک در جوشکاری آلومینیوم مورد استفاده قرار می گیرد.
الف)    GNd:yag             ب) لیزرruby   ج)   Nd:glass   د)لیزردی اکسید کربن 
4--بهترین نوع اتصال در جوش لیزر کدام است.
الف)اتصال لب روی هم  ب)اتصال لب به لب ج) جوش گوشه   د)هیچکدام

5-کدام یک از موارد زیر از محدودیتها ی جوش لیزر است .
الف) ماشین کاری بعد جوش                             ب)قابل استفاده در شرایط اتاق                     ج)عدم نیازبه الکترو وگاز محافظ                       د)گران بودن
 6-برای برشکای فولاد کدام توان مورد استفاده قرار می گیرد بر حسب کیلووات.
الف)1تا50          ب)1تا100         ج)1تا15       د)1ت200     
7-از کدام گاز برای افزایش بازده در لیزر مورد استفاده قرار می گیرد
الف)هیدروژن   ب)اکسیژن      ج)نیتروژن           د) ئیدوژن
جواب 
سوال 1 گزینه د
سوال 2 گزینه د
سوال 3 گزینه الف
سوال 4 گزینه ب 
سوال 5گزینه د
سوال  6گزینه د
 سوال 7 گزینه  ب 
محمد رضا قاسمیان ثانی - سید مصطفی رضوی - احمد رضا صبوری