برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

اصول كلی تابش لیزر:

وقتی كه الكترون در یكی از مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار داردهیچ انرژی توسط اتم ساتع نمی شود . هر یك از این مدار های مجاز به یك تراز انرژی معین یا حالت انرژی معین مربوط می شوند. الكترونها و اتم ها با حركت از یك مدار با انرژی بالاتر (دور تر از هسته) به یك مدار با انرژی كمتر ( نزدیكتر به هسته ) ، انرژی از دست می دهند. این انرژی به صورت یك فوتون با انرژی است.

در اتمها مدارهای مجزا و متعددی وجود دارد و بنابر این انتقالات مختلفی ممكن اسن انجام شود . از این رو یك اتم انرژی های مختلفی را می تواند گسیل كند . به طور كلی هر اتم تمایل دارد در حالت انرژی های پایین تر قرار گیرد از این رو برای ایجاد طیف اتمی الكترونها را با تحریك كردن به تراز های بالاتر میفرستند. این عمل در لوله های تخلیه و به كمك حرارت یا برخورد الكترونهای دیگر و یا به كمك تابش با طول موجهای مناسب انجام پذیر است. هر طول موجی كه توسط اتم در حال تحریك گسیل شود، میتواند توسط آن وقتی كه در تراز های پایین انرژی قرار دارد جذب شود . البته انرژی فوتون های برخورد كننده باید خیلی نزدیك به اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی اتم درگیر باشد. این حالت را جذب تشدیدی می گویند.

اگر اتم در یك تراز پایین تر تحت تابش با فركانس قرار بگیرد ، احتمال بسیار زیادی وجود دارد كه اتم با جذب این فوتون تحریك شده و به تراز بالاتر برود. این فرآیند را جذب برانگیخته می گویند.

اتم بلافاصله (چند نانو ثانیه) بعد از تحریك شدن به تراز بالاتر انرژی می رود و با گسیل فوتونی با انرژی به تراز پایین انرژی باز می گردد . فرآیند گسیل پرتو می تواند به دو صورت خود به خودی یا تحریكی انجام شود.

دو نكته در رابطه با گسیل تحریكی وجود دارد :

1 - فوتونی كه با گسیل برانگیخته تولید می شود دارای همان انرژی و فركانس فوتون تحریك كننده است.

2 - امواج نوری مربوط به هر دو فوتون هم فازند و دارای پولاریزاسیون مشابه هستند.

به این معنی كه در اتمی كه به صورت برانگیخته مجبور به تابش نوری می شود ، موجی كه باعث ایجاد فرآیند شده به فوتون اضافه می شود به طوری كه یكدیگر را تقویت می كنند و دامنه های آنها افزایش میابد . پس ما امكان تقویت نور به وسیله گسیل های تحریكی تابش را خواهیم داشت.تابش های تحریك شده همدوس هستند. یعنی همه امواج سازنده چنین تابش هایی هم فاز هستند . این فرایند با گسیل خود به خودی تفاوت اساسی دارد. چون در آنجا اتمها كاملا به صورت اتفاقی كسیل می كنند به طوری كه رابطه خاص فازی بین امواج وجود ندارد و اینگونه تابش ها غیر همدوس هستند.









دمش:

فرآیند تحریك ماده لیزریبرای تغییر تراز و آزاد كردن انرژی را دمش می گویند. عمل دمش از طریق چندین راه امكان پذیر است از قبیل : دمش اپتیكی – دمش به كمك تخلیه الكتریكی – دمش به كمك آزاد كردن انرژی شیمیایی .

با توجه به لیزر های متفاوت و نوع ماده لیزری از روش های متفاوت دمش استفاده می شود. به طو ر مثال در لبزر های گازی مانند لیزر CO2 از روش تخلیه الكتریكی استفاده می شود.





تشدید كننده های نوری:

برای داشتن پرتو خروجی از لیزرها و انرژی بهینه و با توان بالا نیاز داریم كه پرتو های تحریك كننده جهت تحریك ماده لیزری و افزایش انرژی را تقویت كنیم.

در بیشتر حالات تقویت كلی توسط قرار دادن آینه هایی با درصد بازتابش بالا در دو انتهای كاواك لیزر انجام می شود . پرتوی نوری بیش از حدود 100 بار بین دو اینه رفت و برگشت می كند و به این ترتیب طول موثر ماده افزایش می یابد. آینه ها تشكیل یك كاواك نوری یا تشدید كننده می دهند و به همراه ماده فعال لیزری یك نوسان كننده می سازند . آینه ها در اصل مانند یك بازخور نوری از ماده تقویت كننده عمل می كنند. اساسا گسیل خود به خودی یك تغییر كوچك در فركانس عبوری از ماده ایجاد می كند و آن را به دلیل گسیل برانگیخته تقویت می كند.

در برخورد با آینه های انتهایی اكثر انرژی به داخل كاواك باز می گردد . این نور تقویت شده مجددا با برخورد به آینه دیگر بیشتر تقویت می شود و این <رایند مدام تكرار می شود. این تغییرات تااین نوسانات به یك حالت پایداربرسند افزایش می یابد . در این حالت رشد دامنه امواج داخل كاواك افزایش می یابد و هر انرژی كه به دلیل گسیل برانگیخته ظاهر میشود به عنوان خروجی لیزر منظور می گردد.

تا اینجا فرض بر این بود پرتوهایی كه بین دو آینه رفت و برگشت می كنند موازی هستند . ولی در واقع اینطور نیست. به دلیل اثرات پراش در لبه آینه ها یك باریكه كاملا موازی نمی تواند با اندازه محدود ابقا شود چون بخشی از تابش از كناره های آینه ها پخش می شود و این اتلاف ها در اثر پراش را می توان با استفاده از آینه های مقعر و در عمل با آینه های با انحنای متفاوت و شكل های مختلف، بسته به نوع لیزر ، كاهش داد. به اینگونه سیستم ها كاواك پایدار گفته می شود.

برخی از سیستمهای كاواك پایدار در شكل زیر نشان داده شده است.






كاواكهای پایدار علاوه بر پایدار نگه داشتن پرتو ویژگی دیگری نیز دارند و آن تنظیم خروجی لیزر است. این عمل به سادگی و با تغییر فاصله آینه ها و بدین ترتیب با تغییر دادن مقدار تابش در طرف آینه كوچكتر كه خروجی لیزر را می سازد ممكن خواهد بود.





لیزر های واقعی :

در قلب هر لیزر ماده فعالی وجود دارد كه باعث ایجاد خروجی لیزر در باریكه ای از طول موجها است.در حقیقت لیزر ها با نام ماده فعال آنها شناخته می شوند. به طور كلی ماده های متفاوتی به عنوان ماده فعال لیزری مورد استفاده قرار می گیرد. به طور مثال اولین لیزر در سال 1960 با استفاده از كریستال صورتی یاقوت ساخته شد.

امروزه تعداد و انواع مواد استفاده شده به عنوان ماده فعال لیزری افزایش یافته است به طوری كه انسان احساس می كند از هر ماده ای میتواند با استفاده از روش دمش خاص برای لیزر استفاده كند.

به طور كلی لیزر ها را با توجه به نوع ماده فعال آن ها به چهار دسته اصلی تقسیم می كنند:



1 - لیزر های آلائیده شده با عایق

2 - لیزر های نیمه هادی

3 - لیزر های گازی

4 - لیزر های رنگ



در اینجا به برسی لیزر های گازی می پردازیم.



لیزر های گازی:



لیزر هایی را كه ماده فعال آنها گاز است ، لیزر های گازی می گویند . لیزر های گازی معمولا حجیم هستند و و هر چه پر قدرت تر باشند ، اندازه آنها بزرگتر خواهد بود.

نكته مفید در رابطه با لیزر های گازی این است كه از آنجا كه گازها بسیار یكنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، می توان برای پر كردن و خنك نمودن آنها از یك مدار بسته استفاده كرد.

از آنجا كه اتمها خطوط جذبی بسیار باریكی در گازها دارند ، تقریبا تقریبا غیر ممكن است بتوان به كمك دمش نوری در آنها انرژی آزاد كرد. بنابر این در لیزر های گازی از روش دمش تخلیه الكتریكی استفاده می شود.

لیزر های گازی خود به سه دسته تقسیم می شوند:

1- لیزر های اتمی

2- لیزر های یونی

3- لیزر های مولكولی



با توجه به به نوع لیزر ، گزار لیزری بین دو تراز انرژی اتم و یو ن یا مولكول به وقوع می پیوندد.یكی از مهمترین انواع لیزر های گازی، لیزر مولكولی CO2 است .





لیزر CO2 (دی اكسید كربن ) :



لیزر CO2 از مهمترین لیزر ها در نوع خود است و از نظر كاربرد فنی آن را در زمره مهمترین لیزر ها دسته بندی می كنند. این لیزر با كارایی بالا (30%) و توان خروجی زیاد و پیوسته حدود چندین كیلو ولت ساخته می شود .

لیزر های دی اكسید كربن كاربرد های زیادی در زمینه های مختلف از جمله جوشكاری ، برش استیل ، الگوبری ، جوش هسته ای و كاربردهای متنوع نظامی دارند.



عملكرد لیزر های CO2 در تولید پرتو :



تحریك مولكول های CO2 در دو مرحله انجام می گیرد. در لیزر های CO2 از گاز نیتروژن به عنوان گاز كمكی به منظور تحریك استفاده می شود. بعضی تراز های نیتروژن كه كاملا نزدیك به ترازهای CO2 هستند به راحتی در تخلیه الكتریكی دمش می شوند . وقتی نیتروژن تحریك شده به اتمهای CO2 كه در حالت پایه قرار دارند برخورد كند ، ممكن است انرژی خود را به انها بدهد و آنها را تحریك كند و به تراز تحریكی مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهای نیتروژن و CO2 دقیقا بر روی هم منطبق نیستند ولی اختلاف آنها خیلی كم است .این اختلاف با انرژی جنبشی اتمها در تبادل انرژی تقریبا جبران می شود. اتمهای CO2 تحریك شده با بازگشت به تراز خود انرژی آزاد كرده و یك فوتون ایجاد میككند كه این فوتون دارای طول موجی بین 9.2 تا 10.8 میكرون است و قوی ترین طول موج آن طول موج 10.6 میكرون می باشد.

فوتون آزاد شده با توجه به جهت میدان الكتریكی كه از آنود به كاتود است به طرف آینه حركت می كند و با برخورد به آینه ای كه در سمت آنود قرار دارد منعكس شده با برخورد مجدد به مولكول های CO2 آنها را تحریك كرده و یك فوتون دیگر آزاد می كند .

این دو فوتون با برخورد مجدد به آینه ها و بازتابش خود فوتونهای بیشتری ازاد می كنند و این عمل تا آنجا ادامه می یابد كه روند تولید فوتون به یك مقدار پایدار برسد كه در آن موقع خروجی بهینه لیزر آغاز می شود . لازم به ذكر است كه قبل از رسیدن به حد آستانه نیز از لیزر پرتو هایی خارج می شود كه به دلیل ضعیف بودن قرت چندانی ندارد و ناكارامد است.



دمش به روش تخلیه الكتریكی :



همان طور كه بحث شد تحریك در لیزر های CO2 طی دو مرحله است كه ابتدا تحریك نیتروژن انجام می شود.

در لیزر های CO2 تحریك به كمك تخلیه الكتریكی با ولتاژ های بالا انجام می شود. كاواك لیزر دارای كاتد و آندی از جنس آلومینیوم است . با اعمال ولتاژ بالا در قسمت كاتد ، الكترون های مربوط به لایه سطحی آلومینیوم و یا الكترونهای مربوط به اكسید روی سطح كاتد جدا شده و در جهت میدان الكتریكی به سمت آند حركت می كنند و در مسیر خود به اتم های نیتروژن برخورد كرده و آنها را تحریك می كنند و به تراز های بالاتر انرژی می فرستند. اتمهای نیتروژن نیز در بازگشت به تراز های قبلی خود انرژی خود را به مولكول های CO2 منتقل می كنند و ان ها را تحریك می نمایند و به همین روند پرتو ها تقویت شده تا خروجی لیزر آغاز گردد.





انواع لیزر های CO2 :



1 - لیزر با لوله بسته

2 - لیزر با جریان گاز

3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA )



1 - لیزر با لوله بسته

در این گونه لیزر ها گاز CO2 و نیتروژن در لوله های تخله قرار دارند. مشكلی كه برای این لیزر ها وجود دارد این است كهدر جریان تخلیه الكتریكی مولوكول های CO2 به CO تبدیل می شوند . این واكنش خیلی سریع است و اگر تمهیداتی به كار گرفته نشود ، عمل لیزر پس از چند دقیقه متوقف می شود.

یكی از راهها این است كه هیدروژن یا بخار آب به مخلوط گاز اضافه كنیم تا با تركیب مجدد CO را به CO2 تبدیل كند.

سرد كردن گاز در این گونه لیزر ها از دیگر مشكلاتی است كه می تواند توان لیزر را به 100 وات محدود كند .طرح های لوله بسته خیلی مرسوم نیستند ولی در طرح حای موجبر ب كار برده می شوند . در موجبر ها ابعاد داخلی لوله كوچك (در حد میلیمتر ) است و موجبر دی الكتریك را به وجود می آورد . كیفیت پرتوی عالی و خروجی نسبتا زیاد با توجه به قطر های كوچك لوله بدست می آید .

تحریك به كمك میدان الكتریكی قوی یا میدان RF كه به داخل ماده موجبر هدایت می شود انجام می گیرد.


لیزر با لوله بسته



لیزر موجبر







2 - لیزر های با جریان گاز:



دو مشكل تجزیه CO2 و سرد كردن گاز را می توان با حركت دادن گاز در سر تا سر لوله برطرف كرد .در طرح های ساده جریان گاز و تخلیه الكتریكی هر دو در سر تا سر لوله لیزر انجام می شود. اگر اقدامی برای تبدیل گاز انجام نشود ، گاز باید به طور مداوم به بیرون جریان یابد. ولی از آنجا كه فشار گاز پایین است مقدار گاز مصرفی زیاد نخواهد بود. توان خروجی ین لیزر ها به طور خطی با افزایش طول لوله افزایش می یابد . حدود 60 وات به ازای هر متر . ولی برای توان های بیشتر از چند كلیو ولت به طول های بزرگ نیاز داریم .




افزایش ماكزیمم توان خروجی ، با جریان عرضی و سریع ممكن خواهد بود .تخلیه الكتریكی را نیز می توان هم جهت با جریان گاز انجام داد . این طرح امكان توان تا حدود ده ها كیلو ولت و به صورت مداوم را ممكن می سازد . خروجی های بیشتر نیز امكان پذیر است اما ابعاد بزرگ لیزر و منابع تغذیه مورد نیاز ، كاربرد آِن را در صنعت با مشكل رو برو می كند.







3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA ):



تا كنون برای افزایش توان خروجب لیزر CO2 طول تیوپ و سرعت جریان گاز را افزایش دادیم . اما یك راه دیگر برای افزایش توان لیزر افزایش فشار است .

متاسفانه با افزایش فشار به ولتاژ های بزرگی برای تخلیه الكتریكی و تحریك دی اكسید كربن نیاز است و تجهیزات مورد نیاز عظیم می باشد . لذا در این روش تخلیه در لوله های به طول چند متر مشكل خواهد بود . از طرفی تخلیه الكتریكی عرضی برای حدود 10 میلیمتر یا این حدود قابل قبول تر است . عمل لیزر به طور مداوم به دلیل عدم پایداری تخلیه در فشار های بالاتر از 100 میلیمتر جیوه مشكلاتی به همراه خواهد داشت .بنابر این لیزر های با فشار گار بالا باید به صورت ضربانی كار كنند و به صورت عرضی تخلیه شوند .چنین لیزر هایی با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ، (TEA) نامیده می شوند . گرچه فشار گاز ممكن است متغیر و حدود چند اتمسفر باشد ،اما توسط این لیزر ها می توان ضربان هایی با توان بالا و دوره های حدود 50 نانو ثانیه و با انرژی 100 ژول به دست آورد .

در فشار های خیلی بالا و حدود 10 اتمسفر ، بخورد های مولكولی باعث پهن كردن خطوط طیف لیزر شده و تنظیم لیزر را روی طول موج های مختلف مقدور می سازد.





تئوری ساخت لیزر CO2 :



اكنون پس از توضیحاتی كه در مورد لیزر ها و انواع آنها داده شد ، به بررسی ساخت یك نمونه از لیزر دی اكسید كربن با جریان گاز می پردازیم .



اجزای سازنده لیزر CO2 با جریان گاز :



تیوپ لیزر

آینه های لیزر

منبع گاز CO2 و N2 و He

پمپ خلا

منبع ولتاژ بالا

آند و كاتد

سیستم خنك كننده

پیچ ها و پایه های تنظیم



در ادامه به برسی هریك از اجزای لیزر به طور مجزا می پردازیم و با ارائه آمار و ارقام و روش های پیشنهادی ، تئوری كاملی از ساخت لیزر CO2 با جریان گاز ارائه خواهیم داد .







نقشه های لیزر با جریان گاز :


نقشه سه بعدی لیزر

سیستم خلا و گازهای لیزر :

همان طور كه در طرح ساخت بیان شد ، از سیستم جریان گاز با تخلی الكتریكی ولتاژ بالا استفاده می شود. در ادامه نكات مهمی در مورد راه اندازی سیتم خلا و جریان گاز بیان می شود

- تمام هوای داخل لوله باید تخلیه شود . تخلیه باید تقریبا به طور كامل انجام شود چرا كه وجود هوای پس ماند در لوله باعث ضعیف شدن پرتوی خروجی یا عدم خروجی لیزر می شود.

- هر گونه آلودگی را از روی تیوپ لیزر پاك كنید چرا كه ممكن است باعث اختلال در پرتوی خروجی شود . توجه شود كه برخی از مواد خلا مانند گریش و مواد پوشاننده درز ها مشكلی ایجاد نمی كند.

- فشار گاز لیزر را به صورت تكی یا مخلوط ، چه در ابتدای كار و چه به هنگام عمل لیز كنترل كنید .

درصد تركیب گاز ها در لیزر co2 به صورت زیر است:


گاز ها
حجم (لیتر)
فشار (بار)

دی اكسید كربن

16% تا 4%




7930 – 280


167 - 2400

نیتروژن

20% تا 10%




5664 – 200


2124 - 75

هلیوم

به میزان تعادل




2124 – 75


146 - 2100


با توجه به نقشه ساخت لیزر به صورت زیر عمل می كنیم .

ابتدا ورودی گاز لیزر را میبندیم و سپس از طرف دیگر توسط پمپ تخلیه كاواك را به طور كامل تخلیه می كنیم . منبع گاز را با توجه با جدول بالا پر میكنیم و سپس آن را به ورودی كاواك متصل می كنیم . سپس شیر ورودی را باز كرده تا مخلوط گاز وارد كاواك شود به منظور برقرار كردن جریان گاز در طول كاواك باید خروجی لیزر را به پمپ خلا متصل كنیم تا با مكشی كه ایجاد میكند ، گاز در طول لوله جریان یابد .

راه دیگر برای ایجاد جریان گاز این است كه خروجی كاواك را به یك مخزن خالی گاز با فشار كمتر از مخزن ورودی متصل كنیم . توجه شود كه باید مسیر جریان گاز در طول لوله از آند به كاتد باشد تا تخلیه الكتریكی هم مسیر با عبور جریان انجام شود . لوله هایی كه مخزن گاز و پمپ خلا را به لیزر متصل می كنند باید انعطاف پذیر باشند . محل اتصال لوله ها به لیزر باید كاملا عایق بندی شود تا هیچ گونه نشط به بیرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .





تیوپ لیزر :

مهمترین قسمت لیزر co2 تیوپ آن می باشد . تیوپ های لیزر را معمولا از جنس لوله تخلیه پلاسما یا از جنس شیشه می سازند . اما كاواك های شیشه ای مرسو تر هستند زیرا دست رسی و ساخت آنها آسان تر است .

بهترین شیشه به منظور ساخت كاوا لیزر ، شیشه پریكس نسوز است كه در مقابل تغییر دما مقاومت بالایی دارد . چرا كه سیستم لیزر با تولید گرمای زیادی همراه است.

با توجه به طرح ساخت ، طول تیوپ لیزر را 45 سانتی متر و قطر مقطع آن را 2.5 سانتی متر در نظر می گیریم . جهت اتصال لوله های ورودی و خروجی گاز ، دو سوراخ در قسمتهای ابتدا و انتهای تیوپ لیزر تعبیه می كنیم یا اینكه تیوپ را به هنگام ساخت به گونه ای می سازیم كه قابلیت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهای ان وجود داشته باشد. تیوپ لیزر ابتدا در یك لوله شیشه ای بزرگتر كه همان لوله سیستم خنك كننده است قرار می گیرد و سپس بر رویه پایه های نگه دارنه لیزر محكم می شود.









سیستم خنك كننده :

از انجا كه عمل لیز گرمای زیادی ایجاد می كند و توان لیزر را تا حد زیادی كاهش می دهد پس باید به فكر راهی برای خنك كردن تیوپ لیزر و آینه ها باشیم.

یك روش خنك كردن سیستم استفاده از جریان گاز می باشد . و روش دیگر استفاده از سیستم خنك كننده ی گردش آب می باشد . به این منظور باید كاواك را در یك لوله شیشه ای بزرگ قرار دهیم . طرز كار به گونه ای است كه تیوپ لیزر در وسط لوله بزرگتر قرار دارد و آب از اطراف آن جریان می یابد و آن را خنك می كند. جهت اجاد جریان اب در سیستم خنك كننده باید دو سوراخ در لوله شیشه ای بزرگ به منظور اتصال لوله های ورودی و خروجی آب تعبیه كنیم . و با اتصال آن از طریق لوله ها به یك پمپ ، آب را از یك مخزن درون لوله شیشه ای به جریان بیندازیم . جهت پمپ آب میتوان از پمپ آكواریوم یا پمپ كولر های آبی استفاده كرد كه اب را از یك منبع به داخل سیستم خنك كننده جریان می دهند. در بستن لوله های آب و سیستم خنك كننده به هم سعی شود تا هیچگونه نشط آب به بیرون وجود نداشته باشد. طبق طرح طول لوله شیشه ای سیستم خنك كننده 30 سانتی متر و قطر آن 5 سانتی متر می باشد .







آینه ها و نصب آنها در لیزر:

همانطور كه در قسمت تشدید كننده های نوری بیان شد برای افزایش توان لیزر و موازی كردن مسیر بازتاب پرتوها در كاواك از آینه هایی با درصد بازتابش بالا استفاده می شد تا فوتونها بتوانند بین دو آینه بازتاب كننده برای جلوگیری از تلفات به دلیل جلوگیری از پراش در لبه های آینه ها از سیستمی استفاده می شود كه در آن یك آینه تخت با در صد بازتابش تقریبا 100% و یك آینه مقعر با در صد بازتابش تقریبا 90%در دو طرف كاواك تعبیه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آینه مقعر با بازتابش 90% می باشد.

از آنجا كه خروجی لیزرهای co2 در محدوده 10.6 میكرون است از قطعات اپتیكی مثل شیشه و یا كوارتز جهت ساختن آینه های لیزر نمی توان استفاده كرد .چون این مواد در محدوده 10.6 جذب زیادی دارند بنابراین خروجی لیزر را به شدت كاهش می دهند و در اثر گرمای زیادی كه در اثر فرایند جذب در آنها ایجاد می شود ممكن است بشكنند یا ذوب شوند. بنابراین برای ساختن آینه های لیزر از موادی مانند ژرمانیوم – گالیوم - آرسناید- سولفید روی- طلا و هالوژن ها می توان استفاده كرد. در میان این آینه ها هالوژنها كمترین جذب را دارند ولی جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشكلاتی را فراهم می كند. آینه های فلزی با در صد بازتاب 100% نیز می توانند برای استفاده در این طول موجها مورد استفاده قرار گیرند.ما در ساخت لیزر co2 با جریان گاز از آینه ژرمانیوم و طلا استفاده می كنیم. به این صورت كه آینه تخت را از جنس آینه ژرمانیوم و آینه مقعر را از جنس آینه طلا انتخاب می كنیم.





تقریبا بیشترین هزینه در ساخت لیزر co2 مربوط به تهیه آینه هاست.لازم به تذكر است كه آینه مقعر طلا كه مورد استفاده قرار می گیرد دارای شعاع انحنای cm 120 باید باشد در ضمن خروجی لیزر هم از همین آینه هاست.نكته دیگری كه باید هنگام تهیه آینه ها در نظر گرفت این است كه آینه ها باید از طرف جلوی آینهپوشش داده شده باشند یعنی پوشش طلا یا ژرمانیوم باید بر روسی سطح ِنه باشد نه پشت آینه. در صورتی كه در تهیه آینه طلا با مشكل مواجه شدیم می توانیم از آینه آلومینیوم نیز استفاده كرد.گاهی اوقات نیز در ساخت آینه ها سطح آینه را با استفاده از چند ماده مختلف با در صد بازتابش بالا در طول موجهای متفاوت استفاده می شود. ولی ضخامت پوش هر ماده بر روسی سطح آینه برابر با نصف طول موج نوری است كه آینه برای آن طراحی شده است.در انتخاب آینه مقعر باید توجه كرد كه شعاع انحنای آن باید بزرگتر از طول كاواك لیزر باشد. در ادامه جدولی از آینه ها و اطلاعات مربوط به آن ارائه شده است.

نصب آینه ها و پیچهای تنظیم:

نصب آینه ها به صورت ثابت ولی حركت در دو انتهای كاواك ممكن است مشكلاتی از قبیل عدم موازی بودن پرتوها و یا ضعیف شدن توان خروجی لیزر برای ما ایجاد كند.بنابر این بهترین كار این است كه آینه ها را بر روی پایه های متحرك با پیچ تنظیم نصب كنیم تا بتوانیم ان را به راحتی حركت داده و تنظیم كنیم. از انجا كه تهیه یك تنظیم كننده ایدهآل كه با سیستم خلا كاواك لیزر سازگار باشد بسیار هزینه بر است پس یك راهكار پیشنهادی ارائه می كنیم. مطابق شكل ارائه شده با دوقطعه فلز در ابتدا ، نگهدارنده ای برای آینه ها می سازیم و برای تعبیه پیچ های تنظیم دو سوراخ در آنها ایجاد می كنیم .برای اتصال اینه ها به كاواك خلا ، به ورقه ای از جنس آلومینیوم انعطاف پذیر نیاز داریم . فویل الومینیوم را به صورت زیگ زاگ مطابق شكل به صورت استوانه ای كه قطر سطح مقطع ان برابر با قطر كاواك است شكل می دهیم و لبه های آن را توسط چسب قابل انعطافی مانند چسب آكواریوم به هم می چسبانیم . سپس یك انتهای استوانه انعطاف پذیر ساختگی خود را به آینه می چسبانیم و طرف دیگر آن را به كاواك لیزر . با قرار دادن پیچ های تنظیم مطابق شكل پس از چك كردن عدم نشط گاز به بیرون با روشن كردن لیزر ، آینه ها را تنظیم می كنیم . لازم به ذكر است كه این سیستم باید برای هر دو آینه تخت و مقعر به كار برده شود .











تنظیم پرتوی خروجی:

جهت استفاده از پرتوی لیزر باید قادر باشیم آن را در جهات مختلف هدایت كنیم.قبل از هر چیزی باید از موازی بودن پرتو های خروجی اطمینان حاصل كنیم. برای این منظور كاغذی را از وسط سوراخ كرده به گونه ای در جلوی كاواك لیزر قرار می دهیم كه محور مركزی گذرنده از كاواك هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستكاری پیچ های تنظیم آینه ها پرتوی خروجی از لیزر را به گونه ای تنظیم می كنیم تا از مركز سوراخ عبور كند . اكنون ما یك دسته پرتوی مستقیم داریم .

از قبل لازم به ذكر است كه به دلیل نوع اینه های استفاده شده و سیتم بازتابش رفت و برگشت فوتون بین دو آینه پرتوی خروجی یك پرتوی موازی است.اكنون می خواهیم پرتو را با قطر های متفاوت بر روی نقطه مورد نظر متمركز كنیم. جهت این كار می توان از سیستم عدسی های مركب استفاده كرد . چند نمونه از سیتم های عدسی مركب به منظور هدایت پرتو در شكل نشان داده شده كه باتوجه به انها می توانیم با استفاده از عدسی های گوناگون با فاصله كانونی ها وشعاع های انحنای مختلف پرتوی خروجی را به گونه ای كه تمایل داریم هدایت كنیم .


















نكته ی دیگر در تنظیم پرتوی خروجی استفاده از پهن كننده پرتو است . پهن كننده ها شعاع پرتو های نوری را افزایش داده و ما میتوانیم با عبور دسته پرتوی گسترده تر از عدسی ، سطح كانونی كوچك تری بدست آوریم و پرتو را بیشتر متمركز كنیم .













راه دیگری كه در انتقال پرتو ها مفید است استفاده از تارهای نوری موج بر است كه می توانند با قابلیت انعطاف پذیری خود ، پرتو را به نقاط مختلف انتقال دهند.

اصولا این تارهای نوری دارای قطرهای كوچك ، از جنس شیشه یا كوارتز هستند و دارای یك هسته مركزی با ضریب شكست بزرگتر از محیط اطراف خود می باشند.پرتو نور قادر به حركت در داخل هسته مركزی به صورت زیگ زاگ به دلیل بازتاب كلی از فصل مشترك هسته مركزی با جداره می باشد.

متاسفانه این روش برای طول موجهای تا 1.6 میكرون به كار می رود . چون میزان جذب برای طول موج های بزرگتر زیاد است ، از این روش برای انتقال پرتو در لیزر co2 نمی توان استفاده كرد .











ولتاژها:

همان طور كه قبلا نیز بیان شد ، دمش در لیزر های گازی از نوع تخلیه الكتریكی است كه توسط ولتاژ های بالا انجام می شود .از آنجا كه دمش در لیزر های co2 طی دو مرحله انجام می شود ، بنابر این ابتدا باید توسط تخلیه الكتریكی ولتاژ بالا اتم های نیتروژن را تحریك كنیم تا به حالت برانگیخته برسند و با انتقال انرژی خود به مولكول های co2 عمل لیز آغاز شود .

اوین حالت تحریكی ازت تقریبا در 0.3 الكترون ولت است . بنا بر تجربه برای شروع عمل لیز به 2 الكترون ولت انرژی نیاز دارد .لازم به ذكر است كه لیزر های co2 با جریانDC یا جریان متناوب AC با فركانس خیلی پایین كار می كند. البته جریان های AC در لیزر هایی استفاده می شود كه به صورت ضربانی دمش می شوند و خروجی ناپیوسته دارند. در مورد لیزر های co2 ولتاژی را برابر با 10 تا 15 كیلو ولت DC به ازای هر متر تخلیه الكتریكی استفاده می كنیم كه حدود جریان الكتریكی ما بین 10 تا 15 میلی آمپر است .برای ایجاد جریان DC می توانیم از یكسو كننده های جریان AC استفاده كنیم تا به ولتاژ آغازین 10 كیلو ولت برسیم . در لیزر های co2 نیاز نداریم كه از سیستم های ولتاژ بالا با قابلیت تنظیم استفاده كنیم . اما استفاده كردن از چنین سیستمی كه قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی را داشته باشد برای تنظیم قدرت خروجی لیزر مناسب ست.چرا كه هر چه ولتاژ بالاتری به كار ببریم ، عمل لیز با قدرت بیشتری انجام می شود.ولتاژ بالای اعمال شده به دو سر تیوپ لیزر اعمال می شود ، یك میدان یكنواخت در سر تا سر لوله ایجاد میكند و الكترونها در این میدان شتاب می گیرند و با برخورد به دیگر اتم ها آنها را تحریك می كنند.

گاهی اوقات قبل از عمل تخلی گاز را كمی یونیزه می كنند . این عمل به كمك یك پالس ولتاژ بالا كه به یكی از الكترود ها اعمال می شود یا به كمك ی سیم كوتاه كه به دور لوله پیچیده شده ، انجام می گیرد . در این روش هم الكترون ها و هم یون ها و هم مولكول های خنثی در محیط وجود دارند . الكترونهایآزاد توسط میدان الكتریكی شتاب گرفته و به سمت آنود حركت می كنند.

نكته ای كه به هنگام تنظیم ولتاژ مناسب در نظر می گیریم این است كه ولتاژ اعمال شده را از مرز 15 كیلو ولت آغاز میكنیم . ولتاژ را اندك اندك افزایش میدهیم تا یك باریكه نوری موازی و درخشان در مركز كاواك لیزر مشاهده شود . در چنین حالتی ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبی است. لازم به ذكر است كه استفاده از ولتاژ های بالا به مراقبت بسیار زیادی نیاز دارد .از سیم های رابط عایق استفاده كنید و هر جا كه سیم پوشش خود را از دست می دهد آان را عایق كنید . سیستم ولتاژ بالا و خود دستگاه لیزر باید بر روی پایه های محكم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالی برخورد سیم ها جلو گیری شود. به هنگام كار كردن با چنین سیستمی بسیار دقت كنید تا سیمهای كاتد و انود 2 اینچ به ازای هر 10 كیلو ولت از هم فاصله داشته باشند. تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال كوتا اجتناب شود.





الكترود ها :

یكی از مهمترین اجزای یك لیزر الكترود های آن می باشد. همان طور كه قبلا نیز اشاره شد ، الكترود ها با آزاد كردن الكترون هاب اولیه نقش مهمی در شروع عمل لیز ، ایفا می كنند . در لیزر های مختلف ، انواع متعددی از الكترودها استفاده می شود. در لیزر های co2 به طور معمول از الكترود هایی از جنس آلو مینیوم استفاده می شود. چراكه آلومینیوم دارای الكتونهای ظرفیت مناسب جهت ازاد شدن توسط ولتاژ بالا می باشد.همچنین از انجا كه سطح الومینیوم همیشه پوشیده از یك لایه اكسید آلومینیوم است این امر به ازاد كردن الكترون های بیشتری كمك می كند. در طرح لیزر از ورقه های نازك و انعطاف پذیر آلومینیوم برای ساخت كاتد و آنود استفاده می كنیم . روش كار به این صورت است كه درو قطعه ورقه الومینیوم با عرض 3 و طول 15 سانتی متر تهیه می كنیم . سپس این ورقه ها را به شكل استوانه هایی هم قطر با تیوپ لیزر یعنی به قطر 2.5 سانتی متر لوله می كنیم و در دو انتهای تیوپ لیزر فرو میكنیم . سپس یك سانتی متر از هر طرف را از لوله خارج كرده و بر روی خود تیوپ خم می كنیم . پس از اتصال سیم های رابط جریان به ورقه های آلومینیوم ، آن قسمت از تیوپ را كه ورقه های آلومینیوم بر روی آن تا خورده به شدت عایق بندی می كنیم تا از هرگونه تماس با آن ها غیر ممكن شود. لازم به ذكر است ، سیتم آینه ها و پیچ های تنظیم كه قبلا توضیح داده شد باید پس از عایق بندی الكترود ها و لوله كاواك به انتهای لیزر متصل شود. چراكه اگر بدون عایق بندی عمل شود ، خطر برق گرفتگی وجود دارد.



محاسبه تقریبی توان لیزر :

لیزر های گونتگون با نوجه به سیستمی كه در ساخت آنها به كار برده شده از قبیل : نوع ماده لیزی ، طول كاواك لیزر ، روش های گوناگون دمش و نوع سیستم خنك كننده دارای توان های خروجی متفاوتی هستند. برای محاسبه توان خروجی لیزر روش های گوناگونی وجود دارد كه بسیاری از آنها حاوی فرمول های سخت وپیچیده است و نیاز مند اطلاعات دقیقی از قسمت های مختلف دستگاه می باشد . در اینجا یك راه پیشنهادی و ساده جهت محاسبه توان تقریبی لیزر ارائه می شود كه می تواند مفید باشد . جهت محاسبه توان خروجی، پرتوی لیزر را به یك مایع كه ظرفیت گرمایی آن برای ما مشخص است می تابانیم و در مدت زمان تابش ، تغییرات دمایی را اندازه می گیریم . با محاسبه انرژی گرمایی می توان توان خروجی لیزر را از رابطه معروف p=w/t بدست آورد . یكی از مناسب ترین مایعاتی كه می توان از آن استفاده كرد آب می باشد . چرا كه ظرفیت گرمایی آن مشخص است و به راحتی در دسترس می باشد . اما برای محاسبه توان دقیق باید ضریب بازتابش سطح آب را نیز به هنگام محاسبات در نظر بگیریم .چرا كه مقداری از پرتوی تابیده شده به سطح آب ، توسط سطح بازتابیده می شود . استفاده از مایعاتی با ظریب بازتابش كمتر ، محاسبات را دقیقتر می كند.







تلفات لیزر :

راه های متفاوتی برای اتلاف در لیزر وجود دارد كه به كاهش توان خروجی لیزر منجر می شود . در زیر به برخی از آنها اشاره می شود كه تلاش برای رفع هر كدام از موارد ذكر شده باعث افزایش توان خروجی لیزر است .

- جذب و پراكنده كردن نور توسط آینه ها .

- پراش از لبه آینه ها .

- عبور نور از آینه ها قبل از رسیدن به حد آستانه تابش .

- پخش و پراكندگی پرتوها توسط ماده لیزری به دلیل عدم یك نواختی ماده از نظر اپتیكی .

- جذب ماده لیزری و گسیل تابش هایی كه مورد نظر ما نیست.

- كاهش توان خروجی به دلیل گرمای حاصله از عمل لیز كه میتواند باعت بالا رفتن دمای آینه ها ، كاواك لیزر و یا الكترود ها شود .

- كاهش توان خروجی به دلیل عدم وجود خلا كامل در كاواك قبل از جریان دادن گاز درون كاواك.

تعدادی از عوامل اتلاف ذكر شده از جمله تلفات ناشی از گرم شدن سیستم و یا پراش از لبه های آینه ها قابل رفع است كه قبلا در مورد آنها توضیح داده شد . تعدادی دیگر از عوامل نیز با استفاده از مواد مناسب در ساخت لیزر قابل رفع است .

به طور كلی هر جه بیشتر بتوانیم در رفع عوامل بالا تلاش كنیم ، توان خروجی بیشتری خواهیم داشت .



ایمنی لیزر :

بیشتر لیزر ها تابشی گسیل می كنند كه با احتمال خطر همراه است . درجه خطرناكی لیزر به مشخصات خروجی لیزر ، طریقه استفاده و تجربه فردی كه از آن استفاده می كند بستگی دارد .

از مشخصه های تابش لیزر جمع شوندگی پرتوی آن است . این امر به همراه انرژی بالای لیزر می تواند انرژی زیادی به بافت های فیزیو لوژیكی بدن منتقل كند.از آنجا كه پرتو های لیزر دارای طول موج های متفائتی هستند ، می توانند به بافت های مختلف بدن با توجه به قابلیت جذب آنها آسیب برسانند . جذب تابش باعث افزایش دما می شود و به قطع شدن اتصالات مولكولی می انجامد .

یكی از آسیب پذیر ترین قسمت های بدن تا آنجا كه به تابش لیزر مربوط می شود ، چشم انسان است . این امر به این دلیل است كه عدسی چشم ، پرتوی تابیده شده از لیزر را در ناحیه ای به شعاع حدود چندین برابر طول موج لیزر با چگالی بالای انرژی متمركز می كند .

میزان خسارت به طول موج بستگی دارد به طوری كه تابش در نواحی ماورائ بنفش و مادون قرمز كه توسط قرنیه جذب می شود ، باعث صدمه دیدن آن می شود و جذب در ناحیه مریی باعث آسیب دیدن شبكیه می گردد.این جذب ها توسط چشم می تواند به سوختگی یا نقص بینایی منجر شود .

پوست می تواند بیشتر از چشم مورد تابش قرار گیرد . پوست ممكن است در تابندگی سطح بالا تاول بزند و یا آسیب كمتری ببیند . در مورد پوست هم میزان خسارت به طول موج تابش و میزان جذب بستگی دارد به یژه در محدوده پرتوهای ماورائ بنفش .

معمولا مكان هایی كه دستگاه های لیزر در آن ها قرار دارد ، با چراغ های اخطار و متوقف كننده های پرتو تجهیز می شوند . در این مكان ها از موادی كه بازتاب كننده پرتو هستند نیز استفاده می گردد . به هنگام كار كردن با لیزر ها باید از عینك های محافظ چشمی استفاده كرد و با توجه به اینكه در لیزر ها معمولا از مولد های ولتاژ بالا استفاده می شود ، رعایت نكات ایمنی در این مورد نیز ضروری می باشد .



منابع :

Sams FAQ in laser construction

Laser principle and application /J.Wilson – J.F Havaks

Laser miloni

منبع: كارگاه هواشناسی و پژوهشگاه لیزر و نانو تكنولوژی

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :