لیزرها و جوشکاری لیزری

لیزرها

لیزرها دستگاه هایی هستند که تابش همدوس یا تقویت تابش در بسامدهایی در ناحیه مادون قرمز، مرئی یا فرابنفش طیف موج الکترومغناطیسی را ایجاد می کنند.

مولفه های اساسی یک لیزر

مولفه های اساسی یک لیزر به قرار زیر است:

الف) محیط فعال شامل مجموعۀ مناسبی از اتم ها، مولکول ها، یون ها و یا نیم رساناها.

ب ) فرآیند دمش که قادر است این اتم ها و یا مولکول ها را به ترازهایی با انرژی بالاتر تحریک سازد.

ج ) عناصر بازخور مناسب که به باریکه تابش اجازه می دهد که در محیط فعال نوسان کند (به این امر نوسان لیزر می گویند) و یا آنکه باریکه از محیط فعال یک بار بگذرد (که به آن تقویت تک عبور می گویند) و ممکن است تعداد عبورها زیادتر شده که به آن تقویت دو عبور، سه عبور و … می گویند.

تاریخچه لیزر

لیزرها بر اساس اصل کلی که در بسامدهای میکرو موج اختراع گردیده بود و به آن میزر Maser (تقویت میکرو موج توسط گسیل تابش القایی) گفته می شد کار می کنند. وقتی طول موج نوسان به ناحیه بسامدهای اپتیکی می رسد، طبیعتاً به آن لیزر (تقویت نور توسط گسیل تابش القایی) گفته می شود.

اختراع اولین لیزر به سال ۱۹۶۰ توسط تئودور مایمن بازمی گردد و آن یک لیزر یاقوت است که با لامپ درخش فعال می شود. جالب است بدانیم که امروزه لیزرهای حالت جامد (نظیر یاقوت، نئودیمیوم یاگ) نیز کم و بیش به صورت همان تکنیک قدیمی خود کار می کنند. روش دمیدن محیط فعال از طریق اپتیکی است. البته حضور لیزرهای نیمه رسانا و تابش آنها در ناحیه جذب شدید بلورهای لیزر، تکنولوژی بسیار جدید امروزی را که دمش لیزرهای حالت جامد توسط لیزرهای نیمه رساناست متحول ساخته است. این لیزرها که با باریکۀ لیزرهای نیمه رسانا دمیده می شوند بسیار کوچک و قابل حمل و کم مصرف و با بازدهی بالایی هستند. حتی در این خصوص پا فراتر گذاشته شده است و لیزرهای پر قدرت که در حجم کوچک ساخته می شوند قادر به تولید باریکه های پرتوان برای مصارف صنعتی می باشند.

برندگان جایزه نوبل در زمینه لیزر

– چارلز اچ تاونز به خاطر اختراع میزر آمونیاک (۱۹۶۴)
– نیکلا جی باسوف، و الکساندر پروکرف برای سهم خود در میزرها و لیزرها (۱۹۶۴)
– دنیس گابور، برای ارائه تصاویر سه بعدی (هولوگرافی) (۱۹۷۱)
– نیکلاس بلومبرگن و آرتورشالو برای سهم آنها در میزر سه ترازی، اپتیک غیرخطی و اسپکتروسکپی لیزری (۱۹۸۱)
– احمد ذویل (که دانشمند مصری است) برای کاربرد لیزر در شیمی (۱۹۹۹)

– از سایر فعالیت های اساسی در زمینه لیزر می توان از اختراع پرفسور علی جوان، دانشمند ایرانی به خاطر اولین لیزر گازی هلیوم نئون و سی.ک.ان پاتل (دانشمند هندی) نام برد.

مفاهیم اساسی لیزر

لیزرها بر اساس برهمکنش تابش و ماده فعال می شوند. این برهمکنش شامل گسیل خود به خود، گسیل القایی و جذب می باشد. گسیل خود به خود فرض کنیم توانسته باشیم اتم های زیادی را به تراز بالاتر اتم و یا مولکول با تحریک خارجی (که به آن دمش گفته می شود) فرستاده باشیم. تعداد این اتم ها یا مولکول در واحد حجم در تراز بالاتر را با N نمایش می دهیم این اتم یا مولکول به صورت خود به خود به تراز پایین تر فرو می افتد و اگر این فرو افت توام با گسیل موج الکترومغناطیسی باشد به آن فرو افت تابشی یا گسیل خودبه خود می گویند. اتم و یا مولکول هرگاه به طریق دیگری مثلاً در برخورد با گاز در محیط به تراز پایین تر فروافتد و همراه با تابش نباشد به آن فرو افت غیرتابشی می گویند.

گسیل القایی

علاوه بر فرو افت به طریق گسیل خود به خود، اتم و یا مولکول در تراز بالاتر می تواند در اثر برهمکنش با یک میدان تابش خارجی به تراز پایین تر فرو افتد در این صورت دو فوتون به وجود می آید فوتون القاء شونده و فوتون القاء کننده. هر دو فوتون در یک جهت گسیل می شوند و هم فاز و با یک قطبش هستند (فاز و قطبش فوتون القاء شونده در همان فاز و قطبش فوتون القاء کننده است). این اساس تقویت نوری را فراهم می سازد و اساس لیزر مبتنی بر همین اصول تقویت نور می باشد.

انواع لیزرها

لیزرهای حالت جامد

سه موضوع اساسی برای ایجاد بهره در لیزرهای حالت جامد عبارتند از:

محیط میزبان، یون های فعال در داخل محیط میزبان، منابع نوری برای دمش مواد تشکیل دهنده محیط میزبان.

محیط میزبان به دو دسته بلوری و شیشه ای تقسیم می شوند.

این محیط باید از نظر اپتیکی، مکانیکی و خواص گرمایی شرایط عملکرد لیزری را متحمل شود.

لیزرهای رزینه ای

لیزرهای رزینه ای به آن دسته از موادآلی گفته می شود که در حلال های مناسب حل شده جهت محیط فعال مورد استفاده قرار می گیرند. دمش این رنگ ها از طریق نوری است که با استفاده از لامپ فلاش و یا یک لیزر مناسب می باشد. این مواد قادراند بسته به نوع رنگ به کار رفته از ناحیه فرابنفش تا نزدیک مادون قرمز نوسان قابل تنظیم طول موجی داشته باشند. لذا از زمره لیزرهای کوک پذیر هستند و دارای کاربردهای وسیع در طیف نگاری می باشند.

لیزرهای گازی

نظر به این که گازها به عنوان محیط فعال نسبت به محیط های فعال حالت جامد از چگالی پایین تری برخوردار هستند. بنابراین باید انتظار داشت که لیزرهای گازی نسبتا بزرگ و حجیم باشند. گازها در لیزرهای گازی توسط برخورد الکترونی و یا باریکه الکترونی تحریک می شوند و لذا دمش آنها از نوع دمش الکتریکی است.

تحریک برخورد الکترونی

تحریک مناسب در گازها در فرآیندهای برخورد الکترونی رخ می دهد. تحریک تراز بالایی لیزر یا به صورت برخورد مستقیم الکترون مثلا در لیزر آرگون خنثی است. طبق سازوکار e + *Ar < – Ar + e نشان دهنده تراز تحریکی اتم آرگون است یا انتقال انرژی توسط گازی از نوع دیگر (مثل لیزر He-Ne) صورت می گیرد که He  نقش دهنده انرژی به اتم نئون را دارا است و عمل لیزر روی گذارهای اتم Ne تحقق می یابد.

جوشکاری با قوس پلاسما

در جوشکاری با قوس پلاسم قوسی تولید می شود که بسیار بلندتر، داغتر و قابل کنترل تر از قوس ایجاد شده در جوشکاری تیگ است. هرگاه شدت جریان کم باشد کمتر از ۱۰۰ آمپر باشد می توان جوشکاری موسوم به جوشکاری با قوس سوزنی انجام داد. از این قوس بلند و سوزن مانند برای اتصال قطعات بسیار نازک فلز به ضخامت ۰/۲ تا ۳ میلیمتر استفاده کرد. درجوشکاری با قوس پلاسما از شدت جریان های بیشتر هم می توان استفاده کرد. اگرچه با افزایش شدت جریان قوس پهن تر می شود و می توان با استفاده از شدت جریان تا ۴۰۰ آمپر ورق های تا ضخامت ۲۵ میلیمتر ۲۵ را با کیفیت مطلوب جوشکاری کرد.