لیزر چیست ؟

واژه لیزر از سر کلمه‌های انگلیسی در عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنی «تقویت نور به روش گسیل القایی تابش» است.

لیزر به وسیله‌ای گفته می‌شود که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع می‌کنند. این دستگاه از ماده‌ای جمع کننده یا فعال کنده نور تشکیل شده که درون محفظه تشدید نور قرار دارد. این ماده پرتو نور را که به وسیله یک منبع انرزی بیرونی (از نوع الکتریسیته یا نور) به وجود آمده، تقویت می‌کند.

مبانی نظری لیزر را آلبرت ایشتین در سال ۱۹۱۶ میلادی طی مقاله‌ای مطرح کرد٫ ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعث و فناوری امکان ساخت اولین لیزر را فراهم کند. در سال ۱۹۵۳ چارلز تاونز میزر (تقویت‌کننده موج میکروویو) را اختراع کرد و می‌خواست آزمایشات خود زا حول جایگزینی نور مرئی به جای مادون قرمز ادامه دهد و هم‌زمان این امر بین آزمایشگاه‌های مختلف در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد که عبارت لیزر در همان زمان در مقاله‌ای از گوردون هولد، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و در سال ۱۹۶۰ اولین لیزر (که با موفقیت کار کرد) توسط تئودور میمن (Theodore H. Maiman) ساخته شد. و اولین لیزر گازی(با استفاده از هلیوم و نئون) هم توسط علی جوان فیزیکدان ایرانی در همان ۱۹۶۰ ساخته شد. نخستین بار طرح اولیه لیزر (میزر) توسط انیشتن داده شد،کار لیزر به این گونه‌است که با تابش یک فوترون به یک ذره (اتم یا مولکول یا یون)برانگیخته یک فوترون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوترون با هم همفرکانس می‌باشند در صورت ادامه این روند تعداد نوترونها افزایش می‌یابند که می‌توانند باریکه‌ای از فوتونها را به وجود بیاورند.

کاربرد لیزر در پزشکی : چاقوی لیزری ، مته لیزری و ...
کاربرد لیزر در صنعت : جوشکاری لیزری ، برشهای لیزری ، برش الماس ، مسافت یاب لیزری و ...
کاربردهای نظامی : ردیاب لیزری ، تفنگ لیزری و ...
کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی:اندازه گیری ، سنتز مواد و ...


انواع لیزر
تقسیم بندی از روی تنوع :

- لیزر های حالت جامد، بلوری یا شیشه ای - لیزرهای گازی - لیزرهای نیمرسانا - لیزرهای الکترون آزاد - لیزرهای رزینه ای رنگین - لیزرهای شیمیایی - لیزرهای مرکز رنگی - پرتو X


عناصر اساسی لیزر
ابزار لیزریک نوسانگر اپتیکی است که باریکه ی بسیار موازی شده ی شدیدی از تابش همدوس را گسیل میکند.این ابزار اساسا از 3 عنصر ساخته شده است: چشمه ی انرژی خارجی یا دمنده ، محیط تقویت کننده ، و کاواک اپتیکی یا تشدیدگر.


دمنده
دمنده یک چشمه ی انرژی خارجی است که وارونی جمعیت را در محیط لیزری به وجود می آورد. تقویت موج نور یا میدان تابش فوتون تنها در یک محیط لیزری که در آن وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی وجود داشته باشد روی می دهد.(برای اینکه لیزر کار کند لازم است تعداد اتمهای N2 در تراز انرژی E2 از تعداد اتمهای N1 در تراز انرژی E1 بزرگتر باشد.این وضعیت را وارونی جمعیت می نامند.) وارونی جمعیت و گسیل القائی با هم در محیط لیزری کار می کنند و باعث تقویت نور می شوند. در غیر این وضعیت موج نور عبور کننده از محیط لیزری تضعیف خواهد شد.

دمنده ها می توانند از نوع اپتیکی ، الکتریکی ، شیمیایی یا گرمایی باشند به شرط این که انرژی لازمی را فراهم کنند که بتواند با محیط لیزری برای برانگیختن اتمها و ایجاد وارونی جمعیت لازم همراه شود.

در لیزر های گازی مانند He-Ne ، دمنده ای که از همه بیشتر به کار می رود از نوع تخلیه ی الکتریکی است. عوامل مهم حاکم بر این نوع دمش مقطع های برانگیزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضی از لیزرهای گازی ، الکترون های آزادی که در فرایند تخلیه تولید شده اند با اتمها ، یونها یا مولکول های لیزر مستقیما برخورد و آنها را برانگیخته می کنند . در سایر لیزرها ، برانگیزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم ( یا مولکول-مولکول) روی می دهد.


محیط لیزری
محیط تقویت کننده یا محیط لیزری یک قسمت مهم از ابزار لیزر است . بسیاری از لیزرها از روی نوع محیط لیزری به کار رفته در آنها نامگذاری می شوند ، بعنوان مثال ، هلیم-نئون (He-Ne ) ، دی اکسیدکربن (Co2 ) و نئودیمیم : نارسنگ ایتریم آلومینیم (Nd:YAG) . محیط لیزری ، که می تواند گاز،مایع یا جامد باشد ، طول موج تابش لیزری را تعیین می کند.

مهمترین لازمه ی محیط تقویت کننده توانایی آن برای ایجاد وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی اتمهای لیزری است.این وضعیت با برانگیختن ( یا دمیدن ) اتمهای بیشتری به تراز انرژی بالاتر نسبت به اتمهای موجود در تراز پایین تر تحقق می یابد.( چنانکه معلوم شده است ، حتی با دمش قوی ، به علت اختلاف زیاد طول عمرهای ترازهای انرژی اتمهای قابل استفاده ، تنها جفت های مشخصی از ترازهای انرژی با طول عمرهای خودبه خودی مناسب را می توان " وارون " کرد.


تشدیدگر
یعنی یک "ابزار پسخور " اپتیکی که فوتون ها را در محیط ( تقویت کننده ی ) لیزری به جلو و عقب میراند. این تشدیدگر یا کاواک اپتیکی ، از یک جفت آینه ی تخت یا خمیده تشکیل شده است که دقیقا همردیف شده اند و مراکز آنها روی محور اپتیکی دستگاه لیزر قرار دارند. بازتابندگی آینه ی انتهایی باید تا حد امکان نزدیک به 100% باشد. آینه ی دیگر با بازتابندگی اندکی کمتر از 100% انتخاب می شود تا قسمتی از باریکه ی بازتابنده ی داخلی بتواند ، بعنوان باریکه ی لیزری مفید خروجی ، از آن عبور کند . هندسه ی آیینه ها و فاصله ی آنها تعیین کننده ی ساختار میدان الکترومغناطیسی داخل کاواک لیزری هستند.

مناسب است که تشدیدگر لیزری را یک تشدیدگر فابری-پرو با چند متغیر در نظر بگیریم. در تشدیدگر لیزری ، کاواک بطور کلی با آیینه های خمیده بجای آیینه های تخت محصور شده است ، و بجای کاواک تهی که مشخصه ی تشدیدگر فابری-پرو است کاواک پر (یا تقریبا پر) از ماده ی بهره به کار میرود. با وجود این ، وضعیت تشدید برای مدهای محوری (یا طولی) برای دو تشدیدگر یکسان است.


توصیف ساده ی کار لیزر
اساسا میدانیم که فوتونها با انرژی تشدیدی مشخصی باید در کاواک لیزری تولید شوند ، باید با اتمها برهم کنش کنند ، و باید از طریق گسیل القائی تقویت شوند ، و تمام اینها در حین رفت و برگشت بین آینه های تشدیدگر روی می دهند.

شکل (الف) آنچه را که برای یک اتم نوعی در محیط لیزری هنگام تولید فوتون لیزری اتفاق می افتد در چهار مرحله نشان می دهد. سپس همین فرایند چهار مرحله ای با تمرکز روی رفتار اتمها در محیط لیزری و جمعیت فوتون در کاواک لیزری در شکل (ب) نشان داده شده است.

اکنون این شکلها را به ترتیب بررسی می کنیم :

در مرحله ی 1 از شکل (الف) انرژی از یک دمنده ی مناسب به محیط لیزری جفت میشود.

این انرژی به اندازه ی کافی هست تا بتواند تعداد زیادی اتم را از حالت پایه ی E0 به چندین حالت برانگیخته ، که دسته جمعی با E3 نشان داده شده اند ، ببرد. همین که اتمها در این ترازها قرار گرفتند خودبه خود ، از طریق زنجیره های مختلف ، دوباره به حالت پایه ی E0 فرو می افتند. اما بسیاری از آنها سفر بازگشت را ترجیحا با یک فروافت بسیار سریع ( و معمولا بی تابش) از ترازهای دمنده ی E3 به یک تراز بسیار خاص مانند E2 شروع می کنند. این فرایند فروافتادن در مرحله ی 2 نشان داده شده است. تراز E2 را "تراز لیزری بالاتر " می نامیم. این تراز به این معنی یک تراز خاص است که طول عمر زیادی دارد. بنابراین ، وقتی اتمها از ترازهای دمنده ی E3 به E2 سرازیر می شوند در این تراز شبه پایدار ، که به منزله ی تنگه عمل میکند ، تدریجا جمع می شوند. در این فرایند ، N2 به مقدار زیادی افزایش می یابد. وقتی تراز E2 مثلا با گسیل خودبه خودی فروافت می کند ، به تراز E1 ، که " تراز لیزری پایین تر" نامیده می شود ، فرو می افتد. تراز E1 یک تراز عادی است که سریعا به حالت پایه فرو می افتد و در نتیجه جمعیت N1 نمی تواند چندان زیاد شود. اثر نهایی عبارت است از وارونی جمعیت ( N2 > N1 ) که برای تقویت نور از طریق گسیل القائی لازم است.

همینکه وارونی جمعیت برقرار شد اگر فوتونی با انرژی تشدیدی hν = E2 − E1 از کنار یکی از اتمهای N2 که در تراز لیزری بالاتر هستند بگذرد ( مرحله ی 3 ) گسیل القائی می تواند روی بدهد . با وقوع گسیل القائی ، تقویت لیزری شروع می شود.

شکل (الف ) اساسا همین کنش را بر حسب رفتار اتمها در محیط لیزری و جمعیت فوتون در کاواک نشان می دهد. در ( الف ) محیط لیزری واقع در آیینه های تشدیدگر اپتیکی نشان داده شده است. آیینه ی 1 اساسا 100% بازنابنده است ، در حالیکه آیینه ی 2 بطور جزئی بازتابنده و بطور جزئی ترا گسیلنده است . بیشتر اتمها در محیط لیزری در حالت پایه اند . این حالت با نقطه های سیاه نشان داده شده است. در ( ب ) ، انرژی خارجی ( نور ناشی از درخشزن یا از تخلیه ی الکتریکی ) به محیط دمیده می شود و بیشتر اتمها را به ترازهای برانگیخته ( E3) بالا می برد. حالت های برانگیخته با دایره نشان داده شده اند . در فرایند دمش ، وارونی جمیت برقرار می شود . فرایند تقویت نور در (ج) ، وقتی اتمهای بر انگیخته ( تراز E2 ) خودبه خود به تراز E1 فرو می افتد ، شروع می شود . چون این یک گسیل خودبه خودی است فوتون های تولید شده در این فرایند بطور کاتوره ای در تمام راستا ها منتشر می شوند. بنابراین ، بسیاری از آنها با عبور از جدار جانبی کاواک لیزر از دست می روند. با این همه ، بطور کلی چند فوتون -که آنها را فوتونهای "بذر" می نامیم- در راستای محور اپتیکی لیزر انتشار می یابند. این در شکل (ج) با پیکانهایی که عمود بر آینه هستند نشان داده شده اند. با وجود فوتونهای بذر با انرژی (تشدیدی) صحیح که دقیقا در بین آینه ها جهت گرفته اند و مقدار بسیاری اتم N2 که هنوز در حالت وارون E2 هستند ، مرحله ی گسیل القائی شروع می شود. همچنانکه فوتونهای بذر از کنار اتمهای وارون N2 می گذرند، گسیل القائی فوتونهای یکسانی را در همین راستا اضافه می کند، و در نتیجه جمعیت دائما افزایش یابنده ی فوتونهای همدوسی که بین آینه ها به جلو و عقب بازتابیده می شوند فراهم می آید. این فرایند سازندگی ، که در شکلهای (د) و (ه) نشان داده شده است، تا وقتی اتمهای وارون و فوتونهای انرژیِ تشدیدی در کاواک وجود داشته باشند ادامه می یابد. چون آینه ی خروجیِ 2 تا حدی شفاف است، کسری از فوتونهای فرودی به این آینه از آن عبور می کنند. این فوتونها باریکه ی لیزری خارجی را که در شکل (و) نشان داده شده است تشکیل می دهند. آن فوتونهائی که از آینه ی خروجی بازتابیده می شوند، حرکت رفت و برگشت را در ماده ی بهره ی کاواک تکرار می کنند.


خواص باریکه ی لیزر
1- نور لیزر تکفام است.

2- همدوس است.

3- جهت مند است.

4- درخشان است.(درخشائیِ یک چشمه ی امواج الکترومغناطیسی عبارت است از توان گسیل شده از واحد سطح چشمه در واحد زاویه فضائی.)


کاربردهای لیزر
کاربرد در فیزیک و شیمی ،
کاربرد در زیست شناسی و پزشکی ،
کاربرد در فرآوری مواد ،
کاربرد در ارتباطات نوری ،
کاربرد در اندازه گیری و بازرسی ،
کاربرد در گداخت گرما هسته ای ،
کاربرد فرآوری اطلاعات نوری و ضبط آنها ،
کاربردهای نظامی ،
تمام نگاری (هولوگرافی) ،
کاربردهای صنعتی و الکتریکی.

منبع
« آشنائی با اپتیک » ،فرانک ال.پدروتی،لئون اس.پدروتی. ترجمه:محی الدین شیخ الاسلامی
«مرگ مخترع، تولد تاریخ»، هم‌میهن، ۲۶ اردیبهشت ۱۳۸۶. شمارهٔ ۶۸


برشهای لیزری
لیزر در برش انواع مواد مانند فلزات و مواد غیر فلزی همچون کامپوزیت‌ها کاربرد دارد. روش کلی کار بدین صورت است که ابتدا پرتو لیزر را به‌وسیله لنزی متمرکز کرده سپس بر روی ماده مورد نظر می‌‌تابانند وبریدگی تقریبآ به اندازه قطر پرتو متمرکز گردیده ایجاد می‌گرددو در حین کار از یک گاز کمکی نیز به منظور سرد کردن قطعه کار ونیز زدودن فوری زائده‌ها استفاده می‌شود. از انواع گازهایی که به عنوان گاز کمکی استفاده می‌گردد می‌توان از اکسیژن و نیتروژن و یا آرگون نام برد.

چاقوی لیزری
چاقوی لیزری وسیله‌ای است برای برش با استفاده از لیزر توسط جراحان.

جوشکاری لیزری
جوشکاری توسط پرتو لیزر در تولیدات صنعتی بشکل روزافزونی در حال گسترش است و دامنهٔ استفادهٔ آن از میکرو الکترونیک تا کشتی سازی گسترده شده است. تولید انبوه خودکار در این بین از بیشترین توسعه برخوردار گشته‌اند که این پیشرفتها را می‌توان مرهون عوامل زیر دانست:


حرارت ورودی محدود منطقهٔ حرارت پذیرفتهٔ کوچک میزان ناصافی اندک سرعت بالای جوشکاری این خصوصیات جوشکاری لیزری را گزینهٔ منتخب بسیاری از قسمتهای صنعتی کرده که از جوشکاری مقاومتی در گذشته استفاده میکردند. با توجه به خصوصیات منحصر به فرد این روش می‌توان بکارگیری گستردهٔ آنرا در زمینهٔ کاربردهای مختلف انتظار داشت.

فرآیندهای ترکیبی که از ترکیب لیزر و قوس MIG استفاده می‌کنند برای قرار گرفتن بر سطحی که بایستی جوشکاری در آن انجام شود طراحی شده اند. علاوه بر این تجهیزات .یژهٔ بکار گرفته شده بشکل قابل توجهی ابزارهای مورد نیاز برای آماده سازی لبهٔ مورد نظر برای جوشکاری را کاهش می‌دهند. آلیاژهایی که برای سیمهای پر کننده در قسمت درز گیری بکار میروند باعث یکدست شدن فیزیکی آن ناحیه میشوند. علاوه بر این فرآیندهای ترکیبی بکار گرفته شده قادر اند سرعت انجام کار را بشکل قابل توجهی افزایش دهند. همچنین در نفوذ عمقی و درزگیری کلی هم موثرند. پیشرفتهای بی نظیر اخیر در زمینهٔ دیودهای لیزری موقعیت جدیدی را برای حل مشکلات همیشگی صنعتی فراهم کرده است. البته باید در نظر داشت که این فرآیندها برای همگون شدن با قسمتهای مورد نظر بایستی بشکلی اختصاصی تغییر یابند.

لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند(۲-۱۰kW) در حال حاضر در جوشکاری بدنهٔ اتومبیلها، قسمتهای حمل و نقل، مبادله کننده‌های حرارتی و پر کردن حفره‌ها مورد استفاده قرار میگیرند. سالها لیزرهای یاقوتی کمتر از ۵۰۰W برای جوش بخشهای کوچک مورد استفاده قرار می‌گرفتند. برای مثال قسمتهای کوچک و ظریف ابزارهای پزشکی، بسته‌های الکترونیکی و حتی تیغ های اصلاح صورت. لیزرهای یاقوتی چند کیلوواتی از گذراندن پرتو از فیبرهای نوری استفاده میکردند. اینکار بسادگی توسط روبوت ها انجام می‌شد و دامنهٔ وسیعی از کاربردهای سه بعدی مثل برش لیزری و جوش بدنهٔ اتومبیلها را ممکن میکرد.

پرتو لیزر در نقطهٔ کوچکی متمرکز می‌شود و باشدتی که در آن نقطه ایجاد می‌کند باعث ذوب و حتی بخار کردن فلز می‌شود. برای تمرکز نیروی لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند، آینه‌های خنک شونده توسط آب بجای عدسی ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند. جوشکاری بطور کلی به دو شکل انجام می‌شود. در شکل هدایتی جوشکاری، حرارت از طریق هدایت گرمایی به فلز منتقل می‌گردد. این روش مختص لیزرهای یاقوتی نسبتا کم انرژی تر است کهم معمولا جوشکاری های کم عمق تر با آنها انجام می‌شود. جوشکاری با لیزرهای پر انرژی معمولا در پر کردن حفره‌ها مورد استفاده قرار میگیرد. در این قسمت است که ذوب و تبخیر فلز اتفاق می‌‌افتد.




لیزر گازی

لیزر گازی, لیزری است که درآن جریان الکتریکی ،برای تولید نور، در یک گاز تخلیه می‌شود. علی جوان مخترع این نوع لیزر اولین بار با کمک گاز هلیوم و نئون موفق به ساخت این دستگاه شد. تئوری ساخت لیزر CO2 :

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 .


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 آینه پوشش 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 و پیچیده 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 هنگا كار كردن با لبزر 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 .



منبع
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




تازه های لیزر

دانشمندان دانشگاه استون شهر بیرمنگام در انگلستان (Aston University in Birmingham, UK) چیزی اختراع کرده اند که به عنوان طولانی ترین لیزر جهان تلقی میشود. آنها یک تار نوری optical fibre 75 کیلومتری را به لیزر تبدیل کرده اند و امیدوارند که بهبودی بر ارتباطات در فواصل زیاد گردد.

لیزر جدید استثنایی است، زیراکه میتواند سیگنال های نوری را در چنان فواصل طویلی انتقال دهد بدون آنکه انرژی هدر رود. هنگامیکه اطلاعات تبدیل به نور میشود تا با استفاده از تار های نوری استاندارد انتقال یابد به ازای هر کیلومتر حدود 5 درصد توانش تلف میشود. از این رو میبایستی سیگنال ها را تقویت نمود تا به مقصد برسند. اما هر بار که سیگنال تقویت می شود نویز ها و خش های پس زمینه نیز تقویت میگردند و این امر تا آنجا ادامه میباید که دیگر سیگنال قابل فهم نمیباشد.

دکتر آنیا (Juan Diego Ania Castan) و همکارانش از یک فرایند به نام اثر رامان (Raman effect) برای تبدیل تار نوری طویل به لیزر استفاده نمودند. اثر رامان یک پدیده طبیعی است که بر نور عبوری از درون ماده تاثیر میگذارد. لیزر هایی در هر انتها نور را به درون تار میفرستند که باعث افزایش انرژی اتم های تار شده و تابش فوتون را از آنها را منجر میشود. این فوتون ها که طول موج بلند تری دارند توسط آینه های مخصوصی در محل اتصالات بازتابیده میگردند. بدین ترتیب مقدارس نور لیزر که پایدار و یکنواخت است درون فیبر ذخیره شده و سیگنال های عبوری را قدرت میبخشد. این کار از هدر رفتن انرژی سیگنال جلوگیری میکند و احتیاج برای تقویت سیگنال ها را رفع میکند.


این کشف نه تنها در دنیای علم بلکه در دنیای ارتباطات نیز شگفت آور بوده است. دکتر آنیا میگوید:" در دنیای ارتباطات، انتقال بی اتلاف اطلاعات همواره یک هدف رویایی بوده است و با گسترش این روش امکان پژوهش در زمینه های دیگر نیز فراهم میشود".


ویکیپدیا