تئوری ساخت لیزر گازی co۲

وقتی که الکترون در یکی از مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار دارد هیچ انرژی توسط اتم ساتع نمی شود

وقتی که الکترون در یکی از مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار دارد هیچ انرژی توسط اتم ساتع نمی‌شود. هر یک از این مدار های مجاز به یک تراز انرژی معین یا حالت انرژی معین مربوط می شوند. الکترونها و اتم ها با حرکت از یک مدار با انرژی بالاتر (دور تر از هسته) به یک مدار با انرژی کمتر ( نزدیکتر به هسته ) ، انرژی از دست می دهند. این انرژی به صورت یک فوتون با انرژی است.

در اتمها مدارهای مجزا و متعددی وجود دارد و بنابر این انتقالات مختلفی ممکن اسن انجام شود . از این رو یک اتم انرژی های مختلفی را می تواند گسیل کند . به طور کلی هر اتم تمایل دارد در حالت انرژی های پایین تر قرار گیرد از این رو برای ایجاد طیف اتمی الکترونها را با تحریک کردن به تراز های بالاتر میفرستند. این عمل در لوله های تخلیه و به کمک حرارت یا برخورد الکترونهای دیگر و یا به کمک تابش با طول موجهای مناسب انجام پذیر است. هر طول موجی که توسط اتم در حال تحریک گسیل شود، میتواند توسط آن وقتی که در تراز های پایین انرژی قرار دارد جذب شود . البته انرژی فوتون های برخورد کننده باید خیلی نزدیک به اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی اتم درگیر باشد. این حالت را جذب تشدیدی می گویند.

اگر اتم در یک تراز پایین تر تحت تابش با فرکانس قرار بگیرد ، احتمال بسیار زیادی وجود دارد که اتم با جذب این فوتون تحریک شده و به تراز بالاتر برود. این فرآیند را جذب برانگیخته می گویند.

اتم بلافاصله (چند نانو ثانیه) بعد از تحریک 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 تحریکی انجام شود.

دو نکته در رابطه با گسیل تحریکی وجود دارد :

۱) فوتونی که با گسیل برانگیخته تولید می شود دارای همان انرژی و فرکانس فوتون تحریک کننده است

۲) امواج نوری مربوط به هر دو فوتون هم فازند و دارای پولاریزاسیون مشابه هستند

به این معنی که در اتمی که به صورت برانگیخته مجبور به تابش نوری می شود ، موجی که باعث ایجاد فرآیند شده به فوتون اضافه می شود به طوری که یکدیگر را تقویت می کنند و دامنه های آنها افزایش میابد . پس ما امکان تقویت نور به وسیله گسیل های تحریکی تابش را خواهیم داشت.

تابش های تحریک 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 کاملا به صورت اتفاقی کسیل می کنند به طوری که رابطه خاص فازی بین امواج وجود ندارد و اینگونه تابش ها غیر همدوس هستند.

● دمش:

فرآیند تحریک ماده لیزریبرای تغییر تراز و آزاد کردن انرژی را دمش می گویند. عمل دمش از طریق چندین راه امکان پذیر است از قبیل : دمش اپتیکی – دمش به کمک تخلیه الکتریکی – دمش به کمک آزاد کردن 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 CO۲ از روش تخلیه الکتریکی استفاده می شود.

● تشدید کننده های نوری:

برای داشتن پرتو خروجی از لیزرها و انرژی بهینه و با توان بالا نیاز داریم که پرتو های تحریک کننده جهت تحریک ماده لیزری و افزایش انرژی را تقویت کنیم.

در بیشتر حالات تقویت کلی توسط قرار دادن آینه هایی با درصد بازتابش بالا در دو انتهای کاواک لیزر انجام می شود . پرتوی نوری بیش از حدود ۱۰۰ بار بین دو اینه رفت و برگشت می کند و به این ترتیب طول موثر ماده افزایش می یابد. آینه ها تشکیل یک کاواک نوری یا تشدید کننده می دهند و به همراه ماده فعال لیزری یک نوسان کننده می سازند . آینه ها در اصل مانند یک بازخور نوری از ماده تقویت کننده عمل می کنند. اساسا گسیل خود به خودی یک تغییر کوچک در فرکانس عبوری از ماده ایجاد می کند و آن را به دلیل گسیل برانگیخته تقویت می کند.

در برخورد با آینه های انتهایی اکثر انرژی به داخل کاواک باز می گردد . این نور تقویت شده مجددا با برخورد به آینه دیگر بیشتر تقویت می شود و این <رایند مدام تکرار می شود. این تغییرات تااین نوسانات به یک حالت پایدار برسند افزایش می یابد . در این حالت رشد دامنه امواج داخل کاواک افزایش می یابد و هر انرژی که به دلیل گسیل برانگیخته ظاهر میشود به عنوان خروجی لیزر منظور می گردد.

تا اینجا فرض بر این بود پرتوهایی که بین دو آینه رفت و برگشت می کنند موازی هستند . ولی در واقع اینطور نیست. به دلیل اثرات پراش در لبه آینه ها یک باریکه کاملا موازی نمی تواند با اندازه محدود ابقا شود چون بخشی از تابش از کناره 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 شکل های مختلف، بسته به نوع لیزر ، کاهش داد. به اینگونه سیستم ها کاواک پایدار گفته می شود.

کاواکهای 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 کوچکتر که خروجی لیزر را می سازد ممکن خواهد بود.

● لیزر های واقعی :

در قلب هر لیزر ماده فعالی وجود دارد که باعث ایجاد خروجی لیزر در باریکه ای از طول موجها است.در حقیقت لیزر ها با نام ماده فعال آنها شناخته می شوند. به طور کلی ماده های متفاوتی به عنوان ماده فعال لیزری مورد استفاده قرار می گیرد. به طور مثال اولین لیزر در سال ۱۹۶۰ با استفاده از کریستال صورتی یاقوت ساخته شد.

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

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

۱ - لیزر های آلائیده شده با عایق

۲ - لیزر های نیمه هادی

۳ - لیزر های گازی

۴ - لیزر های رنگ

در اینجا به برسی لیزر های گازی می پردازیم.

▪ لیزر های گازی:

لیزر هایی را که 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.

نکته مفید در رابطه با لیزر های گازی این است که از آنجا که گازها بسیار یکنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، می توان برای پر کردن و خنک نمودن آنها از یک مدار بسته استفاده کرد.

از آنجا که اتمها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند ، تقریبا تقریبا غیر ممکن است بتوان به کمک دمش نوری در آنها انرژی آزاد کرد. بنابر این در لیزر های گازی از روش دمش تخلیه الکتریکی استفاده می شود.

لیزر های گازی خود به سه دسته تقسیم می شوند:

۱- لیزر های اتمی

۲- لیزر های یونی

۳- لیزر های مولکولی

با توجه به به نوع لیزر ، گزار لیزری بین دو تراز انرژی اتم و یو ن یا مولکول به وقوع می پیوندد.

یکی از مهمترین انواع لیزر های گازی، لیزر مولکولی CO۲ است .

● لیزر CO۲ (دی اکسید کربن ) :

لیزر CO۲ از مهمترین لیزر ها در نوع خود است و از نظر کاربرد فنی آن را در زمره مهمترین لیزر ها دسته بندی می کنند. این لیزر با کارایی بالا (۳۰%) و توان خروجی زیاد و پیوسته حدود چندین کیلو ولت ساخته می شود .

لیزر های دی اکسید کربن کاربرد های زیادی در زمینه های مختلف از جمله جوشکاری ، برش استیل ، الگوبری ، جوش هسته ای و کاربردهای متنوع نظامی دارند.

▪ عملکرد لیزر های CO۲ در تولید پرتو :

تحریک مولکول های CO۲ در دو مرحله انجام می گیرد. در لیزر های CO۲ از گاز نیتروژن به عنوان گاز کمکی به منظور تحریک استفاده می شود. بعضی تراز های نیتروژن که کاملا نزدیک به ترازهای CO۲ هستند به راحتی در تخلیه الکتریکی دمش می شوند . وقتی نیتروژن تحریک شده به اتمهای CO۲ که در حالت پایه قرار دارند برخورد کند ، ممکن است انرژی خود را به انها بدهد و آنها را تحریک کند و به تراز تحریکی مورد نظر CO۲ بفرستد. ترازهای نیتروژن و CO۲ دقیقا بر روی هم منطبق نیستند ولی اختلاف آنها خیلی کم است .این اختلاف با انرژی جنبشی اتمها در تبادل انرژی تقریبا جبران می شود. اتمهای CO۲ تحریک شده با بازگشت به تراز خود انرژی آزاد کرده و یک فوتون ایجاد میککند که این فوتون دارای طول موجی بین ۹.۲ تا ۱۰.۸ میکرون است و قوی ترین طول موج آن طول موج ۱۰.۶ میکرون می باشد.

فوتون آزاد شده با توجه به جهت میدان الکتریکی که از آنود به کاتود است به طرف آینه حرکت می کند و با برخورد به آینه ای که در سمت آنود قرار دارد منعکس شده با برخورد مجدد به مولکول های CO۲ آنها را تحریک کرده و یک فوتون دیگر آزاد می کند .

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

● دمش به روش تخلیه الکتریکی :

همان طور که بحث شد تحریک در لیزر های CO۲ طی دو مرحله است که ابتدا تحریک نیتروژن انجام می شود.

در لیزر های CO۲ تحریک به کمک تخلیه الکتریکی با ولتاژ های بالا انجام می شود. کاواک لیزر دارای کاتد و آندی از جنس آلومینیوم است . با اعمال ولتاژ بالا در قسمت کاتد ، الکترون های مربوط به لایه سطحی آلومینیوم و یا الکترونهای مربوط به اکسید روی سطح کاتد جدا شده و در جهت میدان الکتریکی به سمت آند حرکت می کنند و در مسیر خود به اتم های نیتروژن برخورد کرده و آنها را تحریک می کنند و به تراز های بالاتر انرژی می فرستند. اتمهای نیتروژن نیز در بازگشت به تراز های قبلی خود انرژی خود را به مولکول های CO۲ منتقل می کنند و ان ها را تحریک می نمایند و به همین روند پرتو ها تقویت شده تا خروجی لیزر آغاز گردد.

● انواع لیزر های CO۲ :

۱ - لیزر با لوله بسته

۲ - لیزر با جریان گاز

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

▪ لیزر با لوله بسته

در این گونه لیزر ها گاز CO۲ و نیتروژن در لوله های تخله قرار دارند. مشکلی که برای این لیزر ها وجود دارد این است کهدر جریان تخلیه الکتریکی مولوکول های CO۲ به CO تبدیل می شوند . این واکنش خیلی سریع است و اگر تمهیداتی به کار گرفته نشود ، عمل لیزر پس از چند دقیقه متوقف می شود.

یکی از راهها این است که هیدروژن یا بخار آب به مخلوط گاز اضافه کنیم تا با ترکیب مجدد CO را به CO۲ تبدیل کند.

سرد کردن گاز در این گونه لیزر ها از دیگر مشکلاتی است که می تواند توان لیزر را به ۱۰۰ وات محدود کند .طرح های لوله بسته خیلی مرسوم نیستند ولی در طرح حای موجبر ب کار برده می شوند . در موجبر ها ابعاد داخلی لوله کوچک (در حد میلیمتر ) است و موجبر دی الکتریک را به وجود می آورد . کیفیت پرتوی عالی و خروجی نسبتا زیاد با توجه به قطر های کوچک لوله بدست می آید .

تحریک به کمک میدان الکتریکی قوی یا میدان RF که به داخل ماده موجبر هدایت می شود انجام می گیرد.

▪ لیزر های با جریان گاز:

دو مشکل تجزیه CO۲ و سرد کردن گاز را می توان با حرکت دادن گاز در سر تا سر لوله برطرف کرد .در طرح های ساده جریان گاز و تخلیه الکتریکی 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 که 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 ۶۰ وات به ازای هر متر . ولی برای توان های بیشتر از چند کلیو ولت به طول های بزرگ نیاز داریم .

افزایش ماکزیمم توان خروجی ، با جریان عرضی و سریع ممکن خواهد بود .تخلیه الکتریکی را نیز می توان هم جهت با جریان گاز انجام داد . این طرح امکان توان تا حدود ده ها کیلو ولت و به صورت مداوم را ممکن می سازد . خروجی های بیشتر نیز امکان پذیر است اما ابعاد بزرگ لیزر و منابع تغذیه مورد نیاز ، کاربرد آِن را در صنعت با مشکل رو برو می کند.

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

تا کنون برای افزایش توان خروجب لیزر CO۲ طول تیوپ و سرعت جریان گاز را افزایش دادیم . اما یک راه دیگر برای افزایش توان لیزر افزایش فشار است .

متاسفانه با افزایش فشار به ولتاژ های بزرگی برای تخلیه الکتریکی و تحریک دی اکسید کربن نیاز است و تجهیزات مورد نیاز عظیم می باشد . لذا در این روش تخلیه در لوله های به طول چند متر مشکل خواهد بود . از طرفی تخلیه الکتریکی عرضی برای حدود ۱۰ میلیمتر یا این حدود قابل قبول تر است . عمل لیزر به طور مداوم به دلیل عدم پایداری تخلیه در فشار های بالاتر از ۱۰۰ میلیمتر جیوه مشکلاتی به همراه خواهد داشت .بنابر این لیزر های با فشار گار بالا باید به صورت ضربانی کار کنند و به صورت عرضی تخلیه شوند .چنین لیزر هایی با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ، (TEA) نامیده می شوند . گرچه فشار گاز ممکن است متغیر و حدود چند اتمسفر باشد ،اما توسط این لیزر ها می توان ضربان هایی با توان بالا و دوره های حدود ۵۰ نانو ثانیه و با انرژی ۱۰۰ ژول به دست آورد .

در فشار های خیلی بالا و حدود ۱۰ اتمسفر ، بخورد های مولکولی باعث پهن کردن خطوط طیف لیزر شده و تنظیم لیزر را روی طول موج های مختلف مقدور می سازد.

اکنون پس از توضیحاتی که در مورد لیزر ها و انواع آنها داده شد ، به بررسی ساخت یک نمونه از لیزر دی اکسید کربن با جریان گاز می پردازیم .

▪ اجزای سازنده لیزر CO۲ با جریان گاز :

ـ تیوپ لیزر

ـ آینه های لیزر

ـ منبع گاز CO۲ و N۲ و He

ـ پمپ خلا

ـ منبع ولتاژ بالا

ـ آند و کاتد

ـ سیستم خنک کننده

ـ پیچ ها و پایه های تنظیم

در ادامه به برسی هریک از اجزای لیزر به طور مجزا می پردازیم و با ارائه آمار و ارقام و روش های پیشنهادی ، تئوری کاملی از ساخت لیزر CO۲ با جریان گاز ارائه خواهیم داد .

● سیستم خلا و گازهای لیزر :

همان طور که در طرح ساخت بیان شد ، از سیستم جریان گاز با تخلی الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می شود. در ادامه نکات 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 کامل انجام شود چرا که 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 پاک کنید چرا که ممکن است باعث اختلال در پرتوی خروجی شود . توجه شود که برخی از مواد خلا مانند گریش و مواد پوشاننده درز ها مشکلی ایجاد نمی کند.

- فشار گاز لیزر را به صورت تکی یا مخلوط ، چه در ابتدای کار و چه به هنگام عمل لیز کنترل کنید .

درصد ترکیب گاز ها در لیزر co۲ به صورت زیر است:

گاز ها/حجم (لیتر)/فشار (بار)

دی اکسید کربن ۱۶% تا ۴% / ۷۹۳۰ – ۲۸۰ / ۱۶۷ - ۲۴۰۰

نیتروژن ۲۰% تا ۱۰% / ۵۶۶۴ – ۲۰۰ / ۲۱۲۴ - ۷۵

هلیوم به میزان تعادل / ۲۱۲۴ – ۷۵ / ۱۴۶ - ۲۱۰۰

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

ابتدا ورودی گاز لیزر را میبندیم و سپس از طرف دیگر توسط پمپ تخلیه کاواک را به طور کامل تخلیه می کنیم . منبع گاز را با توجه با جدول بالا پر میکنیم و سپس آن را به ورودی کاواک متصل می کنیم . سپس شیر ورودی را باز کرده تا مخلوط گاز وارد کاواک شود به منظور برقرار کردن جریان گاز در طول کاواک باید خروجی لیزر را به پمپ خلا متصل کنیم تا با مکشی که ایجاد میکند ، گاز در طول لوله جریان یابد .

راه دیگر برای ایجاد جریان گاز این است که خروجی کاواک را به یک مخزن خالی گاز با فشار کمتر از مخزن ورودی متصل کنیم . توجه شود که باید مسیر جریان گاز در طول لوله از آند به کاتد باشد تا تخلیه الکتریکی هم مسیر با عبور جریان انجام شود . لوله هایی که مخزن گاز و پمپ خلا را به لیزر متصل می کنند باید انعطاف پذیر باشند . محل اتصال لوله ها به لیزر باید کاملا عایق بندی شود تا هیچ گونه نشط به بیرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .

● تیوپ لیزر :

مهمترین قسمت لیزر co۲ تیوپ آن می باشد . تیوپ های لیزر را معمولا از جنس لوله تخلیه پلاسما یا از جنس شیشه می سازند . اما کاواک های شیشه ای مرسو تر هستند زیرا دست رسی و ساخت آنها آسان تر است .

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

با توجه به طرح ساخت ، طول تیوپ لیزر را ۴۵ سانتی متر و قطر مقطع آن را ۲.۵ 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 کنیم یا اینکه تیوپ را به هنگام ساخت به گونه ای می سازیم که قابلیت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهای ان وجود داشته باشد. تیوپ لیزر ابتدا در یک لوله شیشه ای بزرگتر که همان لوله سیستم خنک کننده است قرار می گیرد و سپس بر رویه پایه های نگه دارنه لیزر محکم می شود.

● سیستم خنک کننده :

از انجا که عمل لیز گرمای زیادی ایجاد می کند و توان لیزر را تا حد زیادی کاهش می دهد پس باید به فکر راهی برای خنک کردن تیوپ لیزر و آینه ها باشیم.

یک روش خنک کردن سیستم استفاده از جریان گاز می باشد . و روش دیگر استفاده از سیستم خنک کننده ی گردش آب می باشد . به این منظور باید کاواک را در یک لوله شیشه ای بزرگ قرار دهیم . طرز کار به گونه ای است که تیوپ لیزر در وسط لوله بزرگتر قرار دارد و آب از اطراف آن جریان می یابد و آن را خنک می کند. جهت اجاد جریان اب در سیستم خنک کننده باید دو سوراخ در لوله شیشه ای بزرگ به منظور اتصال لوله های ورودی و خروجی آب تعبیه کنیم . و با اتصال آن از طریق لوله ها به یک پمپ ، آب را از یک مخزن درون لوله شیشه ای به جریان بیندازیم . جهت پمپ آب میتوان از پمپ آکواریوم یا پمپ کولر های آبی استفاده کرد که اب را از یک منبع به داخل سیستم خنک کننده جریان می دهند.

در بستن لوله های آب و سیستم خنک کننده به هم سعی شود تا هیچگونه نشط آب به بیرون وجود نداشته باشد.

طبق طرح طول لوله شیشه ای سیستم خنک کننده ۳۰ سانتی متر و قطر آن ۵ سانتی متر می باشد .

● آینه ها و نصب آنها در لیزر:

همانطور که در قسمت تشدید کننده های نوری بیان شد برای افزایش توان لیزر و موازی کردن مسیر بازتاب پرتوها در کاواک از آینه هایی با درصد بازتابش بالا استفاده می شد تا فوتونها بتوانند بین دو آینه بازتاب کننده برای جلوگیری از تلفات به دلیل جلوگیری از پراش در لبه های آینه ها از سیستمی استفاده می شود که در آن یک آینه تخت با در صد بازتابش تقریبا ۱۰۰% و یک آینه مقعر با در صد بازتابش تقریبا ۹۰%در دو طرف کاواک تعبیه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آینه مقعر با بازتابش ۹۰% می باشد.

از آنجا که خروجی لیزرهای co۲ در محدوده ۱۰.۶ میکرون است از قطعات اپتیکی مثل شیشه و یا کوارتز جهت ساختن آینه های لیزر نمی توان استفاده کرد .چون این مواد در محدوده ۱۰.۶ جذب زیادی دارند بنابراین خروجی لیزر را به شدت کاهش می دهند و در اثر گرمای زیادی که در اثر فرایند جذب در آنها ایجاد می شود ممکن است بشکنند یا ذوب شوند. بنابراین برای ساختن آینه های لیزر از موادی مانند ژرمانیوم – گالیوم - آرسناید- سولفید روی- طلا و هالوژن ها می توان استفاده کرد. در میان این آینه ها هالوژنها کمترین جذب را دارند ولی جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشکلاتی را فراهم می کند. آینه های فلزی با در صد بازتاب ۱۰۰% نیز می توانند برای استفاده در این طول موجها مورد استفاده قرار گیرند.

ما در ساخت لیزر co۲ با جریان گاز از آینه ژرمانیوم و طلا استفاده می کنیم. به این صورت که آینه تخت را از جنس آینه ژرمانیوم و آینه مقعر را از جنس آینه طلا انتخاب می کنیم.

تقریبا بیشترین هزینه در ساخت لیزر co۲ مربوط به تهیه آینه هاست.

لازم به تذکر است که آینه مقعر طلا که مورد استفاده قرار می گیرد دارای شعاع انحنای cm ۱۲۰ باید باشد در ضمن خروجی لیزر هم از همین آینه هاست.

نکته دیگری که باید هنگام تهیه آینه ها در نظر گرفت این است که 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 که در تهیه آینه طلا با مشکل مواجه شدیم می توانیم از آینه آلومینیوم نیز استفاده کرد.

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 که آینه برای آن طراحی شده است.

در انتخاب آینه مقعر باید توجه کرد که شعاع انحنای آن باید بزرگتر از طول کاواک 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 حرکت در دو انتهای کاواک ممکن است مشکلاتی از قبیل عدم موازی بودن پرتوها و یا ضعیف شدن توان خروجی لیزر برای ما ایجاد کند.

بنابر این بهترین کار این است که آینه ها را بر روی پایه های متحرک با پیچ تنظیم نصب کنیم تا بتوانیم ان را به راحتی حرکت داده و تنظیم کنیم. از انجا که تهیه یک تنظیم کننده ایدهآل که با سیستم خلا کاواک لیزر سازگار باشد بسیار هزینه بر است پس یک راهکار پیشنهادی ارائه می کنیم.

مطابق شکل 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 کنیم .برای اتصال اینه ها به کاواک خلا ، به ورقه ای از جنس آلومینیوم انعطاف پذیر نیاز داریم . فویل الومینیوم را به صورت زیگ زاگ مطابق شکل به صورت استوانه ای که قطر سطح مقطع ان برابر با قطر کاواک است شکل می دهیم و لبه های آن را توسط چسب قابل انعطافی مانند چسب آکواریوم به هم می چسبانیم . سپس یک انتهای استوانه انعطاف پذیر ساختگی خود را به آینه می چسبانیم و طرف دیگر آن را به کاواک لیزر . با قرار دادن پیچ های تنظیم مطابق شکل پس از چک کردن عدم نشط گاز به بیرون با روشن کردن لیزر ، آینه ها را تنظیم می کنیم . لازم به ذکر است که این سیستم باید برای هر دو آینه تخت و مقعر به کار برده شود .

● تنظیم پرتوی خروجی:

جهت استفاده از پرتوی لیزر باید قادر باشیم آن را در جهات مختلف هدایت کنیم.

قبل از هر چیزی باید از موازی بودن پرتو های خروجی اطمینان حاصل کنیم. برای این منظور کاغذی را از وسط سوراخ کرده به گونه ای در جلوی کاواک لیزر قرار می دهیم که محور مرکزی گذرنده از کاواک هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستکاری پیچ های تنظیم آینه ها پرتوی خروجی از لیزر را به گونه ای تنظیم می کنیم تا از مرکز سوراخ عبور کند . اکنون ما یک دسته پرتوی مستقیم داریم . از قبل لازم به ذکر است که به دلیل نوع اینه های استفاده شده و سیتم بازتابش رفت و برگشت فوتون بین دو آینه پرتوی خروجی یک پرتوی موازی است.اکنون می خواهیم پرتو را با قطر های متفاوت بر روی نقطه مورد نظر متمرکز کنیم. جهت این کار می توان از سیستم عدسی های مرکب استفاده کرد . چند نمونه از سیتم های عدسی مرکب به منظور هدایت پرتو در شکل نشان داده شده که باتوجه به انها می توانیم با استفاده از عدسی های گوناگون با فاصله کانونی ها وشعاع های انحنای مختلف پرتوی خروجی را به گونه ای که تمایل داریم هدایت کنیم .

نکته ی دیگر در تنظیم پرتوی خروجی استفاده از پهن کننده پرتو است . پهن کننده ها شعاع پرتو های نوری را افزایش داده و ما میتوانیم با عبور دسته پرتوی گسترده تر از عدسی ، سطح کانونی کوچک تری بدست آوریم و پرتو را بیشتر متمرکز کنیم .

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

اصولا این تارهای نوری دارای قطرهای کوچک ، از جنس شیشه یا کوارتز هستند و دارای یک هسته مرکزی با ضریب شکست بزرگتر از محیط اطراف خود می باشند.پرتو نور قادر به حرکت در داخل هسته مرکزی به صورت زیگ زاگ به دلیل بازتاب کلی از فصل مشترک هسته مرکزی با جداره می باشد.

متاسفانه این روش برای طول موجهای تا ۱.۶ میکرون به کار می رود . چون میزان جذب برای طول موج های بزرگتر زیاد است ، از این روش برای انتقال پرتو در لیزر co۲ نمی توان استفاده کرد .

● ولتاژها:

همان طور که قبلا نیز بیان شد ، دمش در لیزر های گازی از نوع تخلیه الکتریکی است که توسط ولتاژ های بالا انجام می شود .از آنجا که دمش در لیزر های co۲ طی دو مرحله انجام می شود ، بنابر این ابتدا باید توسط تخلیه الکتریکی ولتاژ بالا اتم های نیتروژن را تحریک کنیم تا به حالت برانگیخته برسند و با انتقال انرژی خود به مولکول های co۲ عمل لیز آغاز شود .

اوین حالت تحریکی ازت تقریبا در ۰.۳ الکترون ولت است . بنا بر تجربه برای شروع عمل لیز به ۲ الکترون ولت انرژی نیاز دارد .

لازم به ذکر است که لیزر های co۲ با جریانDC یا جریان متناوب AC با فرکانس خیلی پایین کار می کند. البته جریان های AC در لیزر هایی استفاده می شود که به صورت ضربانی دمش می شوند و خروجی ناپیوسته دارند .

در مورد لیزر های co۲ ولتاژی را برابر با ۱۰ تا ۱۵ کیلو ولت DC به ازای هر متر تخلیه الکتریکی استفاده می کنیم . که حدود جریان الکتریکی ما بین ۱۰ تا ۱۵ میلی آمپر است .

برای ایجاد جریان DC می توانیم از یکسو کننده های جریان AC استفاده کنیم تا به ولتاژ آغازین ۱۰ کیلو ولت برسیم .

در لیزر های co۲ نیاز نداریم که از سیستم های ولتاژ بالا با قابلیت تنظیم استفاده کنیم . اما استفاده کردن از چنین سیستمی که قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی را داشته باشد برای تنظیم قدرت خروجی لیزر مناسب ست.چرا که هر چه ولتاژ بالاتری به کار ببریم ، عمل لیز با قدرت بیشتری انجام می شود.

ولتاژ بالای اعمال شده به دو سر تیوپ لیزر اعمال می شود ، یک میدان یکنواخت در سر تا سر لوله ایجاد میکند و الکترونها در این میدان شتاب می گیرند و با برخورد به دیگر اتم ها آنها را تحریک می کنند.

گاهی اوقات قبل از عمل تخلی گاز را کمی یونیزه می کنند . این عمل به کمک یک پالس ولتاژ بالا که به یکی از الکترود ها اعمال می شود یا به کمک ی سیم کوتاه که به دور لوله پیچیده شده ، انجام می گیرد . در این روش هم الکترون ها و هم یون ها و هم مولکول های خنثی در محیط وجود دارند . الکترونهایآزاد توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و به سمت آنود حرکت می کنند.

نکته ای که به هنگام تنظیم ولتاژ مناسب در نظر می گیریم این است که ولتاژ اعمال شده را از مرز ۱۵ کیلو ولت آغاز میکنیم . ولتاژ را اندک اندک افزایش میدهیم تا یک باریکه نوری موازی و درخشان در مرکز کاواک لیزر مشاهده شود . در چنین حالتی ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبی است.

لازم به ذکر است که استفاده از ولتاژ های بالا به مراقبت بسیار زیادی نیاز دارد .

از سیم های رابط عایق استفاده کنید و هر جا که سیم پوشش خود را از دست می دهد آان را عایق کنید . سیستم ولتاژ بالا و خود دستگاه لیزر باید بر روی پایه های محکم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالی برخورد سیم ها جلو گیری شود.

به هنگام کار کردن با چنین سیستمی بسیار دقت کنید تا سیمهای کاتد و انود ۲ اینچ به ازای هر ۱۰ کیلو ولت از هم فاصله داشته باشند. تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال کوتا اجتناب شود.

● الکترود ها :

یکی از مهمترین اجزای یک لیزر الکترود های آن می باشد. همان طور که قبلا نیز اشاره شد ، الکترود ها با آزاد کردن الکترون هاب اولیه نقش مهمی در شروع عمل لیز ، ایفا می کنند . در لیزر های مختلف ، انواع متعددی از الکترودها استفاده می شود. در لیزر های co۲ به طور معمول از الکترود هایی از جنس آلو مینیوم استفاده می شود. چراکه آلومینیوم دارای الکتونهای ظرفیت مناسب جهت ازاد شدن توسط ولتاژ بالا می باشد . همچنین از انجا که سطح الومینیوم همیشه پوشیده از یک لایه اکسید آلومینیوم است این امر به ازاد کردن الکترون های بیشتری کمک می کند. در طرح لیزر از ورقه های نازک و انعطاف پذیر آلومینیوم برای ساخت کاتد و آنود استفاده می کنیم . روش کار به این صورت است که درو قطعه ورقه الومینیوم با عرض ۳ و طول ۱۵ سانتی متر تهیه می کنیم . سپس این ورقه ها را به شکل استوانه هایی هم قطر با تیوپ لیزر یعنی به قطر ۲.۵ سانتی متر لوله می کنیم و در دو انتهای تیوپ لیزر فرو میکنیم . سپس یک سانتی متر از هر طرف را از لوله خارج کرده و بر روی خود تیوپ خم می کنیم . پس از اتصال سیم های رابط جریان به ورقه های آلومینیوم ، آن قسمت از تیوپ را که ورقه های آلومینیوم بر روی آن تا خورده به شدت عایق بندی می کنیم تا از هرگونه تماس با آن ها غیر ممکن شود .

لازم به ذکر است ، سیتم آینه ها و پیچ های تنظیم که قبلا توضیح داده شد باید پس از عایق بندی الکترود ها و لوله کاواک به انتهای لیزر متصل شود. چراکه اگر بدون عایق بندی عمل شود ، خطر برق گرفتگی وجود دارد.

● محاسبه تقریبی توان لیزر :

لیزر های گونتگون با نوجه به سیستمی که در ساخت آنها به کار برده شده از قبیل : نوع ماده لیزی ، طول کاواک لیزر ، روش های گوناگون دمش و نوع سیستم خنک کننده دارای توان های خروجی متفاوتی هستند.

برای محاسبه توان خروجی لیزر روش های گوناگونی وجود دارد که بسیاری از آنها حاوی فرمول های سخت و پیچیده است و نیاز مند اطلاعات دقیقی از قسمت های مختلف دستگاه می باشد .

در اینجا یک راه پیشنهادی و ساده جهت محاسبه توان تقریبی لیزر ارائه می شود که می تواند مفید باشد .

جهت محاسبه توان خروجی، پرتوی لیزر را به یک مایع که 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 . یکی از مناسب ترین مایعاتی که می توان از آن استفاده کرد آب می باشد . چرا که 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 که مقداری از پرتوی تابیده شده به سطح آب ، توسط سطح بازتابیده می شود . استفاده از مایعاتی با ظریب بازتابش کمتر ، محاسبات را دقیقتر می کند.

● تلفات لیزر :

راه های متفاوتی برای اتلاف در لیزر وجود دارد که به کاهش توان خروجی لیزر منجر می شود . در زیر به برخی از آنها اشاره می شود که تلاش برای رفع هر کدام از موارد ذکر شده باعث افزایش توان خروجی لیزر است .

ـ جذب و پراکنده کردن نور توسط آینه ها .

ـ پراش از لبه آینه ها .

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

ـ پخش و پراکندگی پرتوها توسط ماده لیزری به دلیل عدم یک نواختی ماده از نظر اپتیکی .

ـ جذب ماده لیزری و گسیل تابش هایی که مورد نظر ما نیست.

ـ کاهش توان خروجی به دلیل گرمای حاصله از عمل لیز که میتواند باعت بالا رفتن دمای آینه ها ، کاواک لیزر و یا الکترود ها شود .

ـ کاهش توان خروجی به دلیل عدم وجود خلا کامل در کاواک قبل از جریان دادن گاز درون کاواک.

تعدادی از عوامل اتلاف ذکر شده از جمله تلفات ناشی از گرم شدن سیستم و یا پراش از لبه های آینه ها قابل رفع است که 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 کلی هر جه بیشتر بتوانیم در رفع عوامل بالا تلاش کنیم ، توان خروجی بیشتری خواهیم داشت .

● ایمنی لیزر :

بیشتر لیزر ها تابشی گسیل می کنند که با احتمال خطر همراه است . درجه خطرناکی لیزر به مشخصات خروجی لیزر ، طریقه استفاده و تجربه فردی که از آن استفاده می کند 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 لوژیکی بدن منتقل کند.از آنجا که 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 مولکولی می انجامد .

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

میزان خسارت به طول موج بستگی دارد به طوری که تابش در نواحی ماورائ بنفش و مادون قرمز که توسط قرنیه جذب می شود ، باعث صدمه دیدن آن می شود و جذب در ناحیه مریی باعث آسیب دیدن شبکیه 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 ممکن است در تابندگی سطح بالا تاول بزند و یا آسیب کمتری ببیند . در مورد پوست هم میزان خسارت به طول موج تابش و میزان جذب بستگی دارد به یژه در محدوده پرتوهای ماورائ بنفش .

معمولا مکان هایی که دستگاه های لیزر در آن ها قرار دارد ، با چراغ های اخطار و متوقف کننده های پرتو تجهیز می شوند . در این مکان ها از موادی که بازتاب کننده پرتو هستند نیز استفاده می گردد . به هنگا کار کردن با لبزر ها باید از عینک های محافظ چشمی استفاده کرد و با توجه به اینکه در لیزر ها معمولا از مولد های ولتاژ بالا استفاده می شود ، رعایت نکات ایمنی در این مورد نیز ضروری می باشد.

Sams FAQ in laser construction

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

Laser miloni

کارگاه هواشناسی و پژوهشگاه لیزر و نانو تکنولوژی