وان الکتریک

تئوری ساخت لیزر گازی: CO2

ترجمه: واحد تحقیق و توسعه شرکت بُعد چهارم

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن

اصول كلي تابش ليزر:

وقتي كه الكترون در يكي از مدارهاي مجاز يا حالت پايه قرار داردهيچ انرژي توسط اتم ساتع نمي شود . هر يك از اين مدار هاي مجاز به يك تراز انرژي معين يا حالت انرژي معين مربوط مي شوند. الكترونها و اتم ها با حركت از يك مدار با انرژي بالاتر (دور تر از هسته) به يك مدار با انرژي كمتر ( نزديكتر به هسته ) ، انرژي از دست مي دهند. اين انرژي به صورت يك فوتون با انرژي است.
در اتمها مدارهاي مجزا و متعددي وجود دارد و بنابر اين انتقالات مختلفي ممكن اسن انجام شود . از اين رو يك اتم انرژي هاي مختلفي را مي تواند گسيل كند . به طور كلي هر اتم تمايل دارد در حالت انرژي هاي پايين تر قرار گيرد از اين رو براي ايجاد طيف اتمي الكترونها را با تحريك كردن به تراز هاي بالاتر ميفرستند. اين عمل در لوله هاي تخليه و به كمك حرارت يا برخورد الكترونهاي ديگر و يا به كمك تابش با طول موجهاي مناسب انجام پذير است. هر طول موجي كه توسط اتم در حال تحريك گسيل شود، ميتواند توسط آن وقتي كه در تراز هاي پايين انرژي قرار دارد جذب شود . البته انرژي فوتون هاي برخورد كننده بايد خيلي نزديك به اختلاف انرژي بين دو تراز انرژي اتم درگير باشد. اين حالت را جذب تشديدي مي گويند.
اگر اتم در يك تراز پايين تر تحت تابش با فركانس قرار بگيرد ، احتمال بسيار زيادي وجود دارد كه اتم با جذب اين فوتون تحريك شده و به تراز بالاتر برود. اين فرآيند را جذب برانگيخته مي گويند.
اتم بلافاصله (چند نانو ثانيه) بعد از تحريك شدن به تراز بالاتر انرژي مي رود و با گسيل فوتوني با انرژي به تراز پايين انرژي باز مي گردد . فرآيند گسيل پرتو مي تواند به دو صورت خود به خودي يا تحريكي انجام شود.

دو نكته در رابطه با گسيل تحريكي وجود دارد :
1 ) فوتوني كه با گسيل برانگيخته توليد مي شود داراي همان انرژي و فركانس فوتون تحريك كننده است
(2امواج نوري مربوط به هر دو فوتون هم فازند و داراي پولاريزاسيون مشابه هستند

به اين معني كه در اتمي كه به صورت برانگيخته مجبور به تابش نوري مي شود ، موجي كه باعث ايجاد فرآيند شده به فوتون اضافه مي شود به طوري كه يكديگر را تقويت مي كنند و دامنه هاي آنها افزايش ميابد . پس ما امكان تقويت نور به وسيله گسيل هاي تحريكي تابش را خواهيم داشت.

تابش هاي تحريك شده همدوس هستند. يعني همه امواج سازنده چنين تابش هايي هم فاز هستند .
اين فرايند با گسيل خود به خودي تفاوت اساسي دارد. چون در آنجا اتمها كاملا به صورت اتفاقي كسيل مي كنند به طوري كه رابطه خاص فازي بين امواج وجود ندارد و اينگونه تابش ها غير همدوس هستند.

دمش:

فرآيند تحريك ماده ليزري براي تغيير تراز و آزاد كردن انرژي را دمش مي گويند. عمل دمش از طريق چندين راه امكان پذير است از قبيل: دمش اپتيكي – دمش به كمك تخليه الكتريكي – دمش به كمك آزاد كردن انرژي شيميايي .
با توجه به ليزر هاي متفاوت و نوع ماده ليزري از روش هاي متفاوت دمش استفاده مي شود. به طو ر مثال در لبزر هاي گازي مانند ليزر CO2 از روش تخليه الكتريكي استفاده مي شود.

تشديد كننده هاي نوري:

براي داشتن پرتو خروجي از ليزرها و انرژي بهينه و با توان بالا نياز داريم كه پرتو هاي تحريك كننده جهت تحريك ماده ليزري و افزايش انرژي را تقويت كنيم.
در بيشتر حالات تقويت كلي توسط قرار دادن آينه هايي با درصد بازتابش بالا در دو انتهاي كاواك ليزر انجام مي شود . پرتوي نوري بيش از حدود 100 بار بين دو آينه رفت و برگشت مي كند و به اين ترتيب طول موثر ماده افزايش مي يابد. آينه ها تشكيل يك كاواك نوري يا تشديد كننده مي دهند و به همراه ماده فعال ليزري يك نوسان كننده مي سازند . آينه ها در اصل مانند يك بازخور نوري از ماده تقويت كننده عمل مي كنند. اساسا گسيل خود به خودي يك تغيير كوچك در فركانس عبوري از ماده ايجاد مي كند و آن را به دليل گسيل برانگيخته تقويت مي كند.
در برخورد با آينه هاي انتهايي اكثر انرژي به داخل كاواك باز مي گردد . اين نور تقويت شده مجددا با برخورد به آينه ديگر بيشتر تقويت مي شود و اين <رايند مدام تكرار مي شود. اين تغييرات تااين نوسانات به يك حالت پايدار برسند افزايش مي يابد . در اين حالت رشد دامنه امواج داخل كاواك افزايش مي يابد و هر انرژي كه به دليل گسيل برانگيخته ظاهر ميشود به عنوان خروجي ليزر منظور مي گردد.
تا اينجا فرض بر اين بود پرتوهايي كه بين دو آينه رفت و برگشت مي كنند موازي هستند . ولي در واقع اينطور نيست. به دليل اثرات پراش در لبه آينه ها يك باريكه كاملا موازي نمي تواند با اندازه محدود ابقا شود چون بخشي از تابش از كناره هاي آينه ها پخش مي شود و اين اتلاف ها در اثر پراش را مي توان با استفاده از آينه هاي مقعر و در عمل با آينه هاي با انحناي متفاوت و شكل هاي مختلف، بسته به نوع ليزر ، كاهش داد. به اينگونه سيستم ها كاواك پايدار گفته مي شود.
برخي از سيستمهاي كاواك پايدار در شكل زير نشان داده شده است.

ليزر هاي واقعي :

در قلب هر ليزر ماده فعالي وجود دارد كه باعث ايجاد خروجي ليزر در باريكه اي از طول موجها است.در حقيقت ليزر ها با نام ماده فعال آنها شناخته مي شوند. به طور كلي ماده هاي متفاوتي به عنوان ماده فعال ليزري مورد استفاده قرار مي گيرد. به طور مثال اولين ليزر در سال 1960 با استفاده از كريستال صورتي ياقوت ساخته شد.
امروزه تعداد و انواع مواد استفاده شده به عنوان ماده فعال ليزري افزايش يافته است به طوري كه انسان احساس مي كند از هر ماده اي ميتواند با استفاده از روش دمش خاص براي ليزر استفاده كند.

به طور كلي ليزر ها را با توجه به نوع ماده فعال آن ها به چهار دسته اصلي تقسيم مي كنند:
(1ليزر هاي آلائيده شده با عايق
(2ليزر هاي نيمه هادي
(3ليزر هاي گازي
(4ليزر هاي رنگ
در اينجا به برسي ليزر هاي گازي مي پردازيم.

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:
1) لیزر های اتمی
(2لیزر های یونی
(3 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 CO2است .

لیزردی اکسید کربن ( CO2 ) :

لیزر CO2از 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 (30%) 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 CO2 در تولید پرتو :

تحریک مولکول های CO2 در دو مرحله انجام می گیرد. در لیزر های CO2 از گاز نیتروژن به عنوان گاز کمکی به منظور تحریک استفاده می شود. بعضی تراز های نیتروژن که کاملا نزدیک به ترازهای CO2 هستند به راحتی در تخلیه الکتریکی دمش می شوند . وقتی نیتروژن تحریک شده به اتمهای CO2 که در حالت پایه قرار دارند برخورد کند ، ممکن است انرژی خود را به آنها بدهد و آنها را تحریک کند و به تراز تحریکی مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهای نیتروژن و CO2 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 CO2 تحریک شده با بازگشت به تراز خود انرژی آزاد کرده و یک فوتون ایجاد می کند که این فوتون دارای طول موجی بین 9.2 تا 10.8 میکرون است و قوی ترین طول موج آن طول موج 10.6 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 CO2 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 CO2 طی دو مرحله است که ابتدا تحریک نیتروژن انجام می شود.
در لیزر های CO2 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 CO2 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 CO2 :

1)لیزر با لوله بسته
(2لیزر با جریان گاز
(3لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA )

(1لیزر با لوله بسته:

در این گونه لیزر ها گاز CO2 و نیتروژن در لوله های تخله قرار دارند. مشکلی که برای این لیزر ها وجود دارد این است کهدر جریان تخلیه الکتریکی مولوکول های CO2 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 CO2 تبدیل کند.
سرد کردن گاز در این گونه لیزر ها از دیگر مشکلاتی است که می تواند توان لیزر را به 100 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.

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن

2)لیزر های با جریان گاز:

دو مشکل تجزیه CO2 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 60 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.

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن

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

تا کنون برای افزایش توان خروجب لیزر CO2 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 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 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 50 نانو ثانیه و با انرژی 100 ژول به دست آورد .
در فشار های خیلی بالا و حدود 10 اتمسفر ، بخورد های مولکولی باعث پهن کردن خطوط طیف لیزر شده و تنظیم لیزر را روی طول موج های مختلف مقدور می سازد.

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن

تئوری ساخت لیزر CO2 :

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 CO2 با جریان گاز :

1- تیوپ لیزر
2- آینه های لیزر
3- منبع گاز CO2 و N2 و He
4- پمپ خلا
5- منبع ولتاژ بالا
6- آند و کاتد
7- سیستم خنک کننده
8- 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 CO2 با جریان گاز ارائه خواهیم داد .

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن

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 co2 به صورت زیر است:

گاز ها	حجم (لیتر)	فشار (بار)
دی اکسید کربن 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 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 .

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن

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 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 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 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.

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن

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 30 سانتی متر و قطر آن 5 سانتی متر می باشد .

تئوری ساخت لیزر دی اکسید کربن