بخشی از مقاله
جوشكاري با ليزر
سوالاتي كه اغلب درباره ليزر عنوان ميشود؟
1) ليزرها
ليزرها دستگاههايي هستند كه تابش همدوس يا تقويت تابش در بسامدهايي در ناحيه مادون قرمز، مريي يا فرابنفش طيف موج الكترومغناطيسي را ايجاد ميكنند.
2) مولفه هاي اساسي يك ليزر
مولفه هاي اساسي يك ليزر به قرار زير است :
الف) محيط فعال شامل مجموعة مناسبي از اتمها، مولكولها، يونها و يا نيمرساناها.
ب ) فرآيند دمش كه قادر است اين اتمها و يا مولكولها را به ترازهاي با انرژي بالاتر تحريك سازد.
ج ) عناصر بازخور مناسب كه به باريكه تابش اجازه ميدهد كه در محيط فعال نوسان كند (به اين امر نوسان ليزر ميگويند) و يا آنكه باريكه از محيط فعال يك بار بگذرد (كه به آن تقويت تك عبور ميگويند) و ممكن است تعداد عبورها زيادتر شده به آن تقويت دو عبور، سه عبور و ... ميگويند. عناصر بازخور در واقع از دو آينه تشكيل شده است. يك آينه (آينه انتهايي) تمام بازتابنده است و آينه ديگر نيمهشفاف است. با رفت و بازگشت باريكه بين دو آينه، هر بار عمل تقويت براي باريكه حاصل شده و هنگامي كه بهره سيستم از كل تلفات بيشتر گردد، عمل ليزر آغاز ميشود و خروجي ليزر را از طرف آينه نيمهشفاف دريافت ميدارند.
3) تاريخچه ليزر
ليزرها بر اساس اصل كلي كه در بسامدهاي ميكروموج اختراع گرديده بود و به آن ميزر (تقويت ميكروموج توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشد، كار ميكنند. وقتي طول موج نوسان به ناحيه بسامدهاي اپتيكي ميرسد، طبيعتاً به آن ليزر (تقويت نور توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشود.
اختراع اولين ليزر به سال 1960 توسط تئودور مايمن بازميگردد و آن يك ليزر ياقوت است كه با لامپ درخش فعال ميشود. جالب است بدانيم كه امروزه ليزرهاي حالت جامد (نظير ياقوت، نئوديميوم ياگ) نيز كم و بيش به صورت همان تكنيك قديمي خود كار ميكنند. روش دميدن محيط فعال از طريق اپتيكي است. البته حضور ليزرهاي نيمرسانا و تابش انها در ناحيه جذب شديد بلورهاي ليزر، تكنولوژي بسيار جديد امروزي را كه دمش ليزرهاي حالت جامد توسط ليزرهاي نيمرساناست متحول ساخته است. اين ليزرها كه با باريكة ليزرهاي نيمرسانا دميده ميشوند، بسيار كوچك و قابل حمل و كم مصرف و با بازدهي بالايي هستند. حتي در اين خصوص پا فراتر گذاشته شده است و ليزرهاي پرقدرت كه در حجم كوچك ساخته ميشوند قادر به توليد باريكههاي پرتوان براي مصارف صنعتي ميباشند.
برندگان جايزه نوبل در زمينه ليزر
دانشمندان بسيار زيادي در چند دهه گذشته در اهداف مرتبط با فيزيك كه به نحوي با ليزر سر و كار پيدا ميكند موفق به دريافت جايزه نوبل شدهاند. در اينجا اسامي چند دانشمند كه مستقيماً در ارتباط با ليزر جوايز نوبل را دريافت كردهاند را ذكر خواهيم نمود.
- چارلز اچ تاونز به خاطر اختراع ميزر آمونياك (1964).
- نيكلا جي باسوف، و الكساندر پروكرف براي سهم خود در ميزرها و ليزرها (1964).
- دنيس گابور ، براي ارائه تصاوير سه بعدي (هولوگرافي) (1971).
- نيكلاس بلومبرگن و آرتورشالو براي سهم آنها در ميزر سه ترازي، اپتيك غيرخطي و اسپكتروسكپي ليزري (1981).
- احمد ذويل (كه دانشمند مصري است) براي كاربرد ليزر در شيمي (1999).
از ساير فعاليتهاي اساسي در زمينه ليزر ميتوان از اختراع پرفسور علي جوان، دانشمند ايراني به خاطر اولين ليزر گازي هليوم نئون و سي.ك.ان پاتل (دانشمند هندي) براي اختراع ليزر CO2 نام برد.
با وجودي كه از اختراع ليزر بيش از 40 سال (و نزديك به نيم قرن) ميگذرد، ليزرها به صورت ابزارهايي كاملاً توسعه يافته براي توليد باريكه نور همدوس درآمدهاند. گسترش كاربردهاي آن بسيار وسيع بوده و در تمام شئون زندگي بشري، از جراحيهاي ظريف گرفته تا صنعت، مسائل دفاعي و حتي خريد از فروشگاهها قابليت خودرا نشان دادهاند. بنابراين ميتوان ادعا كرد كه كاربردهاي آن در آينده وسيعتر شده و جايگاه ليزر و اهميت آندر اجتماع و زندگي انسانها روز به روز ملموستر خواهد شد.
4) مفاهيم اساسي ليزر
ليزرها بر اساس برهمكنش تابش و ماده فعال ميشوند. اين برهمكنش شامل گسيل خود به خود، گسيل القايي و جذب ميباشد.
گسيل خود به خود فرض كنيم توانسته باشيم اتمهاي زيادي را به تراز بالاتر اتم و يا مولكول با تحريك خارجي (كه به آن دمش گفته ميشود) فرستاده باشيم. تعداد اين اتمها يا مولكولها در واحد حجم در تراز بالاتر را با N2 نمايش ميدهيم. اين اتم يا مولكول به صورت خود به خود به تراز پايينتر فروميافتد و اگر اين فروافت توام با گسيل موج الكترومغناطيسي باشد به آن فروافت تابشي يا گسيل خودبه خود ميگويند. اتم و يا مولكول هرگاه به طريق ديگري مثلاً در برخورد با گاز در محيط به تراز پايينتر فروافتد و همراه با تابش نباشد به آن فروافت غيرتابشي ميگويند.
گسيل القايي
علاوه بر فروافت به طريق گسيل خود به خود، اتم و يا مولكول در تراز بالاتر ميتواند در اثر برهمكنش با يك ميدان تابش خارجي به تراز پايينتر فروافتد در اين صورت دو فوتون به وجود ميآيد، فوتون القاء شونده و فوتون القاء كننده. هر دو فوتون در يك جهت گسيل ميشوند و همفاز و با يك قطبش هستند (فاز و قطبش فوتون القاء شونده در همان فاز و قطبش فوتون القاء كننده است). اين اساس تقويت نوري را فراهم ميسازد و اساس ليزر مبتني بر همين اصول تقويت نور ميباشد.
جذب هنگامي كه در يك سيستم اتمي كه اتمها در تراز پايينتر (تراز پايه) هستند موج الكترومغناطيسي اعمال گردد به نحوي كه فركانس موج فرودي درست در همان فركانس گذار اتمي باشد، در اين صورت به سادگي موج الكترومغناطيسي فرودي بر اتم يا مولكول، جذب اتم و يا مولكول شده و آن را به تراز بالاتر ارتقاء ميدهد. به اين فرآيند جذب گفته ميشود.
4-1) جمعيت معكوس
در يك اتم فرض كنيد، تراز انرژي و جمعيت تراز پايين (N1 و E1) و تراز انرژي و جمعيت تراز بالاتر (N2 و E2) باشد. در حالت عادي توزيع بولتزمن براي اتم يا مولكول برقرار است، لذا همواره چون E1 > E2 است، خواهيم داشت N2 > N1 ، بنابراين اختلاف N2 - Δ N = N1 همواره مثبت است و تابش فرودي جذب اتم يا مولكول ميشود. اگر شرايطي غيرعادي حاصل آيد به نحوي كه N1 > N2 گردد، با جذب منفي و يا بهره سر و كار داريم. به اين عمل كه توسط دمش حاصل ميشود و جمعيت تراز بالاتر بيشتر از تراز پايينتر به وجود ميآيد، ايجاد جمعيت معكوس ميگويند و هرگز در شرايط ترازمندي گرمايي حاصل نميشود.
4-2) چگونگي ايجاد جمعيت معكوس
روشهاي مختلفي جهت ايجاد جمعيت معكوس وجود دارد كه بسته به محيط فعال از اين روشها جهت ايجاد جمعيت معكوس استفاده ميكنند به عملي كه انجام ميشود تا جمعيت معكوس حاصل شود دمش (پمپاژ) گفته ميشود. روشهاي پمپاژ به قرار زير است. دمش الكتريكي، دمش نوري، دمش شيميايي، دمش گرمايي.
5) انواع ليزرها
5-1) ليزرهاي حالت جامد
سه موضوع اساسي براي ايجاد بهره در ليزرهاي حالت جامد عبارتند از :
محيط ميزبان ، يونهاي فعال در داخل محيط ميزبان ، منابع نوري براي دمش مواد تشكيل دهنده محيط ميزبان محيط ميزبان به دو دسته بلوري و شيشهاي تقسيم ميشوند. محيط ميزبان ميبايد از نظر اپتيكي، مكانيكي و خواص گرمايي شرايط عمل كرد ليزري را متحمل شوند. محيطهاي ميزبان بلوري كه پس از اختراع اولين ليزر ياقوت مورد بررسي و مطالعه و كاربرد قرار گرفتهاند عبارتند از:
سافاير، Al2O3 گارانتها، ايتريوم، آلومينيوم گارنت Y3Al5O12 كه با YAG نشان ميدهند.
گادولنيوم، گاليوم گارنت Gd3Ga5O12 كه با GGG نشان ميدهند. گادولنيوم اسكانديوم آلومينيوم گارنت Gd3Sc2Al3O12 كه با GSAG نشان ميدهند. آلومينيت، ايتريوم اورتوآلومينيت (Y AlO3)، كه با YAlO يا YAP نشان ميدهند. فسفاتها و سيليكاتها، كلسيم فلوروفسفات يا Ga5+ (PO4 +)3 F نام معدني فلوراپاتيت (FAP) سيليكات اكسي پاتيت يا Ga La SOAP تنگستيتها، موليبديتها، واناديتها و بريليتها فلورايدها، سراميكها، شيشهها، يونهاي فعال :
«يونهاي خاكي نادر»
نئوديميوم Nd+3 خط Nd:YAG در λ = 1.06 μ m
اربيوم Er+3 خط Er:YAG در λ ~ 2.9 μ m
هولوميوم Ho+3 خط Ho:YAG در λ ~ 2 μ m
تاليوم Tm+3 خط Tm:YAM در λ ~ 2 μ m
«يونهاي آكتانايد»
ياقوت Cr+3 : Al2O3
الكساندريت Cr+3 : BeAl2O4
تايتانيوم سافير Ti+3 : Al2O3
5-1-1 ليزرهاي حالت جامد كوكپذير (قابل تنظيم طول موج)
گسيل ليزري در ليزرهاي حالت جامد كوكپذير وقتي جفتشدگي گسيل القائي و گسيل كوانتايي ارتعاشي (فونون) در بلور حاصل ميشود اتفاق ميافتد. آنها عبارتند از :
الكساندريت :
BeAl2O4 در گسترة 700-800 nm
Cr : GSGG) Cr:Gd Sc Ga-Garnet در (100-900 nm)
Cr:KZn F3 (در 185-865 nm)
5-1-2 سيستمهاي دمش نوري در ليزرهاي حالت جامد
در گذشته لامپهاي هالوژن-تنگستن براي دمش موج پيوسته Nd:YAG به كار ميرفته است.
لامپهاي درخش (لامپ فلاش) براي ليزرهاي پالسي به كار ميرود كه از يك لوله كوارتز با دو الكترود انتهايي (گاز داخلي Xe) تشكيل شده است. امروزه از ليزرهاي نيمرسانا براي دمش ليزرهاي حالت جامد مخصوصاً Nd:YAG استفاده ميشود. از نظر طيفي بهترين بازدهي انتقال انرژي نوري از تشعشع منبع دمش به محيط جامد وقتي است كه ناحيه طيفي بيشينه تشعشع لامپ تحريك با نواحي جذب شديد در محيط فعال جامد منطبق باشد.
5-2 ليزرهاي رزينهاي (مايع رنگين)
ليزرهاي رزينهاي به آن دسته از موادآلي گفته ميشود كه در حلالهاي مناسب حل شده جهت محيط فعال مورد استفاده قرار ميگيرند. دمش اين رنگها از طريق نوري است كه با استفاده از لامپ فلاش و يا يك ليزر مناسب ميباشد. اين مواد قادراند بسته به نوع رنگ به كاررفته از ناحيه فرابنفش تا نزديك مادون قرمز نوسان قابل تنظيم طولموجي داشته باشند. لذا از زمره ليزرهاي كوكپذير هستند و داراي كاربردهاي وسيع در طيفنگاري ميباشند. براي دمش اين ليزرها، اگر به صورت پالسي مد نظر باشد از ليزرهاي نيتروژن، اگزايمر، بخار مس استفاده ميشود. هارمونيكهاي مراتب بالاي ليزرNd:YAG در طولموجهاي 532، 353 و 266 نانومتر براي دمش رنگهاي آلي نيز مناسب و مقرون به صرفه اقتصادي است. براي نوسان موج پيوسته از ليزر آرگون يوني ميتوان استفاده نمود.
5-3 ليزرهاي گازي
نظر به اين كه گازها به عنوان محيط فعال نسبت به محيط هاي فعال حالت جامد از چگالي پايينتري برخوردار هستند. بنابراين بايد انتظار داشت كه ليزرهاي گازي نسبتا بزرگ و حجيم باشند. گازها در ليزرهاي گازي توسط برخورد الكتروني و يا باريكه الكتروني تحريك ميشوند و لذا دمش آنها از نوع دمش الكتريكي است.
تحريك برخورد الكتروني
تحريك مناسب در گازها در فرآيندهاي برخورد الكتروني رخ ميدهد. تحريك تراز بالايي ليزر يا به صورت برخورد مستقيم الكترون مثلا در ليزر آرگون خنثي است. طبق سازوكار Ar + e -> Ar* + e كه *Ar نشان دهنده تراز تحريكي اتم آرگون است، يا انتقال انرژي توسط گازي از نوع ديگر (مثل ليزر He-Ne) صورت ميگيرد كه He نقش دهندة انرژي به اتم نئون را داراست و عمل ليزر روي گذارهاي اتم Ne تحقق مييابد.
He* + Ne -> Ne* + He
*He و *Ne نشان دهنده اتم He و Ne در حالت تحريكي است.
5-3-1 ليزر آرگون يوني (Ar II)
ليزر آرگون يوني يكي از ليزرهاي مهم گازي است كه تحريك توسط برخورد الكتروني در اتم Ar صورت ميگيرد. از ساير ليزرها يوني گازهاي نادر ميتوان از ليزرهاي يوني كريپتون، زينون و نئون نام برد. برخي از خطوط مهم و توانهاي نوعي خطوط نوساني در زير آورده شده اند.
ليزرهاي يوني پالسي
Ar (II) (nm 488 ، nm 496 توان حدود 10 وات ؛ nm 496 ، nm 502 و nm 514)
Ne (III) (nm 473 ، توان 400 وات)
Xe (IV) (nm 364 ، توان 3600 وات ، nm 430 ، توان 1000 وات)
ليزرهاي يوني موج پيوسته
Ar (II) (nm 0/488 ، nm 5/514 توان حدود W 1)
Kr (II) (nm 1/647 ، توان 4/0 وات ، nm 4/676 ، nm 5/752 ، nm 7/350 ، توان 5 وات)
5-3-2 ليزر He-Ne
يكي از متداولترين ليزرهاي گازي است. محيط فعال اختلاطي از گاز هليوم و نئون است كه نسبت آنها تقريبا 5:1 تا 20:1 ميباشد. اين اختلاط گاز در لوله شيشهاي به قطر چند ميليمتر و به طول 0/1 تا 1 متر در فشار حدودا mmHg 10 و با تحريك توسط ولتاژ بالا چند كيلو ولت قادر است عمل ليزر روي ترازهاي نئون را حاصل كند. (3/39μm ، 1/15 mm ، 632/8 μm و 5/543nm )
5-3-3 ليزر بخار مس
ليزر بخار مس يكي از ليزرهاي مهم و پرقدرت به حساب ميآيد. براي آن كه جمعيت كافي از اتمهاي مس حاصل شود نياز به آن است كه دماي محيط به 1400ْC تا 1500ْC برسد . اين امر در تيوبهاي خاص از آلومينا و با رگبار بسيار بالا (kHz 5~ ) براي گرم شدن تيوب ليزر و بخار شدن فلز مس توسط سوئيچهاي تايروترون حاصل ميشود. قطر لوله ها بين 10 تا 80 ميليمتر است. همچنين براي دريافت قدرت مناسب از ليزر نياز به استفاده از گاز نئون در فشار 50-25 ميليمتر جيوه ميباشد.
عمل ليزر در دو طول موج nm 578 و nm 510 تحقق مييابد، هر دو گذار به تراز نيمهپايدار منجر ميشود و عمل ليزر تنها در مدتي كوتاه قبل از نابودشدن جمعيت معكوس حاصل ميشود. توان متوسط در رگبار kHz 5~ ، W 40-10 است، براي توانهاي بالاتر نياز به آن است كه سيستم به صورت نوسانگر-تقويتكننده عمل كند. بازدهي كلي سيستم نسبتا بالا (تا 2%) ميرسد، بنابراين اگر توانهاي كمي مورد نياز باشد سيستم ليزر ميتواند توسط هوا خنك شود. در غير اين صورت در توانهاي بالا، به سرد كردن ليزر توسط جريان آب سرد نياز ميباشد.
5-3-4 ليزر گازكربنيك (ليزر CO2)
ليزر گازكربنيك تاكنون مهمترين ليزر در ردة خود به شمار ميرود و از نقطهنظر كاربردهاي تكنولوژيكي اين ليزر از مهمترين ليزرها محسوب ميشود. با در نظر گرفتن بازدهي (30%~) و خروجي پرتوان، توانهاي موج پيوسته اين ليزر به دهها كيلووات ميرسد، بنابراين كاربردهايي نظير جوشكاري، برش فلزات و اجراي نقوش فلزي و كاربردهاي نظامي اين ليزر ميسر شده است. گذار ليزري در اين ليزر با ليزرهاي يوني يا اتمي متفاوت است، چه ترازهاي انرژي مرتبط با حالتهاي كوانتومي مدهاي ارتعاشي و چرخشي مولكول CO2 ميباشد. در مورد مدهاي ارتعاشي، سه نوع مد ارتعاشي غيرمتقارن، متقارن و خمشي در گذارهاي ليزر درگير ميباشند. عمل ليزري در نواحي بين دو طول موج 9/4و 10/6 ميكرومتر است كه در ناحيه فروسرخ طيف واقع ميشود. اين ليزر با ساختارهاي متفاوت تكنيكي ساخته ميشود كه عبارتند از : ليزر پالسي فشار اتمسفري (TEA)، محفظه بسته، جريان گازي و ديناميك گازي.
5-3-5 ليزر نيتروژن (N2)
گذارهاي ليزري در ليزر نيتروژن بين ترازهاي انرژي الكتروني مولكول N2 صورت ميگيرد كه منجر به خروجي در ناحيه فرابنفش (337/1nm) ميشود. اين ليزر در نوع پالسي فعال است و پهناي زماني آن كوتاه و به حدود چند نانو ثانيه ميرسد. دمش الكتريكي اين ليزر ميبايد بسيار سريع و در زمانهاي حدود مقياس پهناي پالس تحقق يابد. اين ليزرها در رده ليزرهاي خودپايانيابنده قرار ميگيرند.
5-3-6 ليزرهاي اگزايمر
واژة «اگزايمر» از بهم بستن واژة excited dimer يا دوتايي تحريك شده ساخته شده است و مفهوم آن است كه انرژي الكتروني مولكول دو اتمي در حالت تحريك شده به صورت پايدارو در حالت پايه به صورت دافعه است. هالايدهاي گاز نادر نظير ArF ، KrF و XeCl نمونه هايي از اين نوع ليزر هستند. تخليه الكتريكي و باريكه هاي الكتروني را ميتوان براي تحريك اختلاطهاي گازي از نوع گازهاي نادر و مولكولهايي نظير F2 يا HCl براي حصول عمل ليزر در ليزرهاي اگزيمر به كار برد. عمل دمش اين ليزرها به گونهاي شبيه به ليزرهاي N2 ميباشد ليكن براي تحريك نياز به آن است كه قبل از تخليه الكتريكي اصلي توسط فوتونهايUV و يا پرتو x محيط توسط يك پيشيونش براي تخليه يكنواخت الكتريكي آماده شود. بعضي از ليزرهاي اگزايمر نظير XeF و KrF كاملا كارآمد بوده و قادرند توانهاي خروجي تا J1 و با توان متوسط W 200 را حاصل سازند.
5-4 ليزرهاي شيميايي
تركيبات شيميايي داراي اين توانايي هستند كه مقادير زيادي از انرژي كه ممكن است بخشي را در واكنشهاي شيميايي گرمازا از دست بدهند، در خود ذخيره نمايند. به اين ترتيب آنها نمونه هاي جالب توجهي جهت تبديل انرژي شيميايي به تابش نوري همدوس به شمار ميآيند. ليزرهاي شيميايي كه امروزه با آن سر و كار داريم مرتبط با گذارهاي حالتهاي ارتعاشي مولكولهايي نظير HF ، CO و امثالهم ميباشند. حد پايين گذار ليزري آنها در طول موج μm2~ ميباشد. مثال خاصي از اين ليزرها، انواع ليزرهاي HF و DF ميباشند كه قدرتهاي بسيار بالايي از آنها به دست آمده است. واكنشهاي مرتبط به قرار زير هستند :
F + H2 -> HF * + H
F + D2 -> DF * + D
با وجودي كه واكنشهاي بالا نمونه هاي تحريكي را كه با علامت ستاره نشان داديم حاصل ميكنند، ليكن تجزيه هيدرژن و فلئور ميبايد از مولكولهاي اوليه H2 و F2 حاصل شود. واكنشهاي مرتبط در اين نوع ليزرها به صورت زنجيرهاي است، به اين معنا كه وقتي واكنش رخ داد مراكز فعال ليزري را ميبايد خودشان حاصل كنند و اين متضمن تزريق پيوسته مولكول H2 و F2 به سيستم است مثلادر ادامه واكنش بالا براي H رها شده، داريم :
H + F2 -> HF * + F
و براي F رها شده، واكنش خواهد شد
F + H2 -> HF * + H
5-5 ليزرهاي نيمرسانا
يكي از پراستفاده ترين ليزرها، ليزرهاي نيمرسانا ميباشد كه در حجم زياد ساخته ميشوند و داراي كاربردهاي بسيار زيادي هستند. امروزه آنها را حتي به عنوان علامت دهنده نور موازي در دست مردم عادي ميبينيم و يا در هنگام خريد از فروشگاه هاي بزرگ قيمت اجناس را فروشنده توسط دستگاهي كه به ليزر نيمرسانا مجهز است تعيين كرده در كار مشتري سرعت قابل ملاحظهاي ميبخشد. ليزرهاي نيمرسانا با استفاده از پرش الكترون بين نيمرساناهايي كه شامل نوعهاي مختلف و ترازهاي ناخالصي كنترل شده ميباشد كار ميكنند. مهمترين مواد نيمرسانا شامل مواد دوتاييها نظير نيمرساناي V-III مثل GaAs ، InSb با مواد سهتاييها نظير AlxGa1-xAs (كه x فاكتور كوچكتر از واحد است) يا مواد چهارتاييها مثل InxGa1-xAlyP1-y ميباشند. مهمترين پارامتر كه از يك سيستم نيمرسانا به سيستم ديگر تغيير ميكند، گاف انرژي است. اين گاف فاصلة انرژي Eg بين بالاترين نوار پرشده از الكترون و يا پايين نوار انرژي خالي از الكترون است. طول موج منتسب به اين گاف انرژي از μ=Ch/Eg به دست ميآيد. ليزرهاي نيمرساناي امروزي چنان ساخته ميشوند كه جريان الكتريكي را به ناحيهاي خاص در قطعه محدود سازند.
اين هندسه ساخت به طرق : هدايت شده بهره، هدايت شده ضريب شكست و امثالهم ميباشد. ساخت ردّه جديدي از ليزرهاي نيمرسانا به گونهاي است كه باريكه ليزر در جهت عمود بر ويفر گسيل ميشود كه به آن «ليزر گسيل سطحي» ميگويند. نوع ديگركه نوع «ليزر گسيل سطحي جفت شده توري» ناميده ميشود. به گونهاي است كه توان خروجي بالا و واگرايي پايين را به دست ميدهد. براي قدرتهاي بالاتر رديفهاي دايودي اختراع شده كه از تعداد ليزرهاي زيادي نزديك به يكديگر شكل گرفته است.
از ليزرهاي جديد ديگر نيمرسانا، ليزرهاي چاه كوانتومي هستند كه محيط فعال آن با لايه بسيار نازك (مثلا nm 20) از دو طرف توسط GaAlAs محدود شده است. اگر ليزر تنها يك چنين لايه اي داشته باشد به آن تك چاه كوانتومي گفته ميشود (SQW) و اگر از چند لايه با تناوبي از GaAs و GaAlAs شكل گرفته باشد به آن ليزر چاه كوانتومي چندتايي (MQW) ميگويند.
5-6 ليزرهاي الكترون آزاد
طرز عمل ليزرهاي الكترون آزاد كاملا با ساير ليزرهايي كه از آنها نام برده شده است متفاوتست. چشمه اصلي انرژي در اين نوع ليزرها باريكه نسبيتي الكترون است. تحت بعضي شرايط اين الكترونها قادرند مقداري از انرژي خود را به صورت باريكهاي از فوتون در همان مسير الكترونهاي سريع رها سازند. به اين منظور باريكه الكترون سرعت يافته را از مغناطيسهاي تناوب يافته كه به آن ويگلر (جنبانده) گفته ميشود عبور ميدهند. با عبور الكترونها از ويگلر آنها شروع به نوسانهاي عرضي ميكنند. نتيجه امر در اين نوسانها تشعشع موج الكترومغناطيسي است كه طول موج آن در جهت تشعشع از μ=μw/2γ2 به دست ميآيد. μwتناوب ويگلر و γ نسبت انرژي الكترون به انرژي الكترون در حالت سكون است.
بنابراين با تغيير μwو يا γ ميتوان گسترة وسيعي از فركانسهاي ليزر را حاصل كرد، يعني اين ليزرها كوكپذير هستند. ضمنا سيستمهاي ليزرهاي الكترون آزاد به علت استفاده از شتابدهنده، دستگاههاي عظيمي به شمار ميآيند يعني در واقع براي راهاندازي آن نياز به تجهيزات شتابدهنده الكترون ميباشد.
بنابراين آنها دستگاههايي نيستند كه در مقطع فعلي از زمان به صورت كوچك و مستقل بتوان در آزمايشگاههاي متداول تحقيقاتي از آنها استفاده كرد.
««جوشكاري با قوس پلاسما»»
درجوشكاري با قوس پلاسما , قوسي توليد مي شود كه بسيار بلندتر , داغتر و قابل كنترل تر ازقوس ايجاد شده در جوشكاري تيگ است. هرگاه شدت جريان كم باشد ـ كمتر از 100آمپر ـ مي توان جوشكاري موسوم به جوشكاري با قوس سوزني انجام داد. از اين قوس بلند و سوزن مانند براي اتصال قطعات بسيار نازك فلز , به ضخامت 02/0 تا mm3استفاده ميكنند. درجوشكاري با قوس پلاسما از شدت جريانهاي بيشتر هم مي توان استفاده كرد.
اگرچه با افزايش شدت جريان قوس پهنتر مي شود ,مي توان با استفاده از شدت جريان تا 400آمپر ورق هاي تا ضخامت mm25 رابا كيفيت مطلوب جوشكاري كرد. درجوشكاري با قوس پلاسما,نفوذ به دو روش انجام مي شود: روش ذوبي و روش سوراخ كليدي. در روش ذوبي از قوس پلاسما براي جوشكاري متعارف دستي و ماشيني , به روش ذوبي , استفاده مي شود. مزيت عمده آن بر جوشكاري تيگ , كنترل بهتر متصدي روي فاصله مشعل تا قطعه كار و حذف احتمال آلودگي الكترود تنگستني است.
زيرا در اين روش الكترود تنگستني در داخل مشعل محافظت مي شود. با استفاده از اين روش مي توان جوشهاي لب به لب باريك و مرغوب , روي ورقهايي با ضخامت 3مليمتر ايجاد كرد.
درروش سوراخ كليدي قوس باريك و بلند ايجاد مي شود كه بطور كامل در قطعه نفوذ مي كند و سوراخ كليدي در وسط حوضچه جوش به وجود مي آورد. اگر درز جوش لب به لب و كاملاً جفت سازي شده باشد, به فلز پر كننده نياز نيست. با پيشروي مشعل, حوضچه مذاب در جلو قوس تشكيل مي شود, در جلو قوس تشكيل ميشود , دور قوس مي پيچد و بالا مي آيد تا مهره جوش كوچكي در پشت آن تشكيل دهد. در هر بار عبور , خط جوش كاملي در هر دو سطح زير و روي قطعه ايجاد مي شود. نفوذ كامل در قطعه و حركت فلز مذاب سبب جدا شدن ناخالصيها وگازها از خط جوش , پيش از انجماد آن مي شود. در نتيجه مي توان خط جوشي با بالاترين كيفيت ممكن ايجاد كرد. جوشكاري سوراخ كليدي را مي توان روي فلزهايي تا ضخامت 6ميليمترانجام داد.
««وسايل مورد نياز در جوش پلاسما:»»
1. مشعل 2. يك واحد كنترل كننده 3. ژنراتور با فركانس زياد 4.يك دستگاه واتر پمپ 5.منبع جريان 6.ركتي فاير كه ظرفيت آن حدود 500آمپر و با جريان DCSP براي جوشكاري اكثر فلزات و فولادهاي ضد زنگ بكار مي رود
انتخاب نوع گاز به نوع روش مورد استفاده ـ ذوبي يا سوراخ كليدي ـ و نوع فلز جوشكاري بستگي دارد. مثلا ً براي جوشكاري فولاد ـ كربني, كم آلياژ يا زنگ نزن ـ وآلومنيم به روش سوراخ كليدي يا ذوبي از گاز آرگون استفاده ميكنند. در هنگام استفاده از روش ذوبي, اگر ضخامت فلز از 45ميليمتر بيشتر باشد مخلوط 75درصدهليم و 25درصد آرگون را به كار مي برند. براي جوشكاري فلزات واكنش پذيري مانند تيتانيم, اگر ضخامت فلز از 6ميليمتر كمتر است از گاز آرگون استفاده كنيد. در ساير كاربردها مخلوط هليم و آرگون را به كار ببريد؛ در روش سوراخ كليدي 50 تا 75 درصد هليم و در روش ذوبي 75 درصد هليم مصرف كنيد.
««مزيت جوشكاري با قوس پلاسما:»»
1.تمركز زياد انرژي 2. ثبات زياد قوس 3.سرعت فوق العاده 4.انتالپي زياد
««برشكاري با قوس پلاسما»»
در برشكاري با قوس پلاسما از قوسي پرسرعت و بسيار محدوداستفاده مي شود كه مشابه روش جوشكاري سوراخ كليدي , در فلز نفوذ مي كند . براي ذوب كردن فلز از ولتاژي تا 50000 ولت استفاده مي شود. براي بيرون راندن فلز مذاب از راه برش, از هواي فشرده حاصل از يك كمپرسور يا مخلوط گاز محافظ بي اثر استفاده مي كنند. چون در اين فرايند قوس بسيار باريك, ستون مانند و مستقيم است, پهناي راه برش بسيار كم خواهدبود. به دليل تميز بودن عمليات برشكاري, به تميز كاري سطوح بريده شده نيازي نيست. با استفاده از دستگاه برشكاري قوس پلاسما مي توان فلزاتي تا ضخامت 150ميليمتر را, بسته به نوع فلز و شدت جريان قوس, برشكاري كرد.
دربرشكاري با قوس پلاسما مي توان از گاز نيتروژن, به منزله گاز محافظ, استفاده كرد. استفاده از گاز محافظ فقط براي ايجاد برشهاي بسيار تميز و فارغ از اكسايش به كار مي رود؛ در ساير موارد مي توان از هواي فشرده استفاده كرد زيرا ارزانتر است. هواي فشرده و پر سرعت, درهنگام بيرون آمدن از شيپوره سر و صداي زيادي ايجاد مي كند و به همين سبب مي توان از مصرف آن چشمپوشي كرد. صداي خروج هواي فشرده, شبيه صداي تفنگ بادي است كه از فاصله كم شنيده شود.
مشعل برشكاري با پلاسما براي كار در كارگاههاي ساخت اتاق اتومبيل عالي است زيرا بدون توجه به رنگ, آستر, بطانه كاري بدنه و كثيف بودن, مي توان برشكاري كند. در اين روش به تميز كاري قبلي نيازي نيست. چون در اين روش براي برش فلز به فرايند اكسايش تكيه نمي شود, براي برشكاري فولاد پراستحكام و كم آلياژ كه در ساخت بدنه اتومبيلهاي جديد به كار مي رود از اين روش در برشكاري فولاد زنگ نزن , و فلزات غير آهني از قبيل آلومينيم, مس و برنج نيز استفاده مي شود.
مزيت بزرگ برشكاري با قوس پلاسما سرعت برش در اين روش تا 20برابر روش برشكاري با اكسي استيلن است. در حال حاضر واحدهاي سيار برشكاري با قوس پلاسما , داراي منبع تغذيه, منبع گاز و مشعل ساخته شده اند كه مي توان آنها را به پريز برق تك فاز V220 وصل كرد و به كار انداخت.
«« جوشكاري ليزري »»
دستگاه اشعه ليزري داراي طول موجهاي يكسان ,موج نوسان ندارد و بصورت آرام مي باشد و روي يك سطح خيلي كوچك متمركز مي گردد. ليزرهاي جوشكاري اغلب به عنوان محيط موثر از يك مونو كريستال استفاده مي كنند .
انرژي نوراني تحريك كننده بوسيله يك لامپ فلاش محتوي گاز اگزنول كه مونو كريستال را احاطه كرده است تشكيل مي گردد و در داخل دستگاه دو آينه نيمه انعكاسي بطور موازي قرار دارند و به دسته هاي اشعه فرصت مي دهند كه خارج شوند. گاهي اوقات بجاي آينه يك منشور قرار داده مي شود و اغلب اوقات منشور دنباله همان مونوكريستال تشكيل مي شود.در اثر لامپ فلاش در محفظه يك ضربان نوري بوجود مي آيد كه زمان آن برحسب انرژي مصرفي مي باشد.
«« نكات مورد نظر در جوشكاري ليزري »»
1.شدت حرارت بالا از انواج نوراني ليزر بدست مي آيد.
2.هنگام تبديل اشعه ليزر به صورت نور مي تواند از دو محيطي مانند هوا خلاء , گازهاي خنثي.
3.نياز به تماس ميكانيكي با قطعه كار مانند روشهاي ديگرندارد و از طرفي قطعه مورد نظر براي جوشكاري نياز به قابليت هدايت الكتريكي ندارد.
4.هنگام متمركز شدن اشعه ليزري كه يك سيستم ساده است مي توان آنرا به سهولت خم ـ مستقيم و بصورت انعكاسي در آورد.
5.جوشكاري ليزري بوسيله انرژي ماكزيمم و مينيموم تعشعشعي آن و مدت ضربان و تعداد متوسط اين ضربه ها و نيز قدرت بزرگنمايي مشخص مي شود.
وقتي يك اشعه LAZARروي يك سطح فلزي برخورد مي كند درجه حرارت آن سطح را تقريبا ً بطور آني اقزايش مي دهد و حرارت سريعا ً به داخل فلز منتقل ميشود جوشكاري ليزر بر اساس شدت تابش دسته هاي نوراني مي باشد كه از كريستال خارج مي شوند و با برخورد آن به قطعه كار تمركز اين پرتوها دو قطعه به همديگر پيوند مي خورند. مقدار حجم فلز بستگي به شدت و انرژي دارد كه بوسيله ستون ليزر منتقل مي گردد.
سرعت عمل جوشكاري و ضخامت فلز جوش دادني بستگي به سرعت حرارت دارد كه با فلز تماس پيدا ميكند. مقدار انرژي كه براي عمل جوشكاري لازم است مستقيما ً به حجم فلز بستگي دارد كه بايستي به نقطه ذوب برسد از طريق جوش ليزري مي توان اجسام مختلفي را بهم جوش داد مانند اجسام غير هم جنس فلزات نيكل , مس تانتالم ـ فولاد ضد زنگ ـ آلومنيم ـ
