بخشی از مقاله
بررسی لیزر گازی CO2 و تئوری ساخت آن
چکیده:
به لیزرهایی که ماده فعال انها گاز است ، لیزرهای گازی می گویند، نکته مفید درباره لیزرهای گازی این می باشد که از انجا که گازها بسیار یکنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، می توان برای پر کردن و خنک کردنشان از یک مدار بسته استفاده نمود. از مهمترین انواع لیزرهای گازی ، لیزر مولکولی CO2 است . از نظر کاربرد فنی جز مهمترین لیزرهاست ، این لیزر با کاررایی بالا(۳۰٪)و توان خروجی زیاد و پیوسته حدود چند کیلو وات ساخته می شود. این لیزر کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف از جمله : جوشکاری ، برش استیل ، الگو بری ، جوش هسته ای و کاربردهای نظامی دارند . در لیزرهای CO2 تحریک به کمک تخلیه الکتریکی با ولتاژ های بالا انجام می شود. در ساخت لیزر دی اکسید کربن با توجه به اجزای سازنده ان که شامل : تیوپ لیزر ، اینه های لیزر منبع گاز CO2 و N2 و He، پمپ خله، منبع ولتاژ بالا، اندوکاتد، سیستم خنک کننده ، پیچ ها و پایه های تنظیم ، مهمترین بخش لیزر ، تیوپ ان می باشد که از جنس لوله تخلیه پلاسما یا شیشه می باشند تیوپ لیزر ابتدا در یک لوله شیشه ای بزرگتر که همان لوله سیستم خنک کننده است قرار می گیرد و بعد بر روی پایه های نگهدارنده لیزر محکم می شود.
واژه کلیدی : لیزر، دی اکسید کربن ، تخلیه الکتریکی ، تیوپ لیزر ، سیستم خنک کننده
۱. مقدمه
وقتی که الکترون در یکی از مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار دارد هیچ انرژی توسط اتم ساتع نمی شود. الکترونها و اتم ها با حرکت از یک مدار با انرژی بالاتر (دورتر 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 اتم ها مدارهای مجزا و متعددی وجود دارد و بنابراین انتقالات مختلفی ممکن است 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 ترازهای بالاتر می فرستند. این عمل در لوله های تخلیه و به کمک حرارت یا برخورد الکترونهای دیگر و یا کمک تابش با طول موجهای مناسب انجام پذیر است . هر طول موجی که توسط اتم در حال تحریک گسیل شود، می تواند توسط ان وقتی که در ترازهای پایین انرژی قرار دارد جذب شود. البته انرژی اتم درگیر باشد. این حالت را جذب تشدیدی می گویند. اگر اتم در یک تراس پایین تر تحت تابش با فرکانس قرار بگیرد ، احتمال بسیار زیادی وجود دارد که اتم را جذب این فوتون تحریک شده ، و به تراز بالاتر برود این فرایند را جذب برانگیخته می گوید. اتم بلافاصله (چند نانو ثانیه ) بعد از تحریک شدن به تراز بالاتر انرژی می رود و با گسیل فوتونی با انرژی به تراز پایین باز می گردد. فرایند 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 گیسل برانگیخته تولید می شود دارای همان انرژی و فرکانس فوتون تحریک کننده است .در اتمی که به صورت برانگیخته مجبور به تابش نوری می شود، موجی که باعث ایجاد فرایند شده به فوتون اضافه می شود به طوری که یکدیگر را تقویت می کنند و دامنه های انها را افزایش می یابد 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 انجا اتم های کاملا به صورت اتفاقی کسیل می کنند به طوری که رابطه خاص فازی وجود ندارد و اینگونه تابش ها غیر همدوس هستند.
۲. دمش :
فرایند تحریک ماده لیزر برای تغییر تراز و ازاد 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 ازاد کردن انرژی شیمیایی - باتوجه به لیزرهای متفاوت و نوع ماده لیزری از روش های متفاوت دمش استفاده می شود. در لیزرهای گازی مانند CO2 از روش تخلیه الکتریکی استفاده می شود.[۲]
: لیزهای های گازی
لیزرهایی مادہ فعال انها گاز است ، لیزرهای گازی مي گویند. لیزرهای گازی معمولا هستند و هرچه پر قدرت تر باشد ، اندازه انها بزرگتر خواهد بود. نکته مفید در رابطه با لیزرهای گازی کردن و خنک نمودن انها از یک مداربسته استفاده کرد. از انجا که اتم ها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند، تقریبا غیر ممکن است بتوان به کمک دمش نوری در انها انرژی ازاد کرد. بنابراین در لیزرهای گازی از روش دمش تخلیه الکتریکی استفاده می شود.[۴] لیزرهای گازی خود به سه دسته تقسیم می شوند: ۱. لیزرهای اتمی ۲ . لیزرهای یونی ۳. لیزرهای مولکولی باتوجه به نوع لیزر، گزار لیزری بین دو تراز انرژی اتم و یون یا مولکول به وقوع می پیوندد. یکی از مهمترین انواع لیزرهای گازی ، لیزر مولکولی CO2 است.
۴. لیزر وCO (دی اکسید کربن ) :
لیزر CO2 از مهمترین لیزرها در نوع خود است و از نظر کاربرد فنی ان را در زمره مهمترین لیزرها دسته بندی می کنند. این لیزر با کارایی بالا (۳۰٪) و توان خروجی زیاد و پیوسته حدود چندین کیلوولت ساخته می شود. کاربردهایی از قبیل : جوشکاری ، برش استیل ، الگوبری ، جوش هسته ای و کاربردهای متنوع نظامی دارند. لیزر دی اکسید کربن جزء دسته لیزرهای مادون قرمز است.[۱]
۵. عملکرد لیزرهای CO2 در تولید پرتو:
تحریک مولکول های CO2 در دو مرحله انجام می گیرد . در لیزرهای CO2 از گاز نیتروژن به عنوان گاز کمکی بهمنظور تحریک استفاده می شود. بعضی ترازهای 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 انها بدهد و انها را تحریک کند و به تراز تحریکی مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهای نیتروژن و CO2 دقیقا بر روی هم منطبق نیستند ولی اختلاف انها خیلی کم است. این اختلاف با انرژی جنبشی اتم ها در تبادل انرژی تقریبا جبران می شود. اتم های CO2 تحریک شده با بازگشت به تراز خود انرژی ازاد کرده و یک فوتون ایجاد کند که این فوتون دارای طول موجی بین ۹/۲ تا ۱۰/۸ میکرون است قوی ترین طول موج ان طول موج ۱۰/۶ میکرون می باشد. فوتون ازاد شده با توجه به جهت میدان الکتریکی که از اند به کاتد است به طرف اینه حرکت می کند و با برخورد به اینه ای که در سمت اند قرار دارد منعکس شده با برخورد مجدد به مولکول های CO2 انها را تحریک کرده و یک فوتون دیگر ازاد می کند. این دو فوتون با برخورد مجدد به اینه ها وباز تابش خود فوتونهای بیشتری ازاد می کنند و این عمل تا انجا ادامه می یابد که روند تولید فوتون به یک مقدار پایدار برسد که در ان موقع خروجی بهینه لیزر اغاز می شود. لازم به ذکر است که قبل از رسیدن به حد استانه نیز از لیزر پرتو هایی خارج می شود که به
دلیل ضعیف بودن قدرت چندانی ندارد و نا کار امد است.
۶. دمش به روش تخلیه الکتریکی :
تحریک در لیزرهای CO2 طی دو مرحله است که ابتدا تحریک نیتروژن انجام می شود. در لیزرهای CO2 تحریک به کمک تخلیه الکتریکی با ولتاژ های بالا انجام می شود. کاواک لیزر دارای کاتد و اندی از جنس الومینیوم است. با اعمال ولتاژ بالا در قسمت کاتد، الکترون های مربوط به لایه سطحی الومینیوم و یا الکترونهای مربوط به اکسید روی سطح کاتد جدا شده ودر جهت میدان الکتریکی به سمت اند حرکت می کنند و در مسیر خود به اتم های نیتروژن برخورد کرده و انها را تحریک می کنند و به ترازهای بالاتر انرژی می فرستند. اتم های نیتروژن نیز در بازگشت به ترازهای قبلی خود انرژی خود را به مولکول های CO2 منقل می کنند و انها را تحریک می نمایند وبه همین روند پرتوها تقویت شده تا خروجی لیزر اغاز گردد.
۷. انواع لیزرهای وCO :
۱. لیزر با لوله بسته ۲. لیزر با جریان گاز ۳لیزرهای با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر (TEA)
۱. لیزر با لوله بسته
در این گونه لیزرها گاز CO2 و نیتروژن در لوله های تخلیه قرار دارد. مشکلی که برای لیزرها وجود دارد این است که در جریان تخلیه الکتریکی مولکول های ,CO3 CO تبدیل می شوند. این واکنش خیلی سریع است و اگر تمهیداتی به کار گرفته نشود، عمل لیزر پس از جند دقیقه متوقف می شود. یکی از راهها این است که هیدروژن یا بخار اب به مخلوط گاز اضافه کنیم تا با ترکیب مجدد CO را به CO2 تبدیل کند. سرد کردن گاز دراین گونه لیزرها از دیگر مشکلاتی است که می تواند توان لیزر رابه ۱۰۰ وات محدود کند. طرح های لوله بسته خیلی مرسوم نیستند ولی در طرحهای موجبر به کاربرده می شوند. در موجبرها ابعاد داخلی لوله کوچک (در حد میلیمتر) است و موجبر دی الکتریک را به وجود می اورد. کیفیت پرتوی عالی و خروجی نسبتا زیاد است باتوجه به قطرهای کوچک لوله بدست می اید. تحریک به کمک میدان الکتریکی قوی یا میدان RF که به داخل ماده موجبر هدایت می شود انجام می گیرد. در شکل (۱) طرح ساختمان یک نمونه لیزر موجبر نمایش داده شده است
