بخشی از مقاله
چکیده -
در این پژوهش، یک لیزر TEA CO2 با آهنگ تکرار 1 kHz ساخته شده است. ساختار این لیزر از دسته ي لیزرهاي با جریان عرضی تند است و تندي گاز در گاف میان الکترودهاي آن به بیشتر از 6 m/s می رسد. آهنگ تکرار تپ این لیزر از 10 Hz تا 1 kHz قابل تنظیم است و انرژي بر تپ گسیلی لیزر نیز، از 65 mJ در آهنگهاي تکرار کمتر از 100 Hz به 20 mJ در آهنگ تکرار 1 KHz می رسد. براي پیش یونش گاز فعال این لیزر نیز، از یک ردیف رشته سوزن با گسیل UV بهره گرفته شده است.
-1 مقدمه
لیزرهاي گاز کربنیک TEA ، امروزه از کاربردهاي گسترده اي در شاخه هاي گوناگون پژوهشی و کاربردي برخوردار شده اند که در میان آنها، لیزرهاي با آهنگ تکرار بالا، جایگاه ویژه اي را از آن خود ساخته اند.[1] از آنجا که بالاترین مرز آهنگ تکرار تپی که تاکنون در کشور به دست آمده، از 570 Hz فراتر نمی رود
ساخت لیزرهایی با آهنگ تکرارهایی از رده ي چند kHz در کشور بسیار ضروري می نماید. بدین سان، لیزري طراحی و ساخته شد، که با همه ي ارزانی و سادگی ساختمانی، از یک برونداد گسیلی پذیرفتنی برخوردار است
-2 پایه هاي فیزیکی
در میان گونههاي لیزرهاي گازکربنیک و برپایه ي ویژگیهاي ساختمانی و کارکردي، لیزرهاي با جریان عرضی تند از ویژگی برجستهاي برخوردارند که بر پایه ي آن، میتوانند در هر دو چگونگی پیوسته و تپی گسیل نمایند.
آمیزه ي گازي در این لیزرها به گونهاي چرخشی از میان الکترودهاي تخلیه می گذرد و آنگاه، با گذر از میان خنککننده و شتابگیري از سوي دستگاه دمنده، که به بازسازي دوباره ي بخشی از ساختار مولکولی آن میانجامد، بار دیگر گنجایش میان الکترودها را میپیماید. ویژگی برجسته ي چنین ساختاري، بویژه براي پیکربندي تپی، جایگزینی پیدرپی و تند گنجایش تخلیه است که راه را براي آهنگ تکرار تپ بسیار بالا هموار میسازد.
نباید از یاد برد که براي آرایههاي بسته یا نیمهبسته در بایستگیهاي دیگري همچون آهنگ خنکسازي گاز و یا اندازه ي جایگزینی بخش از میان رفته ي گاز به دنبال تخلیه ي الکتریکی نیز دستاندرکار هستند که روي هم رفته، آهنگ تکرار تپ چنین لیزري را به دست می دهند. روي هم رفته، این پدیده، که به گسیل تپی این پیکربندي با آهنگ تکرار تپ بالا می انجامد، یکی از برجستهترین ویژگیهاي لیزرهاي با جریان تند به شمار میرود.[4] دربایستگیهاي بنیادي کارکردي چنین لیزرهایی را می توان بگونه ي زیر دسته بندي نمود:
: - 1 توان گرمایی بیرون کشیده شده به کمک خنک کننده، باید دست کم برابر با توان گرمایی برجا مانده از تخلیه در گاز و توان اتلافی دستگاه گردش گاز باشد :
که در آن ηبازدهی کلی لیزر، ηph نسبت توان گسیلی لیزر به توان الکتریکی تخلیه، Wdis انرژي آزاد شده هر تخلیه ي الکتریکی، Pcir توان اتلافی میانگین دستگاه گردش گاز و Pdis توان میانگین تخلیه ي الکتریکی است. پس، توان گرمایی برجامانده در گاز Pth ، که باید با توان گرمایی بیرون کشیده شده با دستگاه خنک کننده Pcol یکی باشد، برابر خواهد بود با:
: - 2 بازه ي زمانی میان دو تخلیه ي الکتریکی پی در پی، باید بیشتر از زمان لازم براي پیمودن پهناي گنجایش تخلیه توسط گاز فعال باشد
در آن، f آهنگ تکرار تپ لیزر، v تندي گاز در گنجایش تخلیه، d پهناي تخلیه در راستاي تندي گاز و CR ضریبی است که به شیوه ي زیر بدست می آید:
که در آن، Ti و T f دماي گاز پیش و پس از تخلیه ي الکتریکی و CV γ CP نیز برابر نسبت گرماهاي ویژه ي گاز در فشار و حجم پایا است. بررسیها اندازه ي CP را چیزي در بازه ي 2-5 به دست داده اند.[6]این پدیده را بدین گونه می توان باز نمود که، به دنبال هر تخلیه ي الکتریکی ، در فرآیندي همانند انفجار، گاز فعال مستقل از راستاي شارش از هم بازمی شود و بدین سان، نیمی از آن در راستاي روبروي شارش واپس رانده می شود. آشکار است که، براي یک تخلیه ي الکتریکی تابان پایدار، این گاز بازشده، باید بار دیگر با همان تندي شارش، پهناي الکترودها به همراه مسافت پس رانده شده را بپیماید. از همین روي، بازه ي زمانی میان دو تخلیه ي الکتریکی،
می بایست با ضریبی مانند CR ، بزرگتر از d v باشد.
-3 روش کار
الکترودهاي اصلی این لیزر از جنس آهن با آبکاري کروم-نیکل و به درازا و پهناي 17 cm و 0/67 cm ساخته شده اند، که با یک فاصله ي 6 mm از یکدیگر، گنجایش فعالی پیرامون 8 cm3 را به دست می دهند. کاواك بازآواگر لیزر یک آیینه ي پشتی طلا با شعاع R= 1/5 m و یک آیینه ي جلویی ژرمانیوم با یک رویه ي لایه نشانی شده ي پادبازتاب و بازتابندگی 80% را دربرمی گیرد. اگر چه براي پیش یونش این گونه لیزرها، از آرایه هاي نیمه رسانا نیز می توان سود جست[8]، در اینجا از آرایه ي سوزنی فرا بنفش بهره گرفته شد. براي این کار، 15 سوزن نوك تیز با فاصله ي 1 cm از یکدیگر، در راستاي درازاي الکترودها و در لبه ي دوم آنها - از دید ناظر همراه با شارش گاز - کار گذاشته شدند، تا از ته نشینی احتمالی دانه هاي کندوپاش شده از لبه ي سوزنها روي الکترودها، جلوگیري گردد.
ساختار ترمودینامیکی لیزر، دربرگیرنده ي یک رادیاتور معمولی با گنجایش 750 cm3 در پایه ي خنک کننده و دو بادزن معمولی 2700rpm، که در دو سوي رادیاتور چسبانده شده اند، در پایه ي دستگاه گردش گاز است.
آبسردکن نیز، آب آمیخته با ضد یخ دردماي -3 oC را با دبی s 0/1 l به درون رادیاتور می فرستد. این پیکربندي، می تواند تندي چرخش گاز را در گاف میان الکترودها به 6 m/s برساند و دماي گاز را، تا آهنگ تکرار تپ 1 kHz، در بازه ي 12-14 oC نگاه دارد. آمیزه ي نیز با هر نسبت دلخواه، از راه سوراخ روي دیواره ي پشتی و پس از دستگاه خنک کننده ، به درون لیزر فرستاده می شود و به همین سان، بخشی از گاز آمده از گنجایش تخلیه، پیش از رسیدن به دستگاه خنک کننده، به بیرون شارش می یابد. مدار الکتریکی تخلیه ي لیزر در شکل - 1 - نشان داده شده است.
شکل : - 1 - مدار الکترونیکی بکار رفته در لیزر
خازن هاي انباره، در برگیرنده ي 4 خازن 2/7 nF و هر یک از خازن هاي پیش یونش داراي ظرفیت 100 pF بوده اند. مدولاتور بکار رفته در مدار، یک تایروترون 1000A/ 25 KV را در بر می گیرد، که می تواند مدار را تا بسامد هاي 2 KHz باز و بسته نماید. همان گونه که در شکل دیده می شود، با روشن شدن منبع تغذیه، خازن هاي انباره از راه سلف پر می شوند.
آنگاه، با رسیدن هر تپ مثبت از پالس ژنراتور به شبکه ي تایروترون، مدار از راه تایروترون بسته می شود و بدین سان، با افتادن ولتاژ خازن ها روي سوزنهاي پیش یونش و شکست آنها، بخشی از انرژي خازن هاي انباره، خازن هاي پیش یونش را پر می کند. از سوي دیگر، پرتو فرابنفش سرزده از جرقه هاي پیش یونش، افت ولتاژ آستانه ي شکست گاز درون گاف میان الکترودهاي اصلی و از این روي، تخلیه ي تابان آن را به همراه می آورد. شکل : - 3 - نمایی سراسري از لیزر ساخته شده. بدین سان، همه ي انرژي خازن هاي انباره و پیش یونش در همین گاف تخلیه خواهد شد.
بدنه ي این لیزر از - Plexiglas - ساخته شده تا گذشته از ارزانی تهیه و ساخت، امکان دید مستقیم از ساختار درونی لیزر، بویژه به هنگام کار آن فراهم باشد. شکل هاي - 2 - و - 3 - به ترتیب نماي ساده شده و واقعی این لیزر را نشان می دهند.
شکل : - 2 - نمایی ساده شده از ساختمان لیزر.
-4 یافته ها و ارزیابی
راه اندازي لیزر و انجام آزمایشها و اندازه گیریهاي پی در پی، آمیزه ي گازي CO2 : N2 : He : 1 : 0/3 : 7 را بهترین آمیزه ي کارکردي لیزر نشان داده اند. شکل - 4 - نمودار دگرگونی انرژي بر تپ گسیلی لیزر را در آهنگهاي تکرار گوناگون نشان می دهد.
شکل : - 4 - روند دگرگونی انرژي تپهاي گسیلی لیزر در بسامدهاي گوناگون براي ولتاژ تخلیه ي .16 KV
با بالا رفتن آهنگ تکرار تپ، انرژي تپهاي گسیلی دچار افتی می گردد، که از 65 mJ در بسامدهاي تا 100 Hz،
به 20 mJ در بسامد KHz 1 می رسد. این پدیده می تواند ریشه در تندي کم چرخش گاز داشته باشد.با این همه، باید دانست اگر چه انرژي تپهاي گسیلی با بیشتر شدن آهنگ تکرار تپ رو به کاستی می گذارد، توان میانگین لیزر بازهم روندي رو به افزایش را می پیماید.
چگونگی رفتار توان میانگین برونداد لیزر براي آهنگهاي تکرار تپ گوناگون، در شکل - 5 - نمایش داده شده است.
همان گونه که دیده می شود، توان میانگین براي آهنگ تکرار تپ 1-100 Hz ،از 65 mW به 650 mW می رسد و با یک آهنگ افزاینده سربه 20 W می زند.
اندازه گیري ها نشان داده اند که با آغاز به کار لیزر در هر آهنگ تکرار تازه، با توان گسیلی وابسته، کم کم و با گذشت زمان، از توان برونداد لیزر کاسته می گردد.
