تئوري ساخت ليزر گازي co2

وقتی که الکترون در یکی از مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار داردهیچ انرژی توسط اتم ساتع نمی شود . 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 :1 - فوتونی که با گسیل برانگیخته تولید می شود دارای همان انرژی و فرکانس فوتون تحریک کننده است2 - امواج نوری مربوط به هر دو فوتون هم فازند و دارای پولاریزاسیون مشابه هستندبه 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 CO2 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 100 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.برخی از سیستمهای کاواک پایدار در شکل زیر نشان داده شده است. 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 1960 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: 1 - لیزر های آلائیده شده با عایق2 - لیزر های نیمه هادی3 - لیزر های گازی 4 - 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:1- لیزر های اتمی2- لیزر های یونی3- 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 CO2 است . لیزر CO2 (دی اکسید کربن ) : لیزر CO2 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 (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 انها 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 میککند 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 2 - لیزر با جریان گاز 3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA ) 1 - لیزر 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.لیزر با لوله بسته لیزر موجبر 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. 3 - لیزر 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.

(0) نظر

دسته ها :