تئوري ساخت ليزر گازي co2 (قسمت اول)
تئوري ساخت ليزر گازي co2 (قسمت اول)
http://www.hupaa.com/upload/thumb/thumb_773839.jpgوقتی 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 ...
[ فيزيك نور و اپتيك ]
اصول كلي تابش ليزر: نويسنده: سعيد سيوف جهرمي
saeed@cloudysky.ir
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 انرژياست.
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
2 - امواج 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 ليزريبراي 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 اينه 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.
كاواكهاي پايدار علاوه بر پايدار نگه داشتن پرتو ويژگي ديگري نيز دارند و آن تنظيم خروجي ليزر است. اين عمل به سادگي و با تغيير فاصله آينه ها و بدين ترتيب با تغيير دادن مقدار تابش در طرف آينه كوچكتر كه خروجي ليزر را مي سازد ممكن خواهد بود.
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:
1 - ليزر هاي آلائيده شده با عايق
2 - ليزر هاي نيمه هادي
3 - ليزر هاي گازي
4 - ليزر هاي رنگ
در اينجا به برسي ليزر هاي گازي مي پردازيم.
ليزر هاي گازي:
ليزر هايي را كه ماده فعال آنها گاز است ، ليزر هاي گازي مي گويند . ليزر هاي گازي معمولا حجيم هستند و و هر چه پر قدرت تر باشند ، اندازه آنها بزرگتر خواهد بود.
نكته مفيد در رابطه با ليزر هاي گازي اين است كه از آنجا كه گازها بسيار يكنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، مي توان براي پر كردن و خنك نمودن آنها از يك مدار بسته استفاده كرد.
از آنجا كه اتمها خطوط جذبي بسيار باريكي در گازها دارند ، تقريبا تقريبا غير ممكن است بتوان به كمك دمش نوري در آنها انرژي آزاد كرد. بنابر اين در ليزر هاي گازي از روش دمش تخليه الكتريكي استفاده مي شود.
ليزر هاي گازي خود به سه دسته تقسيم مي شوند:
1- ليزر هاي اتمي
2- ليزر هاي يوني
3- ليزر هاي مولكولي
با توجه به به نوع ليزر ، گزار ليزري بين دو تراز انرژي اتم و يو ن يا مولكول به وقوع مي پيوندد.
يكي از مهمترين انواع ليزر هاي گازي، ليزر مولكولي CO2 است .
ليزر CO2 (دي اكسيد كربن ) :
ليزر CO2 از مهمترين ليزر ها در نوع خود است و از نظر كاربرد فني آن را در زمره مهمترين ليزر ها دسته بندي مي كنند. اين ليزر با كارايي بالا (30%) و توان خروجي زياد و پيوسته حدود چندين كيلو ولت ساخته مي شود .
ليزر هاي دي اكسيد كربن كاربرد هاي زيادي در زمينه هاي مختلف از جمله جوشكاري ، برش استيل ، الگوبري ، جوش هسته اي و كاربردهاي متنوع نظامي دارند.
عملكرد ليزر هاي CO2 در توليد پرتو :
تحريك مولكول هاي CO2 در دو مرحله انجام مي گيرد. در ليزر هاي CO2 از گاز نيتروژن به عنوان گاز كمكي به منظور تحريك استفاده مي شود. بعضي تراز هاي نيتروژن كه كاملا نزديك به ترازهاي CO2 هستند به راحتي در تخليه الكتريكي دمش مي شوند . وقتي نيتروژن تحريك شده به اتمهاي CO2 كه در حالت پايه قرار دارند برخورد كند ، ممكن است انرژي خود را به انها بدهد و آنها را تحريك كند و به تراز تحريكي مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهاي نيتروژن و CO2 دقيقا بر روي هم منطبق نيستند ولي اختلاف آنها خيلي كم است .اين اختلاف با انرژي جنبشي اتمها در تبادل انرژي تقريبا جبران مي شود. اتمهاي CO2 تحريك شده با بازگشت به تراز خود انرژي آزاد كرده و يك فوتون ايجاد ميككند كه اين فوتون داراي طول موجي بين 9.2 تا 10.8 ميكرون است و قوي ترين طول موج آن طول موج 10.6 ميكرون مي باشد.
فوتون آزاد شده با توجه به جهت ميدان الكتريكي كه از آنود به كاتود است به طرف آينه حركت مي كند و با برخورد به آينه اي كه در سمت آنود قرار دارد منعكس شده با برخورد مجدد به مولكول هاي CO2 آنها را تحريك كرده و يك فوتون ديگر آزاد مي كند .
اين دو فوتون با برخورد مجدد به آينه ها و بازتابش خود فوتونهاي بيشتري ازاد مي كنند و اين عمل تا آنجا ادامه مي يابد كه روند توليد فوتون به يك مقدار پايدار برسد كه در آن موقع خروجي بهينه ليزر آغاز مي شود . لازم به ذكر است كه قبل از رسيدن به حد آستانه نيز از ليزر پرتو هايي خارج مي شود كه به دليل ضعيف بودن قرت چنداني ندارد و ناكارامد است.
دمش به روش تخليه الكتريكي :
همان طور كه بحث شد تحريك در ليزر هاي CO2 طي دو مرحله است كه ابتدا تحريك نيتروژن انجام مي شود.
در ليزر هاي CO2 تحريك به كمك تخليه الكتريكي با ولتاژ هاي بالا انجام مي شود. كاواك ليزر داراي كاتد و آندي از جنس آلومينيوم است . با اعمال ولتاژ بالا در قسمت كاتد ، الكترون هاي مربوط به لايه سطحي آلومينيوم و يا الكترونهاي مربوط به اكسيد روي سطح كاتد جدا شده و در جهت ميدان الكتريكي به سمت آند حركت مي كنند و در مسير خود به اتم هاي نيتروژن برخورد كرده و آنها را تحريك مي كنند و به تراز هاي بالاتر انرژي مي فرستند. اتمهاي نيتروژن نيز در بازگشت به تراز هاي قبلي خود انرژي خود را به مولكول هاي CO2 منتقل مي كنند و ان ها را تحريك مي نمايند و به همين روند پرتو ها تقويت شده تا خروجي ليزر آغاز گردد.
انواع ليزر هاي CO2 :
1 - ليزر با لوله بسته
2 - ليزر با جريان گاز
3 - ليزر هاي با تخليه عرضي در فشار اتمسفر ( TEA )
1 - ليزر با لوله بسته
در اين گونه ليزر ها گاز CO2 و نيتروژن در لوله هاي تخله قرار دارند. مشكلي كه براي اين ليزر ها وجود دارد اين است كهدر جريان تخليه الكتريكي مولوكول هاي CO2 به CO تبديل مي شوند . اين واكنش خيلي سريع است و اگر تمهيداتي به كار گرفته نشود ، عمل ليزر پس از چند دقيقه متوقف مي شود.
يكي از راهها اين است كه هيدروژن يا بخار آب به مخلوط گاز اضافه كنيم تا با تركيب مجدد CO را به CO2 تبديل كند.
سرد كردن گاز در اين گونه ليزر ها از ديگر مشكلاتي است كه مي تواند توان ليزر را به 100 وات محدود كند .طرح هاي لوله بسته خيلي مرسوم نيستند ولي در طرح حاي موجبر ب كار برده مي شوند . در موجبر ها ابعاد داخلي لوله كوچك (در حد ميليمتر ) است و موجبر دي الكتريك را به وجود مي آورد . كيفيت پرتوي عالي و خروجي نسبتا زياد با توجه به قطر هاي كوچك لوله بدست مي آيد .
تحريك به كمك ميدان الكتريكي قوي يا ميدان RF كه به داخل ماده موجبر هدايت مي شود انجام مي گيرد.
2 - ليزر هاي با جريان گاز:
دو مشكل تجزيه CO2 و سرد كردن گاز را مي توان با حركت دادن گاز در سر تا سر لوله برطرف كرد .در طرح هاي ساده جريان گاز و تخليه الكتريكي هر دو در سر تا سر لوله ليزر انجام مي شود. اگر اقدامي براي تبديل گاز انجام نشود ، گاز بايد به طور مداوم به بيرون جريان يابد. ولي از آنجا كه فشار گاز پايين است مقدار گاز مصرفي زياد نخواهد بود. توان خروجي ين ليزر ها به طور خطي با افزايش طول لوله افزايش مي يابد . حدود 60 وات به ازاي هر متر . ولي براي توان هاي بيشتر از چند كليو ولت به طول هاي بزرگ نياز داريم .
افزايش ماكزيمم توان خروجي ، با جريان عرضي و سريع ممكن خواهد بود .تخليه الكتريكي را نيز مي توان هم جهت با جريان گاز انجام داد . اين طرح امكان توان تا حدود ده ها كيلو ولت و به صورت مداوم را ممكن مي سازد . خروجي هاي بيشتر نيز امكان پذير است اما ابعاد بزرگ ليزر و منابع تغذيه مورد نياز ، كاربرد آِن را در صنعت با مشكل رو برو مي كند.
3 - ليزر هاي با تخليه عرضي در فشار اتمسفر ( TEA ):
تا كنون براي افزايش توان خروجب ليزر CO2 طول تيوپ و سرعت جريان گاز را افزايش داديم . اما يك راه ديگر براي افزايش توان ليزر افزايش فشار است .
متاسفانه با افزايش فشار به ولتاژ هاي بزرگي براي تخليه الكتريكي و تحريك دي اكسيد كربن نياز است و تجهيزات مورد نياز عظيم مي باشد . لذا در اين روش تخليه در لوله هاي به طول چند متر مشكل خواهد بود . از طرفي تخليه الكتريكي عرضي براي حدود 10 ميليمتر يا اين حدود قابل قبول تر است . عمل ليزر به طور مداوم به دليل عدم پايداري تخليه در فشار هاي بالاتر از 100 ميليمتر جيوه مشكلاتي به همراه خواهد داشت .بنابر اين ليزر هاي با فشار گار بالا بايد به صورت ضرباني كار كنند و به صورت عرضي تخليه شوند .چنين ليزر هايي با تخليه عرضي در فشار اتمسفر ، (TEA) ناميده مي شوند . گرچه فشار گاز ممكن است متغير و حدود چند اتمسفر باشد ،اما توسط اين ليزر ها مي توان ضربان هايي با توان بالا و دوره هاي حدود 50 نانو ثانيه و با انرژي 100 ژول به دست آورد .
در فشار هاي خيلي بالا و حدود 10 اتمسفر ، بخورد هاي مولكولي باعث پهن كردن خطوط طيف ليزر شده و تنظيم ليزر را روي طول موج هاي مختلف مقدور مي سازد.
