تئوری ساخت لیزر گازی co2

[armin khatar]

تئوری ساخت لیزر CO2 :

اکنون پس از توضیحاتی که در مورد لیزر ها و انواع آنها داده شد ، به بررسی ساخت یک نمونه از لیزر دی اکسید کربن با جریان گاز می پردازیم .

اجزای سازنده لیزر CO2 با جریان گاز :

تیوپ لیزر
آینه های لیزر
منبع گاز CO2 و N2 و He
پمپ خلا
منبع ولتاژ بالا
آند و کاتد
سیستم خنک کننده
پیچ ها و پایه های تنظیم

در ادامه به برسی هریک از اجزای لیزر به طور مجزا می پردازیم و با ارائه آمار و ارقام و روش های پیشنهادی ، تئوری کاملی از ساخت لیزر CO2 با جریان گاز ارائه خواهیم داد .

[armin khatar]

سیستم خلا و گازهای لیزر :
همان طور که در طرح ساخت بیان شد ، از سیستم جریان گاز با تخلی الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می شود. در ادامه نکات مهمی در مورد راه اندازی سیتم خلا و جریان گاز بیان می شود

- تمام هوای داخل لوله باید تخلیه شود . تخلیه باید تقریبا به طور کامل انجام شود چرا که وجود هوای پس ماند در لوله باعث ضعیف شدن پرتوی خروجی یا عدم خروجی لیزر می شود.
- هر گونه آلودگی را از روی تیوپ لیزر پاک کنید چرا که ممکن است باعث اختلال در پرتوی خروجی شود . توجه شود که برخی از مواد خلا مانند گریش و مواد پوشاننده درز ها مشکلی ایجاد نمی کند.
- فشار گاز لیزر را به صورت تکی یا مخلوط ، چه در ابتدای کار و چه به هنگام عمل لیز کنترل کنید .

درصد ترکیب گاز ها در لیزر co2 به صورت زیر است:



گاز ها

حجم (لیتر)

فشار (بار)

دی اکسید کربن

16% تا 4%

7930 – 280

167 - 2400

نیتروژن

20% تا 10%

5664 – 200

2124 - 75

هلیوم

به میزان تعادل

2124 – 75

146 - 2100

[armin khatar]

با توجه به نقشه ساخت لیزر به صورت زیر عمل می کنیم .
ابتدا ورودی گاز لیزر را میبندیم و سپس از طرف دیگر توسط پمپ تخلیه کاواک را به طور کامل تخلیه می کنیم . منبع گاز را با توجه با جدول بالا پر میکنیم و سپس آن را به ورودی کاواک متصل می کنیم . سپس شیر ورودی را باز کرده تا مخلوط گاز وارد کاواک شود به منظور برقرار کردن جریان گاز در طول کاواک باید خروجی لیزر را به پمپ خلا متصل کنیم تا با مکشی که ایجاد میکند ، گاز در طول لوله جریان یابد .
راه دیگر برای ایجاد جریان گاز این است که خروجی کاواک را به یک مخزن خالی گاز با فشار کمتر از مخزن ورودی متصل کنیم . توجه شود که باید مسیر جریان گاز در طول لوله از آند به کاتد باشد تا تخلیه الکتریکی هم مسیر با عبور جریان انجام شود . لوله هایی که مخزن گاز و پمپ خلا را به لیزر متصل می کنند باید انعطاف پذیر باشند . محل اتصال لوله ها به لیزر باید کاملا عایق بندی شود تا هیچ گونه نشط به بیرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .

[armin khatar]

تیوپ لیزر :
مهمترین قسمت لیزر co2 تیوپ آن می باشد . تیوپ های لیزر را معمولا از جنس لوله تخلیه پلاسما یا از جنس شیشه می سازند . اما کاواک های شیشه ای مرسو تر هستند زیرا دست رسی و ساخت آنها آسان تر است .
بهترین شیشه به منظور ساخت کاوا لیزر ، شیشه پریکس نسوز است که در مقابل تغییر دما مقاومت بالایی دارد . چرا که سیستم لیزر با تولید گرمای زیادی همراه است.
با توجه به طرح ساخت ، طول تیوپ لیزر را 45 سانتی متر و قطر مقطع آن را 2.5 سانتی متر در نظر می گیریم . جهت اتصال لوله های ورودی و خروجی گاز ، دو سوراخ در قسمتهای ابتدا و انتهای تیوپ لیزر تعبیه می کنیم یا اینکه تیوپ را به هنگام ساخت به گونه ای می سازیم که قابلیت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهای ان وجود داشته باشد. تیوپ لیزر ابتدا در یک لوله شیشه ای بزرگتر که همان لوله سیستم خنک کننده است قرار می گیرد و سپس بر رویه پایه های نگه دارنه لیزر محکم می شود.

[armin khatar]

سیستم خنک کننده :
از انجا که عمل لیز گرمای زیادی ایجاد می کند و توان لیزر را تا حد زیادی کاهش می دهد پس باید به فکر راهی برای خنک کردن تیوپ لیزر و آینه ها باشیم.
یک روش خنک کردن سیستم استفاده از جریان گاز می باشد . و روش دیگر استفاده از سیستم خنک کننده ی گردش آب می باشد . به این منظور باید کاواک را در یک لوله شیشه ای بزرگ قرار دهیم . طرز کار به گونه ای است که تیوپ لیزر در وسط لوله بزرگتر قرار دارد و آب از اطراف آن جریان می یابد و آن را خنک می کند. جهت اجاد جریان اب در سیستم خنک کننده باید دو سوراخ در لوله شیشه ای بزرگ به منظور اتصال لوله های ورودی و خروجی آب تعبیه کنیم . و با اتصال آن از طریق لوله ها به یک پمپ ، آب را از یک مخزن درون لوله شیشه ای به جریان بیندازیم . جهت پمپ آب میتوان از پمپ آکواریوم یا پمپ کولر های آبی استفاده کرد که اب را از یک منبع به داخل سیستم خنک کننده جریان می دهند.
در بستن لوله های آب و سیستم خنک کننده به هم سعی شود تا هیچگونه نشط آب به بیرون وجود نداشته باشد.
طبق طرح طول لوله شیشه ای سیستم خنک کننده 30 سانتی متر و قطر آن 5 سانتی متر می باشد .

[armin khatar]

آينه ها و نصب آنها در ليزر:
همانطور كه در قسمت تشديد كننده هاي نوري بيان شد براي افزايش توان ليزر و موازي كردن مسير بازتاب پرتوها در كاواك از آينه هايي با درصد بازتابش بالا استفاده مي شد تا فوتونها بتوانند بين دو آينه بازتاب كننده براي جلوگيري از تلفات به دليل جلوگيري از پراش در لبه هاي آينه ها از سيستمي استفاده مي شود كه در آن يك آينه تخت با در صد بازتابش تقريبا 100% و يك آينه مقعر با در صد بازتابش تقريبا 90%در دو طرف كاواك تعبيه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آينه مقعر با بازتابش 90% مي باشد.
از آنجا كه خروجي ليزرهاي co2 در محدوده 10.6 ميكرون است از قطعات اپتيكي مثل شيشه و يا كوارتز جهت ساختن آينه هاي ليزر نمي توان استفاده كرد .چون اين مواد در محدوده 10.6 جذب زيادي دارند بنابراين خروجي ليزر را به شدت كاهش مي دهند و در اثر گرماي زيادي كه در اثر فرايند جذب در آنها ايجاد مي شود ممكن است بشكنند يا ذوب شوند. بنابراين براي ساختن آينه هاي ليزر از موادي مانند ژرمانيوم – گاليوم - آرسنايد- سولفيد روي- طلا و هالوژن ها مي توان استفاده كرد. در ميان اين آينه ها هالوژنها كمترين جذب را دارند ولي جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشكلاتي را فراهم مي كند. آينه هاي فلزي با در صد بازتاب 100% نيز مي توانند براي استفاده در اين طول موجها مورد استفاده قرار گيرند.
ما در ساخت ليزر co2 با جريان گاز از آينه ژرمانيوم و طلا استفاده مي كنيم. به اين صورت كه آينه تخت را از جنس آينه ژرمانيوم و آينه مقعر را از جنس آينه طلا انتخاب مي كنيم.

[armin khatar]

تقريبا بيشترين هزينه در ساخت ليزر co2 مربوط به تهيه آينه هاست.
لازم به تذكر است كه آينه مقعر طلا كه مورد استفاده قرار مي گيرد داراي شعاع انحناي cm 120 بايد باشد در ضمن خروجي ليزر هم از همين آينه هاست.
نكته ديگري كه بايد هنگام تهيه آينه ها در نظر گرفت اين است كه آينه ها بايد از طرف جلوي آينه پوشش داده شده باشند يعني پوشش طلا يا ژرمانيوم بايد بر روسي سطح ِنه باشد نه پشت آينه.
در صورتي كه در تهيه آينه طلا با مشكل مواجه شديم مي توانيم از آينه آلومينيوم نيز استفاده كرد.
گاهي اوقات نيز در ساخت آينه ها سطح آينه را با استفاده از چند ماده مختلف با در صد بازتابش بالا در طول موجهاي متفاوت استفاده مي شود. ولي ضخامت پوش هر ماده بر روسي سطح آينه برابر با نصف طول موج نوري است كه آينه براي آن طراحي شده است.
در انتخاب آينه مقعر بايد توجه كرد كه شعاع انحناي آن بايد بزرگتر از طول كاواك ليزر باشد. در ادامه جدولي از آينه ها و اطلاعات مربوط به آن ارائه شده است

[armin khatar]

نصب آينه ها و پيچهاي تنظيم:
نصب آينه ها به صورت ثابت ولي حركت در دو انتهاي كاواك ممكن است مشكلاتي از قبيل عدم موازي بودن پرتوها و يا ضعيف شدن توان خروجي ليزر براي ما ايجاد كند.
بنابر اين بهترين كار اين است كه آينه ها را بر روي پايه هاي متحرك با پيچ تنظيم نصب كنيم تا بتوانيم ان را به راحتي حركت داده و تنظيم كنيم. از انجا كه تهيه يك تنظيم كننده ايدهآل كه با سيستم خلا كاواك ليزر سازگار باشد بسيار هزينه بر است پس يك راهكار پيشنهادي ارائه مي كنيم.
مطابق شكل ارائه شده با دوقطعه فلز در ابتدا ، نگهدارنده اي براي آينه ها مي سازيم و براي تعبيه پيچ هاي تنظيم دو سوراخ در آنها ايجاد مي كنيم .براي اتصال اينه ها به كاواك خلا ، به ورقه اي از جنس آلومينيوم انعطاف پذير نياز داريم . فويل الومينيوم را به صورت زيگ زاگ مطابق شكل به صورت استوانه اي كه قطر سطح مقطع ان برابر با قطر كاواك است شكل مي دهيم و لبه هاي آن را توسط چسب قابل انعطافي مانند چسب آكواريوم به هم مي چسبانيم . سپس يك انتهاي استوانه انعطاف پذير ساختگي خود را به آينه مي چسبانيم و طرف ديگر آن را به كاواك ليزر . با قرار دادن پيچ هاي تنظيم مطابق شكل پس از چك كردن عدم نشط گاز به بيرون با روشن كردن ليزر ، آينه ها را تنظيم مي كنيم . لازم به ذكر است كه اين سيستم بايد براي هر دو آينه تخت و مقعر به كار برده شود .

[armin khatar]

تنظيم پرتوي خروجي:

جهت استفاده از پرتوي ليزر بايد قادر باشيم آن را در جهات مختلف هدايت كنيم.
قبل از هر چيزي بايد از موازي بودن پرتو هاي خروجي اطمينان حاصل كنيم. براي اين منظور كاغذي را از وسط سوراخ كرده به گونه اي در جلوي كاواك ليزر قرار مي دهيم كه محور مركزي گذرنده از كاواك هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستكاري پيچ هاي تنظيم آينه ها پرتوي خروجي از ليزر را به گونه اي تنظيم مي كنيم تا از مركز سوراخ عبور كند . اكنون ما يك دسته پرتوي مستقيم داريم . از قبل لازم به ذكر است كه به دليل نوع اينه هاي استفاده شده و سيتم بازتابش رفت و برگشت فوتون بين دو آينه پرتوي خروجي يك پرتوي موازي است.اكنون مي خواهيم پرتو را با قطر هاي متفاوت بر روي نقطه مورد نظر متمركز كنيم. جهت اين كار مي توان از سيستم عدسي هاي مركب استفاده كرد . چند نمونه از سيتم هاي عدسي مركب به منظور هدايت پرتو در شكل نشان داده شده كه باتوجه به انها مي توانيم با استفاده از عدسي هاي گوناگون با فاصله كانوني ها وشعاع هاي انحناي مختلف پرتوي خروجي را به گونه اي كه تمايل داريم هدايت كنيم .

[armin khatar]

نکته ی دیگر در تنظیم پرتوی خروجی استفاده از پهن کننده پرتو است . پهن کننده ها شعاع پرتو های نوری را افزایش داده و ما میتوانیم با عبور دسته پرتوی گسترده تر از عدسی ، سطح کانونی کوچک تری بدست آوریم و پرتو را بیشتر متمرکز کنیم