تقسیم بندی لیزر

تقسیم بندی لیزر

دستگاه لیزر برش در انواع توانها

دستگاه لیزر برش در انواع توانها

1- ليزرهاي حالت جامد

سه موضوع اساسي براي ايجاد بهره در ليزرهاي حالت جامد عبارتند از :

محيط ميزبان ، يونهاي فعال در داخل محيط ميزبان ، منابع نوري براي دمش مواد تشكيل دهنده محيط ميزبان محيط ميزبان به دو دسته بلوري و شيشه اي تقسيم ميشوند. محيط ميزبان مي بايد از نظر اپتيكي، مكانيكي و خواص گرمايي شرايط عمل كرد ليزر را متحمل شوند. محيط هاي ميزبان بلوري كه پس از اختراع اولين ليزر ياقوت مورد بررسي و مطالعه و كاربرد قرار گرفته اند عبارتند از:
سافاير، Al2O3 گارانتها، ايتريوم، آلومينيوم گارنت Y3Al5O12 كه با YA G نشان ميدهند.
گادولنيوم، گاليوم گارنت  نشان ميدهند. گادولنيوم اسكانديوم آلومينيوم گارنت Gd3Sc2Al3O12 كه با GS AG نشان ميدهند. آلومينيت، ايتريوم اورتوآلومينيت (Y AlO3)، كه با YA lO يا YAP نشان ميدهند. فسفاتها و سيليكاتها، كلسيم فلوروفسفات يا Ga5+ (PO4 +)3 F نام معدني فلوراپاتيت (FA P) سيليكات اكسي پاتيت يا Ga La SOAP تنگستيتها، موليبديتها، واناديتها و بريليتها فلورايدها، سراميكها، شيشهها، يونهاي فعال :
«يونهاي خاكي نادر»
نئوديميوم Nd+3 خط Nd:YA G در λ = 1.06 μ m
اربيوم Er+3 خط Er:YA G در λ ~ 2.9 μ m
هولوميوم Ho+3 خط Ho:YA G در λ ~ 2 μ m
تاليوم Tm+3 خط Tm:YAM در λ ~ 2 μ m
«يونهاي آكتانايد»
ياقوت Cr+3 : Al2O3
الكساندريت Cr+3 : BeAl2O4
تايتانيوم سافير Ti+3 : Al2O3
ليزرهاي حالت جامد كوكپذير (قابل تنظيم طول موج)
گسيل ليزري در ليزرهاي حالت جامد كوكپذير وقتي جفتشدگي گسيل القائي و گسيل كوانتايي ارتعاشي (فونون) در بلور حاصل ميشود اتفاق ميافتد. آنها عبارتند از :
الكساندريت :
BeAl2O4 در گسترة 700-800 n m
Cr : G S G G) Cr:Gd Sc Ga-Garnet در ( 100-900 n m)
Cr:K Z n F3 (در 185-865 n m)
سيستمهاي دمش نوري در ليزرهاي حالت جامد
در گذشته لامپهاي هالوژن-تنگستن براي دمش موج پيوسته Nd:YAG به كار ميرفته است.
لامپهاي درخش (لامپ فلاش) براي ليزرهاي پالسي به كار ميرود كه از يك لوله كوارتز با دو الكترود انتهايي (گاز داخلي Xe) تشكيل شده است. امروزه از ليزرهاي نيمرسانا براي دمش ليزرهاي حالت جامد مخصوصاً Nd:YAG استفاده ميشود. از نظر طيفي بهترين بازدهي انتقال انرژي نوري از تشعشع منبع دمش به محيط جامد وقتي است كه ناحيه طيفي بيشينه تشعشع لامپ تحريك با نواحي جذب شديد در محيط فعال جامد منطبق باشد.

2- ليزرهاي رزينهاي (مايع رنگين)

ليزرهاي رزينهاي به آن دسته از موادآلي گفته ميشود كه در حلالهاي مناسب حل شده جهت محيط فعال مورد استفاده قرار ميگيرند. دمش اين رنگها از طريق نوري است كه با استفاده از لامپ فلاش و يا يك ليزر مناسب ميباشد. اين مواد قادراند بسته به نوع رنگ به كاررفته از ناحيه فرابنفش تا نزديك مادون قرمز نوسان قابل تنظيم طولموجي داشته باشند. لذا از زمره ليزرهاي كوكپذير هستند و داراي كاربردهاي وسيع در طيفنگاري ميباشند. براي دمش اين ليزرها، اگر به صورت پالسي مد نظر باشد از ليزرهاي نيتروژن، اگزايمر، بخار مس استفاده ميشود. هارمونيكهاي مراتب بالاي ليزرNd:YAG در طولموجهاي 532، 353 و 266 نانومتر براي دمش رنگهاي آلي نيز مناسب و مقرون به صرفه اقتصادي است. براي نوسان موج پيوسته از ليزر آرگون يوني ميتوان استفاده نمود.

3- ليزرهاي گازي

نظر به اين كه گازها به عنوان محيط فعال نسبت به محيط هاي فعال حالت جامد از چگالي پايينتري برخوردار هستند. بنابراين بايد انتظار داشت كه ليزرهاي گازي نسبتا بزرگ و حجيم باشند. گازها در ليزرهاي گازي توسط برخورد الكتروني و يا باريكه الكتروني تحريك ميشوند و لذا دمش آنها از نوع دمش الكتريكي است.
تحريك برخورد الكتروني
تحريك مناسب در گازها در فرآيندهاي برخورد الكتروني رخ ميدهد. تحريك تراز بالايي ليزر يا به صورت برخورد مستقيم الكترون مثلا در ليزر آرگون خنثي است. طبق سازوكار Ar + e -> Ar* + e كه *Ar نشان دهنده تراز تحريكي اتم آرگون است، يا انتقال انرژي توسط گازي از نوع ديگر (مثل ليزر He-Ne) صورت ميگيرد كه He نقش دهندة انرژي به اتم نئون را داراست و عمل ليزر روي گذارهاي اتم Ne تحقق مييابد.
He* + Ne -> Ne* + He
*He و *Ne نشان دهنده اتم He و Ne در حالت تحريكي است.

4- ليزر آرگون يوني (Ar II)

ليزر آرگون يوني يكي از ليزرهاي مهم گازي است كه تحريك توسط برخورد الكتروني در اتم Ar صورت ميگيرد. از ساير ليزرها يوني گازهاي نادر ميتوان از ليزرهاي يوني كريپتون، زينون و نئون نام برد. برخي از خطوط مهم و توانهاي نوعي خطوط نوساني در زير آورده شده اند.
ليزرهاي يوني پالسي
Ar (II) (n m 488 ، n m 496 توان حدود 10 وات ؛ n m 496 ، n m 502 و n m 514)
Ne (III) (n m 473 ، توان 400 وات)
Xe (IV) (n m 364 ، توان 3600 وات ، n m 430 ، توان 1000 وات)
ليزرهاي يوني موج پيوسته
Ar (II) (n m 0/488 ، n m 5/514 توان حدود W 1)
Kr (II) (n m 1/647 ، توان 4/0 وات ، n m 4/676 ، n m 5/752 ، n m 7/350 ، توان 5 وات)

5-  ليزر He-Ne

يكي از متداولترين ليزرهاي گازي است. محيط فعال اختلاطي از گاز هليوم و نئون است كه نسبت آنها تقريبا 5:1 تا 20:1 ميباشد. اين اختلاط گاز در لوله شيشهاي به قطر چند ميليمتر و به طول 0/1 تا 1 متر در فشار حدودا m m H g 10 و با تحريك توسط ولتاژ بالا چند كيلو ولت قادر است عمل ليزر روي ترازهاي نئون را حاصل كند. (3/39μm ، 1/15 mm ، 632/8 μm و 5/543nm )
5-3-3 ليزر بخار مس
ليزر بخار مس يكي از ليزرهاي مهم و پرقدرت به حساب ميآيد. براي آن كه جمعيت كافي از اتمهاي مس حاصل شود نياز به آن است كه دماي محيط به 1400ْC تا 1500ْC برسد . اين امر در تيوبهاي خاص از آلومينا و با رگبار بسيار بالا (kHz 5~ ) براي گرم شدن تيوب ليزر و بخار شدن فلز مس توسط سوئيچهاي تايروترون حاصل ميشود. قطر لوله ها بين 10 تا 80 ميليمتر است. همچنين براي دريافت قدرت مناسب از ليزر نياز به استفاده از گاز نئون در فشار 50-25 ميليمتر جيوه ميباشد.
عمل ليزر در دو طول موج n m 578 و n m 510 تحقق مييابد، هر دو گذار به تراز نيمهپايدار منجر ميشود و عمل ليزر تنها در مدتي كوتاه قبل از نابودشدن جمعيت معكوس حاصل ميشود. توان متوسط در رگبار kHz 5~ ، W 40-10 است، براي توانهاي بالاتر نياز به آن است كه سيستم به صورت نوسانگر-تقويت كننده عمل كند. بازدهي كلي سيستم نسبتا بالا (تا 2%) ميرسد، بنابراين اگر توانهاي كمي مورد نياز باشد سيستم ليزر ميتواند توسط هوا خنك شود. در غير اين صورت در توانهاي بالا، به سرد كردن ليزر توسط جريان آب سرد نياز ميباشد.

6-  ليزر گازكربنيك (ليزر CO2)

ليزر گازكربنيك تاكنون مهمترين ليزر در ردة خود به شمار ميرود و از نقطه نظر كاربردهاي تكنولوژيكي اين دستگاه ليزر از مهمترين ليزرها محسوب ميشود. با در نظر گرفتن بازدهي (30%~) و خروجي پرتوان، توانهاي موج پيوسته اين ليزر به دهها كيلووات ميرسد، بنابراين كاربردهايي نظير جوشكاري، برش فلزات و اجراي نقوش فلزي و كاربردهاي نظامي اين ليزر ميسر شده است. گذار ليزري در اين ليزر با ليزرهاي يوني يا اتمي متفاوت است، چه ترازهاي انرژي مرتبط با حالتهاي كوانتومي مدهاي ارتعاشي و چرخشي مولكول CO2 ميباشد. در مورد مدهاي ارتعاشي، سه نوع مد ارتعاشي غيرمتقارن، متقارن و خمشي در گذارهاي ليزر درگير ميباشند. عمل ليزري در نواحي بين دو طول موج 9/4و 10/6 ميكرومتر است كه در ناحيه فروسرخ طيف واقع ميشود. اين ليزر با ساختارهاي متفاوت تكنيكي ساخته ميشود كه عبارتند از : ليزر پالسي فشار اتمسفري (TEA)، محفظه بسته، جريان گازي و ديناميك گازي.

7- ليزر نيتروژن (N2)

گذارهاي ليزري در ليزر نيتروژن بين ترازهاي انرژي الكتروني مولكول N2 صورت ميگيرد كه منجر به خروجي در ناحيه فرابنفش (337/1nm) ميشود. اين ليزر در نوع پالسي فعال است و پهناي زماني آن كوتاه و به حدود چند نانو ثانيه ميرسد. دمش الكتريكي اين ليزر ميبايد بسيار سريع و در زمانهاي حدود مقياس پهناي پالس تحقق يابد. اين ليزر در رده ليزرهاي خودپايانيابنده قرار ميگيرند.

8- ليزرهاي اگزايمر

واژة «اگزايمر» از بهم بستن واژة excited dimer يا دوتايي تحريك شده ساخته شده است و مفهوم آن است كه انرژي الكتروني مولكول دو اتمي در حالت تحريك شده به صورت پايدارو در حالت پايه به صورت دافعه است. هالايدهاي گاز نادر نظير A r F ، K r F و Xe Cl نمونه هايي از اين نوع ليزر هستند. تخليه الكتريكي و باريكه هاي الكتروني را ميتوان براي تحريك اختلاطهاي گازي از نوع گازهاي نادر و مولكولهايي نظير F2 يا HCl براي حصول عمل ليزر در ليزرهاي اگزيمر به كار برد. عمل دمش اين ليزرها به گونهاي شبيه به ليزرهاي N2 ميباشد ليكن براي تحريك نياز به آن است كه قبل از تخليه الكتريكي اصلي توسط فوتونهايUV و يا پرتو x محيط توسط يك پيشيونش براي تخليه يكنواخت الكتريكي آماده شود. بعضي از ليزرهاي اگزايمر نظير X e F و K r F كاملا كارآمد بوده و قادرند توانهاي خروجي تا J1 و با توان متوسط W 200 را حاصل سازند.

9- ليزرهاي شيميايي

تركيبات شيميايي داراي اين توانايي هستند كه مقادير زيادي از انرژي كه ممكن است بخشي را در واكنشهاي شيميايي گرمازا از دست بدهند، در خود ذخيره نمايند. به اين ترتيب آنها نمونه هاي جالب توجهي جهت تبديل انرژي شيميايي به تابش نوري همدوس به شمار ميآيند. ليزرهاي شيميايي كه امروزه با آن سر و كار داريم مرتبط با گذارهاي حالتهاي ارتعاشي مولكولهايي نظير HF ، CO و امثالهم ميباشند. حد پايين گذار ليزري آنها در طول موج μm2~ ميباشد. مثال خاصي از اين ليزرها، انواع ليزرهاي HF و D F ميباشند كه قدرتهاي بسيار بالايي از آنها به دست آمده است. واكنشهاي مرتبط به قرار زير هستند :
F + H2 -> HF * + H
F + D2 -> D F * + D
با وجودي كه واكنشهاي بالا نمونه هاي تحريكي را كه با علامت ستاره نشان داديم حاصل ميكنند، ليكن تجزيه هيدرژن و فلئور ميبايد از مولكولهاي اوليه H2 و F2 حاصل شود. واكنشهاي مرتبط در اين نوع ليزرها به صورت زنجيرهاي است، به اين معنا كه وقتي واكنش رخ داد مراكز فعال ليزري را ميبايد خودشان حاصل كنند و اين متضمن تزريق پيوسته مولكول H2 و F2 به سيستم است مثلادر ادامه واكنش بالا براي H رها شده، داريم :
H + F2 -> HF * + F
و براي F رها شده، واكنش خواهد شد
F + H2 -> HF * + H

10- ليزرهاي نيمه رسانا

يكي از پراستفاده ترين ليزرها، ليزرهاي نيمرسانا ميباشد كه در حجم زياد ساخته ميشوند و داراي كاربردهاي بسيار زيادي هستند. امروزه آنها را حتي به عنوان علامت دهنده نور موازي در دست مردم عادي ميبينيم و يا در هنگام خريد از فروشگاه هاي بزرگ قيمت اجناس را فروشنده توسط دستگاهي كه به ليزر نيمرسانا مجهز است تعيين كرده در كار مشتري سرعت قابل ملاحظهاي ميبخشد. ليزرهاي نيمرسانا با استفاده از پرش الكترون بين نيمرساناهايي كه شامل نوعهاي مختلف و ترازهاي ناخالصي كنترل شده ميباشد كار ميكنند. مهمترين مواد نيمرسانا شامل مواد دوتاييها نظير نيمرساناي V-III مثل GaAs ، InSb با مواد سهتاييها نظير AlxGa1-xAs (كه x فاكتور كوچكتر از واحد است) يا مواد چهارتاييها مثل InxGa1-xAlyP1-y ميباشند. مهمترين پارامتر كه از يك سيستم نيمرسانا به سيستم ديگر تغيير ميكند، گاف انرژي است. اين گاف فاصلة انرژي Eg بين بالاترين نوار پرشده از الكترون و يا پايين نوار انرژي خالي از الكترون است. طول موج منتسب به اين گاف انرژي از μ=Ch/Eg به دست ميآيد. ليزرهاي نيمه رساناي امروزي چنان ساخته ميشوند كه جريان الكتريكي را به ناحيهاي خاص در قطعه محدود سازند.
اين هندسه ساخت به طرق : هدايت شده بهره، هدايت شده ضريب شكست و امثالهم ميباشد. ساخت ردّه جديدي از ليزرهاي نيمرسانا به گونهاي است كه باريكه ليزر در جهت عمود بر ويفر گسيل ميشود كه به آن «ليزر گسيل سطحي» ميگويند. نوع ديگركه نوع «ليزر گسيل سطحي جفت شده توري» ناميده ميشود. به گونهاي است كه توان خروجي بالا و واگرايي پايين را به دست ميدهد. براي قدرتهاي بالاتر رديفهاي دايودي اختراع شده كه از تعداد ليزرهاي زيادي نزديك به يكديگر شكل گرفته است.
از ليزرهاي جديد ديگر نيمرسانا، ليزرهاي چاه كوانتومي هستند كه محيط فعال آن با لايه بسيار نازك (مثلا n m 20) از دو طرف توسط G a A lAs محدود شده است. اگر ليزر تنها يك چنين لايه اي داشته باشد به آن تك چاه كوانتومي گفته ميشود (S Q W) و اگر از چند لايه با تناوبي از GaAs و G a A l As شكل گرفته باشد به آن ليزر چاه كوانتومي چندتايي (M Q W) ميگويند.

11- ليزرهاي الكترون آزاد

طرز عمل ليزرهاي الكترون آزاد كاملا با ساير ليزرهايي كه از آنها نام برده شده است متفاوتست. چشمه اصلي انرژي در اين نوع ليزرها باريكه نسبيتي الكترون است. تحت بعضي شرايط اين الكترونها قادرند مقداري از انرژي خود را به صورت باريكهاي از فوتون در همان مسير الكترونهاي سريع رها سازند. به اين منظور باريكه الكترون سرعت يافته را از مغناطيسهاي تناوب يافته كه به آن ويگلر (جنبانده) گفته ميشود عبور ميدهند. با عبور الكترونها از ويگلر آنها شروع به نوسانهاي عرضي ميكنند. نتيجه امر در اين نوسانها تشعشع موج الكترومغناطيسي است كه طول موج آن در جهت تشعشع از μ=μw/2γ2 به دست ميآيد. μwتناوب ويگلر و γ نسبت انرژي الكترون به انرژي الكترون در حالت سكون است.
بنابراين با تغيير μwو يا γ ميتوان گسترة وسيعي از فركانسهاي ليزر را حاصل كرد، يعني اين ليزرها كوكپذير هستند. ضمنا سيستمهاي ليزرهاي الكترون آزاد به علت استفاده از شتابدهنده، دستگاههاي عظيمي به شمار ميآيند يعني در واقع براي راهاندازي آن نياز به تجهيزات شتابدهنده الكترون ميباشد.
بنابراين آنها دستگاههايي نيستند كه در مقطع فعلي از زمان به صورت كوچك و مستقل بتوان در آزمايشگاههاي متداول تحقيقاتي از آنها استفاده كرد.

نوشته های مرتبط

دیدگاه ها بسته شده اند