فلش لامپ لیزر

فلش لامپ

فلش لامپ، لامپ تخلیه گازی است و برخلاف لامپ های قوسی که برای کارکرد پیوسته طراحی شده اند، برای تولید پالس های نور شدید استفاده می شوند. ظاهر بیرونی فلش لامپ ها اغلب کاملاً مشابه است، اما ممکن است تفاوت هایی وجود داشته باشد، به ویژه در مورد الکترودهای فلزی.

در حالیکه لامپ‌های قوس ممکن است کاتدهای نوک تیز داشته باشند، معمولاً بهتر است از الکترودهای گرد (مانند شکل 1)، با استفاده از سطح بزرگ‌تر، برای فلاش لامپ‌هایی که دارای پیک جریان‌های بالا هستند، استفاده کنید. این امر باعث می شود توزیع یکنواخت جریان را فراهم آورد و از “هات اسپات[1]” که ممکن است منجر به پاشش مواد کاتد شود نیز جلوگیری کند.

همچنین، لازم است از الکترودهایی که دارای مقاومت الکتریکی کافی برای اعمال جریان های پیک بالا هستند، استفاده شود. پوشش شیشه ای برای افزایش استحکام مکانیکی اغلب تا حدودی ضخیم است.

 شکل 1: الکترود لامپ قوس الکتریکی و فلش لامپ

اکثر فلش لامپ ها بر پایه گازهای نجیب مانند زنون، کریپتون یا آرگون ساخته شده اند. به خصوص لامپ های زنون به عنوان ساطع کننده های طیف پهن نور سفید بسیار رایج هستند.

به طور کلی استفاده از فلزات یا مواد دیگری که ابتدا باید تبخیر شوند امکان پذیر نیست، زیرا پالس های محرک برای چنین فرآیندهایی بسیار کوتاه هستند. پهنای پالس معمولاً بسیار کمتر از یک میلی ثانیه است.

شکل2: فلش لامپ زنون

بسیاری از فلش لامپ ها مقدار قابل توجهی نور فرابنفش تولید می کنند. می توان از یک پوشش شیشه ای با انتقال UV استفاده کرد، به عنوان مثال از کوارتز (سیلیس ذوب شده). در مواردی نیز، تولید UV ناخواسته است؛ که می‌توان با استفاده از پوشش‌های شیشه‌ای دوپ‌شده آن را مهار کرد و جذب اشعه ماوراء بنفش را افزایش داد.

پارامترهای عملکرد فلش لامپ

بیشتر پارامترهای عملکردی مهم در زیر آورده شده اند:

انرژی در هر پالس: انرژی الکتریکی مورد نیاز برای زدن یک پالس.

ولتاژ آند: ولتاژ الکتریکی در طول پالس اصلی، در لحظه اولیه به یک پالس شدیدتر نیاز دارد.

ماکزیمم نرخ پالس: بیشترین نرخ تکرار(پالس نوری در ثانیه)

مدت زمان پالس: انواع مختلفی از مدارهای درایور در رژیم های مختلف از میکروثانیه تا میلی ثانیه استفاده می شود.

پارامترهای عملیات الکتریکی ذکر شده تنها تصوری تقریبی از نحوه کارکرد لامپ ها را ارائه می دهد. جزئیات درایور الکتریکی می تواند برای طول عمر لامپ بسیار مهم باشد.

منابع تغذیه برای فلش لامپ ها، تکنیک هایی برای تحریک

فلش لامپ ها به منابع تغذیه خاصی نیاز دارند که می توانند پالس های الکتریکی را با دقت کنترل شده با ولتاژ و جریان بالا ارائه دهند. منابع تغذیه با طراحی های مختلف مبتنی بر فناوری های متفاوت موجود است که با انواع خاصی از لامپ ها سازگار هستند.

توجه داشته باشید در حالیکه برخی از فلش لامپ ها فقط دو الکترود دارند، برخی دیگر دارای یک یا چند الکترود اضافی (یا جرقه زن) هستند که باید اسپایک با ولتاژ مناسب را برای شروع کار تامین کنند.

در بخش های زیر برخی از رویکردهای فنی را توضیح می دهیم.

محرک های خارجی

یک راه حل فنی ساده تحریک خارجی با استفاده از یک الکترود دیگر است که معمولاً خارج از پوشش شیشه ای قرار دارد. به عنوان مثال، می تواند یک سیم نیکل در اطراف لوله شیشه ای باشد. با استفاده از یک ترانسفورماتور تریگر خارجی، می توان یک پالس ولتاژ بالا بین الکترود تریگر (الکترود جرقه زن) و کاتد اعمال کرد که یک اسپارک اولیه تولید می کند که متعاقباً منجر به شروع تخلیه اصلی بین کاتد و آند می شود.

تولید اسپارک پایدار نیاز به یک ولتاژ تریگر به اندازه کافی بالا و همچنین مدت زمان کافی پالس تریگر دارد که در نتیجه اثرات خازنی بوجود می آید.

شکل3: مدار تریگر خارجی

در بسیاری از مدارهای محرک لامپ، یک سلف بین خازن اصلی و فلش لامپ، حداکثر جریان را محدود می کند. معمولاً سعی می شود چنین مداری را برای میرایی بحرانی طراحی کنند و از نوسانات اجتناب کند. مشخصات مدار از جمله امپدانس لامپ، طول پالس الکتریکی و در نتیجه طول پالس نوری را تعیین می کند.

مزیت تریگر خارجی این است که ترانسفورماتور تریگر می تواند مستقل از بخشی از مدار که پالس الکتریکی اصلی را فراهم می کند عمل کند. اما یک نقطه ضعف این است که الکترود تریگر خارجی مشکلات عایق الکتریکی را ایجاد می کند.

هنگامی که یک فلش لامپ در محفظه پمپ یک لیزر پمپ شده با لامپ استفاده می شود. مشکل دیگر این است که اسپارک، تخلیه را به سمت پوشش لامپ انجام می دهد، که ممکن است طول عمر لامپ را کاهش دهد.

شکل4: تریگر خارجی

همچنین لامپ هایی با الکترود تریگر در داخل محفظه وجود دارد که می تواند مزایای مختلفی داشته باشد مانند ولتاژ تریگر کمتر، کاهش مشکلات عایق و طول عمر بیشتر لامپ.

تریگر سری

راه اندازی سری را می توان روی لامپ ها بدون الکترود تریگر اضافی اعمال کرد. در اینجا سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور تریگر به صورت سری به لامپ متصل می شود (معمولاً در سمت کاتد). افزایش ولتاژ تولید شده توسط ترانسفورماتور تریگر به ولتاژ خازن اصلی می افزاید به طوری که ولتاژ برای شروع تخلیه کافی باشد.

شکل5: مدار تریگر سری

نقطه ضعف این روش این است که تمام جریان لامپ باید از سیم پیچ ثانویه ترانسفورماتور تریگر عبور کند. بنابراین، یک ترانسفورماتور بزرگتر مورد نیاز است.

روش زیمر

برای فلش لامپ‌های که با نرخ‌ تکرار پالس قابل توجهی کار می‌کنند. به عنوان مثال، برای پمپاژ لیزرهای پالسی، اغلب از عملکرد زیمر برای به دست آوردن پالس پایدارتر و طول عمر طولانی لامپ استفاده می شود.

در اینجا، بین پالس ها، لامپ با جریان DC کوچک، بسیار کمتر از حداکثر جریان برای تولید فلش، به کار خود ادامه می‌دهد. لامپ لازم نیست برای هر بار فلش روشن شود و بنابراین می تواند پالس های بیشتری را در طول عمر خود ایجاد کند. انرژی‌های پالس به‌دست‌آمده در این مورد می‌تواند یکنواخت تر (نویز کمتر) نسبت به حالت بدون زیمر باشد.

شکل6: مدار تریگر سری

فلش لامپ های با کیفیت بالا، که در شرایط خوب (بسیار کمتر از انرژی انفجار خود) کار می کنند، گاهی اوقات می توانند به طول عمر بیش از 100 میلیون پالس برسند. برای انرژی‌های بالاتر حتی با وجود برد زیمر طول عمر کمتری دارند.

برای نرخ تکرار پالس پایین، عملکرد زیمر خیلی مناسب نیست، زیرا بیشتر نیروی محرک برای زیمر استفاده می‌شود. در این رژیم، می توان از عملکردی مشابه زیمر استفاده کرد به اینصورت که مدتی (مثلاً 100 میلی‌ثانیه) قبل از تولید پالس واقعی یک جریان زیمر نسبتاً کوچک قبل از شروع تخلیه اصلی لامپ راه‌اندازی می‌شود. با این فرآیند راه اندازی دو مرحله ای، طول عمر لامپ را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد، به ویژه برای انرژی های پالس پایین در حالیکه پایداری پالس بهبود می یابد.

مدارهایی برای طول پالس کوتاهتر

همانطور که در بالا توضیح داده شد، اگر یک خازن از طریق یک فلش لامپ با یک سلف به صورت سری تخلیه شود، مدت زمان پالس توسط ویژگی های مدار LC محدود می شود. برای کاهش طول پالس باید از خازن با ظرفیت کمتر استفاده کرد و در عین حال ولتاژ شارژ  خازن را افزایش داد تا انرژی الکتریکی مورد نیاز به دست آید. ولتاژ خازن ممکن است بالاتر از آستانه روشن شدن لامپ باشد.

در چنین مواردی، باید از یک دستگاه سوئیچینگ ولتاژ بالا استفاده کرد که امکان سوئیچینگ سریع را فراهم می کند و می تواند جریان پیک بسیار بالا را مدیریت کند همچنین به منظور دستیابی به طول عمر نسبتاً طولانی برای لامپ با وجود پیک جریان بالا نیاز به عملکرد زیمر نیز می باشد.

مدارهایی برای طول پالس بلندتر

برای مدت زمان پالس طولانی تر و متغیر، مدارهای الکترونیکی با ترانزیستور سوئیچینگ ولتاژ بالا وجود دارد که می تواند جریان لامپ را با توجه به سیگنال محرکه آن محدود کند. به این ترتیب، جریان لامپ را می توان حتی برای طول پالس ده ها میلی ثانیه به خوبی کنترل کرد. اگر جریان تقریباً ثابتی در سراسر پالس اعمال شود، به آن موج مربعی می گویند.

خنکسازی فلش لامپ

فلش لامپ های که با انرژی متوسط و به ویژه با نرخ تکرار پایین کار می کنند، اغلب فقط با جریان هوای همرفتی کار می کنند. از سوی دیگر، دستگاه‌هایی با نرخ‌ تکرار بالا و پالس‌ شدید اغلب نیاز به خنکسازی کاملاً سریع دارند، در اغلب موارد با جریان آب دیونیزه شده.

در برخی موارد، حتی الکترودها را از آب خنک کننده عایق الکتریکی نمی کنند. البته پس از آن آب خنک کننده نیاز به مقاومت بالایی دارد که با دمیرینالیزاسیون مناسب حاصل می شود.

تفاوت اصلی بین آب دیونیزه(deionized) و آب غیر معدنی(demineralized) در این است که آب دیونیزه از حذف تمام یونهای آب تشکیل می شود، در حالی که آب غیر معدنی از حذف تمام ذرات معدنی آب تشکیل می شود.

آب دیونیزه ممکن است حاوی ذرات بدون بار باشد، در حالی که آب غیر معدنی فاقد ذرات معدنی باردار یا بدون بار است.

طول عمر فلش لامپ

هر پالس ساطع شده باعث تخریب فلش لامپ به دلیل شرایط سخت الکترودها و پوشش طولی می شود. برخی از مکانیسم های مهم تخریب به شرح زیر است:

• با هر شلیک، مقداری از مواد از محفظه لامپ جدا می شود. این مشکل در رژیم انرژی بالا غالب است.
• همچنین مقداری از مواد از کاتد پراکنده شده و رسوباتی روی پوشش لامپ ایجاد می کند که باعث کاهش نور خروجی می شود.

طول عمر لامپ می تواند بر اساس مرتبه های بزرگی در موقعیت های مختلف متفاوت باشد – نه تنها به دلیل لامپ های با کیفیت متفاوت، بلکه مهمتر از همه به دلیل جنبه های مختلف شرایط عملیاتی.

 

شکل7: طول عمر فلش لامپ

یک پارامتر بسیار مهم نسبت انرژی ورودی الکتریکی  به انرژی انفجار  لامپ است. انرژی انفجار همان انرژی الکتریکی است که باعث انفجار فوری می شود. به عنوان یک تخمین تقریبی، در رژیم انرژی بالا (که در آن فرسایش پوشش لامپ عامل محدودکننده طول عمر است) می‌توان طول عمر لامپ را بر حسب تعداد پالس‌های ممکن به صورت محاسبه کرد. به عنوان مثال، اگر نسبت انرژی  باشد، می توان تقریباً 10000 پالس یا اگر نسبت باشد 1 میلیون پالس انتظار داشت.

در انرژی های بالا، پایان عمر لامپ اغلب به صورت انفجار لامپ آشکار می شود و در موارد دیگر، خروجی نور ممکن است به حدی کاهش یابد که دیگر کافی نباشد.

تاخیر زمانی

بین اعمال پالس تریگر و تشکیل نور خروجی، مدت زمان تاخیری حدود چند میکروثانیه وجود دارد. این زمان تاخیر به دلیل بی نظمی تخلیه گاز دارای نوساناتی است. مقدار این تاخیر معمولاً با افزایش ولتاژ لامپ به میزان قابل توجهی کاهش می یابد.

پمپاژ لیزرهای حالت جامد

در نهایت چند مورد از کاربرد فلش لامپ را در لیزرهای پزشکی و صنعتی مورد بررسی قرار می دهیم.

فلش لامپ ها هنوز به طور گسترده برای پمپاژ پالسی، یعنی لیزرهای حالت جامد آزاد یا کیو سوئیچ استفاده می شوند. به طور خاص، لامپ های کریپتون و زنون برای لیزرهای پالسی YAG استفاده می شود. طیف گسیلی لامپ های کریپتون تا حدودی با طیف جذبی نئودیمیم مطابقت دارد.

معمولاً فلش لامپ‌ های لیزری به شکل استوانه‌ای هستند که به موازات یک راد در یک کاواک نصب می‌شوند. به ویژه در مورد لیزرهای کیوسوئیچ، چنین لامپ هایی باید پالس های نسبتاً کوتاهی با مدت زمان زیر 100 میکروثانیه منتشر کنند. زیرا محیط بهره چنین لیزری معمولاً نمی تواند انرژی ارائه شده را در مدت زمان طولانی تری ذخیره کند.

– فلش لامپ IPL

– لامپ I2PL

– لامپ دستگاه C2PL

-لامپ لیزر مداپلو – مدآپلو

-لامپ دستگاه Sincoheren

-فلش لامپ KES

– فلش لامپ DEKA Synchro HP

– لامپ لیزر آپوجی Cynosure Apogee

– فلش لامپ کندلا Candela

– فلش لامپ Lynton

– لامپ لیزر Ultra Pulse

– فلش لامپ ALma

– لامپ لیزر Baasel

[1] هات اسپات روشن ترین و مرکزی ترین ناحیه در پرتو است.