لیزر co2

تابش ليزری و خواص نور لیزر co2

برای آشنایی با لیزر co2 در ابتدا به معرفی لیزرها می پردازیم.

نوری كه از يک ليزر خارج می شود به تابش ليزری معروف است. اين نور دارای چهار ويژگی بسيار برجسته است كه منابع نوری معمولی آنها را ندارند كه شامل جهتمندی، درخشانی، همدوسی و تكفامی آن می شود.

نور ليزر از لحاظ طول موجی بسيار خالص است (تكفامی)

برای كارهای تداخل سنجی بسيار مناسب است (همدوسی)

شدت تمركز يافته خيلی زيادی دارد (درخشانی) و اينكه به صورت باريكه غير واگرا (البته با واگرايی بسيار كم) حركت می كند (جهت مندی)

آنچه كه گفته شد خلاصه ای از مفاهيم فيزيكی يک ليزر بود.

يک ليزر شامل سه قسمت است:

محيط فعال (محيط بهره)

آينه های تشديدی (كاواک تشديدی)

منبع تغذيه (دمش و پمپاژ)

محيط فعال بين دو آينه قرار می گيرد و منبع تغذيه باعث تحريک (دمش يا پمپاژ) محيط فعال می شود. نوری كه از محيط فعال ساطع می شود بين دو آينه رفت و برگشت می كند و رفته رفته تقويت می شود و در نهايت از طريق يكی از آينه ها (كه قدری عبور دارد) خارج می گردد. اين تمام آن چيزی است كه يک ليزر انجام می دهد.

درست است كه قسمت های كاری يك ليزر بسيار ساده است اما داخل آن هزاران پديده فيزيكی و اپتيكی كه شامل برهمكنش نور با اتم ها، تشديد الكترومغناطيسی، تحريک ترازهای انرژی اتمی، تقويت، به هم ريختگی جمعيت ترازهای انرژی و … است رخ می دهد. آنچه كه در يک ليزر خيلی اهميت دارد برهمكنش نور با ماده و انتشار و تشديد امواج الكترومغناطيسی می باشد.

در حوزه برهمكنش نور با ماده مفاهيمی مانند گسيل خودبه خودی، گسيل القايی، جذب، بهره، وارونگی جمعيت و تقويت و … مطرح می شود و در حوزه انتشار و تشديد امواج الكترومغناطيسی مفاهيمی مثل وارونگی جمعيت بحرانی، دمش، كاواک تشديدی، مدهای الكترومغناطيسی، رقابت مدی، مدهای طولی و عرضی و … مطرح می شود كه به توضيح مختصر بعضی از آنها می پردازيم.

 

گسيل خود به خودی لیزر co2

فرض كنيد اتمی داريم كه يكی از الكترون های آن را به طريقی از يک تراز انرژی دلخواه (مثلاً تراز 1) به تراز انرژی بالاتر (مثلاً تراز 2) برانگيخته كرده باشيم. اگر اتم را به حال خودش رها كنيم الكترون به صورت خود به خودی از تراز بالاتر (تراز 2) به تراز پايين تر (تراز 1) سقوط می كند و انرژی اضافی خود را (در صورت داشتن شرايط مناسب) به صورت نور به محيط اطراف پخش می كند. به اين نوع گسيل نور، گسيل خودبه خودی گفته می شود .

که در لیزر co2 نیز وجود دارد.

اكثر منابع نوری كه شما در اطراف خودتان می بينيد مثل لامپ مهتابی و يا لامپ های كم مصرف و … همگی بر اساس گسيل خودبه خودی كار می كنند به نحوی كه در آنها الكترون های اتمی از تراز پايين به تراز بالاتر با استفاده از جريان برق تحريک می شوند. اين الكترون ها در برگشت از تراز بالا به تراز پايين باعث گسيل نور می شوند و فضای اطراف را روشن می كنند. طی اين فرايند جريان برق به نور تبديل می شود.

گسيل خودبه خودی يک گسيل تصادفی است و فاز، قطبش و جهت آن تصادفی است و يک نور ناهمدوس و با جهتگيری تصادفی می باشد.

 

گسيل القايی لیزر co2

اتمی را در نظر بگيريد كه يكی از الكترون های آن از تراز 1 به تراز 2 رفته باشد.

اين الكترون به غير از گسيل خودبه خودی با روش ديگری هم می تواند اين گذار را انجام دهد. به اين صورت كه اگر نوری به اين الكترون تابيده شود باعث می شود الكترون از تراز بالا به تراز پايين به صورت اجباری گذار كند و انرژی اضافی خود را به صورت نور به محيط پس دهد. به اين گسيل، گسيل القايی يا گسيل اجباری گفته می شود.

این گسیل در لیزر co2 نیز وجود دارد.

می توان گسيل خود به خودی و گسيل القايی را با افتادن يک ميوه از درخت معادل سازی كرد. فرض كنيد كه ميوه ای بالای يک درخت است. اين ميوه به دو طريق می تواند بيفتد: طريق اول اين است كه ميوه كاملاً برسد و بند آن شُل شده و به صورت خودبه خودی بيفتد و طريق دوم اينكه با يك سنگ، يا وزش باد و يا … اين ميوه به صورت اجباری و القايی بيفتد.

 

جذب لیزر co2

چطور می توان الكترون های يک اتم را از ترازی به ترازهای بالاتر تحريک كرد؟

اين كار روش های مختلفی دارد كه يكی از آنها تاباندن نور مناسب به اتم است. وقتی نور مناسبی به اتم تابيده شود الكترون می تواند نور مورد نظر را جذب كرده و انرژی آنرا نصيب خودش كند و به واسطه اين انرژی از تراز پايين به تراز بالاتر بپرد. به اين فرايند جذب گفته می شود. و در همه لیزرها من جمله لیزر co2 وجود دارد.

 

 

حال كه فرايندهای گسيل خودبه خودی، گسيل القايی و جذب را شناختيم می توانيم حدس بزنيم در فضايی كه شامل اتم ها و نور باشد چه اتفاقاتی رخ می دهد.

در اين فضا كه شامل هم اتم ها و هم فوتون ها است (منظور از فوتون همان نور می باشد) برهمكنش نور با اتم ها رخ می دهد و هر سه فرايند گسيل خودبه خودی، گسيل القايی و جذب در مسئله اندركنش حضور خواهند داشت. يكي از جاهايی كه اندركنش های نور با اتم ها وجود دارد ليزرها هستند.

پس در داخل يک ليزر فرايندهای گسيل خودبه خودی، گسيل القايي و جذب به طور كاملاً فعال حضور دارند. البته اين فقط ليزرها نيستند كه اينها را دارند؛ بلكه موارد بسيار زيادی است كه چنين رخدادهايی حضور دارند مثل تابش جسم سياه، تابش پلاسما، و … .

اگر اتم ها و فوتون ها در يک فضای بسته قرار گيرند انرژی ها مدام بين آنها رد و بدل می شوند و سيستم در نهايت به يک تعادل می رسد. چنين وضعيتی در كاواک جسم سياه رخ می دهد. چنين سيستمی چون با بيرون هيچ ارتباطی ندارد نه باعث تقويت و نه باعث تضعيف انرژی می شود.

 

وارونگي جمعيت لیزر co2

فرض كنيد مجموعه ای از اتم ها داريم و در تعدادی از آنها (مثلا به تعداد N1) الكترون ها در تراز پايين 1 و در تعدادی از آنها هم (مثلاً N2) الكترون ها در تراز بالاتر 2 قرار دارند و می خواهيم به اين مجموعه اتمی يک باريكه نوری بتابانيم.

اگر اين باريكه نوری وارد اين مجموعه اتمی شود و با آنها اندركنش كند و در نهايت از سمت ديگر خارج شود در چه صورت انرژی و توان باريكه نور تقويت خواهد شد؟

اين باريكه وقتی وارد مجموعه اتمی می شود توسط N1 اتم می تواند جذب شود (چون در تراز پايين 1 هستند) و توسط N2 اتم می تواند تقويت شود (چون در تراز بالای 2 هستند و گسيل القايی آنها می تواند نور را تقويت كند).

یعنی N1 اتم باعث تضعيف نور و N2 اتم باعث تقويت آن می شوند. حالا ديگر معلوم شد كه چه شرطی بايد پيش بيايد كه نور تقويت شود و آن هم اين است كه N1>N2 باشد. به اين شرط وارونگی جمعيت گفته می شود و به اين معناست كه جمعيت تراز بالاتر بايد از جمعيت تراز پايين تر بيشتر باشد.

این شرط باید در تمامی لیزرها از جمله لیزر مورد بحث ما یعنی لیزر co2 وجود داشته باشد.

 

 

تقويت لیزر co2

اگر نور مناسبی وارد محيط فعال شود در خروج از آن تقويت خواهد شد. به اين نوع تقويت، تقويت ليزری گفته می شود. محيط مناسبی كه می تواند اين كار را انجام دهد به محيط بهره معروف است و بهره آن تابعی از فركانس نور است و در فركانس مناسبی دارای بيشترين مقدار خواهد بود. در لیزر co2 تقویت مناسبی صورت می گیرد.

 

دمش يا پمپاژ لیزر co2

چطور می توان در يک محيط مناسب كه از اين به بعد به آن محيط بهره گفته می شود وارونگی جمعيت ايجاد كرد؟

وارونگی جمعيت بين دو تراز انرژی به صورت خودبه خودی ايجاد نمی شود و برای ايجاد آن بايد انرژی مصرف كرد. عاملي كه می تواند با صرف انرژی بين دو تراز مناسب از محيط بهره وارونگی جمعيت ايجاد كند به عامل پمپاژ يا عامل دمش معروف است.

عامل دمش در حقيقت از يك منبع بيرونی (مثل برق شهر يا منابع انرژی ديگر) انرژی می گيرد و آن را صرف ايجاد وارونگی جمعيت می كند و با اين كار محيط را برای تقويت نور آماده می كند.

روش های متنوعی برای ايجاد دمش وجود دارند كه معروف ترين آنها دمش اپتيكی و دمش الكتريكی می باشد.

اكثر ليزرهايی كه می شناسيم مانند ليزرهای ديودی ساده و لیزر co2 و يا ليزر هليوم-نئون همگی با دمش الكتريكی كار می كنند يعنی بايد آنها را به برق بزنيم كه كار كنند ولی هستند ليزرهايی كه دمش آنها يک دمش اپتيكی است. برای مثال در يک ليزر پرتوان ND:YAG از لامپ فلاش و يا مجموعه ای از LED ها برای دمش استفاده می شود.

غير از دمش های اپتيكی و الكتريكی، روش های ديگری هم برای دمش وجود دارند كه البته زياد مرسوم نيستند مثلاً در ليزرهای شيميايی از انرژی واكنش های شيميايی برای دمش استفاده می شود.

 

كاواک تشديدی لیزر co2

گفتیم که اگر در محيط بهره به واسطه دمش مناسب يك وارونگی جمعيت ايجاد شود آنگاه شرايط برای تقويت نور فرودی مهيا خواهد شد. اين مورد به تقويت كننده ليزری معروف است. در تقويت كننده ليزری حتماً نياز به يك نور فرودی داريم كه بخواهد تقويت شود.

در لیزر co2 نیز این کاواک وجود دارد.

اما اگر نور فرودی نداشته باشيم آيا ديگر نمی توان از اين محيط انتظار تابش و تقويت نور داشت؟

اگر محيط بهره را در داخل يک سيستم فيدبک و تشديدی قرار دهيم تابش خودبه خودی كه اتم های محيط بهره خواهند داشت می تواند در نقش نور فرودی ظاهر شود. اگر شرايط طوری باشد كه اين تابش خود به خودی بتواند رفت و برگشت های متوالی و در نتيجه عبورهای متوالی از محيط بهره داشته باشد رفته رفته تقويت شده و قوی و قوی تر می شود.

سيستمی كه بتواند اين كار را انجام دهد به سيستم تشديدی يا فيدبكی معروف است. در ساده ترين حالت، قرار دادن دو آينه در طرفين محيط بهره می تواند در نقش سيستم تشديدی رفتار كند. اين دو آينه نور گسيل شده خودبه خودی را به جای اينكه از دست برود از دوباره به داخل محيط فعال بر می گردانند و باعث تقويت چندگانه آن می شوند و اين كار تا زمانی كه فرايند تقويت اشباع شود ادامه پيدا می کند.

در اين حالت، قسمتی از نور تشديدی واقع در بين دو آينه (كه به آن كاواک تشديدی گفته می شود) از يكی از آينه ها (كه دارای عبور اندكی است) بيرون می آيد كه همان نور ليزری است.

پس، در يک ليزر، همه چيز از گسيل خود به خودی اوليه آغاز می شود و سيستم فيدبک يا تشديد (يا همان دو آينه واقع در چپ و راست محيط بهره) اين گسيل خود به خودي را مدام به داخل محيط بهره بازتاب می كنند تا اينكه آن را به واسطه گسيل القايی به طور مداوم تقويت كنند. اين نور تقويت شده در نهايت در شكل نور ليزری خارج می شود.

فرايند دمش نيز هميشه بايد در حال كار باشد كه بتواند بهره مناسب در محيط را حفظ كند و اگر اين دمش بخواهد قطع شود بهره و در نتيجه تقويتی هم در كار نخواهد بود.

 

وارونگی جمعيت بحرانی لیزر co2

اگر محيط بهره در داخل يک كاواک تشديد ليزری (دو آينه) قرار گيرد آنگاه خودِ كاواک تشديدی دارای اتلاف هايی خواهد بود. اين اتلاف ها در قالب فاكتوری به نام “ضريب كيفيت” ظاهر می شوند. اتلاف های موجود در داخل كاواک كه به نوعی باعث هدر رفتن انرژی دمش می شوند باعث می شوند كه صِرف داشتن يك وارونگی جمعيت دلخواه نتواند فرايند ليزری را استارت بزند.

چون وارونگی جمعيت باعث ايجاد يک بهره می شود و اگر اين بهره از اتلاف های درون كاواک كمتر باشد اتلاف ها به تقويت ها غلبه خواهند كرد و در نتيجه نوسان ليزری نخواهيم داشت. پس، وارونگی جمعيت ايجاد شده بايد تا حدی باشد كه بتواند تمام اتلاف های موجود در كاواک را جبران كند.

به كمترين وارونگی جمعيتی كه بتواند بر تمام اتلاف ها غلبه كند و يک بهره مثبت ايجاد نمايد وارونگی جمعيت بحرانی گفته می شود. وارونگی جمعيت بحرانی برای كار كردن يک ليزر خيلی مهم است مثلاً اگر يك ليزری كه بايد با برق 220 ولت كار كند را به برق 110 ولت بزنيد ديگر كار نخواهد كرد.

این شرط در تمامی لیزرها ازجمله لیزر co2 برقرار است.

درست است كه در هر دوی آنها شرط وارونگی جمعيت و بهره وجود دارد ؛ اما برای اولی شرط وارونگی جمعيت بحرانی نيز رعايت شده است ولی در دومی اين شرط رعايت نشده و به همين خاطر ليزر كار نخواهد كرد.

 

لیزرهای گازی ( لیزر co2 )

اولين ليزری كه اختراع شد يک ليزر حالت جامد بود (ليزر ياقوت سرخ) اما در همان اوايل دوران اختراع و پيشرفت ليزر، ليزرهای گازی پيشرفت بسيار زيادی كردند. يک محيط گازی مجموعه ای از اتم ها و مولكول ها است كه دارای حجم ثابتی نيست و نيروی خاصی هم بين اتم ها و مولكول ها وجود ندارد.

ساده ترين گاز نيز كه به گاز ايده آل معروف است از قانون عمومی گازهای ايده آل تبعيت می كند. يكی از مهم ترين خاصيت هایی كه گازها به عنوان محيط فعال ليزری دارند اين است كه همگن و يكنواخت هستند و قابل مقياس بندی (يعنی كم و زياد كردن) می باشند. قابليت تغيير فشار درون گاز و شكل دهی آن به صورت دلخواه از مزايای ديگر محيط های گازی به عنوان محيط فعال ليزری می باشد.

گازهای خنثی قادر به برآوردن شرايط لازم برای داشتن بهره ليزری و ايجاد تابش ليزری نيستند و در اكثريت قريب به اتفاق ليزرهای گازی، محيط گازی بايد از حالت خنثی در آمده و به صورت يونيزه شده در آيد. اين كار را می توان با ايجاد تخليه الكتريكی در گاز ايجاد كرد.

می توان به گازی كه دچار تخليه الكتريكی شده است لفظ پلاسما نيز اطلاق كرد كه در داخل آن اتم های خنثی، يون های مثبت و الكترون ها وجود دارند. اتم ها و مولكوهای داخل گاز می توانند دو نوع انرژی داشته باشند : انرژی درونی و  انرژی جنبشی

در حركات تصادفی كه اتم ها و مولكول های درون گاز دارند امكان برخورد و انتقال انرژی بين آنها ايجاد می شود. دو نوع برخورد می توان بين اتم ها و مولكول ها در نظر گرفت : برخوردهای كشسان و برخوردهای ناكشسان

در برخوردهای كشسان، انرژی درونی ذرات برخورد كننده بعد از برخورد عوض نمی شود ولی در برخوردهای ناكشسان انرژی درونی تغيير می كند.

در محيط های گازی، با ايجاد تخليه الكتريكی در گاز و در نتيجه آن ايجاد الكترون های آزاد و برخورد آنها با اتم ها و مولكول ها، وارونگی جمعيت ايجاد می شود. برخوردهايی كه بين الكترون ها و اتم ها و مولكول های گاز رخ می دهد از نوع ناكشسان است و باعث تحريک اتم ها و مولكول ها می گردد.

الكترون ها نقش بسيار مهمی در برخوردهای غيركشسان درون گاز دارند. اين الكترون ها هستند كه مسئول يونش و تحريک اتم ها و مولكول ها می باشند. دو پارامتر مهم و اساسی در الكترون ها وجود دارد كه نقش مهمی در برخوردها دارد. اين دو پارامتر چگالی الكترون ها ( ne ) و دمای آنها ( Te ) می باشند.

از آنجا كه جرم الكترون ها بسيار كوچک تر از جرم اتم ها و مولكول ها می باشد تحریک پذيری آنها بسيار بيشتر است و به همين دليل دمای خيلی بيشتری دارند. در يک تخليه الكتريكی معمولی دمای اتم ها و مولكول ها در همان حد دمای اتاق است ولی دمای الكترون های درون آن می تواند به هزاران كلوين هم برسد.

برای مثال يک لامپ مهتابی معمولی كه روشن است را در نظر بگيريد. اگر به اين لامپ دست بزنيد متوجه می شويد كه تا حد خيلی كمی گرم است ولی داغ نيست. اين در حالی است كه الكترون های درون آن دارای دمای چند ده هزار درجه كلوين هستند يعنی داغ تر از خورشيد!

حركت الكترون در داخل گازی كه دچار تخليه الكتريكی است وابسته به ميدان الكتريكی درون آن می باشد. الكترون می تواند از اين ميدان الكتريكی انرژی دريافت كند و قسمتی از اين انرژی را به واسطه برخورد غيركشسان با اتم ها و مولكول ها و تحريک آن از دست بدهد.

اگر ميدان الكتريكی درون گاز را با E و چگالی گاز را با N نمايش دهيم آنگاه نسبت E/N نقش مهمی در تاثير ميدان الكتريكی بر الكترون ها بازی می كند. از اين جهت است كه نسبت E/N كميت مهمی می باشد. كميت های بسيار مهمی همچون انرژی مشخصه الكترون درون پلاسما، شرط توازن يونی ، كنترل عملكرد ليزری و نيز سرعت سوق الكترونی به اين نسبت وابسته هستند.

معروف ترین لیزر گازی لیزر co2 می باشد که در ادامه به توضیح آن می پردازیم.

 

لیزر co2

ليزر co2 (دی اکسید کربن) يكی از اولين ليزرهايی است كه توسط کومار پاتل در سال 1964 در آزمايشگاه Bells Lab اختراع شد و امروزه يكی از پركاربردترين، مفيد ترين و فراوان ترين ليزرها می باشد. ليزر co2 پرقدرت ترين تابش پيوسته ليزری را در بين تمام ليزرهای موجود دارد.

بازدهی ليزر co2 (تبدیل انرژی برق به تابش لیزری) بسيار خوب است و تا ميزان 20 درصد هم می رسد (توان خروجی به توان دمش).

ليزر co2 تابشی در حوزه فروسرخ میانی دارد و در باندهايی با طول موج 9.6 و 10.6 میکرومتر تابش می كند . انواع مختلفی از ليزر co2 وجود دارد و دمش اكثر آنها بر اساس تخليه الكتريكی از نوع تابان استوار است.

تركيب گازی مناسبی از چندين گاز در يک محفظه لوله ای شيشه ای (تیوب لیزری) قرار می گيرد و با تخليه الكتريكی در آن، دمش و وارونگی جمعيت ايجاد شده و با استفاده از يک مشدد مناسب (دو آينه، یکی در ابتدا و دیگری انتهای تیوب لیزری) تابش ليزری از لیزر co2 گرفته می شود. معمولاً تركيب گازی در داخل ليزر co2 به شكل زير است:

گاز دی اكسيد كربن ( co2 ) بين 10 الی 20 درصد

گاز نيتروژن ( N2 ) بين 10 الی 20 درصد

گاز هيدروژن ( H2 ) و زنون ( Xe ) كه به ميزان چند درصد و معمولاً در نوع بسته ( Sealed ) استفاده می شود.

گاز هليوم ( He ) كه مابقی درصد گازی را تشكيل مي دهد.

در لیزر co2 البته از بين همه این گازها، فقط گاز co2 تابش ليزری دارد و ساير گازها برای بهينه سازی فرايند دمش و انتقال انرژی و پايدارسازی استفاده می شوند.

بر اساس اينكه تركيب گازی فوق چطور در لیزر co2 استفاده شود انواع مختلفی از ليزر co2 وجود دارد. در بعضی از ليزرها، تركيب گازی در داخل يک تیوب لیزری كاملاً بسته كه به هيچ وجه نمی توان گاز درون آن را دستكاری كرد قرار می گيرد. اين نوع ليزر به co2 Sealed laser يا لیزر co2 بسته و مهر و موم شده معروف است.

در بعضی ديگر از ليزرهای co2 تیوب لیزری از طريق كپسول های گازی حاوی گازهای فوق از طریق يک فلومتر مناسب تغذيه می شود. در اين ليزرها، تركيب گازی مناسب از يک سمت تیوب لیزری وارد می شود و از سمت ديگر خارج می گردد. به اين نوع ليزرها نيز لیزر co2 با شارش گازی يا Gas Flow co2 Laser گفته می شود.

در نوع ديگری از لیزر co2 ، شارش گازی به داخل تیوب لیزری با سرعت بسيار زياد و نزديک به سرعت صوت يا بيشتر از آن رخ می دهد كه به آن لیزر co2 با شارش سريع يا Fast Flow co2 Laser گفته می شود. در همه اين سه نوع ليزر co2 از دمش تخليه الكتريكی استفاده می شود.

نوع ديگری از ليزر co2 نيز وجود دارد كه دمش آن به صورت ديناميكی و مكانيكی است و به لیزر co2 ديناميک گازی يا Dynamic Gas co2 Laser معروف هستند. فشار نوعی تركيب گازی در داخل لوله شيشه ای شامل اين گازها می تواند از 10 تور تا 10 اتمسفر باشد. اين ميزان فشار به نوع دمش، نوع پيكربندی لیزر co2 و توان خروجی لیزر co2 بستگی دارد.

معمولاً در ليزرهای Sealed يا ليزرهایی كه دارای دمش راديوفركانسی هستند اين فشار در حد چند ده تور است.

مطالبی كه گفته شد كاملاً عمومی است ، اکنون به مکانیسم کاری لیزر co2 می پردازیم:

 

 

مكانيسم كاری ليزر co2 ساده و شناخته شده است. فرايند دمش و تابش در ليزر co2 شامل سه مرحله است كه به صورت زير می باشند:

1- در ليزر co2 ، برخوردهای الكترونی ناشی از تخليه الكتريكی (يعنی سيستم دمش) باعث تحريک حركات ارتعاشی مولكول نيتروژن می شود. از آنجایی که مولكول نيتروژن ( N2 ) يک مولكول متقارن است نمی تواند به خاطر اين ارتعاش انرژی خود را به صورت تابش از دست دهد (تابش دو قطبی نوسانی).

به همين خاطر نيتروژن نمی تواند انرژی دريافت شده از برخورد الكترونی را به صورت تابش نوری از دست دهد و از اين رو يک حالت فراپايدار دارد و مدت طولانی می تواند در تراز بالای ارتعاشی بماند .

2- برخورد مولكول های N2 با مولكول های co2 باعث می شود كه انرژی ارتعاشی مولكول نيتروژن به مولكول co2 به طريق برخوردی منتقل شود و اين مولكول به ترازهای ارتعاشی بالاتر تحريک شود. اين ترازهای بالاتر در حقيقت همان تراز انرژی بالای ليزر است و به همين خاطر يک وارونگی جمعيت شكل می گيرد.

3- انرژی مولكول های N2 به واسطه اين انتقال انرژی كاهش پیدا می کند. البته اندكی انرژی اضافی در داخل آنها باقی می ماند كه آن را هم اتم های هليوم دريافت می كنند و مولكول N2 از دوباره به حالت پايه می رسد. اتم های داغ هليوم هم توسط سيستم خنک سازی كه در ليزر وجود دارد سردسازی می شوند.

در ليزرهای Sealed اين خنک سازی با برخورد هليوم های داغ با ديواره لوله رخ می دهد ولی در ليزرهايی كه بر اساس شارش گازی كار می كنند اين خنک سازی با ورود تركيب گاز خنک و خروج گاز داغ انجام می شود.

4- مولكول های co2 هم كه به تراز بالای ليزری رسيده اند در گذار به تراز پايين از خودشان تابش الكترومغناطيسی كه همان ليزر است گسيل می كنند.

 

 

در شکل بالا انتقال منظم و متوالی در محیط  لیزر co2 و ارتعاشات احتمالی مولکول co2 نشان داده شده است.

 

ساخت ليزر co2 ساده است ولی ريزه كاری های خاص خودش را دارد. از آنجايی كه ليزر co2 داراي تابش فروسرخ میانی (نامرئی) است مواد و تجهيزات خاصی را برای ساخته شدن لازم دارد. آينه های ليزر co2 از نقره و پوشش نقره ای بايد ساخته شوند ولی پنجره ها و عدسی ها بايد از ژرمانيوم (Ge) يا سلنيد روی ( ZnSe ) ساخته شوند.

در ليزر co2 پرقدرت بهتر است كه از آينه طلا يا روكش طلا استفاده شود. حتی می توان از پنجره ها يا عدسی هايی از جنس الماس نيز استفاده كرد. البته اين پنجره ها و عدسی ها بسيار گران قيمت هستند ولی رسانش گرمايی و سختی فوق العاده خوب آنها باعث می شود كه در ساخت ليزر co2 پرقدرت بسيار مفيد باشند.

البته در گذشته از بعضی از نمک ها مثل NaCl و KCl نيز برای ساخت عدسی ها و پنجره های اين ليزر استفاده می شد ولی در حضور رطوبت هوا آسيب می دیدند.

ساده ترين پيكربندی ليزر co2 شامل يک تیوب لیزری سربسته كه تركيب گازی مناسب در داخل آن قرار دارد می باشد كه در يک سمت آن يک آينه كامل با بازتاب 100 درصد و در سمت ديگر يک آينه با عبور مناسب (كه معمولاً با پوششی از ZnSe پوشانده شده است) قرار دارد. اين گاز تحت تخليه الكتريكی (چه به صورت طولی و چه به صورت عرضی) قرار می گيرد تا تحريک شود و وارونگی جمعيت شكل بگيرد.

بازتاب آينه خروجی بين 5 تا 15 درصد است (يعنی دارای عبور خوب است). در ليزر co2 پرقدرت، از جفت شدگی لبه ای استفاده می شود تا مشكلات ناشی از گرمايش محيط بهره كاهش يابد.

ليزر co2 را می توان طوری طراحی كرد كه تابش پيوسته از توان های چند ميلی وات تا چندصد كيلووات داشته باشد. البته به راحتی با داشتن افزاره های لازم می توان اين ليزر را در حالت سوئيچ Q نيز قرار داد و تابش های ليزری پالسی كه تا توان های چندين گيگاوات هم می رسد استخراج كرد.

استفاده از روش منشور يا آينه چرخان و يا استفاده از يک سوئيچ الكترواپتيكی برای اجرای سوئيچ Q در اين ليزرها به سادگی قابل انجام می باشد.

ترازهای انرژی در ليزر co2 در واقع باندهای انرژی ارتعاشی-چرخشی مولكول خطی دی اكسيد كربن هستند. به همين خاطر تابش های ليزری با طول موج های متنوعی می توان برای اين ليزر متصور شد. با استفاده از افزاره های گزينش و تنظيم طول موجی مثل توری پراش يا اتالون فابری پرو می توان خروجی ليزر را در مقدار مناسب كوک كرد. (گزینش مدی)

روش كار به اين شكل است كه با گذاشتن يک توری پراش مناسب در داخل مشدد ليزری و چرخاندن آن به راحتی می توان خروجی ليزری را روی طول موج خاصی (البته در بازه قابل قبول) كوک و تنظيم كرد.

ليزر co2 كاربرد بسيار زيادی در صنعت دارد، مخصوصاً زمانی که به صورت پرتوان و پرقدرت باشد كاربردهای آن نيز زياد می شود. ليزرهای پرتوانی از اين نوع در برشكاری و جوشكاری كاربرد دارند ولی توان های كمتر از آن می توانند در حكاكی نيز استفاده شوند.

ليزر co2 در انجام عمل های جراحی بسيار مناسب است چون نور آن توسط آب و سلول های زنده و بافت بدن به راحتی جذب می شوند. از كاربردهای ليزر co2 در پزشكی می توان به عمل های زيبايی صورت و پوست اشاره كرد.

حتی دانشمندانی مشغول استفاده از ليزر co2 برای جوش دادن بافت ها به هم هستند كه شايد بتوان آن را جوشكاری بافت های زنده با ليزر نيز نامگذاری كرد. پس بايد دقت داشت كه به خاطر تابش فروسرخی كه ليزر co2 دارد و اين تابش توسط آب درون سلول ها و بافت ها جذب می شود ليزر co2 كاربردهای خوب و پرآتيه ای در پزشكی دارد.

از طرف ديگر، يكی از انواع پليمرهای معروف به نام پلی متيل متاكريلات (پلاستيک معمولی) نيز جذب خوبی در طول موج تابشی ليزر co2 دارد و به همين خاطر می تواند در پرداختكاری چنين موادی مخصوصاً در حوزه جديد ميكروسيالات جهت ايجاد كانال های ميكرومتری (مثل آوندهای گياهان كه آب را از كانال های ميكرونی به قسمت های مختلف گياه می برند) كاربرد داشته باشد.

از طرف ديگر، هوای اطراف ما و جو زمين نسبت به تابش ليزر co2 بسيار شفاف است و در حين انتشار در آن جذب يا پراكنده نمی شود. به همين خاطر، ليزر co2 در فاصله ياب های نظامی و نيز فرايندهای دورسنجی مانند ليدارها كاربرد زيادی دارد.

ليدار دستگاهی است كه از دور می تواند كارهای تشخيصی مثل تشخيص آلودگی های جوی و يا فاصله سنجی از سطح زمين و .. را انجام دهد . ليدار در واقع اختصار چند كلمه انگليسی به صورت (Light Detection And Ranging) كه به شكل LIDAR نوشته می شود و می تواند در ساخت اسكنرهای سه بعدی كه پستی بلندی های سطوح بزرگ (مثل سطح شهر يا كشور) را به تصوير می كشند بسيار مناسب باشد .

 

كاربرد ليزر co2 پرتوان در برشكاری شيشه

يكی از كاربردهای ليزر co2 در برشكاری شيشه است. شيشه ماده سختی است كه فقط با تيغه هايی از جنس الماس خش بر می دارد و بريده می شود.

فرآوری شيشه و شيشه جات با ليزر معمولاً در حالت فرساب ليزری (Laser Ablation) انجام می شود و اين روش دارای مزايای زيادی می باشد مثلاً با اين روش می توان روی نوع فرآوری و نيز دقت و رزولوشن طولی و عرضی پرداخت كاری دقت بسيار زيادی را اعمال كرد.

فرساب ليزری بر روی شيشه شامل تاباندن پالس ليزری قوی از co2 به شيشه و در پی آن گرمايش و تبخير موضعی سطح شيشه می شود. مخصوصاً با ليزر گازكربنيک با سوئيچ Q می توان به راحتی عمل خش اندازی روی شيشه و حکاکی و يا تراش آن و نيز برشكاری شيشه را به راحتی انجام داد.

البته به خاطر اينكه چنين ليزرهای مرسومی غالباً دارای توان متوسط كمتر از 50W هستند انجام اين كار معمولاً با محدوديت هايي همراه است. با ارتقاء كيفيت ليزر co2 و افزايش توان آن به بالاتر از 100 وات می توان پرداخت كاری شيشه را به خوبی انجام داد.

با داشتن چنين ليزرهايی می توان آن را روی سيستم اسكنری مناسب (مثل دستگاه CNC يا Computer Numerical Control) نصب كرد و كار خش اندازی روی شيشه و برشكاری آنها را انجام داد.

معمولاً با استفاده از يک عدسی همگرای مناسب با فاصله كانونی در حدود 20 سانتی متر می توان شدت ليزر را بسيار افزايش داد. در حين برشكاری لازم است كه از يک سيستم زدايش مناسب (دمنده) استفاده كرد تا بتواند براده و خورده شيشه هايی كه توليد می شود را از محل برش دور كند تا مانع از پخش آنها در هوا و ايجاد خطر برای كاربر شود.

تابش ليزر co2 روی سطح شيشه ای تابيده می شود و باعث گرمايش موضعی آن و رسيدن به دمای تبخير می شود. همين كار باعث می شود كه تبخير و فرساب محلی رخ دهد و روی شيشه پرداختكاری و تراش اتفاق بيفتد.

برای رسيدن به ليزر co2 پرتوان بايد از قطعات اپتيكی (مثل آينه، پنجره ها و توری های پراش) استفاده كرد كه تحمل توان های بالا را داشته باشند و دارای كيفيت بالايی هم باشند. همچنين می توان از سوئيچ Q برای رسيدن به پالس های ليزری قوی استفاده كرد.

 

مكانيسم كاری ليزر co2

 

حالت های ارتعاشی مولکول co2 :

a) شکل خطی

b) کششی نامتقارن

c) خمشی دوگانه

d) کشش متقارن

 

مولكول گاز كربنيک يک مولكول سه اتمی خطی است . اتم های اين مولكول می توانند سه نوع ارتعاش داشته باشند كه به ارتعاش كششی متقارن، ارتعاش خمشی و ارتعاش كششی نامتقارن معروف هستند. مد خمشی دارای تبهگنی دوگانه است به اين معنا كه به دو روش می تواند ايجاد گردد.

هركدام از اين ارتعاش ها دارای فركانس طبيعی خاص خودشان هستند كه آنها را می توان به ترتيب با ν1 ،ν2 و ν3 مشخص كرد. يک مولكول co2 همزمان می تواند هر سه نوع از ارتعاش را داشته باشد كه طبق اصل برهمنهی اين موضوع هيچ مشكلی ندارد.

طبق اصول مكانيک كوانتومی نيز ارتعاشات مكانيكی به شكل كوانتيزه هستند و دارای عدد كوانتومی ارتعاشی می باشند. با اين تفاسير می توان حالت ارتعاشی يک مولكول co2 را بسته به اينكه دارای چه تركيب ارتعاشی و با چه عددهای كوانتومی است با نماد co2(V1,V2,V3) مشخص كرد.

مثلاً منظور از (1,0,0)co2 اين است كه فقط دارای ارتعاش كششی متقارن است و منظور از (2,0,1)co2 اين است كه هم دارای ارتعاش كششی متقارن و هم ارتعاش كششی نا متقارن است و تعداد كوانتومي های ارتعاش متقارن آن 2 و تعداد كوانتوم ارتعاش نا متقارن آن 1 است.

از آنجايی كه ارتعاش خمشی دارای تبهگنی دوگانه است بايد سهم هركدام از آنها را هم در اين نمايش مشخص كرد. مولكول co2 غير از حركت ارتعاشی می تواند حركت چرخشی هم داشته باشد و در واقعيت حركت چرخشی با حركات ارتعاشی تركيب می شود و تشكيل حركات ارتعاشی-چرخشی می دهد .

اعداد كوانتومی چرخشی را هم معمولاً با J مشخص می كنند و قاعده گزينش برای گذار بين ترازهای چرخشی به صورت0,±1=J∆ است. به گذارهای 1=J∆ شاخه P گفته می شود، به گذار 0=J∆ نيز شاخه Q و به گذار -1=∆J هم شاخه R اطلاق می گردد.

ليزر co2 بر اساس گذار بين ترازهای انرژی ارتعاشی-چرخشی كار می كند و در آن گذارهای الكترونی نقشی ندارند. تحريک ترازهای انرژی مولكول co2 با برخوردهای مستقيم الكترونی دارای بهره خوبی است ولی بهتر است كه از گازهای كمكی ديگر نيز در محيط بهره آن استفاده كرد.

گازهای كمكی كه به اين منظور استفاده می شوند شامل گاز N2 و گاز He می باشند. مولكول N2 نقش بسيار مهمی در دريافت انرژی الكترون های برخودی و تحويل آنها به مولكول co2 دارد و به عبارت ديگر نقش اساسی در دمش ليزر co2 را ايفا می كند. گاز هليوم نيز نقش خنک سازی را دارد. نسبت بين گازهای co2:N2:HE معمولاً به شکل 1:1:3 تا 1:1:8 می باشد.

گذار لیزری در لیزر co2 بین تراز ارتعاشی (001) و (100) رخ می دهد که طول موج 10.6 میکرومتر را گسیل می کند. امکان گذار لیزری بین تراز (001) و (020) با طول موج 9.6 میکرومتر نیز وجود دارد.

در ليزر co2 چهار تراز انرژی درگير هستند و ظاهراً يک ليزر چهار ترازی است ولی از يک ليزر چهار ترازی ايده آل كه در آن تراز دمش بتواند گذار سريع و غيرتابشی به تراز بالای ليزری داشته باشد فاصله دارد. به همين خاطر شايد بهتر باشد كه اين ليزر را يک ليزر شبه سه ترازی در نظر گرفت هرچند كه در آن چهار تراز انرژی درگير مسئله می باشند .

تراز دمش كه همان تراز بالای ليزری است تراز 001 است.

تحریک مولكول co2 به اين تراز از دو روش بسيار مهم و پربازده صورت مي گيرد:

برخوردهای مستقيم الكترونی

انتقال تشديدی انرژی از مولكول N2 به مولكول co2 .

در روش برخورد الكترونی، الكترون های ناشی از تخليه الكتريكی درون گاز با مولكول co2 واقع در حالت پايه برخورد می كنند و باعث تحريک آن به تراز بالای ليزری می شوند كه معادله آن به صورت زير است:

co2(000)+e —> co2(001)+e

در روش انتقال انرژی از N2 به co2 نيز ابتدا مولكول های N2 توسط برخورد الكترونی از تراز پايه ارتعاشی 0 به تراز برانگيخته ارتعاشی 1 تحريك می شوند. اين تراز خيلی به تراز 001 مولکول co2 نزديک است هرچند به اندازه بسيار كوچک با آن فاصله دارد. هر دوی اين روش ها سهم بسيار بالايی در دمش ليزر co2 دارند.

ملاحظات مربوط به سطح مقطع گسيل و نيز طول عمر ترازهای انرژی در مولكول co2 بيان می كند كه از بين گذارهای متعددی كه بين ترازهای انرژی اين مولكول می تواند رخ دهد فقط گذارهای 001 به 100 با طول موج 10.6 میکرومتر و 001 به 020 با طول موج 9.6 میکرومتر محتمل می باشند.

البته گذار 001 به 100 دارای احتمال و سطح مقطع بيشتری است و به همين خاطر گسيل اكثر ليزرهای co2 در طول موج 10.6 میکرومتر می باشد. هرچند با به كارگيری روش های مناسب گزينش طول موجی می توان ليزر co2 را در طول موج 9.6 میکرومتر نيز به تابش در آورد.

اگر تراز 001 مولکول co2 را بخواهیم بازتر کنیم آنگاه ترازهاي چرخشی آن نيز ديده می شوند. هركدام از اين ترازها كه همان ترازهای ارتعاشی-چرخشی هستند دارای احتمال اشغال و شانس داشتن جمعيت می باشند. گذار از ترازی که پرجمعیت تر است اتفاق می افتد.

گذاری که به صورت 001 به 100 است تغییر عدد کوانتومی چرخشی از J=21 به J=22 را به همراه دارد یعنی تغییرات J برابر 1 می باشد که همان شاخه P است و به آن P(22) هم گفته می شود.

شرکت اپتیک پرداز در زمینه تعمیر و نگهداری ، فروش قطعات و مشاوره در حوزه لیزرهای co2 خدمات تخصصی خود را به شما ارایه می دهد.

جهت آشنایی با قطعات یدکی لیزر co2 و خرید و مشاوره به سایت اپتیک پرداز مراجعه کنید.