تبلیغات
فیزیک - تئوری ساخت لیزر گازی co2 (قسمت اول)
 
فیزیک
درباره وبلاگ


هر چیزی كه از فیزیك می خوای بدونی اینجا پیدا می كنی .

مدیر وبلاگ : سوسن
نویسندگان
نظرسنجی
بیشتر به دنبال چه مطالبی می گردید ؟؟؟








آمار وبلاگ
  • کل بازدید :
  • بازدید امروز :
  • بازدید دیروز :
  • بازدید این ماه :
  • بازدید ماه قبل :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :

وقتی 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 ...

بقیه مقاله در ادامه مطلب


اصول كلی تابش لیزر:

وقتی كه الكترون در یكی از مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار داردهیچ انرژی توسط اتم ساتع نمی شود . هر یك از این مدار های مجاز به یك تراز انرژی معین یا حالت انرژی معین مربوط می شوند. الكترونها و اتم ها با حركت از یك مدار با انرژی بالاتر (دور تر از هسته) به یك مدار با انرژی كمتر ( نزدیكتر به هسته ) ، انرژی از دست می دهند. این انرژی به صورت یك فوتون با انرژی است.
در اتمها مدارهای مجزا و متعددی وجود دارد و بنابر این انتقالات مختلفی ممكن اسن انجام شود . از این رو یك اتم انرژی های مختلفی را می تواند گسیل كند . به طور كلی هر اتم تمایل دارد در حالت انرژی های پایین تر قرار گیرد از این رو برای ایجاد طیف اتمی الكترونها را با تحریك كردن به تراز های بالاتر میفرستند. این عمل در لوله های تخلیه و به كمك حرارت یا برخورد الكترونهای دیگر و یا به كمك تابش با طول موجهای مناسب انجام پذیر است. هر طول موجی كه توسط اتم در حال تحریك گسیل شود، میتواند توسط آن وقتی كه در تراز های پایین انرژی قرار دارد جذب شود . البته انرژی فوتون های برخورد كننده باید خیلی نزدیك به اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی اتم درگیر باشد. این حالت را جذب تشدیدی می گویند.
اگر اتم در یك تراز پایین تر تحت تابش با فركانس  قرار بگیرد ، احتمال بسیار زیادی وجود دارد كه اتم با جذب این فوتون تحریك شده و به تراز بالاتر برود. این فرآیند را جذب برانگیخته می گویند.
اتم بلافاصله (چند نانو ثانیه) بعد از تحریك شدن به تراز بالاتر انرژی می رود و با گسیل فوتونی با انرژی به تراز پایین انرژی باز می گردد . فرآیند گسیل پرتو می تواند به دو صورت خود به خودی یا تحریكی انجام شود.
دو نكته در رابطه با گسیل تحریكی وجود دارد :
1 - فوتونی كه با گسیل برانگیخته تولید می شود دارای همان انرژی و فركانس فوتون تحریك كننده است
2 - امواج نوری مربوط به هر دو فوتون هم فازند و دارای پولاریزاسیون مشابه هستند
به این معنی كه در اتمی كه به صورت برانگیخته مجبور به تابش نوری می شود ، موجی كه باعث ایجاد فرآیند شده به فوتون اضافه می شود به طوری كه یكدیگر را تقویت می كنند و دامنه های آنها افزایش میابد . پس ما امكان تقویت نور به وسیله گسیل های تحریكی تابش را خواهیم داشت.
تابش های تحریك شده همدوس هستند. یعنی همه امواج سازنده چنین تابش هایی هم فاز هستند .
این فرایند با گسیل خود به خودی تفاوت اساسی دارد. چون در آنجا اتمها كاملا به صورت اتفاقی كسیل می كنند  به طوری كه رابطه خاص فازی بین امواج وجود ندارد و اینگونه تابش ها غیر همدوس هستند.
 
 
دمش:
فرآیند تحریك ماده لیزریبرای تغییر تراز و آزاد كردن انرژی را دمش می گویند. عمل دمش از طریق چندین راه امكان پذیر است از قبیل : دمش اپتیكی – دمش به كمك تخلیه الكتریكی – دمش به كمك آزاد كردن انرژی شیمیایی .
با توجه به لیزر های متفاوت و نوع ماده لیزری از روش های متفاوت دمش استفاده می شود. به طو ر مثال در لبزر های گازی مانند لیزر CO2 از روش تخلیه الكتریكی استفاده می شود.
 
 
 
 
تشدید كننده های نوری:
برای داشتن پرتو خروجی از لیزرها و انرژی بهینه و با توان بالا نیاز داریم كه پرتو های تحریك كننده جهت تحریك ماده لیزری و افزایش انرژی را تقویت كنیم.
در بیشتر حالات تقویت كلی توسط قرار دادن آینه هایی با درصد بازتابش بالا در دو انتهای كاواك لیزر انجام می شود . پرتوی نوری بیش از حدود 100 بار بین دو اینه رفت و برگشت می كند و به این ترتیب طول موثر ماده افزایش می یابد. آینه ها تشكیل یك كاواك نوری یا تشدید كننده می دهند و به همراه ماده فعال لیزری یك نوسان كننده می سازند . آینه ها در اصل مانند یك بازخور نوری از ماده تقویت كننده عمل می كنند. اساسا گسیل خود به خودی یك تغییر كوچك در فركانس عبوری از ماده ایجاد می كند و آن را به دلیل گسیل برانگیخته تقویت می كند.
در برخورد با آینه های انتهایی اكثر انرژی به داخل كاواك باز می گردد . این نور تقویت شده مجددا با برخورد به آینه دیگر بیشتر تقویت می شود و این <رایند مدام تكرار می شود. این تغییرات تااین نوسانات به یك حالت پایدار برسند افزایش می یابد . در این حالت رشد دامنه امواج داخل كاواك افزایش می یابد و هر انرژی كه به دلیل گسیل برانگیخته ظاهر میشود به عنوان خروجی لیزر منظور می گردد.
تا اینجا فرض بر این بود پرتوهایی كه بین دو آینه رفت و برگشت می كنند موازی هستند . ولی در واقع اینطور نیست. به دلیل اثرات پراش در لبه آینه ها یك باریكه كاملا موازی نمی تواند با اندازه محدود ابقا شود چون بخشی از تابش از كناره های آینه ها پخش می شود و این اتلاف ها در اثر پراش را می توان با استفاده از آینه های مقعر و در عمل با آینه های با انحنای متفاوت و شكل های مختلف، بسته به نوع لیزر ، كاهش داد. به اینگونه سیستم ها كاواك پایدار گفته می شود.
برخی از سیستمهای كاواك پایدار در شكل زیر نشان داده شده است.
 
 

 
كاواكهای پایدار علاوه بر پایدار نگه داشتن پرتو ویژگی دیگری نیز دارند و آن تنظیم خروجی لیزر است. این عمل به سادگی و با تغییر فاصله آینه ها و بدین ترتیب با تغییر دادن مقدار تابش در طرف آینه كوچكتر كه خروجی لیزر را می سازد ممكن خواهد بود.
لیزر های واقعی :
در قلب هر لیزر ماده فعالی وجود دارد كه باعث ایجاد خروجی لیزر در باریكه ای از طول موجها است.در حقیقت لیزر ها با نام ماده فعال آنها شناخته می شوند. به طور كلی ماده های متفاوتی به عنوان ماده فعال لیزری مورد استفاده قرار می گیرد. به طور مثال اولین لیزر در سال 1960 با استفاده از كریستال صورتی یاقوت ساخته شد.
امروزه تعداد و انواع مواد استفاده شده به عنوان ماده فعال لیزری افزایش یافته است به طوری كه انسان احساس می كند از هر ماده ای میتواند با استفاده از روش دمش خاص برای لیزر استفاده كند.
به طور كلی لیزر ها را با توجه به نوع ماده فعال آن ها به چهار دسته اصلی تقسیم می كنند:
 
1 - لیزر های آلائیده شده با عایق
2 - لیزر های نیمه هادی
3 - لیزر های گازی
4 - لیزر های رنگ
 
در اینجا به برسی لیزر های گازی می پردازیم.
 
لیزر های گازی:
 
لیزر هایی را كه ماده فعال آنها گاز است ، لیزر های گازی می گویند . لیزر های گازی معمولا حجیم هستند و و هر چه پر قدرت تر باشند ، اندازه آنها بزرگتر خواهد بود.
نكته مفید در رابطه با لیزر های گازی این است كه از آنجا كه گازها بسیار یكنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، می توان برای پر كردن و خنك نمودن آنها از یك مدار بسته استفاده كرد.
از آنجا كه اتمها خطوط جذبی بسیار باریكی در گازها دارند ، تقریبا تقریبا غیر ممكن است بتوان به كمك دمش نوری در آنها انرژی آزاد كرد. بنابر این در لیزر های گازی از روش دمش تخلیه الكتریكی استفاده می شود.
لیزر های گازی خود به سه دسته تقسیم می شوند:
1- لیزر های اتمی
2- لیزر های یونی
3- لیزر های مولكولی
 
با توجه به به نوع لیزر ، گزار لیزری بین دو تراز انرژی اتم و یو ن یا مولكول به وقوع می پیوندد.
یكی از مهمترین انواع لیزر های گازی، لیزر مولكولی CO2 است .
 
لیزر CO2 (دی اكسید كربن ) :
 
لیزر CO2 از مهمترین لیزر ها در نوع خود است و از نظر كاربرد فنی آن را در زمره مهمترین لیزر ها دسته بندی می كنند. این لیزر با كارایی بالا (30%) و توان خروجی زیاد و پیوسته حدود چندین كیلو ولت ساخته می شود .
لیزر های دی اكسید كربن كاربرد های زیادی در زمینه های مختلف از جمله جوشكاری ، برش استیل ، الگوبری ، جوش هسته ای و كاربردهای متنوع نظامی دارند.
 
عملكرد لیزر های CO2 در تولید پرتو :
 
تحریك مولكول های CO2 در دو مرحله انجام می گیرد. در لیزر های CO2 از گاز نیتروژن به عنوان گاز كمكی به منظور تحریك استفاده می شود. بعضی تراز های نیتروژن كه كاملا نزدیك به ترازهای CO2 هستند به راحتی در تخلیه الكتریكی دمش می شوند . وقتی نیتروژن تحریك شده به اتمهای  CO2 كه در حالت پایه قرار دارند برخورد كند ، ممكن است انرژی خود را به انها بدهد و آنها را تحریك كند و به تراز تحریكی مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهای نیتروژن و CO2 دقیقا بر روی هم منطبق نیستند ولی اختلاف آنها خیلی كم است .این اختلاف با انرژی جنبشی اتمها در تبادل انرژی تقریبا جبران می شود. اتمهای CO2 تحریك شده با بازگشت به تراز خود انرژی آزاد كرده و یك فوتون ایجاد میككند كه این فوتون دارای طول موجی بین 9.2 تا 10.8 میكرون است و قوی ترین طول موج آن طول موج 10.6 میكرون می باشد.
فوتون آزاد شده با توجه به جهت میدان الكتریكی كه از آنود به كاتود است به طرف آینه حركت می كند و با برخورد به آینه ای كه در سمت آنود قرار دارد منعكس شده با برخورد مجدد به مولكول های CO2 آنها را تحریك كرده و یك فوتون دیگر آزاد می كند .
این دو فوتون با برخورد مجدد به آینه ها و بازتابش خود فوتونهای بیشتری ازاد می كنند و این عمل تا آنجا ادامه می یابد كه روند تولید فوتون به یك مقدار پایدار برسد كه در آن موقع خروجی بهینه لیزر آغاز می شود . لازم به ذكر است كه قبل از رسیدن به حد آستانه نیز از لیزر پرتو هایی خارج می شود كه به دلیل ضعیف بودن قرت چندانی ندارد و ناكارامد است.
 
دمش به روش تخلیه الكتریكی :
 
همان طور كه بحث شد تحریك در لیزر های CO2 طی دو مرحله است كه ابتدا تحریك نیتروژن انجام می شود.
در لیزر های CO2 تحریك به كمك تخلیه الكتریكی با ولتاژ های بالا انجام می شود. كاواك لیزر دارای كاتد و آندی از جنس آلومینیوم است . با اعمال ولتاژ بالا در قسمت كاتد ، الكترون های مربوط به لایه سطحی آلومینیوم و یا الكترونهای مربوط به اكسید روی سطح كاتد جدا شده و در جهت میدان الكتریكی به سمت آند حركت می كنند و در مسیر خود به اتم های نیتروژن برخورد كرده و آنها را تحریك می كنند و به تراز های بالاتر انرژی می فرستند. اتمهای نیتروژن نیز در بازگشت به تراز های قبلی خود انرژی خود را به مولكول های CO2 منتقل می كنند و ان ها را تحریك می نمایند و به همین روند پرتو ها تقویت شده تا خروجی لیزر آغاز گردد.
 
 
انواع لیزر های CO2 :
 
1 - لیزر با لوله بسته
2 - لیزر با جریان گاز
3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA )
 
1 - لیزر با لوله بسته
 
در این گونه لیزر ها گاز CO2 و نیتروژن در لوله های تخله قرار دارند. مشكلی كه برای این لیزر ها وجود دارد این است كهدر جریان تخلیه الكتریكی مولوكول های CO2 به CO تبدیل می شوند . این واكنش خیلی سریع است و اگر تمهیداتی به كار گرفته نشود ، عمل لیزر پس از چند دقیقه متوقف می شود.
یكی از راهها این است كه هیدروژن یا بخار آب به مخلوط گاز اضافه كنیم تا با تركیب مجدد CO را به CO2 تبدیل كند.
سرد كردن گاز در این گونه لیزر ها از دیگر مشكلاتی است كه می تواند توان لیزر را به 100 وات محدود كند .طرح های لوله بسته خیلی مرسوم نیستند ولی در طرح حای موجبر ب كار برده می شوند . در موجبر ها ابعاد داخلی لوله كوچك (در حد میلیمتر ) است و موجبر دی الكتریك را به وجود می آورد . كیفیت پرتوی عالی و خروجی نسبتا زیاد با توجه به قطر های كوچك لوله بدست می آید .
تحریك به كمك میدان الكتریكی قوی یا میدان RF كه به داخل ماده موجبر هدایت می شود انجام می گیرد.
لیزر با لوله بسته
 
لیزر موجبر
 
 
 
2 - لیزر های با جریان گاز:
 
دو مشكل تجزیه CO2 و سرد كردن گاز را می توان با حركت دادن گاز در سر تا سر لوله برطرف كرد .در طرح های ساده جریان گاز و تخلیه الكتریكی هر دو در سر تا سر لوله لیزر انجام می شود. اگر اقدامی برای تبدیل گاز انجام نشود ، گاز باید به طور مداوم به بیرون جریان یابد. ولی از آنجا كه فشار گاز پایین است مقدار گاز مصرفی زیاد نخواهد بود. توان خروجی ین لیزر ها به طور خطی با افزایش طول لوله افزایش می یابد . حدود 60 وات به ازای هر متر . ولی برای توان های بیشتر از چند كلیو ولت به طول های بزرگ نیاز داریم .
 
 
افزایش ماكزیمم توان خروجی ، با جریان عرضی و سریع ممكن خواهد بود .تخلیه الكتریكی را نیز می توان هم جهت با جریان گاز انجام داد . این طرح امكان توان تا حدود ده ها كیلو ولت و به صورت مداوم را ممكن می سازد . خروجی های بیشتر نیز امكان پذیر است اما ابعاد بزرگ لیزر و منابع تغذیه مورد نیاز ، كاربرد آِن را در صنعت با مشكل رو برو می كند.
 
 
3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA ):
 
تا كنون برای افزایش توان خروجب لیزر CO2 طول تیوپ و سرعت جریان گاز را افزایش دادیم . اما یك راه دیگر برای افزایش توان لیزر افزایش فشار است .
متاسفانه با افزایش فشار به ولتاژ های بزرگی برای تخلیه الكتریكی و تحریك دی اكسید كربن نیاز است و تجهیزات مورد نیاز عظیم می باشد . لذا در این روش تخلیه در لوله های به طول چند متر مشكل خواهد بود . از طرفی تخلیه الكتریكی عرضی برای حدود 10 میلیمتر یا این حدود قابل قبول تر است . عمل لیزر به طور مداوم به دلیل عدم پایداری تخلیه در فشار های بالاتر از 100 میلیمتر جیوه مشكلاتی به همراه خواهد داشت .بنابر این لیزر های با فشار گار بالا باید به صورت ضربانی كار كنند و به صورت عرضی تخلیه شوند .چنین لیزر هایی با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ، (TEA) نامیده می شوند . گرچه فشار گاز ممكن است متغیر و حدود چند اتمسفر باشد ،اما توسط این لیزر ها می توان ضربان هایی با توان بالا و دوره های حدود 50 نانو ثانیه و با انرژی 100 ژول به دست آورد .
در فشار های خیلی بالا و حدود 10 اتمسفر ، بخورد های مولكولی باعث پهن كردن خطوط طیف لیزر شده و تنظیم لیزر را روی طول موج های مختلف مقدور می سازد.
 




نوع مطلب : فیزیک نور و اپتیک، 
برچسب ها :

       نظرات
یکشنبه 28 مرداد 1386
سوسن