فرهنگ و تاريخ | سرگرمي | نيازمنديها | مذهبي | اقتصادي | خانواده و اجتماع | هنر | اخبار | ورزش | کامپيوتر | گردشگري | صنعت و دانشگاه | صفحه اصلي

صفحه اول بخش فيزيک
دانشگاه ها و اساتيد فيزيک
آموزش علوم رشته فيزيک
آموزش نرم افزارهاي فيزيک
آموزش آزمايشهاي فيزيک
پروژه هاي تحقيقاتي فيزيک
مراکز تحقيقاتي بخش فيزيک
آشنايي با متخصصين فيزيک
بانک مقالات رشته فيزيک
رده بندي سايتهاي فيزيک
پايان نامه هاي دانشجويي
مجلات و نشريات شيمي
گالري عکسهاي فيزيک
 
 

عنوان: تئوري ساخت ليزر گازي co2

نويسنده: سعيد سيوف جهرمي                 ايميل: saeed@cloudysky.ir

منبع اطلاعاتي: www.cloudysky.ir

عکس
 

 

گالري تصاوير

 

مطالب مرتبط 1

 

مطالب مرتبط 2

 
 
 

 اصول كلي تابش ليزر:

وقتي كه الكترون در يكي از مدارهاي مجاز يا حالت پايه قرار داردهيچ انرژي توسط اتم ساتع نمي شود. هر يك از اين مدار هاي مجاز به يك تراز انرژي معين يا حالت انرژي معين مربوط مي شوند. الكترونها و اتم ها با حركت از يك مدار با انرژي بالاتر (دور تر از هسته) به يك مدار با انرژي كمتر ( نزديكتر به هسته ) ، انرژي از دست مي دهند. اين انرژي به صورت يك فوتون با انرژي است.

 


در اتمها مدارهاي مجزا و متعددي وجود دارد و بنابر اين انتقالات مختلفي ممكن اسن انجام شود. از اين رو يك اتم انرژي هاي مختلفي را مي تواند گسيل كند. به طور كلي هر اتم تمايل دارد در حالت انرژي هاي پايين تر قرار گيرد از اين رو براي ايجاد طيف اتمي الكترونها را با تحريك كردن به تراز هاي بالاتر ميفرستند. اين عمل در لوله هاي تخليه و به كمك حرارت يا برخورد الكترونهاي ديگر و يا به كمك تابش با طول موجهاي مناسب انجام پذير است. هر طول موجي كه توسط اتم در حال تحريك گسيل شود، ميتواند توسط آن وقتي كه در تراز هاي پايين انرژي قرار دارد جذب شود. البته انرژي فوتون هاي برخورد كننده بايد خيلي نزديك به اختلاف انرژي بين دو تراز انرژي اتم درگير باشد. اين حالت را جذب تشديدي مي گويند.
اگر اتم در يك تراز پايين تر تحت تابش با فركانس قرار بگيرد ، احتمال بسيار زيادي وجود دارد كه اتم با جذب اين فوتون تحريك شده و به تراز بالاتر برود. اين فرآيند را جذب برانگيخته مي گويند.
اتم بلافاصله (چند نانو ثانيه) بعد از تحريك شدن به تراز بالاتر انرژي مي رود و با گسيل فوتوني با انرژي به تراز پايين انرژي باز مي گردد. فرآيند گسيل پرتو مي تواند به دو صورت خود به خودي يا تحريكي انجام شود.
دو نكته در رابطه با گسيل تحريكي وجود دارد :
1 - فوتوني كه با گسيل برانگيخته توليد مي شود داراي همان انرژي و فركانس فوتون تحريك كننده است
2 - امواج نوري مربوط به هر دو فوتون هم فازند و داراي پولاريزاسيون مشابه هستند
به اين معني كه در اتمي كه به صورت برانگيخته مجبور به تابش نوري مي شود ، موجي كه باعث ايجاد فرآيند شده به فوتون اضافه مي شود به طوري كه يكديگر را تقويت مي كنند و دامنه هاي آنها افزايش ميابد. پس ما امكان تقويت نور به وسيله گسيل هاي تحريكي تابش را خواهيم داشت.
تابش هاي تحريك شده همدوس هستند. يعني همه امواج سازنده چنين تابش هايي هم فاز هستند.
اين فرايند با گسيل خود به خودي تفاوت اساسي دارد. چون در آنجا اتمها كاملا به صورت اتفاقي كسيل مي كنند به طوري كه رابطه خاص فازي بين امواج وجود ندارد و اينگونه تابش ها غير همدوس هستند.

 دمش:
فرآيند تحريك ماده ليزريبراي تغيير تراز و آزاد كردن انرژي را دمش مي گويند. عمل دمش از طريق چندين راه امكان پذير است از قبيل : دمش اپتيكي دمش به كمك تخليه الكتريكي دمش به كمك آزاد كردن انرژي شيميايي.
با توجه به ليزر هاي متفاوت و نوع ماده ليزري از روش هاي متفاوت دمش استفاده مي شود. به طو ر مثال در لبزر هاي گازي مانند ليزر CO2 از روش تخليه الكتريكي استفاده مي شود.

 تشديد كننده هاي نوري:
براي داشتن پرتو خروجي از ليزرها و انرژي بهينه و با توان بالا نياز داريم كه پرتو هاي تحريك كننده جهت تحريك ماده ليزري و افزايش انرژي را تقويت كنيم.
در بيشتر حالات تقويت كلي توسط قرار دادن آينه هايي با درصد بازتابش بالا در دو انتهاي كاواك ليزر انجام مي شود. پرتوي نوري بيش از حدود 100 بار بين دو اينه رفت و برگشت مي كند و به اين ترتيب طول موثر ماده افزايش مي يابد. آينه ها تشكيل يك كاواك نوري يا تشديد كننده مي دهند و به همراه ماده فعال ليزري يك نوسان كننده مي سازند. آينه ها در اصل مانند يك بازخور نوري از ماده تقويت كننده عمل مي كنند. اساسا گسيل خود به خودي يك تغيير كوچك در فركانس عبوري از ماده ايجاد مي كند و آن را به دليل گسيل برانگيخته تقويت مي كند.
در برخورد با آينه هاي انتهايي اكثر انرژي به داخل كاواك باز مي گردد. اين نور تقويت شده مجددا با برخورد به آينه ديگر بيشتر تقويت مي شود و اين <رايند مدام تكرار مي شود. اين تغييرات تااين نوسانات به يك حالت پايدار برسند افزايش مي يابد. در اين حالت رشد دامنه امواج داخل كاواك افزايش مي يابد و هر انرژي كه به دليل گسيل برانگيخته ظاهر ميشود به عنوان خروجي ليزر منظور مي گردد.
تا اينجا فرض بر اين بود پرتوهايي كه بين دو آينه رفت و برگشت مي كنند موازي هستند. ولي در واقع اينطور نيست. به دليل اثرات پراش در لبه آينه ها يك باريكه كاملا موازي نمي تواند با اندازه محدود ابقا شود چون بخشي از تابش از كناره هاي آينه ها پخش مي شود و اين اتلاف ها در اثر پراش را مي توان با استفاده از آينه هاي مقعر و در عمل با آينه هاي با انحناي متفاوت و شكل هاي مختلف، بسته به نوع ليزر ، كاهش داد. به اينگونه سيستم ها كاواك پايدار گفته مي شود.
برخي از سيستمهاي كاواك پايدار در شكل زير نشان داده شده است.

 


كاواكهاي پايدار علاوه بر پايدار نگه داشتن پرتو ويژگي ديگري نيز دارند و آن تنظيم خروجي ليزر است. اين عمل به سادگي و با تغيير فاصله آينه ها و بدين ترتيب با تغيير دادن مقدار تابش در طرف آينه كوچكتر كه خروجي ليزر را مي سازد ممكن خواهد بود.
 

 ليزر هاي واقعي :
در قلب هر ليزر ماده فعالي وجود دارد كه باعث ايجاد خروجي ليزر در باريكه اي از طول موجها است.در حقيقت ليزر ها با نام ماده فعال آنها شناخته مي شوند. به طور كلي ماده هاي متفاوتي به عنوان ماده فعال ليزري مورد استفاده قرار مي گيرد. به طور مثال اولين ليزر در سال 1960 با استفاده از كريستال صورتي ياقوت ساخته شد.
امروزه تعداد و انواع مواد استفاده شده به عنوان ماده فعال ليزري افزايش يافته است به طوري كه انسان احساس مي كند از هر ماده اي ميتواند با استفاده از روش دمش خاص براي ليزر استفاده كند.
به طور كلي ليزر ها را با توجه به نوع ماده فعال آن ها به چهار دسته اصلي تقسيم مي كنند:

1 - ليزر هاي آلائيده شده با عايق
2 - ليزر هاي نيمه هادي
3 - ليزر هاي گازي
4 - ليزر هاي رنگ

 ليزر هاي گازي:
ليزر هايي را که ماده فعال آنها گاز است ، ليزر هاي گازي مي گويند. ليزر هاي گازي معمولا حجيم هستند و و هر چه پر قدرت تر باشند ، اندازه آنها بزرگتر خواهد بود.
نکته مفيد در رابطه با ليزر هاي گازي اين است که از آنجا که گازها بسيار يکنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، مي توان براي پر کردن و خنک نمودن آنها از يک مدار بسته استفاده کرد.
از آنجا که اتمها خطوط جذبي بسيار باريکي در گازها دارند ، تقريبا تقريبا غير ممکن است بتوان به کمک دمش نوري در آنها انرژي آزاد کرد. بنابر اين در ليزر هاي گازي از روش دمش تخليه الکتريکي استفاده مي شود.
ليزر هاي گازي خود به سه دسته تقسيم مي شوند:
1- ليزر هاي اتمي
2- ليزر هاي يوني
3- ليزر هاي مولکولي
با توجه به به نوع ليزر ، گزار ليزري بين دو تراز انرژي اتم و يو ن يا مولکول به وقوع مي پيوندد. يکي از مهمترين انواع ليزر هاي گازي، ليزر مولکولي CO2 است.

 ليزر CO2 (دي اکسيد کربن ) :
ليزر CO2 از مهمترين ليزر ها در نوع خود است و از نظر کاربرد فني آن را در زمره مهمترين ليزر ها دسته بندي مي کنند. اين ليزر با کارايي بالا (30%) و توان خروجي زياد و پيوسته حدود چندين کيلو ولت ساخته مي شود.
ليزر هاي دي اکسيد کربن کاربرد هاي زيادي در زمينه هاي مختلف از جمله جوشکاري ، برش استيل ، الگوبري ، جوش هسته اي و کاربردهاي متنوع نظامي دارند.

 عملکرد ليزر هاي CO2 در توليد پرتو :
تحريک مولکول هاي CO2 در دو مرحله انجام مي گيرد. در ليزر هاي CO2 از گاز نيتروژن به عنوان گاز کمکي به منظور تحريک استفاده مي شود. بعضي تراز هاي نيتروژن که کاملا نزديک به ترازهاي CO2 هستند به راحتي در تخليه الکتريکي دمش مي شوند. وقتي نيتروژن تحريک شده به اتمهاي CO2 که در حالت پايه قرار دارند برخورد کند ، ممکن است انرژي خود را به انها بدهد و آنها را تحريک کند و به تراز تحريکي مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهاي نيتروژن و CO2 دقيقا بر روي هم منطبق نيستند ولي اختلاف آنها خيلي کم است.اين اختلاف با انرژي جنبشي اتمها در تبادل انرژي تقريبا جبران مي شود. اتمهاي CO2 تحريک شده با بازگشت به تراز خود انرژي آزاد کرده و يک فوتون ايجاد ميککند که اين فوتون داراي طول موجي بين 9.2 تا 10.8 ميکرون است و قوي ترين طول موج آن طول موج 10.6 ميکرون مي باشد.
فوتون آزاد شده با توجه به جهت ميدان الکتريکي که از آنود به کاتود است به طرف اينه حرکت مي کند و با برخورد به اينه اي که در سمت آنود قرار دارد منعکس شده با برخورد مجدد به مولکول هاي CO2 آنها را تحريک کرده و يک فوتون ديگر آزاد مي کند.
اين دو فوتون با برخورد مجدد به اينه ها و بازتابش خود فوتونهاي بيشتري ازاد مي کنند و اين عمل تا آنجا ادامه مي يابد که روند توليد فوتون به يک مقدار پايدار برسد که در آن موقع خروجي بهينه ليزر آغاز مي شود. لازم به ذکر است که قبل از رسيدن به حد آستانه نيز از ليزر پرتو هايي خارج مي شود که به دليل ضعيف بودن قرت چنداني ندارد و ناکارامد است.

 دمش به روش تخليه الکتريکي :
همان طور که بحث شد تحريک در ليزر هاي CO2 طي دو مرحله است که ابتدا تحريک نيتروژن انجام مي شود.
در ليزر هاي CO2 تحريک به کمک تخليه الکتريکي با ولتاژ هاي بالا انجام مي شود. کاواک ليزر داراي کاتد و آندي از جنس آلومينيوم است. با اعمال ولتاژ بالا در قسمت کاتد ، الکترون هاي مربوط به لايه سطحي آلومينيوم و يا الکترونهاي مربوط به اکسيد روي سطح کاتد جدا شده و در جهت ميدان الکتريکي به سمت آند حرکت مي کنند و در مسير خود به اتم هاي نيتروژن برخورد کرده و آنها را تحريک مي کنند و به تراز هاي بالاتر انرژي مي فرستند. اتمهاي نيتروژن نيز در بازگشت به تراز هاي قبلي خود انرژي خود را به مولکول هاي CO2 منتقل مي کنند و ان ها را تحريک مي نمايند و به همين روند پرتو ها تقويت شده تا خروجي ليزر آغاز گردد.


 انواع ليزر هاي CO2 :
1 - ليزر با لوله بسته
2 - ليزر با جريان گاز
3 - ليزر هاي با تخليه عرضي در فشار اتمسفر ( TEA )

 ليزر با لوله بسته :
در اين گونه ليزر ها گاز CO2 و نيتروژن در لوله هاي تخله قرار دارند. مشکلي که براي اين ليزر ها وجود دارد اين است کهدر جريان تخليه الکتريکي مولوکول هاي CO2 به CO تبديل مي شوند. اين واکنش خيلي سريع است و اگر تمهيداتي به کار گرفته نشود ، عمل ليزر پس از چند دقيقه متوقف مي شود.
يکي از راهها اين است که هيدروژن يا بخار آب به مخلوط گاز اضافه کنيم تا با ترکيب مجدد CO را به CO2 تبديل کند.
سرد کردن گاز در اين گونه ليزر ها از ديگر مشکلاتي است که مي تواند توان ليزر را به 100 وات محدود کند.طرح هاي لوله بسته خيلي مرسوم نيستند ولي در طرح حاي موجبر ب کار برده مي شوند. در موجبر ها ابعاد داخلي لوله کوچک (در حد ميليمتر ) است و موجبر دي الکتريک را به وجود مي آورد. کيفيت پرتوي عالي و خروجي نسبتا زياد با توجه به قطر هاي کوچک لوله بدست مي ايد. ستحريک به کمک ميدان الکتريکي قوي يا ميدان RF که به داخل ماده موجبر هدايت مي شود انجام مي گيرد.

 

 

ليزر با لوله بسته

 


 

ليزر موجبر
 

 ليزر هاي با جريان گاز:
دو مشکل تجزيه CO2 و سرد کردن گاز را مي توان با حرکت دادن گاز در سر تا سر لوله برطرف کرد.در طرح هاي ساده جريان گاز و تخليه الکتريکي هر دو در سر تا سر لوله ليزر انجام مي شود. اگر اقدامي براي تبديل گاز انجام نشود ، گاز بايد به طور مداوم به بيرون جريان يابد. ولي از آنجا که فشار گاز پايين است مقدار گاز مصرفي زياد نخواهد بود. توان خروجي ين ليزر ها به طور خطي با افزايش طول لوله افزايش مي يابد. حدود 60 وات به ازاي هر متر. ولي براي توان هاي بيشتر از چند کليو ولت به طول هاي بزرگ نياز داريم.

 

 

افزايش ماکزيمم توان خروجي ، با جريان عرضي و سريع ممکن خواهد بود.تخليه الکتريکي را نيز مي توان هم جهت با جريان گاز انجام داد. اين طرح امکان توان تا حدود ده ها کيلو ولت و به صورت مداوم را ممکن مي سازد. خروجي هاي بيشتر نيز امکان پذير است اما ابعاد بزرگ ليزر و منابع تغذيه مورد نياز ، کاربرد آِن را در صنعت با مشکل رو برو مي کند.

 ليزر هاي با تخليه عرضي در فشار اتمسفر ( TEA ):
تا کنون براي افزايش توان خروجب ليزر CO2 طول تيوپ و سرعت جريان گاز را افزايش داديم. اما يک راه ديگر براي افزايش توان ليزر افزايش فشار است.
متاسفانه با افزايش فشار به ولتاژ هاي بزرگي براي تخليه الکتريکي و تحريک دي اکسيد کربن نياز است و تجهيزات مورد نياز عظيم مي باشد. لذا در اين روش تخليه در لوله هاي به طول چند متر مشکل خواهد بود. از طرفي تخليه الکتريکي عرضي براي حدود 10 ميليمتر يا اين حدود قابل قبول تر است. عمل ليزر به طور مداوم به دليل عدم پايداري تخليه در فشار هاي بالاتر از 100 ميليمتر جيوه مشکلاتي به همراه خواهد داشت.بنابر اين ليزر هاي با فشار گار بالا بايد به صورت ضرباني کار کنند و به صورت عرضي تخليه شوند.چنين ليزر هايي با تخليه عرضي در فشار اتمسفر ، (TEA) ناميده مي شوند. گرچه فشار گاز ممکن است متغير و حدود چند اتمسفر باشد ،اما توسط اين ليزر ها مي توان ضربان هايي با توان بالا و دوره هاي حدود 50 نانو ثانيه و با انرژي 100 ژول به دست آورد.
در فشار هاي خيلي بالا و حدود 10 اتمسفر ، بخورد هاي مولکولي باعث پهن کردن خطوط طيف ليزر شده و تنظيم ليزر را روي طول موج هاي مختلف مقدور مي سازد.

 

 

 

 

 

 

گروه علمي فدک

کليه مطالب ارسالي با نام اشخاص و ذکر منبع در اين سايت درج مي شود

راهنما  |  آمار سايت  |  درباره ما  |  تماس با ما  |  نظر خواهي  | آرشيو  |  عضويت در سايت