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.

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
در اينجا به برسي ليزر هاي گازي مي پردازيم.

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 آينه حرکت مي کند و با برخورد به آينه 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 آينه 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 )
1 - 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 آيد .
تحريک 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

2 - 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.
3 - 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.

تئوري ساخت ليزر CO2 :

اکنون پس از توضيحاتي که در مورد ليزر ها و انواع آنها داده شد ، به بررسي ساخت يک نمونه از ليزر دي اکسيد کربن با جريان گاز مي پردازيم .
اجزاي سازنده ليزر CO2 با جريان گاز :
تيوپ ليزر
آينه هاي ليزر
منبع گاز CO2 و N2 و He
پمپ خلا
منبع ولتاژ بالا
آند و کاتد
سيستم خنک کننده
پيچ ها و پايه هاي تنظيم
در ادامه به برسي هريک از اجزاي ليزر به طور مجزا مي پردازيم و با ارائه آمار و ارقام و روش هاي پيشنهادي ، تئوري کاملي از ساخت ليزر CO2 با جريان گاز ارائه خواهيم داد .

سيستم خلا و گازهاي ليزر :

همان طور که در طرح ساخت بيان شد ، از سيستم جريان گاز با تخلي الکتريکي ولتاژ بالا استفاده مي شود. در ادامه نکات مهمي در مورد راه اندازي سيتم خلا و جريان گاز بيان مي شود
- تمام هواي داخل لوله بايد تخليه شود . تخليه بايد تقريبا به طور کامل انجام شود چرا که وجود هواي پس ماند در لوله باعث ضعيف شدن پرتوي خروجي يا عدم خروجي ليزر مي شود.
- هر گونه آلودگي را از روي تيوپ ليزر پاک کنيد چرا که ممکن است باعث اختلال در پرتوي خروجي شود . توجه شود که برخي از مواد خلا مانند گريش و مواد پوشاننده درز ها مشکلي ايجاد نمي کند.
- فشار گاز ليزر را به صورت تکي يا مخلوط ، چه در ابتداي کار و چه به هنگام عمل ليز کنترل کنيد .
درصد ترکيب گاز ها در ليزر co2 به صورت زير است:

گاز ها	حجم (ليتر)	فشار (بار)
دي اکسيد کربن 16% تا 4%	7930 – 280	167 - 2400
نيتروژن 20% تا 10%	5664 – 200	2124 - 75
هليوم به ميزان تعادل	2124 – 75	146 - 2100

با توجه به نقشه ساخت ليزر به صورت زير عمل مي کنيم .
ابتدا ورودي گاز ليزر را ميبنديم و سپس از طرف ديگر توسط پمپ تخليه کاواک را به طور کامل تخليه مي کنيم . منبع گاز را با توجه با جدول بالا پر ميکنيم و سپس آن را به ورودي کاواک متصل مي کنيم . سپس شير ورودي را باز کرده تا مخلوط گاز وارد کاواک شود به منظور برقرار کردن جريان گاز در طول کاواک بايد خروجي ليزر را به پمپ خلا متصل کنيم تا با مکشي که ايجاد ميکند ، گاز در طول لوله جريان يابد .
راه ديگر براي ايجاد جريان گاز اين است که خروجي کاواک را به يک مخزن خالي گاز با فشار کمتر از مخزن ورودي متصل کنيم . توجه شود که بايد مسير جريان گاز در طول لوله از آند به کاتد باشد تا تخليه الکتريکي هم مسير با عبور جريان انجام شود . لوله هايي که مخزن گاز و پمپ خلا را به ليزر متصل مي کنند بايد انعطاف پذير باشند . محل اتصال لوله ها به ليزر بايد کاملا عايق بندي شود تا هيچ گونه نشط به بيرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .

تيوپ ليزر :

مهمترين قسمت ليزر co2 تيوپ آن مي باشد . تيوپ هاي ليزر را معمولا از جنس لوله تخليه پلاسما يا از جنس شيشه مي سازند . اما کاواک هاي شيشه اي مرسو تر هستند زيرا دست رسي و ساخت آنها آسان تر است .
بهترين شيشه به منظور ساخت کاوا ليزر ، شيشه پريکس نسوز است که در مقابل تغيير دما مقاومت بالايي دارد . چرا که سيستم ليزر با توليد گرماي زيادي همراه است.
با توجه به طرح ساخت ، طول تيوپ ليزر را 45 سانتي متر و قطر مقطع آن را 2.5 سانتي متر در نظر مي گيريم . جهت اتصال لوله هاي ورودي و خروجي گاز ، دو سوراخ در قسمتهاي ابتدا و انتهاي تيوپ ليزر تعبيه مي کنيم يا اينکه تيوپ را به هنگام ساخت به گونه اي مي سازيم که قابليت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهاي ان وجود داشته باشد. تيوپ ليزر ابتدا در يک لوله شيشه اي بزرگتر که همان لوله سيستم خنک کننده است قرار مي گيرد و سپس بر رويه پايه هاي نگه دارنه ليزر محکم مي شود.

سيستم خنک کننده :

از انجا که عمل ليز گرماي زيادي ايجاد مي کند و توان ليزر را تا حد زيادي کاهش مي دهد پس بايد به فکر راهي براي خنک کردن تيوپ ليزر و آينه ها باشيم.
يک روش خنک کردن سيستم استفاده از جريان گاز مي باشد . و روش ديگر استفاده از سيستم خنک کننده ي گردش آب مي باشد . به اين منظور بايد کاواک را در يک لوله شيشه اي بزرگ قرار دهيم . طرز کار به گونه اي است که تيوپ ليزر در وسط لوله بزرگتر قرار دارد و آب از اطراف آن جريان مي يابد و آن را خنک مي کند. جهت اجاد جريان اب در سيستم خنک کننده بايد دو سوراخ در لوله شيشه اي بزرگ به منظور اتصال لوله هاي ورودي و خروجي آب تعبيه کنيم . و با اتصال آن از طريق لوله ها به يک پمپ ، آب را از يک مخزن درون لوله شيشه اي به جريان بيندازيم . جهت پمپ آب ميتوان از پمپ آکواريوم يا پمپ کولر هاي آبي استفاده کرد که اب را از يک منبع به داخل سيستم خنک کننده جريان مي دهند.
در بستن لوله هاي آب و سيستم خنک کننده به هم سعي شود تا هيچگونه نشط آب به بيرون وجود نداشته باشد.
طبق طرح طول لوله شيشه اي سيستم خنک کننده 30 سانتي متر و قطر آن 5 سانتي متر مي باشد .

آينه ها و نصب آنها در ليزر:

همانطور كه در قسمت تشديد كننده هاي نوري بيان شد براي افزايش توان ليزر و موازي كردن مسير بازتاب پرتوها در كاواك از آينه هايي با درصد بازتابش بالا استفاده مي شد تا فوتونها بتوانند بين دو آينه بازتاب كننده براي جلوگيري از تلفات به دليل جلوگيري از پراش در لبه هاي آينه ها از سيستمي استفاده مي شود كه در آن يك آينه تخت با در صد بازتابش تقريبا 100% و يك آينه مقعر با در صد بازتابش تقريبا 90%در دو طرف كاواك تعبيه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آينه مقعر با بازتابش 90% مي باشد.
از آنجا كه خروجي ليزرهاي co2 در محدوده 10.6 ميكرون است از قطعات اپتيكي مثل شيشه و يا كوارتز جهت ساختن آينه هاي ليزر نمي توان استفاده كرد .چون اين مواد در محدوده 10.6 جذب زيادي دارند بنابراين خروجي ليزر را به شدت كاهش مي دهند و در اثر گرماي زيادي كه در اثر فرايند جذب در آنها ايجاد مي شود ممكن است بشكنند يا ذوب شوند. بنابراين براي ساختن آينه هاي ليزر از موادي مانند ژرمانيوم – گاليوم - آرسنايد- سولفيد روي- طلا و هالوژن ها مي توان استفاده كرد. در ميان اين آينه ها هالوژنها كمترين جذب را دارند ولي جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشكلاتي را فراهم مي كند. آينه هاي فلزي با در صد بازتاب 100% نيز مي توانند براي استفاده در اين طول موجها مورد استفاده قرار گيرند.
ما در ساخت ليزر co2 با جريان گاز از آينه ژرمانيوم و طلا استفاده مي كنيم. به اين صورت كه آينه تخت را از جنس آينه ژرمانيوم و آينه مقعر را از جنس آينه طلا انتخاب مي كنيم.
تقريبا بيشترين هزينه در ساخت ليزر co2 مربوط به تهيه آينه هاست.
لازم به تذكر است كه آينه مقعر طلا كه مورد استفاده قرار مي گيرد داراي شعاع انحناي cm 120 بايد باشد در ضمن خروجي ليزر هم از همين آينه هاست.
نكته ديگري كه بايد هنگام تهيه آينه ها در نظر گرفت اين است كه آينه ها بايد از طرف جلوي آينه پوشش داده شده باشند يعني پوشش طلا يا ژرمانيوم بايد بر روسي سطح ِنه باشد نه پشت آينه.
در صورتي كه در تهيه آينه طلا با مشكل مواجه شديم مي توانيم از آينه آلومينيوم نيز استفاده كرد.
گاهي اوقات نيز در ساخت آينه ها سطح آينه را با استفاده از چند ماده مختلف با در صد بازتابش بالا در طول موجهاي متفاوت استفاده مي شود. ولي ضخامت پوش هر ماده بر روسي سطح آينه برابر با نصف طول موج نوري است كه آينه براي آن طراحي شده است.
در انتخاب آينه مقعر بايد توجه كرد كه شعاع انحناي آن بايد بزرگتر از طول كاواك ليزر باشد. در ادامه جدولي از آينه ها و اطلاعات مربوط به آن ارائه شده است.

نصب آينه ها و پيچهاي تنظيم:

نصب آينه ها به صورت ثابت ولي حركت در دو انتهاي كاواك ممكن است مشكلاتي از قبيل عدم موازي بودن پرتوها و يا ضعيف شدن توان خروجي ليزر براي ما ايجاد كند.
بنابر اين بهترين كار اين است كه آينه ها را بر روي پايه هاي متحرك با پيچ تنظيم نصب كنيم تا بتوانيم ان را به راحتي حركت داده و تنظيم كنيم. از انجا كه تهيه يك تنظيم كننده ايدهآل كه با سيستم خلا كاواك ليزر سازگار باشد بسيار هزينه بر است پس يك راهكار پيشنهادي ارائه مي كنيم.
مطابق شكل ارائه شده با دوقطعه فلز در ابتدا ، نگهدارنده اي براي آينه ها مي سازيم و براي تعبيه پيچ هاي تنظيم دو سوراخ در آنها ايجاد مي كنيم .براي اتصال اينه ها به كاواك خلا ، به ورقه اي از جنس آلومينيوم انعطاف پذير نياز داريم . فويل الومينيوم را به صورت زيگ زاگ مطابق شكل به صورت استوانه اي كه قطر سطح مقطع ان برابر با قطر كاواك است شكل مي دهيم و لبه هاي آن را توسط چسب قابل انعطافي مانند چسب آكواريوم به هم مي چسبانيم . سپس يك انتهاي استوانه انعطاف پذير ساختگي خود را به آينه مي چسبانيم و طرف ديگر آن را به كاواك ليزر . با قرار دادن پيچ هاي تنظيم مطابق شكل پس از چك كردن عدم نشط گاز به بيرون با روشن كردن ليزر ، آينه ها را تنظيم مي كنيم . لازم به ذكر است كه اين سيستم بايد براي هر دو آينه تخت و مقعر به كار برده شود .

تنظيم پرتوي خروجي:

جهت استفاده از پرتوي ليزر بايد قادر باشيم آن را در جهات مختلف هدايت كنيم.
قبل از هر چيزي بايد از موازي بودن پرتو هاي خروجي اطمينان حاصل كنيم. براي اين منظور كاغذي را از وسط سوراخ كرده به گونه اي در جلوي كاواك ليزر قرار مي دهيم كه محور مركزي گذرنده از كاواك هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستكاري پيچ هاي تنظيم آينه ها پرتوي خروجي از ليزر را به گونه اي تنظيم مي كنيم تا از مركز سوراخ عبور كند . اكنون ما يك دسته پرتوي مستقيم داريم . از قبل لازم به ذكر است كه به دليل نوع اينه هاي استفاده شده و سيتم بازتابش رفت و برگشت فوتون بين دو آينه پرتوي خروجي يك پرتوي موازي است.اكنون مي خواهيم پرتو را با قطر هاي متفاوت بر روي نقطه مورد نظر متمركز كنيم. جهت اين كار مي توان از سيستم عدسي هاي مركب استفاده كرد . چند نمونه از سيتم هاي عدسي مركب به منظور هدايت پرتو در شكل نشان داده شده كه باتوجه به انها مي توانيم با استفاده از عدسي هاي گوناگون با فاصله كانوني ها وشعاع هاي انحناي مختلف پرتوي خروجي را به گونه اي كه تمايل داريم هدايت كنيم .

نکته ي ديگر در تنظيم پرتوي خروجي استفاده از پهن کننده پرتو است . پهن کننده ها شعاع پرتو هاي نوري را افزايش داده و ما ميتوانيم با عبور دسته پرتوي گسترده تر از عدسي ، سطح کانوني کوچک تري بدست آوريم و پرتو را بيشتر متمرکز کنيم .
راه ديگري که در انتقال پرتو ها مفيد است استفاده از تارهاي نوري موج بر است که مي توانند با قابليت انعطاف پذيري خود ، پرتو را به نقاط مختلف انتقال دهند.
اصولا اين تارهاي نوري داراي قطرهاي کوچک ، از جنس شيشه يا کوارتز هستند و داراي يک هسته مرکزي با ضريب شکست بزرگتر از محيط اطراف خود مي باشند.پرتو نور قادر به حرکت در داخل هسته مرکزي به صورت زيگ زاگ به دليل بازتاب کلي از فصل مشترک هسته مرکزي با جداره مي باشد.
متاسفانه اين روش براي طول موجهاي تا 1.6 ميکرون به کار مي رود . چون ميزان جذب براي طول موج هاي بزرگتر زياد است ، از اين روش براي انتقال پرتو در ليزر co2 نمي توان استفاده کرد .

ولتاژها:

همان طور که قبلا نيز بيان شد ، دمش در ليزر هاي گازي از نوع تخليه الکتريکي است که توسط ولتاژ هاي بالا انجام مي شود .از آنجا که دمش در ليزر هاي co2 طي دو مرحله انجام مي شود ، بنابر اين ابتدا بايد توسط تخليه الکتريکي ولتاژ بالا اتم هاي نيتروژن را تحريک کنيم تا به حالت برانگيخته برسند و با انتقال انرژي خود به مولکول هاي co2 عمل ليز آغاز شود .
اوين حالت تحريکي ازت تقريبا در 0.3 الکترون ولت است . بنا بر تجربه براي شروع عمل ليز به 2 الکترون ولت انرژي نياز دارد .
لازم به ذکر است که ليزر هاي co2 با جريانDC يا جريان متناوب AC با فرکانس خيلي پايين کار مي کند. البته جريان هاي AC در ليزر هايي استفاده مي شود که به صورت ضرباني دمش مي شوند و خروجي ناپيوسته دارند .
در مورد ليزر هاي co2 ولتاژي را برابر با 10 تا 15 کيلو ولت DC به ازاي هر متر تخليه الکتريکي استفاده مي کنيم . که حدود جريان الکتريکي ما بين 10 تا 15 ميلي آمپر است .
براي ايجاد جريان DC مي توانيم از يکسو کننده هاي جريان AC استفاده کنيم تا به ولتاژ آغازين 10 کيلو ولت برسيم .
در ليزر هاي co2 نياز نداريم که از سيستم هاي ولتاژ بالا با قابليت تنظيم استفاده کنيم . اما استفاده کردن از چنين سيستمي که قابليت تنظيم ولتاژ خروجي را داشته باشد براي تنظيم قدرت خروجي ليزر مناسب ست.چرا که هر چه ولتاژ بالاتري به کار ببريم ، عمل ليز با قدرت بيشتري انجام مي شود.
ولتاژ بالاي اعمال شده به دو سر تيوپ ليزر اعمال مي شود ، يک ميدان يکنواخت در سر تا سر لوله ايجاد ميکند و الکترونها در اين ميدان شتاب مي گيرند و با برخورد به ديگر اتم ها آنها را تحريک مي کنند.
گاهي اوقات قبل از عمل تخلي گاز را کمي يونيزه مي کنند . اين عمل به کمک يک پالس ولتاژ بالا که به يکي از الکترود ها اعمال مي شود يا به کمک ي سيم کوتاه که به دور لوله پيچيده شده ، انجام مي گيرد . در اين روش هم الکترون ها و هم يون ها و هم مولکول هاي خنثي در محيط وجود دارند . الکترونهايآزاد توسط ميدان الکتريکي شتاب گرفته و به سمت آنود حرکت مي کنند.
نکته اي که به هنگام تنظيم ولتاژ مناسب در نظر مي گيريم اين است که ولتاژ اعمال شده را از مرز 15 کيلو ولت آغاز ميکنيم . ولتاژ را اندک اندک افزايش ميدهيم تا يک باريکه نوري موازي و درخشان در مرکز کاواک ليزر مشاهده شود . در چنين حالتي ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبي است.
لازم به ذکر است که استفاده از ولتاژ هاي بالا به مراقبت بسيار زيادي نياز دارد .
از سيم هاي رابط عايق استفاده کنيد و هر جا که سيم پوشش خود را از دست مي دهد آان را عايق کنيد . سيستم ولتاژ بالا و خود دستگاه ليزر بايد بر روي پايه هاي محکم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالي برخورد سيم ها جلو گيري شود.
به هنگام کار کردن با چنين سيستمي بسيار دقت کنيد تا سيمهاي کاتد و انود 2 اينچ به ازاي هر 10 کيلو ولت از هم فاصله داشته باشند. تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال کوتا اجتناب شود.

الکترود ها :

يکي از مهمترين اجزاي يک ليزر الکترود هاي آن مي باشد. همان طور که قبلا نيز اشاره شد ، الکترود ها با آزاد کردن الکترون هاب اوليه نقش مهمي در شروع عمل ليز ، ايفا مي کنند . در ليزر هاي مختلف ، انواع متعددي از الکترودها استفاده مي شود. در ليزر هاي co2 به طور معمول از الکترود هايي از جنس آلو مينيوم استفاده مي شود. چراکه آلومينيوم داراي الکتونهاي ظرفيت مناسب جهت ازاد شدن توسط ولتاژ بالا مي باشد . همچنين از انجا که سطح الومينيوم هميشه پوشيده از يک لايه اکسيد آلومينيوم است اين امر به ازاد کردن الکترون هاي بيشتري کمک مي کند. در طرح ليزر از ورقه هاي نازک و انعطاف پذير آلومينيوم براي ساخت کاتد و آنود استفاده مي کنيم . روش کار به اين صورت است که درو قطعه ورقه الومينيوم با عرض 3 و طول 15 سانتي متر تهيه مي کنيم . سپس اين ورقه ها را به شکل استوانه هايي هم قطر با تيوپ ليزر يعني به قطر 2.5 سانتي متر لوله مي کنيم و در دو انتهاي تيوپ ليزر فرو ميکنيم . سپس يک سانتي متر از هر طرف را از لوله خارج کرده و بر روي خود تيوپ خم مي کنيم . پس از اتصال سيم هاي رابط جريان به ورقه هاي آلومينيوم ، آن قسمت از تيوپ را که ورقه هاي آلومينيوم بر روي آن تا خورده به شدت عايق بندي مي کنيم تا از هرگونه تماس با آن ها غير ممکن شود .
لازم به ذکر است ، سيتم آينه ها و پيچ هاي تنظيم که قبلا توضيح داده شد بايد پس از عايق بندي الکترود ها و لوله کاواک به انتهاي ليزر متصل شود. چراکه اگر بدون عايق بندي عمل شود ، خطر برق گرفتگي وجود دارد.

محاسبه تقريبي توان ليزر :

ليزر هاي گونتگون با نوجه به سيستمي که در ساخت آنها به کار برده شده از قبيل : نوع ماده ليزي ، طول کاواک ليزر ، روش هاي گوناگون دمش و نوع سيستم خنک کننده داراي توان هاي خروجي متفاوتي هستند.
براي محاسبه توان خروجي ليزر روش هاي گوناگوني وجود دارد که بسياري از آنها حاوي فرمول هاي سخت و پيچيده است و نياز مند اطلاعات دقيقي از قسمت هاي مختلف دستگاه مي باشد .
در اينجا يک راه پيشنهادي و ساده جهت محاسبه توان تقريبي ليزر ارائه مي شود که مي تواند مفيد باشد .
جهت محاسبه توان خروجي، پرتوي ليزر را به يک مايع که ظرفيت گرمايي آن براي ما مشخص است مي تابانيم و در مدت زمان تابش ، تغييرات دمايي را اندازه مي گيريم . با محاسبه انرژي گرمايي مي توان توان خروجي ليزر را از رابطه معروف p=w/t بدست آورد . يکي از مناسب ترين مايعاتي که مي توان از آن استفاده کرد آب مي باشد . چرا که ظرفيت گرمايي آن مشخص است و به راحتي در دسترس مي باشد . اما براي محاسبه توان دقيق بايد ضريب بازتابش سطح آب را نيز به هنگام محاسبات در نظر بگيريم .چرا که مقداري از پرتوي تابيده شده به سطح آب ، توسط سطح بازتابيده مي شود . استفاده از مايعاتي با ظريب بازتابش کمتر ، محاسبات را دقيقتر مي کند.

تلفات ليزر :

راه هاي متفاوتي براي اتلاف در ليزر وجود دارد که به کاهش توان خروجي ليزر منجر مي شود . در زير به برخي از آنها اشاره مي شود که تلاش براي رفع هر کدام از موارد ذکر شده باعث افزايش توان خروجي ليزر است .
- جذب و پراکنده کردن نور توسط آينه ها .
- پراش از لبه آينه ها .
- عبور نور از آينه ها قبل از رسيدن به حد آستانه تابش .
- پخش و پراکندگي پرتوها توسط ماده ليزري به دليل عدم يک نواختي ماده از نظر اپتيکي .
- جذب ماده ليزري و گسيل تابش هايي که مورد نظر ما نيست.
- کاهش توان خروجي به دليل گرماي حاصله از عمل ليز که ميتواند باعت بالا رفتن دماي آينه ها ، کاواک ليزر و يا الکترود ها شود .
- کاهش توان خروجي به دليل عدم وجود خلا کامل در کاواک قبل از جريان دادن گاز درون کاواک.
تعدادي از عوامل اتلاف ذکر شده از جمله تلفات ناشي از گرم شدن سيستم و يا پراش از لبه هاي آينه ها قابل رفع است که قبلا در مورد آنها توضيح داده شد . تعدادي ديگر از عوامل نيز با استفاده از مواد مناسب در ساخت ليزر قابل رفع است .
به طور کلي هر جه بيشتر بتوانيم در رفع عوامل بالا تلاش کنيم ، توان خروجي بيشتري خواهيم داشت .

ايمني ليزر :

بيشتر ليزر ها تابشي گسيل مي کنند که با احتمال خطر همراه است . درجه خطرناکي ليزر به مشخصات خروجي ليزر ، طريقه استفاده و تجربه فردي که از آن استفاده مي کند بستگي دارد .
از مشخصه هاي تابش ليزر جمع شوندگي پرتوي آن است . اين امر به همراه انرژي بالاي ليزر مي تواند انرژي زيادي به بافت هاي فيزيو لوژيکي بدن منتقل کند.از آنجا که پرتو هاي ليزر داراي طول موج هاي متفائتي هستند ، مي توانند به بافت هاي مختلف بدن با توجه به قابليت جذب آنها آسيب برسانند . جذب تابش باعث افزايش دما مي شود و به قطع شدن اتصالات مولکولي مي انجامد .
يکي از آسيب پذير ترين قسمت هاي بدن تا آنجا که به تابش ليزر مربوط مي شود ، چشم انسان است . اين امر به اين دليل است که عدسي چشم ، پرتوي تابيده شده از ليزر را در ناحيه اي به شعاع حدود چندين برابر طول موج ليزر با چگالي بالاي انرژي متمرکز مي کند .
ميزان خسارت به طول موج بستگي دارد به طوري که تابش در نواحي ماورائ بنفش و مادون قرمز که توسط قرنيه جذب مي شود ، باعث صدمه ديدن آن مي شود و جذب در ناحيه مريي باعث آسيب ديدن شبکيه مي گردد.
اين جذب ها توسط چشم مي تواند به سوختگي يا نقص بينايي منجر شود .
پوست مي تواند بيشتر از چشم مورد تابش قرار گيرد . پوست ممکن است در تابندگي سطح بالا تاول بزند و يا آسيب کمتري ببيند . در مورد پوست هم ميزان خسارت به طول موج تابش و ميزان جذب بستگي دارد به يژه در محدوده پرتوهاي ماورائ بنفش .
معمولا مکان هايي که دستگاه هاي ليزر در آن ها قرار دارد ، با چراغ هاي اخطار و متوقف کننده هاي پرتو تجهيز مي شوند . در اين مکان ها از موادي که بازتاب کننده پرتو هستند نيز استفاده مي گردد . به هنگا کار کردن با لبزر ها بايد از عينک هاي محافظ چشمي استفاده کرد و با توجه به اينکه در ليزر ها معمولا از مولد هاي ولتاژ بالا استفاده مي شود ، رعايت نکات ايمني در اين مورد نيز ضروري مي باشد .

منابع :

Sams FAQ in laser construction
Laser principle and application /J.Wilson – J.F Havaks
Laser milon