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.

منبع: www. Cloudysky.ir /س