تبلیغات
آشنایی با رشته مکانیک - تعریف و كاربرد لیزر در صنعت

آشنایی با رشته مکانیک
 

نظریه عملیات لیزری :
لیزر عبارت است از یك تقویت كننده نوری .
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

به معنای تقویت نور توسط انتشار تحریك شده ارتعاش می باشد .
از ویژگی های سودمند نور لیزری از تكفامی بودن ، موازی بودن و پیوستگی یا انسجام آن نام برد . از آنجایی كه در فیزیك كلاسیك روشی برای بیان لیزرها وجود ندارد ، از این رو لیزر گه گاه لیزر به ابزار كوانتومی تعریف می گردند . اساساً اصول لیزر كوانتیزه كردن انرژی و انتشار اشعه تحریك شده است .
كوانتیزه كردن (طبقه بندی) انرژی :
انرژی موجود در سیستم ها طبقه بندی می شوند . بدین معنی كه بدست آوردن یا از دست دادن انرژی تنها در مراحل ناپیوسته ممكن می باشد . این مراحل در مورد اشیاء ماكروسكوپیك چندان اهمیتی ندارند ، بلكه اهمیت آنها به خاطر تك تك مولكولها و اتمها می باشد . شما می توانید نموداری از سطح انرژی اتمی را رسم نمایید كه نشان دهنده مقدار مجاز باشد .
ساخت یك لیزر :
قبل از اینكه انتشار اشعه تحریك شده بتواند نور لیزر را ایجاد كند چند شرط باید در نظر گرفته شود . نخست ، تعداد اتم های موجود در وضعیت بالا بیشتر از تعداد اتم ها در وضعیت پایین باشد . به این علت كه برای دستیابی به بازده خالص از نور ، انتشار باید بیشتر از جذب واقع گردد در ماده ای كه در حالت توازن و درجه حرارت اتاق قرار گرفته باشد تعداد اتم های آن در وضعیت انرژی بالا كمتر از تعداد اتم ها در وضعیت پایین می باشد زیرا ماده بیش از ساطع كردن نور آن را جذب می كند . برای تبدیل اتم فرضی به یك محیط لیزری ، باید به محیط ، انرژی اضافه كنیم تا تعداد اتم ها بر عكس شوند . اكنون چنین محیطی نور تولید می كند زیرا تعداد فوتون های بیشتری ساطع می شوند . آخرین عنصر لازم یك تشدید كننده نوری است .
تشدید كننده شامل یك جفت آینه متقابل در محیطی فعال است . نور در همه سو از محیط فعال به جلو و عقب منعكس می شود .
همچنان كه نور و اتم های تحریك شده بر هم اثر متقابل می گذارند ، فوتون ها توسط انتشار اشعه تحریك شده تولید می شوند . این فوتونها در یك جهت حركت می كنند و با فوتون برانگیزنده هم فاز هستند . شدت نور منتشر شده بیشتر می شود و فوتون ها آنقدر به حركت رفت آمدی خود ادامه می دهند تا تعداد اتمها بر عكس شوند .
به منظور اكتساب بازده بیشتر و مفیدتر از این فرآیند ، یكی از آینه ها ی تشدید كننده عملاً طوری ساخته شده كه فقط به برخی از تابش های نوری اجــازه خروج می دهد . این آینه ها را جفت كننده خروجی می نامند . نوری كه از میان جفت كننده خروجی عبور می كند كاملا موازی است زیرا به دفعات در بین آینه ها ی تشدید كننده به جلو وعقب جهش می كند . این نور كاملا تكفام می باشد . زیرا از یك اتم ساطع می شوند . این نور پیوسته و منسجم می باشد (امواج هم فاز هستند ) چون فوتون ها توسط انتشار اشعه تحریك شده تولید می شوند . بنابراین چنین نوری نور لیزر است .
انواع لیزر :
انواع بسیاری از لیزر ساخته شده است . رسانه فعال ممكن است جامد ، مایع یا گاز باشد . معكوس شده تعداد اتم ها در وضعیت های مختلف ، با اعمال انرژی الكتریكی ، نوری یا شیمیایی صورت می گیرد . در هر حال تعداد لیزرهایی كه برای پردازش مواد حائز اهمیت هستند ، بسیار محدود می باشند .
دی اكسید كربن (
CO2)
برای برش مرزی ، جوش كاری عمیق ، سخت كردن ماده در اثر حرارت بكار می رود .
اصول عملیات :
لیزر
co2 یك وسیله برای تخلیه گاز است . این لیزر از طریق فرستادن یك جریان الكتریكی به داخل گاز عمل می كند . در لیزرهای صنعتی بازدهی بالا به وسیله مخلوط كردن گاز هلیوم ، نیتروژن و دی اكسید كربن بدست می آید . انرژی الكتریكی به داخل گاز مخلوط فرستاده میشود كه در نتیجه التهاب ، برای انتشار در گاز نیتروژن به وجود می آورد . نیتروژن این انرژی را توسط برخورد ، به مولكول ها co2 منتقل می كند . این برخورد سبب می شود كه درصد زیادی از مولكول ها ی co2 در موقعیت بالا قرار گیرند . هنگامی كه این مولكول ها به حالت میانی نزول كنند انتشار نور در 6/10 میكرون در مادون قرمز شروع می شود . برخورد با هلیوم ، co2 را به سطح زمین می رساند ، جایی كه پردازش را دوباره می توان شروع كرد . گاز از یك دستگاه معادله گر حــرارتی عبور داده می شود ، در آنجا سرد شده و دوباره به چرخش می افتد .
مشخصات زمانی بازده لیزرهای
CO2
لیزرهای
co2 می تواننددرموج ممتد (Continuous Wave = CW) یــــــــا در تنوعی از شیوه های پالسی عمل كنند . فركانس پالس ممكن است به مقدار 10 كیلوهرتز باشد .
معمول ترین انواع پالس اصطلاحاً دریچه ای (
Gated) و افزایشی (Enhanced) نام دارد .
در شیوه دریچه ای نور لیزر در نهایت قدرت در حالت طبیعی
CW خود عمل می كند .
پالس های دریچه ای می توانند به هر طولی كه با سرعت تكرار معین شده باشد سازگاری نشان دهند . لیزرهایی كه قادر به تولید پالس های افزایش هستند ، قدرت های بالایی دارند كه چند برابر موج ممتد (
CW) آن ها می باشد . طول پالس های افزایشی معمولاً صرف نظر از سرعت میزان تكرار ، حدودا 100 میكرون در ثانیه است .
مشخصات مكانی بازده لیزرهای
CO2
در چگالی پایین و گرماپخشی بالا یك محیط لیزری گازی تمایل خود را برای منحرف كردن نوری كه از میانش مگذرد ، از دست می دهد . این عمل اجازه می دهد كه لیزرهای پرقدرت
co2 از كیفیت نوری خوبی برخوردار شوند . تشعشعات بعضی از لیزرها با خروجی 1500 وات بسیار شبیه یه شیوه حرارت بنیادی گوسین TEM00 می باشد . چنین تشعشعاتی ممكن است توسط شكست نور روی رشته مرزی متمركز شوند . لیزرهای co2 با عدسی كانونی به راحتی می توانند به یك اندازه بسیار كوچك 1/0 میلی متر دست یابند . خاصیت دیگر تشعشعات TEM00 واگرایی كم آن هاست . به عبارت ساده تر واگرایی زاویه كه در آن اشعه لیزر همچنان كه منتشر می شوند به خارج انتشار می یابند . انتشار آن ها در حیطه مكانی در حــــــــدود 1 میلی رادیان هستند . چون لیزر نباید به عدسی های كانونی نزدیك شود ، از این رو قابلیت ارتجاعی زیادی را در طراحی ماشین موجب می گردد . لیزرهای پر قدرت co2 معمولاً نظم یا بازده چند شیوه ای دارند ، بنابراین جفت كننده های خروجی شان توسط قدرت زیاد حاصله از یك شیوه گوسین از بین می روند . اثر نظم یا بازده چند شیوه ای در پردازش ماده بدین قرار است كه چنین تشعشعاتی بر روی اشعه ای از TEM00 كه به كوچكی یك نقطه است ، متمركز نمی شوند . همانطوری كه بعدا توضیح خواهیم داد ، این مسئله را همیشه نمی توان یك عیب دانست .
انواع قابل استفاده :
اولین لیزرهای
co2 صنعتی شامل لوله های شیشه ای با آینه هایی در هر دو سر بود .
گاز لیزر مادامی كه الكتریسیته در نزدیكی هر آینه بكار برده می شد ، به طرف پایین لوله جریان می یافت . این دستگاه ها بسیار ساده و مطمئن هستند اما تقریبا به 50 وات در هر متر طول تخلیه محدود می شوند زیرا هیچ راهی برای سرد كردن گاز وجود ندارد . اگر به جریانی بیش از 400 وات نیاز باشد ، لیزرهای كند جریان (
Slow-flow) قابل استفاده نخواهند بود .
ثابت بودن بازده و بالا بودن كیفیت از یك طرف و وجود حجم بالای محیط فعال از طرف دیگر كه افزایش پالس توده ای را برای این نوع لیزر ممكن می سازد ، باعث شده تا امروزه كاربرد این نوع لیزر معمول و رایج گردد . سپس لیزر جریان عرضی (
Transverse flow) :
برای تولید قدرت زیاد در یك محفظه كوچك به وجود آمد . این عمل با گرداندن گاز لیزر در میان منطقه تخلیه با سرعت زیاد و سپس سرد كردن دوباره آن بوسیله یك مبدل حرارتی بطوریكه دوباره بتوان از گاز استفاده كرد ، انجام می گیرد .
لیزرهای جریان عرضی بیشتر به شیوه های نامتقارن تمایل دارند زیرا مشخصات ضریب شدت تخلیه در اشعه تغییر می كند . به سختی پالس می شوند زیرا آنها در جریانات تخلیه ای بالایی عمل می كند . علیرغم این محدودیت ها ، ماشین های جریان عرضی مثل لیزرهای برنده تا حـــــد زیادی موفق بوده اند و هرگاه به قـــــدرت زیادی نیاز باشد از این گونه لیزرها استفاده می كنند . جدیدترین طرح لیزری كه امروز استفاده می شود ، لیزر از نوع جریان محوری سریع (
Fast Axial Flow Type) می باشد. این نوع لیزر مدل اصلاح شده لیزر با جریان كند می باشد ، كه از پمپ (روتز) برای چرخاندن گاز استفاده می كند. لیزرهای محوری سریع ، كوچك ، پرقدرت و كم هزینه برای ساخت هستند. مادامی كه آن ها را روی برخی سیستم های برش لیزری نصب می كنند غالب مدل ها با پایداری اشعه خروجی مشكلاتی دارند .

یكی از مشكلات زبری روی سطح بریده شده با لیزر است . موفقیت این لیزرها محدود به تولید كاربردهای جوش كاری می باشد ، زیرا به اندازه بخش های جریان عرضی مطمئن نیستند.
یاگ (
YAG
) :
یاگ (یا بطور صحیح تر تارسنگ آلومینیوم اترییم نئودیمیم ناخالص)
(
Neodymium-Doped Yttrium Aluminum Garnet) به لیزر سوراخ كننده استاندارد گفته می شود. علاوه بر این از این لیزر برای جوش كاری دقیق به خصوص در صنعت الكترونیك بهره برداری می كنند. برش منحنی نیز با مشخصات این نوع لیزر مطابقت می كند.
لیزر یاگ شامل یك میله كریستالی است كه توسط لامپ های گزنون و كریپتون احاطه شده است. كریستال یك تارسنگ آلومینیوم اتیرم (
YAG) آغشته به نئودیمیم است. نور خارج شده از لامپ ها با اتم های نئودیمیم كه نوری با طول موج 06/1 میكرون ساطع می كنند ، برخورد می كند. آبی كه در اطراف میله جریان دارد ، اتم ها را تا حالت زمینی سرد می كند.
مشخصات بازدهی (زمانی) لیزرهای یاگ :
بطور كلی لیزرهای صنعتی یاگ ، پردازش ماده را به شیوه پالس انجام می دهند . كلاً سرعت تكرار زیر 200 هرتز است. شكل و مدت پالس لیزری به كنترل قدرت وارد شده به لامپ بستگی دارد. محیط لیزری جامد تراكمی از اتم های نورافشان دارد. بنابراین قدرت حداكثر می تواند بسیار عظیم باشد. معمولاً جداكردن ماده با پالس های كوتاه و پرقدرت و پیوند دادن آن با پالس های بلند و كم قدرت انجام می گیرد.
مشخصات بازدهی لیزرهای یاگ :
مشخصات مكانی :
میله های لیزری در مركز تولید گرما می كنند و در خارج سرد می شوند . با تولید قدرت قابل توجهی در میان قطر میله افت نسبی حرارت بوجود می آید . افت نسبی در ضریب شكست میله تغییر می كند و منجر به كاهش عملیات نوری لیزر می شود . لیزرهای پرقدرت
YAG دارای بازده چند شیوه ای با واگرایی بالایی هستند ، كه این واگرایی توانایی سیستم را برای متمركز كردن اشعه روی یك نقطه كوچك محدود می كند و این كار مستلزم این است كه سر لیزر به منطقه كار نزدیك گردد.
انواع دیگرلیزرهای پردازنده ماده :
شیشه :
لیزرهای شیشه ای بسیار شبیه لیزرهای یاگ هستند . برای ساخت میله لیزر به جای استفاده از تارسنگ از شیشه آغشته به نئودیمیم استفاده می شود . استفاده شیشه به جای یاگ به عنوان ماتریس باعث می شود تا تراكم بیش تری از اتم های نئودیمیم در میله لیزر بكار گرفته شود .
این عمل باعث می شود تا لیزرهای شیشه ای پالس های قوی تری نسبت به لیزرهای یاگ داشته باشند و در ایجاد سوراخ های عمیق از كارآیی بیش تری برخودار گردندد . عیب شیشه این است كه ضریب رسانای حرارتی ضعیفش سرعت تكرار پالس را به 1
pps محدود می كند به طوری كه از آن برای برش منحنی نمی توان استفاده كرد .
یاقوت :
یاقوت اولین ماده ای بود كه در آن انتشار اشعه مشاهده شد . لیزر یاقوت طرحی از حالت جامد لامپ نورانی پمپی مثل لیزرهای یاگ و شیشه ای می باشد كه نور قابل رؤیتی را ساطع می نماید .
اگر چه انواع دیگر لیزرها جایگزین این نوع شده اند اما این لیزر هنوز هم با مشخصاتی شبیه به لیزرهای شیشه ای
nd ، برای سوراخ كردن مناسب است.
اگزیمر :
لیزر اگزیمر یك لیزر گازی است كه در آن جریان با الكتریسیته تحریك می شود .
در این نوع از لیزر از گازهای گوناگون استفاده می شود اما غالباً این گازها تركیبی از گازهای بی اثر مثل آرگون با هالوژن هایی هم چون فلورین می باشند. در محل تخلیه ، دایمرهای تحریك شده شكل می گیرند . این ها گونه های یونیزه شده بی ثباتی هستند كه نور ماوراء بنفش را ساطع می كند . طول امواج تولید شده از 193/0 تا 348/0 میكرون است ، به دلیل مدت عمر كوتاه حالت های تحریك شده اگزیمر تنها به روش پالس عمل می كند . مادامی كه قدرت نهایی به بلندی 100 كیلووات باشد ، دوام پالس به مدت خیلی كوتاه و به مقدار 01/0 تا 5/0 میكرون در ثانیه خواهد بود . بازده
UV و قدرت نهایی عظیم لیزر اگزیمر برای پردازش ماده بسیار جاذب هستند . با توسعه این وسیله احتمالاً عمل كردهای تازه ای به ظهور می رسند .





طبقه بندی: مقاله، 
نوشته شده در تاریخ جمعه 7 اسفند 1383 توسط حسین ده جوریان
قالب وبلاگ