لیزر چیست و پایه کار آن چگونه است؟

اخبار 2024-01-14

لیزر چیست و پایه کار آن چگونه است؟

لیزر (LASER) مخفف عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation است و به معنای تقویت نور از طریق گسیل القایی می باشد. اساس کار لیزر با برانگیختگی اتم اتفاق می افتد. در صورتی که به اتم یک واحد انرژی معادل اختلاف انرژی دو تراز آن بدهیم، در این حالت اتم را برانگیخته کردیم. این انرژی از طرق مختلف مانند برخوردهای اتمی، جذب فوتون، تخلیه الکترونیکی و… ایجاد می شود.

 

گسیل القایی زمانی اتفاق می افتد که یک اتم در حالت برانگیخته باشد و یک فوتون با انرژی معادل اختلاف انرژی دو تراز اتم برخورد کند. نتیجه این برخورد در یک محیط، تشکیل یک دسته فوتون نوری با طول موج، فاز و قطبش یکسان خواهد بود. طول موج ها بیشتر مرئی، مادون قرمز یا ماورا بنفش است. بیشتر لیزرهای به کار رفته در برش و حکاکی از این روند پیروی می کنند.

۲
تاریخچه لیزر در صنعت برش و حکاکی (چراغ راه دانشمندان!)
تاریخچه لیزر توسط بشر را می توان در دهه ۱۹۰۰ میلادی شناسایی کرد. در سال ۱۹۰۰ میلادی دانشمندی به نام پلانک در مقاله ای به رابطه بین انرژی و تشعشعات پرداخت. تلاش های پلانک در پیدایش لیزر بسیار مهم و به عنوان چراغ راهی برای دانشمندان دیگر بود. پلانک به دلیل کشف کوانتوم و فوتون موفق به دریافت جایزه نوبل شد. اهمیت این موضوع به این دلیل بود که او انرژی را شامل بخش های مجزایی دانست که آن را کوانتوم نامید.

بعد از انیشتین، فردی به نام والنتین فابریکانت در سال ۱۹۳۹، در موضوع تقویت تشعشعات، نظریه پردازی هایی را انجام داد.

سپس در سال ۱۹۵۰، چارلز تاونز، نیکولای باسوف و الکساندر پروخوروف جایزه نوبل را به علت موفقیت در تئوری انتشار تحریک شده مایکروویو دریافت کردند. چارلز تاونز و شریکش، آرتور شاولو توانستند به تکنولوژی میزرmaser، دست یابند. میزر به معنای تقویت امواج مایکروویو با انتشار تحریک شده تشعشعات می باشد. این تکنولوژی بسیار شبیه به لیزر بود. فقط از آمونیاک و تشعشعات مایکروویو به جای نور مرئی استفاده می شد.

سال ۱۹۵۹، کلمه laser به پیشنهاد دانشجویی در دانشگاه کلمبیا به نام گوردون گولد به کار گرفته شد. او برای تقویت نور از امواج تحریک شده استفاده کرد. وی تشدید کننده نوری را این گونه توصیف کرد که این عامل باعث ایجاد یک پرتو باریک از نور منسجم می شود که به آن را لیزر می گویند.

در این سال ها، رقابت بین دانشمندان برای کشف جزئیات بیشتر لیزر بسیار زیاد بود. در سال ۱۹۶۰ بود که اولین نمونه آزمایشگاهی laser در کالیفرنیا توسط تئودور مایمن ساخته شد. بنابراین این آزمایش یاقوت مصنوعی به عنوان محیط فعال استفاده شد. جالب است بدانید اولین کاربرد آن، برای بردیاب های نظامی بود. البته این مورد استفاده هنوز هم به صورت تجاری برای سوراخکاری الماس استفاده می شود.

از سال ۱۹۶۳، استفاده از گاز CO2 در فرایند لیزر استفاده شد. اولین بار در آزمایشگاه AT&T Bell لیزر دی اکسید کربن که نسبت به لیزر یاقوت هزینه کمتری دارد به کار رفت. از آن زمان تا کنون یعنی حدود بیش از ۵۰ سال است که CO2 به عنوان یکی از محبوب ترین نوع Laser صنعتی شناخته شده است.

همچنین در این سال جایزه نوبل به آلروف و کرامر اهدا شد. دلیل اهدای این جایزه به آنها این بود که موفق شدند لیزر نیمه رسانا با ساختار غیر هم شکل را ارائه دهند.

 

در سال ۱۹۶۵ از لیزر به عنوان ابزاری برای حفاری استفاده شد. مرکز تحقیقات مهندسی غربی، در بوفالوی ایالات متحده، اولین جایی بود که از لیزر به عنوان برش غیر فلزات استفاده کرد. در این زمان از قالب های الماسی برای تولید سیم برای اتصالات الکتریکی استفاده شد. هزاران قالب برای این نوع عملیات مورد نیاز بود. قبل از استفاده از لیزر، در این فرآیند سوراخ کردن قالب ها یا تغییر اندازه آن ها بسیار پرهزینه و کند بود. استفاده از لیزر باعث انجام این پروسه در ۲۴ ساعت شد.

مهندسان به جای مته فلزی یا غبار الماس که تا آن زمان استفاده می شد، از لیزر استفاده کردند. بسیاری از آزمایش های انجام شده برای تست ایمنی این فرایند بودند. آن زمان اثرات پرتوهای لیزر بر روی چشم و پوست یا مواد تبخیر شده بر سلامت افرادی که با آن کار می کردند، هنوز مشخص نشده بود.

در سال ۱۹۶۷ اولین برش لیزری با کمک گاز انجام شد. این روش توسط پیتر هالدکرافت انجام شد. او برای اولین بار در جایی نزدیک به خانه در کمبریج، از گاز کمکی اکسیژن برای برش ورق فولادی با ضخامت یک میلی متر با پرتو لیزر متمرکز CO2 استفاده کرد. برش لیزری به کمک گاز و به ویژه برش لیزر CO2 به معنای افزایش کارایی لیزر بود و گسترش دامنه کاربرد لیزر به صنایع دیگر را برای بشر فراهم کرد.

۳
اولین استفاده صنعتی از لیزر
در بیان تاریخچه لیزر در صنعت برش و حکاکی، باید اولین استفاده صنعتی از لیزر را در سال ۱۹۶۹ در کارخانه های بوئینگ بیان کرد. شرکت آمریکایی بوئینگ اولین شرکتی است که برش لیزر را در خطوط تولید خود ادغام کرد. در آگوست ۱۹۶۹، سه کارمند از شرکت بوئینگ با استفاده از تکنیک گاز کمکی، کاغذی مناسب برای لیزر CO2 تولید کردند که مواد سخت مانند تیتانیوم، هاستلوی و سرامیک را برش می‌داد.

آن ها به این نتیجه رسیدند که لیزر می تواند یک ابزار برای برش فلزات استفاده شود که مؤثر و مقرون به صرفه باشد، اما نیاز است قبل از قرار گرفتن چنین ماشینی در خط تولید کارخانه ها، تحقیقات و توسعه زیادی در آن کارخانه لازم باشد. در دهه ۱۹۷۰، بوئینگ حق اختراع برش لیزری چند پرتویی را به ثبت رساند و یکی از شرکت‌های پیشگام بود که تیتانیوم را با لیزر برش ‌داد.

۴
برش لیزری (به انگلیسی: Laser cutting) فناوری است که در آن از اشعه لیزر برای برش اجسام استفاده می‌شود؛ و نوعاً از این فناوری در زمینه صنعت استفاده می‌شود. برش لیزری توسط استعمال اشعه لیزر از یک خروجی قوی لیزر روی اجسامی که می‌خواهند بریده شوند انجام می‌شود. قسمتی از جسم مورد نظر که بریده می‌شود یا آب می‌شود یا می‌سوزد یا تصعید می‌شود و توسط فشار گاز از روی جسم پاک می‌شود؛ و سر انجام سطح بریده شده با کیفیت خیلی عالی ایجاد می‌شود. لیزر صنعتی در صنایع مختلفی مانند صنایع نظامی، ساختمانی، هوافضا، پزشکی، آزمایشگاهی و پژوهشی، ارتباطاتی، فیزیک، شیمی و … کاربرد دارد.

برش لیزری به عنوان یک فرآیند برش بدون تماس برش لیزر یک فرآیند برش است که با آن می توان مواد خام فلزی و غیرفلزی را با ضخامت های مختلف برش داد. این در اطراف یک پرتو لیزر است که هدایت می شود، شکل می گیرد و بسته می شود. هنگامی که به قطعه کار برخورد می کند، ماده تا حدی گرم می شود که ذوب یا بخار می شود. در این فرآیند، کل توان لیزر روی یک نقطه متمرکز می شود که قطر آن اغلب کمتر از نیم میلی متر است. اگر گرمای بیشتری به این ناحیه وارد شود که بتواند از طریق رسانش گرما دفع شود، پرتو لیزر به طور کامل به مواد نفوذ می کند – فرآیند برش آغاز شده است. در حالی که سایر فرآیندها شامل استفاده از ابزارهای در مقیاس بزرگ با قدرت بسیار زیاد بر روی ورق فلز است، پرتو لیزر بدون هیچ گونه تماسی کار خود را کامل می کند. به این ترتیب ابزار دچار سایش نمی شود و هیچ گونه تغییر شکل یا آسیبی به قطعه کار نمی رسد.

تمام مواد رایج در فرآوری صنعتی – از فولاد گرفته تا آلومینیوم، فولاد ضد زنگ، ورق های فلزی غیرآهنی، تا مواد غیرفلزی مانند پلاستیک، شیشه، چوب یا سرامیک – را می توان با خیال راحت و با کیفیت بالا برش داد. لیزر ضخامت های بسیار متفاوت ورق از ۰٫۵ تا بیش از ۳۰ میلی متر را می توان با استفاده از ابزار برش داد. این محدوده مواد بسیار گسترده، لیزر را به ابزار برش برتر برای بسیاری از کاربردها در زمینه فلزات و غیر فلزات تبدیل می کند.

اشعه ی متمرکز لیزر فقط محیطی را که باید برشکاری انجام شود را تحت حرارت قرار می دهد و مابقی محیط قطعه کار تحت حرارت و یا استرس قرار نگرفته و محیط مذاب برش فقط به قسمت برخورد اشعه محدود می شود به این معنی که خط برش بر روی قطعه ی فلزی به سختی از قطر لیزر بزرگتر و یا حتی یکسان است

لیزرهای پالس اولترا کوتاه تقریباً هر ماده ای را به سرعت تبخیر می کنند که تأثیر گرما قابل تشخیص نیست و در نتیجه لبه های برشی با کیفیت بالا را بدون بیرون ریختن مواد ذوب شده ایجاد می کند. این باعث می شود لیزرها برای ساخت پیچیده ترین محصولات فلزی مانند استنت برای فناوری پزشکی ایده آل باشند. در صنعت نمایشگر، لیزرهای پالس فوق کوتاه، شیشه های سخت شده شیمیایی را برش می دهند.

۵
دستگاه برش لیزر فلزات از کجا آغاز شد

دستگاه برش لیزر فلزات یکی از ماشین آلات صنعتی می باشدکه در بخش صنعت کاربرد بسیار مهمی دارد. دستگاه برش لیزر باعث می شود تا تولید با کیفیت بالا و دقت بالایی انجام شود که اهمیت برش لیزر را مشخص می کند.

اولین دستگاه برش لیزر در سال ۱۹۶۵ و با هدف ایجاد سوراخ برای قالب الماس استفاده شد. این دستگاه کاربردی توسط مرکز تحقیقات Western Electric Engineering اختراع شد و در سال ۱۹۶۷ بریتانیا برای ساخت دستگاه برش لیزری توسط جت اکسیژن به جهت برش فلزات کار را آغاز نمود. سه سال بعد یعنی در سال ۱۹۷۰ هم از این روش برای کاربردهای هوافضا به جهت برش تیتانیوم استفاده گشت. همین زمان بود که از لیزرهای co2   برای برش های غیر فلزی استفاده شد. آن زمان هنوز دی اکسید کربن برای هدایت نمودن حرارتی فلزات قدرت کافی نداشت.

دستگاه برش لیزر چگونه کار می کند

اشعه لیزر توسط مواد تولید کننده لیزر به وسیله تخلیه الکتریکی یا تابش در یک لامپ در محفظه ای بسته تولید می شود و این اشعه های تولید شده توسط آینه انعکاس می یابد تا به این وسیله انرژی لازم برای مبدل شدن به یک جریان نوری یک رنگ کسب شود. عموماً برای هدایت کردن نور متمرکز به لنز دستگاه از آینه با فیبر  نوری  مورد استفاده قرار می گیرد.  این لنز در نقطه کاری دستگاه قرار گرفته است.

مزایای استفاده از دستگاه برش لیزر

با استفاده از دستگاه برش لیزر می توانید برش فلزات را با دقت و تمیز انجام دهید که دارای کیفیت بالایی می باشد و لبه های اضافی بعد از برش لیزر روی فلزات مشاهده نخواهید نمود به همین جهت برش لیزری فلزات جایگاه مناسبی را در برابر روش های سنتی برش فلزات کسب نموده است. استفاده از حداقل انرژی، کمترین هزینه و بهترین نتیجه و کمترین پرتی از مزایای استفاده از برش لیزری فلزات می باشد. استفاده از این روش برای فلزات با ضخامت های محدود قابل استفاده می باشد ولی در حال حاضر دستگاه های قوی تری برای برش فلزات با ضخامت بیشتری در حال تولید می باشد.

یکنواخت بودن برش فلزات با استفاده از دستگاه برش لیزری فلزات به همراه سرعت بالا در برش از مزایای اصلی این روش می باشد.

دستگاه های برش لیزر در انواع مختلفی تولید می شوند که باید بر حسب نوع کار نوع مناسبی از ان ها مورد استفاده قرار بگیرد.

 

۶
مزایای برش لیزری

سهولت در به‌کارگیری، کیفیت و تمیزی(عدم وجود لبه های اضافی در قسمت های برش خورده) محصول نهایی از مزایای استفاده از برش لیزری به جای برش های مکانیکی و سنتی است. از آنجایی که از ابتدای شروع عملیات برش تا پایان کار، پرتو لیزر به صورت مداوم و یکنواخت عمل برش را انجام می‌دهد، دقت کار افزایش می‌یابد.

۷
برش ليزري چيست

لیزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است. تاریخچه کشف لیزر به سالهای ۱۹۶۰ برمی‌گردد. اولین بار تولید لیزر از گاز CO۲ در سال ۱۹۶۱ با طول موج ۱۰/۶mm توسط جوان، بِنِت و هیرت (Javan, Bennett, Hereto) صورت گرفت و در سال ۱۹۶۴ لیزر با طول موج ۱/۰۶mm از Nd:YA۶ تولید شد.

ز سال ۱۹۶۲ به بعد گزارشهای متعددی در زمینه کاربردهای متالورژیکی لیزر که شامل جوشکاری نیز می‌باشد، موجود است. تا سال ۱۹۷۰ از لیزرهای با توان بالا و پیوسته در جوشکاری استفاده نشد و از لیزرهای پالسی استفاده شد. مشخصه اصلی در جوشکاری لیزری و اشعه الکترونی توسط Ready در سال ۱۹۷۱ وجود حالت جوشکاری نفوذی یا (سوراخ کلیدی) در تابش لیزر گزارش شده‌است. در واقع ایجاد سوراخ کلید در فلزات، در شدّ‌تهای بالای لیزر (MW/cm3) است و در نتیجه Keyhole نیاز به یک زمان کافی برای ایجاد شدن دارد و نمی‌تواند به آسانی در جوشکاری لیزری پالسی Overlap ایجاد شود. از سالهای ۷۲ـ۱۹۷۱ به بعد استفاده از لیزرهای CO۲ پیوسته این مسیر را تغییر داد. جوشهایی با نفوذ کامل در مقیاسهای بزرگ فولاد زنگ نزن مانند جوشهای اشعه الکترون در حالت سوراخ کلیدی ایجاد شدند. این تحقیقات در کشورهای ژاپن، آلمان و انگلستان انجام شدند. پیشرفتهای بعدی در جوشکاری لیزری CO۲ بر بهینه‌سازی بیشتر، منابع لیزر، افزایش کیفیت باریکه لیزر و فهم اندر کنش طراحی اتصال، سرعت جوشکاری، تمرکز اشعه و اثرات پلاسما در جوش‌پذیری متمرکز شد. مطالعات در این زمینه تا توانهای KW۱۵ـ۱۲ ادامه یافته‌است. جوشکاری با Nd: YA۶ به علّت کم بودن طول موج آن (۱/۰۶mm) و کاهش باز تابش از مواد فلزی استفاده بیشتری نسبت به CO۲ می‌تواند داشته باشد. در سالهای آینده استفاده از لیزرهای دیودی (Diode) پیشرفتهای زیادی را در جوشکاری لیزری ایجاد خواهد کرد.

 

نوری که توسط لیزر گسیل می گردد در یک سو و بسیار پر انرژی و درخشنده است و قدرت نفوذ بالایی نیز دارد. به طوری که در الماس فرو می رود. امروزه استفاده از لیزر در صنعت به عنوان جوش آورنده فلزات و در پزشکی به عنوان چاقوی جراحی بدون درد بسیار متداول است.

 

لیزرها سه قسمت اصلی دارند:

پمپ انرژی یا چشمه انرژی: ممکن است این پمپ اپتیکی یا شیمیایی و یاحتی یک لیزر دیگر باشد.

ماده پایه وفعال که نام گذاری لیزر بواسطه ماده فعال صو رت می گیرد.

تشدید کننده اپتیکی : شامل دو آینه بازتابنده کلی و جزئی می باشد.

 

طرز کار یک لیزر یاقوتی:

پمپ انرژی در این لیزر از نوع اپتیکی می باشد و یک لامپ مارپیچی تخلیه است (flash tube) که بدور کریستال یاقوت مدادی شکلی (ruby) پیچیده شده است. کریستال یاقوت ناخالص است و ماده فعال آن اکسید برم و ماده پایه آن اکسید آلومینیوم است. بعد از فعال شدن این پمپ انرژی، کریستال یاقوت نور باران می شود و بعضی از اتمها رادر اثرجذب القایی( stimulated absorption ) برانگیخته کرده وبه ترازهای بالاتر می برد.

پدیده جذب القایی: اتم برانگیخته = اتم+ فوتون

با ادامه تشعشع پمپ، تعداد اتم های برانگیخته بیشتر از اتم های با انرژی کم می شود. به اصطلاح وارونی جمعیت رخ می دهد. طبق قانون جذب و صدور انرژی پلانک، اتم های برانگیخته توان نگهداری انرژی زیادتر را نداشته و به تراز با انرژی کم بر می گردند و انرژی اصافی را به صورت فوتون آزاد می کنند که به این فرایند گسیل خودبخودی گفته می شود. ولی از انجایی که پمپ اپتیکی، مرتب به اتم ها فوتون می تاباند، پدیده دیگری زودتر اتفاق می افتد که به آن گسیل القایی (stimulated emission ) گفته می شود. همان طور که در شکل زیر می بینید، وقتی یک فوتون به اتم برانگیخته بتابد، آن را تحریک کرده وزودتر به حالت پایه خود بر می گرداند.

گسیل القایی: اتم + دو فوتون = اتم برانگیخته + فوتون

این فوتونها دوباره بعضی از اتمها را بر انگیخته می کنند و واکنش زنجیر وار تکرار می شود.  بخشی از پرتوهای نور درون کریستال به حرکت در می آیند که توسط تشدید کننده های اپتیکی درون کریستال برگرداننده می شوند و این پرتوهای نور در همان راستای نور اولیه هستند. به تدریج با افزایش شدت نور، لحظه ای می رسد که نور لیزر از جفتگر خروجی با روشنایی زیاد بطور مستقیم خارج می شود .

 

 

  • لیزر چیست و پایه کار آن چگونه است؟

    با در 2024-01-14 - 0 نظرات

    لیزر چیست و پایه کار آن چگونه است؟ لیزر (LASER) مخفف عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation است و به معنای تقویت نور از طریق گسیل القایی می باشد. اساس کار لیزر با برانگیختگی اتم اتفاق می افتد. در صورتی که به اتم یک واحد انرژی معادل اختلاف انرژی دو تراز آن بدهیم، […]