X
تبلیغات
رایتل
X
تبلیغات
رایتل

بازدید : مرتبه
تاریخ : 1392/12/09

لیزر یاقوت      

لیزر یاقوت معروفترین لیزر حالت جامد است و به عنوان نخستین نوع لیزر ساخته شده در سال ۱۹۶۰، موقعیت مهمی در تاریخ لیزرها دارد، به عنوان مثال جالبی از طنزهای علوم، مقاله اولیه تئودور اچ. میمن که نخستین لیزر را توصیف می‌کرد، توسط Review Letters Physical رد شد، زیرا فرض شد که این کار، چندان جالب نیست.

از نظر ساختاری، لیزرهای یاقوت جدید شامل یک میله یاقوت تجارتی (3O2Cr % 0.05 در شبکه) با قطری بین ۳ تا mm 25 و طول تا cm 20 است. یونهای کروم یاقوت با نشر نوار پهن حاصل از لامپ درخشی برانگیخته می‌شوند یا لامپ درخشی به دور میله یاقوت پیچیده‌است یا درون یک بازتابنده بیضوی به موازات آن، قرار گرفته‌است.

پیش از پرداختن به جزئیات طرح تراز انرژی یاقوت، جالب است بدانیم که به طور مستقیم می توان از روی رنگ نوری که این لیزر نشر می‌کند، به مطالبی پی برد. این واقعیت که لیزر یاقوت نور سرخ نشر می‌کند، ممکن است چندان شگفت آور نباشد، مگر بیاد آوریم که دلیل سرخ رنگ بودن یاقوت آن است که یاقوت در ناحیه سبز و بنفش طیف جذب دارد، به همین دلیل نور سرخ را عبور می‌دهد (یا بازتاب می‌کند)۰

  

بدین ترتیب چون جذب تابش لامپ درخشی و نشر لیزر آشکارا در طول موجهای مختلفی رخ می‌دهد، فوراً مشخص می‌شود که یاقوت باید لیزری با بیش از دو تراز باشد. شایان ذکر است که این ترازهای انرژی، کاملا با آنهایی که در اتم آزاد کروم وجود دارند، متفاوت اند. محیط الکتروستاتیکی ایجاد شده توسط اتمهای پیرامون شبکه میزبان، که به عنوان میدان بلور شناخته می‌شود، باعث شکافتگیهای زیادی در ترازهای انرژی می‌شود، حال آن که در اتم آزاد معمولا آنها هم ترازند.

تخریب ناشی از چرخه‌های مداوم گرم و سرد شدن مربوط به مرحله ایجاد هر تپ، مسئله‌ای اساسی در لیزر یاقوت و سایر لیزرهایی از این نوع است که سرانجام باعث تعویض میله یاقوت می‌شود. معمولاً برای بهبود عملکرد، با گردش آب از درون روکش، میله خنک می‌شود. لیزر یاقوت علی رغم کاستیهایش با انرژی تپی به اندازه J 200، منبعی نیرومند برای نور تکفام در ناحیه نوری محسوب می‌شود و کاربردهای متعددی در فراورش مواد به دست آورده‌است. پهنای نوار نشر به طور نوعی در حدود n m 5 ر0 (cm 10) است ولی با قرار دادن سنجه در درون حفره می توان این مقدار را ۱۰ مرتبه کاهش داد. بدین ترتیب با چنین پهنای خط باریکی، لیزر را می‌توان برای تمام نگاری به کار برد و این زمینه بیشتر کاربردهای این لیزر را تاکنون به خود اختصاص داده‌است. زمینه کاربردی دیگر در لایدار است. قطر باریکه یک لیزر یاقوت کم توان می‌تواند به اندازهmm 1 با واگرایی ۲۵ر۰ میلی رادیان باشد، پرتوان ترین لیزرها می‌توانند باریکه‌هایی تا قطر mm 25 و واگراییهای بزرگتر تا حد چند میلی رادیان داشته باشند. به تازگی، سایر انواع لیزرهای حالت جامد توسعه یافته اند، گرچه اینها نیز بر اساس گذارهای نوری در یون فلزات توسط واسطه مستقر در درون بلور یونی میزبان عمل می کنند، لکن خواص کاملاً متفاوتی با لیزر یاقوت دارند. یکی از این انواع لیزر الکساندریت است که در آن یون کروم دوپه شده درون بلور الکساندریت) 4 O2(BeAL ، محیط فعال را تشکیل می دهد.

تفاوت لیزر یاقوت و الکساندریت

تفاوت بین لیزرهای یاقوت و الکساندریت در آن است که در مورد اخیر، حالت پایه الکترونی یو ن دیگر گسسته نیست، بلکه به دلیل جفت شدگی با ارتعاشهای شبکه، نوار پیوسته پهنی از ترازهای انرژی وایبرونیک ایجاد می کند. در این مورد، پس از برانگیختگی با لامپ درخشی عادی، نشر لیزر از طریق گذارهای به سمت پایین از حالت 2 Tبه جایی در پیوستار حالت پایه روی می دهد و خروجی کوک پذیری که گستره 700 تا n m 815 را در بر می گیرد، به دست می آید. لذا، اغلب از لیزر الکساندریت به نام لیزر وایبرونیکی یاد می شود.

لیزر تیتانیم

لیزر تیتانیم: یاقوت کبود که به تازگی توسعه یافته است، از نوع مشابهی Tدر یونهای تیتانیم، باعث ایجاد نشرàاست و با وقوع گذارهای وایبرونیکی 2 E پر قدرت و کوک پذیر CW در گستره طول موج به طور غیر عادی وسیع 650 تا nm 1000 می شود . سایر لیزرهای وایبرونیکی شامل2MgF با دوپه Ni و Co هستند .

لیزر نئودیمیم

لیزرهای نئودیمیم بر دو نوع عمده اند، در یکی شبکه میزبان برای یونهای نئودیمیم، بلور لعل ایتریم آلومینیم ودر دیگری میزبان شیشه ای بی ریخت است.

به این دو نوع به ترتیب Nd:YAG و :Nd شیشه می گویند. هر چند که در هر دو مورد، گذارهای انجام شده دریونهای نئودیمیم مسئول عمل لیزرند، ولی به دلیل تاثیر شبکه میزبان روی ترازهای انرژی نئودیمیم، مشخصات نشر در آنها متفاوت است. همچنین شیشه فاقد رسانایی گرایی عالی بلور YAG است، در نتیجه استفاده از آن برای عملیات با موج تپی مناسبتر از عملیات با موج پیوسته ( CW) است. مانند لیزر یاقوت، هر دونوع لیزر نئودیمیم معمولاً توسط یک لامپ درخشی که به طور هم کانون درکار یک میله ماده لیزری درون یک بازتابنده بیضوی قرار گرفته است، برانگیخته می شوند. اکنون لیزرهای بسیار کوچک و دستی  YAG :Nd موجودند که توسط دیودهای لیزری برانگیخته می شوند.

در اینجا نیز ترازهای انرژی یونهای نئودیمیم درگیر در عمل لیزر که به طور طبیعی در حالت آزاد هم ترازند، در اثر برهم کنش با میدان بلور دچار شکافتگی می شوند. نحوه شکافتگی در شکل 2 . 3 نشان داده شده است. بدین ترتیب گذارهای بین مؤلفه های حالتهای2/3 F و2/11 I که در حالت آزاد ممنوع اند، مجاز می شوند و می توانند باعث نشر لیزر شوند. به دنبال واپاشی غیر تابشی از ترازهای انرژی بالاتر که توسط لامپ درخشی برانگیخته شده اند، ترازهای2/3 F در آغاز جمعیت دار می شوند و چون تراز پایانی 2/11 I لیزر در بالای حالت پایه 2/9 I قرار گرفته است، در نتیجه با یک سیستم شبه چهار ترازی مواجهیم .

طول موج اصلی نشر هر دو نوع لیزر نئودیمیم در حدود 1.064mm در زیر قرمز نزدیک ( یا 1.047mm درمورد لیزرهای نامتداولتر Nd:YLF که در آن لیتیم جایگزین آلومینیم در شبکه میزبان شده است ) قرار دارد. برخی از لیزرهای تجاری می توانند براساس گذار دیگری که خروجی mm 319ر1 ایجاد می کند، عمل کنند. با این حال مواد میزبان YAG و شیشه خواص کاملاً متفاوتی بر نشر تحمیل می کنند، جدا از تفاوتهای رسانایی گرمایی که تعیین کننده نحوه کار پیوسته یا تپی است، یکی از تفاوتهای اساسی این دو لیزر در پهنای خط آنها نهفته است، چون شیشه ساختاری بیریخت دارد، محیط الکتریکی اطراف یونهای نئودیمیم را تغییر می دهد و در نتیجه شکافتگی میدان بلور نیز از یونی به یون دیگر تغییر می کند. به همین دلیل در مقایسه با لیزر N d :YAG که در آن شبکه بسیار منظمتر و شکافتگی میدان ثابت تر است، پهنای خط بسیار بیشتر می شود. با این حال، غلظت دوپه کننده نئودیمیم در شیشه می تواند تا 6% برسد در حالی که برای مقایسه در میزبان YAG مقدار آن %5 ر1 است، بدین ترتیب خروجی بسیار پرانرژی تری می توان از آن بدست آورد. بنا به این دلایل لیزر : Nd شیشه به طور ایده ال برای تولید تپهای بسیار کوتاه با شدت بسیار زیاد توسط روش قفل کردن مد مناسب است. در حقیقت، توسط لیزرهای نئودیمیم بوده است که به پر شدت ترین باریکه ها در لیزرهای تجاری دست یافته ایم.

توان خروجی یک لیزر نوعی موج پیوسته N d:YAG چند وات است و می تواند از 100 وات فراتر رود. در وضعیت تپی، بنا به روش تپ سازی و سرعت تکرار تپ، انرژی تپ تفاوت می کند ولی می تواند برای یک تپ از کسر کوچکی از 1 تا J 100 باشد. اکنون چنین منابع توانمند تابش زیر قرمز کاربردهای متعددی در فراورش مواد به دست آورده اند. به علاوه در چند سال گذشته، لیزرهای Nd:YAG به بازار لیزرهای جراحی راه یافته اند. درحالی که در جراحی اغلب فرایندهای گرمایی القایی متمرکز که به جذب تابش شدید زیر قرمز منجر می شود به کار می روند، علاقه زیادی به استفاده از روش دیگری به نام جراحی مد درهم شکننده وجود دارد که توسط لیزرهای YAG با مد قفل شده یا Q سوییچ شده امکان پذیر می شود. در این حالت میدان الکتریکی بزرگی ( نوعاً m V 10 × 3 ) که همراه هر تپ متمرکز شده نور لیزر است، الکترونها رااز مولکولهای بافت جدا می کند و پلاسمای حاصل، یک موج ضربه ای ایجاد می کند که باعث گسیختگی مکانیکی بافت در فاصله mm 1 از محل تمرکز می شود. اثبات شده است که این روش درتعدادی از جراحیهای بسیار ظریف چشم خیلی سودمند است لازم است. لازم است متذکر شویم که در اکثر کاربردهای پژوهشی Nd:YAG درنور شیمی و نورزیست شناسی ازتابش mm 064ر1 استفاده نمی شود، بلکه در آنها نور مرئی پرشدتی که می توان آن را با روشهای تبدیل فرکانس ایجاد کرد، به کار می رود. از این لحاظ طول موجهای 532 ، 355وn m266 که با روش ایجاد هماهنگ به دست آمده اند، از اهمیت خاصی برخوردارند.

لیزرهای حالت جامد با دمش دیودی، نمایشگر تکنولوژی لیزر به نسبت جدید و بسیار متفاوتی اند. در این ابزارهای بسیار کوچک، که در اغلب موارد به راحتی دردست جای می گیرند، یک لیزر دیود نیم رسانا به طور مستقیم کار دمش بلور کوچک Nd:YAG را انجام می دهد. درحالی که معمولاً توانهای خروج CW اندک است اکنون برخی سیستمهای تجاری موجود، از مقدار بحرانی W 1 فراتر رفته اند و امکان دارد که از طریق تپ سازی Q سوییچ شده بتوان به خروجی پیک چند کیلوواتی دست یافت. مسئله مهمتر، استفاده از روش متداول وارد کردن بلورهای مبدل فرکانس در این ابزارهاست، بدین ترتیب نشر میلی واتی در گستره مرئی به ویژه در خط n m 532 سبز، به دست می آید. چنین لیزرهای حالت جامد یکپارچه ای، از مزیت اندازه کوچکتر، کارایی بالاتر، پایداری بهتر و سطح نوفه کمتر در قیاس با اکثر لیزرهای تخلیه در گاز، بهره می برند و چشم انداز بهتری را برای وسیله کمکی استانداردتری از آنچه در گذشته متصور بودیم، ارائه می کنند. کاربرد آنها، گستره وسیعی از دستگاهوری نوری را در بر می گیرد و قابلیت آنها را در فراورش مواد نیز نشان داده شده است .

یک نوع لیزر حالت جامد دیگر را که در آن محیط فعال یک بلور یونی معمولی ولی فاقد یونهای فلز واسطه است، می توان دراینجا مطرح کرد. این نوع را به اصطلاح، لیزر مرکز F ( یا مرکز رنگ ) می نامند که براساس گذارهای نوری در مکانهای نقص دار بلور هالیدهای فلزات قلیایی، مثلاً در KCl با دوپه تالیم، کار می کند. معمولاً مراکز رنگ توسط یک لیزر دمش از نوع N d:YAG یا لیزر یون آرگون ـ کریپتون برانگیخته می شوند. چنین لیزرهایی تابشی تولید می کنند که با استفاده از یک توری پراش به عنوان آینه انتهایی روی گستره کوچکی از طول موجها در ناحیه کلی 8 /0 تا mm 4 /3 کوک پذیر است، برای کار در قسمتهای مختلف این گستره به بلورهای متفاوتی نیاز داریم. یک عیب این نوع لیزر آن است که چون بلورها باید در دماهای بسیار پایین قرار گیرند، سیستم به نیتروژن مایع نیاز دارد.

لیزر اگزایمر

لیزر اگزایمر یا لیزر اکسیپلکس (به انگلیسی: Excimer laser) گونه‌ای لیزر ماورا بنفش است که معمولاً از آن در جراحی چشم و ساخت نیمه‌رساناها استفاده می‌شود.

واژه «اگزایمر» از عبارت «دیمر تحریک شده» بدست آمده‌است که یعنی یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریکی واقع است پایدار است و در حالت پایه ناپایدار است. چنین مواردی مشخصا عباتند از هالوژن‌های گازهای نادر مانند ArF ، KrF و XeCl. اگر نمودار انرژی بر حسب فاصله بین مولکلی را برای حالت پایه یک مولکول معمولی رسم کنیم منحنی با یک انرژی کمینه در حالت جدایی در حالت پایه مولکول بدست می‌آوریم. چنین منحنی‌هایی را می‌توان برای حالت‌های تحریکی بدست آورد. ولی برای دیمرها گرچه حالت‌های تحریکی دارای مینیمم است ولی حالت پایه دارای مینیمم نیست.

ایجاد جمعیت معکوس

به وضوح در حالت تعادل مولکول‌های کمی در حالت پایه وجود دارند و مولکول‌ها ناپایدارند. از این رو نمی‌توان تحریک را مستقیم از حالت پایه بدست آورد. چندین امکان برای تحریک غیرمستقیم در تخلیه وجود دارد. برای مثال در ArF مراحل زیر اتفاق می‌افتد. ابتدا برخورد الکترونی داریم : e + F                ۲ → F- + F

یون‌های منفی با یون‌های مثبت موجود مولکول تحریک شده را تولید می‌کنند:

(Ar+ + F- → (ArF

با وجود این راه غیرمستقیم، چنین واکنش‌هایی می‌تواند در تحریک مولکول‌های دیمر بسیار مؤثر باشد. به دلیل جمعیت کم در حالت پایه، جمعیت معکوس به راحتی حاصل می‌شود. حتی هنگامی که لیزر در حال کار است جمعیت حالت پایه خالی باقی می‌ماند، به دلیل آنکه حالت پایه ناپایدار است. به محض آنکه مولکول در حالت پایه قرار می‌گیرد اتم‌ها به سرعت از یکدیگر جدا می‌شوند و مولکول تجزیه می‌شود.

فرایند دمش

برای دمش این لیزرها تخلیه الکتریکی، پرتوهای الکترونی و حتی پرتوهای فوتونی بکار می‌روند، گرچه در لیزرهای تجاری معمولاً از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‌شود. دمش بسیار قوی به منظور ایجاد واکنش‌های فوق مورد نیاز است که منجر به عمل لیزر به صورت ضربانی می‌شود. تجهیزاتی مانند آنچه در لیزر ازت به منظور دمش لیزر مورد نیاز است. بعضی از مواقع با استفاده از پرتوهای فرابنفش و یا پرتوهای ایکس گازی محفظه تخلیه ابتدا کمی یونیده می‌شود که تخلیه الکتریکی را بعداً سرعت می‌بخشد. غالباً تجهیزاتی نیز برای تعویض نوع گاز و تغییر طول موج لیزر نیز ساخته می‌شود. در هر صورت ضروری است بطور منظم گاز داخل محفظه لیزر تعویض شود تا از کاهش و تغییر خروجی لیزر جلوگیری شود. برخی از این مواد بخصوص گاز فلوئور سمی است.

توان و بازه بسامدی

تعداد نسبتاً زیادی لیزرهای اگزایمر ساخته شده‌اند که ناحیه طول موجهای ۱۲۰ تا ۵۰۰ نانومتر را در بر می‌گیرند. برخی از آنان به خصوص XeF و KrF دارای کارآیی مؤثر ۱۵-۱۰٪ می‌باشند. توان بیشینه تا ۱ ژول با توان متوسط حدود ۲۰۰ وات قابل حصول است. چنین ضربان‌های با توان بالا به خصوص جهت دمش لیزرهای رنگی مورد نیاز است.

کاربردهای لیزر

چهره نگاری پرتودرمانی

لیزر دیودی

لیزرهای دیودی نیم‌رسانا پرفروشترین نوع لیزر در جهان هستند. این لیزرها اولین بار در سال ۱۹۶۲ ساخته شدند و گفته می‌شود اکنون در مرحله‌ای هستند که از بسیاری جهات قابل قیاس با موقعیت صنعت الکترونیک سیلیسیومی در حدود ۲۵ سال پیش است. نیروی اصلی در پس این پیشرفت، رشد سریع صنعت مخابرات است، اما ذخیره سازی اطلاعات (خواندن/نوشتن CD، پویشگرهای رمز میله‌ای)، اشاره به دور (نشانگرهای لیزری) و کاربردهای ماشین‌کاری نیز اهمیت روزافزونی یافته‌اند.

کاربردها

طی چند سال اخیر لیزرهای دیودی به توانایی خروجی بالاتر، ابعاد کوچکتر، کارایی بالاتر، اعتماد پذیری بیشتر و از همه اینها مهمتر به پوشش طول موجی پهنتر از IR میانه تا انتهای آبی رنگ طیف الکترومغناطیس، دست یافته‌اند. برای سالهای متمادی، دستیابی به منابع نوری تکفام کوک همدوس، با عملکرد آسان و ارزان از IR میانه تا UV، هدفی برای متخصصان طبف بینی بوده‌است. به غیر از طیف‌بینی‌های متداول جذبی و فلوئورسانی، طیف بینی رامان و بیضی‌سنجی نیز از لیزرهای دیودی به عنوان منابع نور همدوس بهره‌مند شده‌اند.

به تازگی متخصصان طیف بینی، فنون با حساسیت زیاد مثل طیف بینی درون حفره را با لیزرهای دیودی ترکیب کرده‌اند. در طیف‌بینی بنیادی، کاربرد منابع لیزری جدید به تعیین ساختار رادیکال‌های آزاد یا گونه‌های خوشه‌ای عجیب و غریب منجر شده‌است. برای نظارتهای اتمسفری، لیزرهای دیودی دمای اتاق که در ۸ تا 13µM نشر می‌کنند، پیشرفتی اساسی به سمت بهبود کیفیت هوا هستند.

در پزشکی، کاربرد لیزرهای دیودی در مقطع‌نگاری نوری و در تجزیه غیر تزریقی خون، مثلا پیش‌بینی سطح گلوکز خون، تشخیص پزشکی را با انقلابی مواجه کرده‌است. در صنعت، حسگرهای شیمیایی ارزان قیمت در کنترل فرآیند اهمیت یافته‌اند، برای کنترل در محل فرآیندهای احتراقی، آشکار سازی پسماندهای گازی در نقطه تخلیه و کنترل کیفیت در صنایع دارویی و غذایی لیزرهای دیودی دیگری نیز هستند که برای اندازه گیریهای جریان، شمارش و سنجش ابعاد ذرات سودمندند.

ارتعاشات عالی

IR میانه، یکی از محدوده‌های طیف الکترومغناطیسی است که لیزرهای دیودی در آن به ایفای نقش پرداخته‌اند. مطالعه ارتعاش‌های بنیادی مولکولها که در این ناحیه اتفاق می‌افتد، تا کنون بر لیزرهای دیودی ساخته شده از نمکهای سرب که با سرمازایی خنک شده‌اند متکی بوده‌است. با این حال تجهیزات خنک کننده با سرمازایی بر هزینه‌های خرید و عملیاتی چنین لیزرهایی بسیار می‌افزاید. لیزرهای دیودی IR میانه که از ترکیبات همانند ساخته شده‌اند و در دمای اتاق کار می‌کنند، کم کم به عنوان جانشینی برای حسگرهای شیمیایی ارزان مطرح می‌شوند.

این حسگرها برای آشکارسازی اتمسفری و آلودگی و همچنین نظارت بر فرآیندهای صنعتی بکار می‌روند. مثلا، نیم رساناهایی مانند aLgAssB/iNgAaSb که تا زیر 3000nm کار می‌کنند. دستیابی به اکثر ارتعاشهای کششی C_H را مقدور می‌سازند. نشر لیزر در این طول موجها، به دلیل وجود گاف نوار باریک که ساختار الکترونی این مواد را می‌سازد، امکان پذیر است. در نتیجه فقط مقدار بسیار کمی انرژی برای ارتقای الکترونها به انرژی بالاتر نوار رسانش، مورد نیاز است.

با این حال مهیجترین پیشرفت در آشکارسازی IR میانه، ساخت لیزرهای آبشار کوانتومی (QCL) است. این لیزرها را اولن بار دانشمندان بل لبز - لوسنت در آمریکا در سال ۱۹۹۴ ارائه کردند که با روشی کاملا متفاوت از لیزرهای دیودی نیم‌رسانای معمول کار می‌کنند. طول موج نوری که آنها نشر می‌کنند به گاف نوار نیم‌رسانا بستگی ندارد، بلکه بیشتر به ضخامت لایه‌های سازنده نیم‌رسانا در قطعه وابسته‌است.

لیزرهای دیودی در عمل

یک لیزر نیم رسانا اساسا از اتصال بین یک نیم رسانای نوع P (غنی از "حفره‌های" مثبت) و یک نیم رسانای نوع n (غنی از الکترونها) تشکیل می‌شود. بر اثر عبور جریان الکتریکی از محل اتصال، الکترونها و حفره‌ها می‌توانند باز ترکیب شوند که در این فرآیند نور نشر می‌شود. طول موج نشر با گاف نوار ماده نیم رسانایی که دیود را می‌سازد، تفاوت انرژی لازم برای صعود الکترون از نوار انرژی والانس پایینتر به نوارهای رسانش پرانرژی‌تر در بالا تعیین می‌شود. در وسایل ساده با تغییر جریان الکتریکی بکار رفته یا دمای لیزر، تنظیم طول موج مقدور می‌شود.

با ماده گالیم آرسنید (GaAs) خالص یک طول موجی ساخته شد، اما در عمل به علت نیاز و دشواری در تطابق شبکه، این امر با محدودیت مواجه می‌شود. لیزرها با هر دو روش رشد همراستای بلور با باریکه مولکولی و رسوب دهی شیمیایی بخار فلز - آلی ساخته می‌شوند. این لیزرها با داشتن ۵۰ درصد تبدیل الکتریسیته به نور، کارآمدترین نوع لیزرند که در نتیجه باعث کاهش هزینه عملیاتی می‌شود.

هرگاه لایه به اندازه کافی نازک باشند (کمتر از 20nm) مکان الکترونهای نیم رسانا فقط در یک بعد محدود می‌شود: حالتهای انرژی در نوارهای والانس و رسانش کوانتیده شده و فقط ترازهای انرژی معینی مجاز می‌شود. لذا لایه‌های نیم رسانا مانند چاههای کوانتومی خواهند بود و می‌توان آنها را با لایه‌های غیر فعال (غیر لیزر ساز) روی هم چید و لیزرهایی ساخت که قادرند نور خروجی پر توانتری تولید کنند. در این QCL‌ها، الکترونها از چند مرحله پی در پی افت انرژی، می‌گذرند و همزمان با حرکت در نوعی آبشار الکترونی، فوتون نشر می‌دهند. فاصله نزدیک نوارهای انرژی الکترونی، نشر نور در گستره IR میانه تا دور را ممکن می‌سازد. چندین گروه پژوهشی، در حال رقابت برای تولید نوع تجاری QCL در گستره ۶ تا 12µm هستند که دریچه مهمی را بر روی نظارت اتمسفری، خواهد گشود.

در سال ۱۹۹۸ گروه فدریکاکاپاسوازبل لبز - لوسنت تکنولوژی، لیزری تولید کرد که دارای شبکه بلوری AlInAs/InGaAs با فواصل بین اتمی منطبق با شبکه InP بود و می‌توانست در 8,3µm با توان تپی 180mW در دمای اتاق، نشر کند. امروزه می‌توان لیزرهایی را که در این محدوده کار می‌کنند از GaAs/AlGaAs تهیه کرد، که هم ارزانترند و هم آسانتر ساخته می‌شوند. هر چند نتایج اخیر گروه کاپاسو در آشکارسازی مقادیر ناچیز گازهایی مانند CH4، N2O هنوز به حد حساسیت آشکارسازی لیزرهای نمک سرب، یعنی در حد ppb یا کمتر، نرسیده‌است. لیزرهای حفره عمودی نشر کننده از سطح (VCSEL) نوعی لیزر جدید هستند. آنها که عمدتا برای مخابرات نوری ساخته شده‌اند، برای کار در طول موج بلند و با خروجی تپی 2,9µm در دمای اتاق، نیز بکار می‌روند. آنها کیفیت باریکه بهتری ایجاد می‌کنند و از بسیاری از لیزرهای جانشین که در طول موجهای بلندتر کار می‌کنند، آسانتر ساخته می‌شوند. در سال ۱۹۹۷، دیرک رله، برند زومپف و هاینتس - دتلف کرونفلت، از دانشگاه صنعتی برلین، روش دیگری برای تولید تابش IR میانه برای آشکارسازی گازی، ارائه دادند. آنها در یک بلور AgGaSe2، خروجی دو لیزر دیودی IR نزدیک (یکی در 1290µm و دیگری 1572nm) را باهم مخلوط و نوری با فرکانس متفاوت در حدود 7,2µm) 1380cm-1) برای شناسایی SO2 تولید کردند.

کنترل در خط

هم اکنون لیزرهای دیودی نیم رسانا در IR نزدیک ، به ویژه در حوالی طول موجهای مخابراتی 1300 و 1550nm ، کاملا توسعه یافته‌اند. بهبود فنون ساخت در حال حاضر به معنی امکان پذیر شدن ساخت لیزرهایی است که در طول موجهای بسیار دقیقی کار می‌کند. مثلا ، لیزرهای پسخوری توزیع یافته (DFB) که معمولا با قرار دادن یک شبکه گزینشگر درون حفره لیزر ، برای صاف کردن طول موجهای مطلوب ، ساخته می‌شوند، به عنوان حسگرهای شیمیایی ارزان قیمت در نظارت بر انتشار آلاینده‌ها و کنترل فرآیند، بالقوه مفیدند.

گروه من در دانشگاهها درزفیید ، برای استفاده از لیزرهای دیودی در کنترل فرآیند در خط از طریق نظارت در محل ، به ویژه در محیطهای خطرناک که در آن باریکه لیزر با استفاده از تار نوری به درون واکنشگاه هدایت می‌شود، فنونی را توسعه داده است. برای کنترل فرآیند و بهبود کارایی ، می‌توان تجزیه سریع محتوی واکنشگاه را به یک حلقه پسخور متصل کرد. با همکاری مارتین پمبل از دانشگاه سالفورد ، توانستیم به واکنشهایی که درون واکنشگاهها به طریق رسوب دهی شیمیایی بخار انجام می‌گیرند نظر بیندازیم. گفتنی است این واکنشها ، فهم مهمی برای تولید بسیاری از پوشش دهیهای ظریف سطحی را فراهم می‌سازند.

محدویتهای طیف بینی با لیزر دیودی

یکی از محدویتهای طیف بینی با لیزر دیودی آن است که به علت باریکی گستره تنظیم طول موج ، یک لیزر معمولا فقط می‌تواند یک گونه شیمیایی را شناسایی کند. رانالد هانسون و همکاران در دانشگاه استانفورد با بکار گیری روشی موسوم به تقسیم چندگانه طول موج (WDM) بر این مشکل غلبه کردند و توانستند در یک اتاقک احتراق ، چند گونه مختلف و خواص آنها را مشاهده کنند. روش WDM عبارت است از ارسال همزمان چند طول موج مختلف از درون یک تار نوری. هانسون و گروهش با استفاده از سه لیزر دیودی با تنظیبم جداگانه ، توانستند بطور همزمان غلظت H2O ، O2 و نیز دما و فشار را در شعله H2 _ O2.

مسئله دیگر در آشکار سازی همزمان چند گونه شیمیایی ، احتمال "خط روی خط افتادن" یا تداخل علائم است. دانشمندان CSO Mesure در فرانسه ، برای اجتناب از این مشکل به هنگام اندازه گیری تابش زیر قرمز در فضا ، از یک لیزر دیودی IR نزدیک که روی مقادیر جذبی چرخشی - ارتعاشی C2H2 (در حدود 1530nm) تثبیت شده بود، به عنوان منبع مرجع استفاده کرده‌اند.

کار آنها بخشی از یک پژوهش 5 ساله مربوط به تداخل سنج زیر قرمز ارزیابی اتمسفری (IASI) اما مهندسان مخابرات برای جلوگیری از مشکل خط روی افتادن ، وقتی که چند طول موج مدوله شده کم فاصله در فرکانسهای GHz از درون یک تار نوری ارسال می‌شود، از همین رویکرد استفاده می‌کنند. "قفل کردن" طول موج لیزر روی استانداردهای مولکولی نظیر HCN و C2H2 ، هر گونه تداخل بین علائم مختلف را متوقف می‌کند.

خروجی پر انرژی

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در سانتریابارا با استفاده از بلورهای لیتیم نیوبات (LiNbOsub>3) یا پتاسیم فسفات. فرکانسای خروجی از لیزرهای دیودی را در انتهای پر انرژی‌تر طیف الکترومغناطیسی دو برابر کرده‌اند. این کار می‌تواند در ناحیه آبی فرابنفش طیف الکترومغناطیسی ، توانهای خروجی در حد 0,1mW تولید کند. در این طول موجها ، لیزرهای دیودی قادرند عناصری مانند آلومینیم (394nm) ، گالیم (403nm) و ایندیم (410nm) را شناسایی و رشد لایه‌های نیمرسانا ، از جمله ساخت سایر لیزرهای دیودی را تعقیب کنند. در مقایسه با لامپهای کاتد تو خالی متداول که در طیف بین جذب اتمی بکار می‌روند.

لیزرهای دیودی ، کوک پذیرند (شناسایی چند گونه‌ای امکان پذیر می‌سازند)، پر شدت ترند (بنابراین داده‌ها را سریعتر کسب می‌کنند) و کنترل دقیقتری را مقدور می‌سازند. انتهای آبی طیف الکترومغناطیسی ، یکی از فعالترین حوزه‌های پژوهشی درباره لیزرهای دیودی است که در آن ، لیزرهای بر پایه GaN ، شدت و سرعت انتقال داده‌های ذخیره شده را به حداکثر می‌رسانند. برای شیمیدانان ، لیزرهای آبی ، عملا برای دستیابی به گذارهای الکترونی مولکولهایی مانند O3 و NO2 مفید است و به ساخت سیستمهای قابل حمل نظارت اتمسفری می‌انجامد.

حسگرهای تار نوری

گسترش سریع صنعت مخابرات ، جدا از کابلهای تار نوری برای انتقال داده‌ها ، به توسعه حسگرهای تار نوری برای ارسال نور به مکانهای دور دست منجر شده است. حسگرهای تار نوری می‌توانند یا ذاتی باشند یا عارضی ، در اولی ، تغییرات در محیط مستقیما بر خواص تار اثر می‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغییر در محیط مستقیما بر خواص تار اثر می‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغییر شکل ناشی از خمش خود را حس می‌کند. بر اثر خم شدن تار ، نور به بیرون از آن نشت می‌کند. از طرف دیگر ، حسگرهای عارضی تغییر محیطی را به تغییر در خواص عبور نور در تار تبدیل می‌کنند.

تارهای نوری بر اساس بازتاب درونی کلی باریکه نور عمل می‌کنند، بنابراین هرگاه ضریب شکست نور در تار تغییر کند، نور می‌تواند به بیرون نشت کند. از این مسئله می‌توانیم برای آشکار سازی تغییر ارتفاع سطح مایع یا برای اندازه گیری با تفکیک پایین فشار درون مایع استفاده کرد. بخشی از میدان الکترومغناطیسی نور لیزر به خارج از تار هم گسترش می‌یابد و مولکولهای در سطح یا نزدیک تار می‌توانند این موج محو شونده را جذب کنند.

در سال 1997، یواخیم کاستز و ماوروس تا که از مؤسسه فرانهوفر در آلمان از این پدیده برای آشکار سازی هیدروکربنها در آب استفاده کردند. روشی که آنها استفاده کردند یعنی تجزیه موج محو شونده با لیزرهای دیودی (Ewald) ، عبارت است از استفاده از تارهای نقره هالید در IR میانه که با فیلم بسیاری نازکی روکش شده است. هیدروکربنها درون این اندود بسپاری نفوذ می‌کنند و از روی جذبهای اثر انگشتی‌شان شناسایی می‌شوند. به علت جذب قوی آب در ناحیه IR استفاده از طیف بینی معمولی عبوری IR امکان پذیر نیست.

طیف بینی جذب درون حفره ای لیزر

طیف بینی جذب درون حفره ای لیزر (Iclas) فناوری حساسی است که طیف بینی سال با لیزرهای گازی بزرگ و لیزرهای رنگینه‌ای بکار برده می‌شده است. این روش شامل تقویت جذب نور لیزر ، با قرار دادن نمونه درون حفره لیزر به جای خارج آن است. فوتونهای لیزر بین دو آینه انتهایی سازنده حفره لیزر به جلو و عقب بازتابیده می‌شوند و عملا طول مسیر جذب را هزاران مرتبه افزایش می‌دهند. پیترتوشک و والری بف در دانشگاه هامبورگ ، از این اصل برای ساختن یک آشکار ساز بسیار کوچک و حساس آلودگی گازی استفاده کرده‌اند.

لیزر دیودی مورد استفاده ، عملا برای تأمین توان لیزر 20cm آنهاست که از یک تار نوری فلوئور و زیرکوناتی دوپه شده با اتمهای پروزئودیمیم و ایتربیم تشکیل شده بود. نور لیزر دیودی در 850nm ، اتمهای دوپه کننده را در تار برانگیخته و نور مرئی نشر می‌کند. گفتنی است همانطوری که که تقویت می‌شود، اگر نمونه یک گاز در یک انتهای حفره در جلوی آینه نیم باز تابیده قرار داده شود، متخصصان طیف بینی می‌توانند طیف جذبی تقویت شده را آشکار کنند.

لیزر گازی

لیزر گازی لیزری است که درآن جریان الکتریکی، برای تولید نور، در یک گاز تخلیه می‌شود. علی جوان مخترع این نوع لیزر نخستین بار با کمک گاز هلیوم و نئون موفق به ساخت این دستگاه شد.

اجزای سازنده لیزر CO۲ با جریان گاز

-تیوپ لیزر -آینه‌های لیزر -منبع گاز CO۲ و N۲ و He -پمپ خلا -منبع ولتاژ بالا -آند و کاتد -سیستم خنک کننده -پیچ‌ها و پایه‌های تنظیم

در ادامه به برسی هر یک از اجزای لیزر به طور مجزا می پردازیم و با ارائه آمار و ارقام و روش‌های پیشنهادی، تئوری کاملی از ساخت لیزر CO۲ با جریان گاز ارائه خواهیم داد.

سامانه خلا و گازهای لیزر

همان طور که در طرح ساخت بیان شد، از سیستم جریان گاز با تخلیه الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می‌شود. در ادامه نکات مهمی در مورد راه اندازی سیستم خلا و جریان گاز بیان می‌شود

- تمام هوای داخل لوله باید تخلیه شود . تخلیه باید تقریبا به طور کامل انجام شود چرا که وجود هوای پس ماند در لوله باعث ضعیف شدن پرتوی خروجی یا عدم خروجی لیزر می شود. - هر گونه آلودگی را از روی تیوپ لیزر پاک کنید چرا که ممکن است باعث اختلال در پرتوی خروجی شود . توجه شود که برخی از مواد خلا مانند گریش و مواد پوشاننده درزها مشکلی ایجاد نمی کند. - فشار گاز لیزر را به صورت تکی یا مخلوط، چه در ابتدای کار و چه به هنگام عمل لیز کنترل کنید .

با توجه به نقشه ساخت لیزر به صورت زیر عمل می کنیم . ابتدا ورودی گاز لیزر را می بندیم و سپس از طرف دیگر توسط پمپ تخلیه کاواک را به طور کامل تخلیه می کنیم . منبع گاز را با توجه با جدول بالا پر میکنیم و سپس آن را به ورودی کاواک متصل می کنیم . سپس شیر ورودی را باز کرده تا مخلوط گاز وارد کاواک شود به منظور برقرار کردن جریان گاز در طول کاواک باید خروجی لیزر را به پمپ خلا متصل کنیم تا با مکشی که ایجاد می‌کند، گاز در طول لوله جریان یابد . راه دیگر برای ایجاد جریان گاز این است که خروجی کاواک را به یک مخزن خالی گاز با فشار کمتر از مخزن ورودی متصل کنیم . توجه شود که باید مسیر جریان گاز در طول لوله از آند به کاتد باشد تا تخلیه الکتریکی هم مسیر با عبور جریان انجام شود . لوله‌هایی که مخزن گاز و پمپ خلا را به لیزر متصل می کنند باید انعطاف پذیر باشند . محل اتصال لوله‌ها به لیزر باید کاملا عایق بندی شود تا هیچ گونه نشت به بیرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .

تیوپ لیزر

مهم‌ترین قسمت لیزر co۲ تیوپ آن می‌باشد . تیوپ‌های لیزر را معمولاً از جنس لوله تخلیه پلاسما یا از جنس شیشه می سازند . اما کاواک‌های شیشه‌ای متداول تر هستند زیرا دسترسی و ساخت آنها آسان تر است . بهترین شیشه به منظور ساخت کاواک لیزر، شیشه پریکس نسوز است که در مقابل تغییر دما مقاومت بالایی دارد . چرا که سامانه لیزر با تولید گرمای زیادی همراه است. با توجه به طرح ساخت، طول تیوپ لیزر را ۴۵ سانتی متر و قطر مقطع آن را ۲٫۵ سانتی متر در نظر می گیریم . جهت اتصال لوله‌های ورودی و خروجی گاز، دو سوراخ در قسمت‌های ابتدا و انتهای تیوپ لیزر تعبیه می کنیم یا اینکه تیوپ را به هنگام ساخت به گونه‌ای می سازیم که قابلیت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهای آن وجود داشته باشد. تیوپ لیزر ابتدا در یک لوله شیشه‌ای بزرگ‌تر که همان لوله سیستم خنک کننده است قرار می گیرد و سپس بر رویه پایه‌های نگه دارنه لیزر محکم می‌شود.

سامانه خنک کننده

از آنجا که عمل لیز گرمای زیادی ایجاد می‌کند و توان لیزر را تا حد زیادی کاهش می‌دهد پس باید در اندیشه راهی برای خنک کردن تیوپ لیزر و آینه‌ها باشیم. یک روش خنک کردن سیستم استفاده از جریان گاز می‌باشد . و روش دیگر استفاده از سیستم خنک کنندهٔ گردش آب می‌باشد . به این منظور باید کاواک را در یک لوله شیشه‌ای بزرگ قرار دهیم . طرز کار به گونه‌ای است که تیوپ لیزر در وسط لوله بزرگ‌تر قرار دارد و آب از اطراف آن جریان می یابد و آن را خنک می کند. جهت اجاد جریان آب در سیستم خنک کننده باید دو سوراخ در لوله شیشه‌ای بزرگ به منظور اتصال لوله‌های ورودی و خروجی آب تعبیه کنیم . و با اتصال آن از طریق لوله‌ها به یک پمپ، آب را از یک مخزن درون لوله شیشه‌ای به جریان بیندازیم . جهت پمپ آب می‌توان از پمپ آکواریوم یا پمپ کولرهای آبی استفاده کرد که آب را از یک منبع به داخل سامانه خنک کننده جریان می‌دهند. در بستن لوله‌های آب و سیستم خنک کننده به هم تلاش شود تا هیچ گونه نشت آب به بیرون وجود نداشته باشد. طبق طرح طول لوله شیشه‌ای سیستم خنک کننده ۳۰ سانتی متر و قطر آن ۵ سانتی متر می‌باشد .

آینه‌ها و نصب آنها در لیزر

همان طور که در قسمت تشدید کننده‌های نوری بیان شد برای افزایش توان لیزر و موازی کردن مسیر بازتاب پرتوها در کاواک از آینه‌هایی با درصد بازتابش بالا استفاده می‌شد تا فوتونها بتوانند بین دو آینه بازتاب کننده برای جلوگیری از تلفات به دلیل جلوگیری از پراش در لبه‌های آینه‌ها از سامانه‌ای استفاده می‌شود که در آن یک آینه تخت با درصد بازتابش تقریباً ۱۰۰٪ و یک آینه کاو با درصد بازتابش تقریباً ۹۰٪در دو طرف کاواک تعبیه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آینه کاو با بازتابش ۹۰٪ می‌باشد. از آنجا که خروجی لیزرهای co۲ در محدوده ۱۰٫۶ میکرون است از قطعات اپتیکی مثل شیشه و یا کوارتز جهت ساختن آینه‌های لیزر نمی‌توان استفاده کرد .چون این مواد در محدوده ۱۰٫۶ جذب زیادی دارند بنابراین خروجی لیزر را به شدت کاهش می‌دهند و در اثر گرمای زیادی که در اثر فرآیند جذب در آنها ایجاد می‌شود ممکن است بشکنند یا ذوب شوند. بنابراین برای ساختن آینه‌های لیزر از موادی مانند ژرمانیم، گالیوم، آرسناید، سولفید روی، طلا و هالوژن‌ها می‌توان استفاده کرد. در میان این آینه‌ها هالوژنها کمترین جذب را دارند ولی جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشکلاتی را فراهم می کند. آینه‌های فلزی با درصد بازتاب ۱۰۰٪ نیز می‌توانند برای استفاده در این طول موج‌ها مورد استفاده قرار گیرند. ما در ساخت لیزر co۲ با جریان گاز از آینه ژرمانیوم و طلا استفاده می کنیم. به این صورت که آینه تخت را از جنس آینه ژرمانیوم و آینه کاو را از جنس آینه طلا انتخاب می کنیم.

تقریباً بیشترین هزینه در ساخت لیزر co۲ مربوط به تهیه آینه‌هاست. نیاز به یادآوری است که آینه کاو طلا که مورد استفاده قرار می گیرد دارای شعاع خمیدگی cm ۱۲۰ باید باشد در ضمن خروجی لیزر هم از همین آینه‌هاست. نکته دیگری که باید هنگام تهیه آینه‌ها در نظر گرفت این است که آینه‌ها باید از طرف جلوی آینه پوشش داده شده باشند یعنی پوشش طلا یا ژرمانیوم باید بر روی آینه باشد نه پشت آن. در صورتی که در تهیه آینه طلا با مشکل روبرو شدیم می‌توانیم از آینه آلومینیوم نیز استفاده کرد. گاهی اوقات نیز در ساخت آینه‌ها سطح آینه را با استفاده از چند ماده گوناگون با درصد بازتابش بالا در طول موج‌های متفاوت استفاده می‌شود. ولی ضخامت پوش هر ماده بر روی سطح آینه برابر با نصف طول موج نوری است که آینه برای آن طراحی شده است. در انتخاب آینه کاو باید توجه کرد که شعاع خمیدگی آن باید بزرگ‌تر از طول کاواک لیزر باشد. در ادامه جدولی از آینه‌ها و اطلاعات مربوط به آن ارائه شده است.

نصب آینه‌ها و پیچ‌های تنظیم

نصب آینه‌ها به صورت ثابت ولی حرکت در دو انتهای کاواک ممکن است مشکلاتی از قبیل عدم موازی بودن پرتوها و یا ضعیف شدن توان خروجی لیزر برای ما ایجاد کند. بنابر این بهترین کار این است که آینه‌ها را بر روی پایه‌های متحرک با پیچ تنظیم نصب کنیم تا بتوانیم آن را به آسانی حرکت داده و تنظیم کنیم. از آنجا که تهیه یک تنظیم کننده ایده آل که با سیستم خلا کاواک لیزر سازگار باشد، بسیار هزینه بر است پس یک راهکار پیشنهادی ارائه می کنیم. مطابق شکل ارائه شده با دوقطعه فلز در ابتدا، نگهدارنده‌ای برای آینه‌ها می سازیم و برای تعبیه پیچ‌های تنظیم دو سوراخ در آنها ایجاد می کنیم .برای اتصال آینه‌ها به کاواک خلا، به ورقه‌ای از جنس آلومینیوم انعطاف پذیر نیاز داریم . فویل آلومینیوم را به صورت زیگ زاگ مطابق شکل به صورت استوانه‌ای که قطر سطح مقطع آن برابر با قطر کاواک است شکل می دهیم و لبه‌های آن را توسط چسب قابل انعطافی مانند چسب آکواریوم به هم می چسبانیم . سپس یک انتهای استوانه انعطاف پذیر ساختگی خود را به آینه می چسبانیم و طرف دیگر آن را به کاواک لیزر . با قرار دادن پیچ‌های تنظیم مطابق شکل پس از چک کردن عدم نشت گاز به بیرون با روشن کردن لیزر، آینه‌ها را تنظیم می کنیم . نیاز به یادآوری است که این سامانه باید برای هر دو آینه تخت و کاو به کار رود.

تنظیم پرتوی خروجی

جهت استفاده از پرتوی لیزر باید بتوانیم آن را در جهات گوناگون هدایت کنیم. قبل از هر چیزی باید از موازی بودن پرتوهای خروجی اطمینان حاصل کنیم. برای این منظور کاغذی را از وسط سوراخ کرده به گونه‌ای در جلوی کاواک لیزر قرار می دهیم که محور مرکزی گذرنده از کاواک هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستکاری پیچ‌های تنظیم آینه‌ها پرتوی خروجی از لیزر را به گونه‌ای تنظیم می کنیم تا از مرکز سوراخ عبور کند. اکنون ما یک دسته پرتوی راست داریم. از قبل نیاز به یادآوری است که به دلیل نوع آینه‌های استفاده شده و سامانه بازتابش رفت و برگشت فوتون بین دو آینه پرتوی خروجی یک پرتوی موازی است. اکنون می خواهیم پرتو را با قطرهای متفاوت بر روی نقطه مورد نظر متمرکز کنیم. جهت این کار می‌توان از سیستم عدسی‌های مرکب استفاده کرد . چند نمونه از سامانه‌های عدسی مرکب به منظور هدایت پرتو در شکل نشان داده شده که باتوجه به آنها می‌توانیم با استفاده از عدسی‌های گوناگون با فاصله کانونی‌ها وشعاع‌های خمیدگی گوناگون پرتوی خروجی را به گونه‌ای که تمایل داریم هدایت کنیم.

نکتهٔ دیگر در تنظیم پرتوی خروجی استفاده از پهن کننده پرتو است . پهن کننده‌ها شعاع پرتوهای نوری را افزایش داده و ما می‌توانیم با عبور دسته پرتوی گسترده تر از عدسی، سطح کانونی کوچک تری بدست آوریم و پرتو را بیشتر متمرکز کنیم .

راه دیگری که در انتقال پرتوها سودمند است استفاده از تارهای نوری موج بر است که می‌توانند با قابلیت انعطاف پذیری خود، پرتو را به نقاط گوناگون انتقال دهند. اصولاً این تارهای نوری دارای قطرهای کوچک، از جنس شیشه یا کوارتز هستند و دارای یک هسته مرکزی با ضریب شکست بزرگ‌تر از محیط اطراف خود می‌باشند.پرتو نور قادر به حرکت در داخل هسته مرکزی به صورت زیگ زاگ به سبب بازتاب کلی از فصل مشترک هسته مرکزی با دیواره می‌باشد. متاسفانه این روش برای طول موج‌های تا ۱٫۶ میکرون به کار می‌رود . چون میزان جذب برای طول موج‌های بزرگ‌تر زیاد است، از این روش برای انتقال پرتو در لیزر co۲ نمی‌توان استفاده کرد .

ولتاژها

همان طور که قبلا نیز بیان شد، دمش در لیزرهای گازی از نوع تخلیه الکتریکی است که توسط ولتاژهای بالا انجام می‌شود.از آنجا که دمش در لیزرهای co۲ طی دو مرحله انجام می‌شود، بنابر این ابتدا باید توسط تخلیه الکتریکی ولتاژ بالا اتم‌های نیتروژن را تحریک کنیم تا به حالت برانگیخته برسند و با انتقال انرژی خود به مولکول‌های co۲ عمل لیز آغاز شود. نخستین حالت تحریکی ازت تقریباً در ۰٫۳ الکترون ولت است . بنا بر تجربه برای شروع عمل لیز به ۲ الکترون ولت انرژی نیاز دارد . نیاز به یادآوری است که لیزرهای co۲ با جریان DC یا جریان متناوب AC با فرکانس خیلی پایین کار می کند. البته جریان‌های AC در لیزر هایی استفاده می‌شود که به صورت ضربانی دمش می‌شوند و خروجی ناپیوسته دارند . در مورد لیزرهای co۲ ولتاژی را برابر با ۱۰ تا ۱۵ کیلو ولت DC به ازای هر متر تخلیه الکتریکی استفاده می کنیم . که حدود جریان الکتریکی بین ۱۰ تا ۱۵ میلی آمپر است . برای ایجاد جریان DC می‌توانیم از یکسو کننده‌های جریان AC استفاده کنیم تا به ولتاژ آغازین ۱۰ کیلو ولت برسیم . در لیزرهای co۲ نیاز نداریم که از سیستم‌های ولتاژ بالا با قابلیت تنظیم استفاده کنیم . اما استفاده کردن از چنین سیستمی که قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی را داشته باشد برای تنظیم قدرت خروجی لیزر مناسب است؛ چرا که هر چه ولتاژ بالاتری به کار ببریم، عمل لیز با قدرت بیشتری انجام می‌شود. ولتاژ بالای اعمال شده به دو سر تیوپ لیزر اعمال می‌شود، یک میدان یکنواخت در سر تا سر لوله ایجاد می‌کند و الکترونها در این میدان شتاب می گیرند و با برخورد به دیگر اتم‌ها آنها را تحریک می کنند. گاهی اوقات قبل از عمل تخلیه، گاز را کمی یونیزه می کنند . این عمل به کمک یک پالس ولتاژ بالا که به یکی از الکترودها اعمال می‌شود یا به کمک یک سیم کوتاه که به دور لوله پیچیده شده، انجام می گیرد. در این روش هم الکترون‌ها و هم یون‌ها و هم مولکول‌های خنثی در محیط وجود دارند. الکترونهای آزاد توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و به سمت آند حرکت می کنند. نکته‌ای که به هنگام تنظیم ولتاژ مناسب در نظر می گیریم این است که ولتاژ اعمال شده را از مرز ۱۵ کیلو ولت آغاز میکنیم . ولتاژ را اندک اندک افزایش می دهیم تا یک باریکه نوری موازی و درخشان در مرکز کاواک لیزر مشاهده شود. در چنین حالتی ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبی است. نیاز به یادآوری است که استفاده از ولتاژهای بالا به مراقبت بسیار زیادی نیاز دارد. از سیم‌های رابط عایق استفاده کنید و هر جا که سیم پوشش خود را از دست می‌دهد آن را عایق کنید. سیستم ولتاژ بالا و خود دستگاه لیزر باید بر روی پایه‌های محکم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالی برخورد سیم‌ها جلو گیری شود. به هنگام کار کردن با چنین سیستمی بسیار دقت کنید تا سیم‌های کاتد و آند ۲ اینچ به ازای هر ۱۰ کیلو ولت از هم فاصله داشته باشند، تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال کوتاه اجتناب شود.

الکترودها

یکی از مهم‌ترین اجزای یک لیزر الکترودهای آن می‌باشد. همان طور که قبلاً نیز اشاره شد، الکترودها با آزاد کردن الکترون‌های اولیه نقش مهمی در شروع عمل لیز، ایفا می کنند . در لیزرهای گوناگون، انواع متعددی از الکترودها استفاده می‌شود. در لیزرهای co۲ به طور معمول از الکترود هایی از جنس آلومینیوم استفاده می‌شود. چراکه آلومینیوم دارای الکترونهای ظرفیت مناسب جهت آزاد شدن توسط ولتاژ بالا می‌باشد. همچنین از آنجا که سطح آلومینیوم همیشه پوشیده از یک لایه اکسید آلومینیوم است این کار به آزاد کردن الکترون‌های بیشتری کمک می کند. در طرح لیزر از ورقه‌های نازک و انعطاف پذیر آلومینیوم برای ساخت کاتد و آند استفاده می کنیم. روش کار به این صورت است که دو برگه آلومینیوم با پهنای ۳ و درازا ۱۵ سانتی متر تهیه می کنیم . سپس این برگه‌ها را به شکل استوانه‌هایی هم قطر با تیوپ لیزر یعنی به قطر ۲٫۵ سانتی متر لوله می کنیم و در دو انتهای تیوپ لیزر فرو می کنیم . سپس یک سانتی متر از هر طرف را از لوله خارج کرده و بر روی خود تیوپ خم می کنیم. پس از اتصال سیم‌های رابط جریان به برگه‌های آلومینیوم، آن قسمت از تیوپ را که برگه‌های آلومینیوم بر روی آن تا خورده به شدت عایق بندی می کنیم تا هرگونه تماس با آن‌ها غیر ممکن شود. نیاز به یادآوری است، سیستم آینه‌ها و پیچ‌های تنظیم -که قبلاً توضیح داده شد- باید پس از عایق بندی الکترودها و لوله کاواک به انتهای لیزر متصل شود؛ چراکه اگر بدون عایق بندی عمل شود، خطر برق گرفتگی وجود دارد.

محاسبه تقریبی توان لیزر

لیزرهای گوناگون با نوجه به سیستمی که در ساخت آنها به کار برده شده از قبیل : نوع ماده لیزری، درازای کاواک لیزر، روش‌های گوناگون دمش و نوع سیستم خنک کننده دارای توان‌های خروجی متفاوتی هستند. برای محاسبه توان خروجی لیزر روش‌های گوناگونی وجود دارد که بسیاری از آنها حاوی فرمول‌های سخت و پیچیده است و نیازمند اطلاعات دقیقی از قسمت‌های گوناگون دستگاه می‌باشد. در اینجا یک راه پیشنهادی و ساده جهت محاسبه توان تقریبی لیزر ارائه می‌شود که می‌تواند سودمند باشد. جهت محاسبه توان خروجی، پرتوی لیزر را به یک مایع که ظرفیت گرمایی آن برای ما مشخص است می تابانیم و در مدت زمان تابش، تغییرات دمایی را اندازه می گیریم؛ با محاسبه انرژی گرمایی می‌توان توان خروجی لیزر را از رابطه معروف p=w/t بدست آورد. یکی از مناسب‌ترین مایعاتی که می‌توان از آن استفاده کرد آب می‌باشد. چرا که ظرفیت گرمایی آن مشخص است و به راحتی در دسترس می‌باشد. اما برای محاسبه توان دقیق باید ضریب بازتابش سطح آب را نیز به هنگام محاسبات در نظر بگیریم، چرا که مقداری از پرتوی تابیده شده به سطح آب، توسط سطح بازتابیده می‌شود. استفاده از مایعاتی با ضریب بازتابش کمتر، محاسبات را دقیق تر می کند.

تلفات لیزر

راه‌های متفاوتی برای اتلاف در لیزر وجود دارد که به کاهش توان خروجی لیزر منجر می‌شود. در زیر به برخی از آنها اشاره می‌شود که تلاش برای رفع هر کدام از موارد یاد شده باعث افزایش توان خروجی لیزر است. - جذب و پراکنده کردن نور توسط آینه‌ها . - پراش از لبه آینه‌ها . - عبور نور از آینه‌ها قبل از رسیدن به حد آستانه تابش . - پخش و پراکندگی پرتوها توسط ماده لیزری به دلیل عدم یک نواختی ماده از نظر اپتیکی. - جذب ماده لیزری و گسیل تابش هایی که مورد نظر ما نیست. - کاهش توان خروجی به دلیل گرمای حاصله از عمل لیز که می‌تواند باعت بالا رفتن دمای آینه‌ها، کاواک لیزر و یا الکترودها شود. - کاهش توان خروجی به سبب عدم وجود خلا کامل در کاواک قبل از جریان دادن گاز درون کاواک. تعدادی از عوامل اتلاف بیان شده از جمله تلفات ناشی از گرم شدن سیستم و یا پراش از لبه‌های آینه‌ها قابل رفع است که قبلاً در مورد آنها توضیح داده شد. تعدادی دیگر از عوامل نیز با استفاده از مواد مناسب در ساخت لیزر قابل رفع است . به طور کلی هر جه بیشتر بتوانیم در رفع عوامل بالا تلاش کنیم، توان خروجی بیشتری خواهیم داشت.

ایمنی لیزر

بیشتر لیزرها تابشی گسیل می کنند که با احتمال خطر همراه است. درجه خطرناکی لیزر به مشخصات خروجی لیزر، طریقه استفاده و تجربه فردی که از آن استفاده می‌کند بستگی دارد . از مشخصه‌های تابش لیزر جمع شوندگی پرتوی آن است. این کار به همراه انرژی بالای لیزر می‌تواند انرژی زیادی به بافت‌های فیزیولوژیکی بدن منتقل کند.از آنجا که پرتوهای لیزر دارای طول موج‌های متفاوتی هستند، می‌توانند به بافت‌های گوناگون بدن با توجه به قابلیت جذب آنها آسیب برسانند. جذب تابش باعث افزایش دما می‌شود و به قطع شدن پیوندهای مولکولی می انجامد. یکی از آسیب پذیرترین قسمت‌های بدن تا آنجا که به تابش لیزر مربوط می‌شود، چشم انسان است. این امر به این دلیل است که عدسی چشم، پرتوی تابیده شده از لیزر را در ناحیه‌ای به شعاع حدود چندین برابر طول موج لیزر با چگالی بالای انرژی متمرکز می کند. میزان آسیب به طول موج بستگی دارد به طوری که تابش در نواحی فرابنفش و فروسرخ که توسط قرنیه جذب می‌شود، باعث آسیب دیدن آن می‌شود و جذب در ناحیه مرئی باعث آسیب دیدن شبکیه می‌گردد. این جذب‌ها توسط چشم می‌تواند به سوختگی یا نقص بینایی منجر شود. پوست می‌تواند بیشتر از چشم مورد تابش قرار گیرد. پوست ممکن است در تابندگی سطح بالا تاول بزند و یا آسیب کمتری ببیند. در مورد پوست هم میزان آسیب به طول موج تابش و میزان جذب بستگی دارد به یژه در محدوده پرتوهای فرابنفش. معمولاً مکان هایی که دستگاه‌های لیزر در آن‌ها قرار دارد، با چراغ‌های اخطار و متوقف کننده‌های پرتو تجهیز می‌شوند. در این مکان‌ها از موادی که بازتاب کننده پرتو هستند نیز استفاده می‌گردد. به هنگام کار کردن با لیزرها باید از عینک‌های محافظ چشمی استفاده کرد و با توجه به اینکه در لیزرها معمولاً از مولدهای ولتاژ بالا استفاده می‌شود، رعایت نکات ایمنی در این مورد نیز ضروری می‌باشد.




طبقه بندی:
ارسال توسط hs50
آرشیو مطالب
صفحات جانبی
پیوند های روزانه
آمار