|
y
ارسال کننده :
دفتر دامغان
Damghan@Damghancity.com
عنوان :
تعريف و
كاربرد ليزر در صنعت
●
تعريف و كاربرد ليزر در صنعت :
نظريه عمليات ليزري :
ليزر عبارت است از يك تقويت كننده نوري .
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
به معناي تقويت نور توسط انتشار تحريك شده ارتعاش مي باشد .
از ويژگي هاي سودمند نور ليزري از تكفامي بودن، موازي بودن و
پيوستگي يا انسجام آن نام برد . از آنجايي كه در فيزيك كلاسيك روشي
براي بيان ليزرها وجود ندارد ، از اين رو ليزر گه گاه ليزر به
ابزار كوانتومي تعريف مي گردند . اساسا اصول ليزر كوانتيزه كردن
انرژي و انتشار اشعه تحريك شده است .
كوانتيزه كردن (طبقه بندي) انرژي
انرژي موجود در سيستم ها طبقه بندي مي شوند . بدين معني كه بدست
آوردن يا از دست دادن انرژي تنها در مراحل ناپيوسته ممكن مي باشد .
اين مراحل در مرد اشياء ماكروسكوپيك چندان اهميتي ندارند ، بلكه
اهميت آنها به خاطر تك تك مولكولها و اتمها مي باشد . شما ميتوانيد
نموداري از سطح انرژي اتمي را رسم نماييد كه نشان دهنده مقدار مجاز
باشد .
ساخت يك ليزر
قبل از اينكه انتشار اشعه تحريك شده بتواند نور ليزر را ايجاد كند
چند شرط بايد در نظر گرفته شود . نخست ، تعداد اتم هاي موجود در
وضعيت بالا بيشتر از تعداد اتم ها در وضعيت پايين باشد . به اين
علت كه براي دستيابي به بازده خالص از نور ، انتشار بايد بيشتر از
جذب واقع گردد در ماده اي كه در حالت توازن و درجه حرارت اتاق قرار
گرفته باشد تعداد اتم هاي آن در وضعيت انرژي بالا كمتر از تعداد
اتم ها در وضعيت پايين ميباشد زيرا ماده بيش از ساطع كردن نور آنرا
جذب مي كند . براي تبديل اتم فرضي به يك محيط ليزري ، بايد به محيط
، انرژي اضافه كنيم تا تعداد اتم ها بر عكس شوند . اكنون چنين
محيطي نور توليد ميكند زيرا تعداد فوتون هاي بيشتري ساطع ميشوند .
آخرين عنصر لازم يك تشديد كننده نوري است .
تشديد كننده شامل يك جفت آينه متقابل در محيطي فعال است . نور در
همه سو از محيط فعال به جلو و عقب منعكس مي شود .
همچنان كه نور و اتم هاي تحريك شده بر هم اثر متقابل مي گذارند ،
فوتون ها توسط انتشار اشعه تحريك شده توليد مي شوند . اين فوتونها
در يك جهت حركت ميكنند و با فوتون برانگيزنده هم فاز هستند . شدت
نور منتشر شده بيشتر مي شود و فوتون ها آنقدر به حركت رفت آمدي خود
ادامه مي دهند تا تعداد اتمها بر عكس شوند .
به منظور اكتساب بازده بيشتر و مفيدتر از اين فرآيند ، يكي از آينه
ها ي تشديد كننده عملا طوري ساخته شده كه فقط به برخي از تابشهاي
نوري اجــازه خروج مي دهد . اين آينه ها را جفت كننده خروجي مي
نامند . نوري كه از ميان جفت كننده خروجي عبور ميكند كاملا موازي
است زيرا به دفعات در بين آينه ها ي تشديد كننده به جلو وعقب جهش
ميكند . اين نور كاملا تكفام ميباشد . زيرا از يك اتم ساطع ميشوند
. اين نور پيوسته و منسجم ميباشد (امواج هم فاز هستند ) چون فوتون
ها توسط انتشار اشعه تحريك شده توليد ميشوند . بنابراين چنين نوري
نور ليزر است .
انواع ليزر
انواع بسياري از ليزر ساخته شده است . رسانه فعال ممكن است جامد ،
مايع يا گاز باشد . معكوس شده تعداد اتم ها در وضعيت هاي مختلف ،
با اعمال انرژي الكتريكي ، نوري يا شيميايي صورت ميگيرد . در هر
حال تعداد ليزرهايي كه براي پردازش مواد حائز اهميت هستند ، بسيار
محدود ميباشند .
دي اكسيد كربن (CO2)
براي برش مرزي ، جوشكاري عميق ، سخت كردن ماده در اثر حرارت بكار
ميرود .
اصول عمليات
ليزر
co2
يك وسيله براي تخليه گاز است . اين ليزر از طريق فرستادن يك جريان
الكتريكي به داخل گاز عمل ميكند . در ليزرهاي صنعتي بازدهي بالا
بوسيله مخلوط كردن گاز هليوم ، نيتروژن و دي اكسيد كربن بدست ميايد
. انرژي الكتريكي به داخل گاز مخلوط فرستاده ميشود كه در نتيجه
التهاب ، براي انتشار در گاز نيتروژن بوجود مياورد . نيتروژن اين
انرژي را توسط برخورد ، به مولكول هاي
co2
منتقل ميكند . اين برخورد سبب ميشود كه درصد زيادي از مولكولها ي
co2
در موقعيت بالا قرار گيرند . هنگامي كه اين مولكول ها به حالت
مياني نزول كنند انتشار نور در 6/10 ميكرون در مادون قرمز شروع
ميشود . برخورد با هليوم ،
co2
را به سطح زمين ميرساند ، جايي كه پردازش را دوباره ميتوان شروع
كرد . گاز از يك دستگاه معادله گر حــرارتي عبور داده ميشود ، در
آنجا سرد شده و دوباره به چرخش مي افتد .
مشخصات زماني بازده ليزرهاي
CO2
ليزرهاي
co2
ميتوانند در موج ممتد (Continuous
Wave = CW)
يــــــــا در تنوعي از شيوه هاي پالسي عمل كنند . فركانس پالس
ممكن است به مقدار 10 كيلوهرتز باشد .
معمول ترين انواع پالس اصطلاحا دريچه اي (Gated)
و افزايشي (Enhanced)
نام دارد .
در شيوه دريچه اي نور ليزر در نهايت قدرت در حالت طبيعي
CW
خود عمل ميكند .
پالس هاي دريچه اي ميتوانند به هر طولي كه با سرعت تكرار معين شده
باشد سازگاري نشان دهند . ليزرهايي كه قادر به توليد پالسهاي
افزايش هستند ، قدرتهاي بالايي دارند كه چند برابر موج ممتد (CW)
آنها ميباشد . طول پالس هاي افزايشي معمولا صرف نظر از سرعت ميزان
تكرار ، حدودا 100 ميكرون در ثانيه است .
مشخصات مكاني بازده ليزرهاي
CO2
در چگالي پايين و گرماپخشي بالا يك محيط ليزري گازي تمايل خود را
براي منحرف كردن نوري كه از ميانش مگذرد ، از دست ميدهد . اين عمل
اجازه ميدهد كه ليزرهاي پرقدرت
co2
از كيفيت نوري خوبي برخوردار شوند . تشعشعات بعضي از ليزرها با
خروجي 1500 وات بسيار شبيه يه شيوه حرارت بنيادي گوسين
TEM00
ميباشد . چنين تشعشعاتي ممكن است توسط شكست نور روي رشته مرزي
متمركز شوند . ليزرهاي
co2
با عدسي كانوني براحتي ميتوانند به يك اندازه بسيار كوچك 1/0 ميلي
متر دست يابند . خاصيت ديگر تشعشعات
TEM00
واگرايي كم آنهاست . به عبارت ساده تر واگرايي زاويه كه در آن اشعه
ليزر همچنان كه منتشر ميشوند به خارج انتشار مييابند . انتشار آنها
در حيطه مكاني در حــــــــدود 1 ميلي راديان هستند . چون ليزر
نبايد به عدسي هاي كانوني نزديك شود ، از اين رو قابليت ارتجاعي
زيادي را در طراحي ماشين موجب ميگردد . ليزرهاي پر قدرت
co2
معمولا نظم يا بازده چند شيوه اي دارند ، بنابراين جفت كننده هاي
خروجي شان توسط قدرت زياد حاصله از يك شيوه گوسين از بين ميروند .
اثر نظم يا بازده چند شيوه اي در پردازش ماده بدين قرار است كه
چنين تشعشعاتي بر روي اشعه اي از
TEM00
كه به كوچكي يك نقطه است ، متمركز نميشوند . همانطوري كه بعدا
توضيح خواهيم داد ، اين مسئله را هميشه نميتوان يك عيب دانست .
انواع قابل استفاده
اولين ليزرهاي
co2
صنعتي شامل لوله هاي شيشه اي با آينه هايي در هر دو سر بود .
گاز ليزر مادامي كه الكتريسيته در نزديكي هر آينه بكار برده مي شد
، بطرف پايين لوله جريان مي يافت . اين دستگاهها بسيار ساده و
مطمئن هستند اما تقريبا به 50 وات در هر متر طول تخليه محدود
ميشوند زيرا هيچ راهي براي سرد كردن گاز وجود ندارد . اگر به
جرياني بيش از 400 وات نياز باشد ، ليزرهاي كند جريان (Slow-flow)
قابل استفاده نخواهند بود .
ثابت بودن بازده و بالا بودن كيفيت از يك طرف و وجود حجم بالاي
محيط فعال از طرف ديگر كه افزايش پالس توده اي را براي اين نوع
ليزر ممكن ميسازد ، باعث شده تا امروزه كاربرد اين نوع ليزر معمول
و رايج گردد . سپس ليزر جريان عرضي (Transverse
flow)
براي توليد قدرت زياد در يك محفظه كوچك بوجود آمد . اين عمل با
گرداندن گاز ليزر در ميان منطقه تخليه با سرعت زياد و سپس سرد كردن
دوباره آن بوسيله يك مبدل حرارتي بطوريكه دوباره بتوان از گاز
استفاده كرد ، انجام ميگيرد .
ليزرهاي جريان عرضي بيشتر به شيوه هاي نامتقارن تمايل دارند زيرا
مشخصات ضريب شدت تخليه در اشعه تغيير ميكند . به سختي پالس ميشوند
زيرا آنها در جريانات تخليه اي بالايي عمل ميكند . عليرغم اين
محدوديتها ، ماشينهاي جريان عرضي مثل ليزرهاي برنده تا حـــــد
زيادي موفق بوده اند و هرگاه به قـــــدرت زيادي نياز باشد از اين
گونه ليزرها استفاده مي كنند . جديدترين طرح ليزري كه امروز
استفاده ميشود ، ليزر از نوع جريان محوري سريع (Fast
Axial Flow Type)
ميباشد. اين نوع ليزر مدل اصلاح شده ليزر با جريان كند ميباشد ، كه
از پمپ (روتز) براي چرخاندن گاز استفاده ميكند. ليزرهاي محوري سريع
، كوچك ، پرقدرت و كم هزينه براي ساخت هستند. مادامي كه آنها را
روي برخي سيستم هاي برش ليزري نصب ميكنند غالب مدل ها با پايداري
اشعه خروجي مشكلاتي دارند .
يكي از مشكلات زبري روي سطح بريده شده با ليزر است . موفقيت اين
ليزرها محدود به توليد كاربردهاي جوشكاري ميباشد ، زيرا به اندازه
بخشهاي جريان عرضي مطمئن نيستند.
ياگ (YAG)
ياگ (يا بطور صحيح تر تارسنگ آلومينيوم اترييم نئوديميم ناخالص)
(Neodymium-Doped
Yttrium Aluminum
Garnet)
به ليزر سوراخ كننده استاندارد گفته ميشود. علاوه بر اين از اين
ليزر براي جوشكاري دقيق بخصوص در صنعت الكترونيك بهره برداري
ميكنند. برش منحني نيز با مشخصات اين نوع ليزر مطابقت ميكند.
ليزر ياگ شامل يك ميله كريستالي است كه توسط لامپ هاي گزنون و
كريپتون احاطه شده است. كريستال يك تارسنگ آلومينيوم اتيرم (YAG)
آغشته به نئوديميم است. نور خارج شده از لامپ ها با اتمهاي
نئوديميم كه نوري با طول موج 06/1 ميكرون ساطع ميكنند ، برخورد
ميكند. آبي كه در اطراف ميله جريان دارد ، اتم ها را تا حالت زميني
سرد ميكند.
مشخصات بازدهي (زماني) ليزرهاي ياگ
بطور كلي ليزرهاي صنعتي ياگ ، پردازش ماده را به شيوه پالس انجام
ميدهند. كلا سرعت تكرار زير 200 هرتز است. شكل و مدت پالس ليزري به
كنترل قدرت وارد شده به لامپ بستگي دارد. محيط ليزري جامد تراكمي
از اتمهاي نورافشان دارد. بنابراين قدرت حداكثر ميتواند بسيار عظيم
باشد. معمولا جداكردن ماده با پالس هاي كوتاه و پرقدرت و پيوند
دادن آن با پالس هاي بلند و كم قدرت انجام ميگيرد.
مشخصات بازدهي ليزرهاي ياگ
مشخصات مكاني
ميله هاي ليزري در مركز توليد گرما ميكنند و در خارج سرد ميشوند.
با توليد قدرت قابل توجهي در ميان قطر ميله افت نسبي حرارت بوجود
ميآيد. افت نسبي در ضريب شكست ميله تغيير ميكند و منجر به كاهش
عمليات نوري ليزر ميشود. ليزرهاي پرقدرت
YAG
داراي بازده چند شيوه اي با واگرايي بالايي هستند ، كه اين واگرايي
توانايي سيستم را براي متمركز كردن اشعه روي يك نقطه كوچك محدود
ميكند و اين كار مستلزم اين است كه سر ليزر به منطقه كار نزديك
گردد.
انواع ديگرليزرهاي پردازنده ماده
شيشه:
ليزرهاي شيشه اي بسيار شبيه ليزرهاي ياگ هستند. براي ساخت ميله
ليزر به جاي استفاده از تارسنگ از شيشه آغشته به نئوديميم استفاده
ميشود. استفاده شيشه به جاي ياگ به عنوان ماتريس باعث ميشود تا
تراكم بيشتري از اتم هاي نئوديميم در ميله ليزر بكار گرفته شود.
اين عمل باعث ميشود تا ليزرهاي شيشه اي پالس هاي قوي تري نسبت به
ليزرهاي ياگ داشته باشند و در ايجاد سوراخهاي عميق از كارآيي
بيشتري برخودار گردندد. عيب شيشه اين است كه ضريب رساناي حرارتي
ضعيفش سرعت تكرار پالس را به 1pps
محدود ميكند بطوريكه از آن براي برش منحني نمي توان استفاده كرد.
ياقوت:
ياقوت اولين ماده اي بود كه در آن انتشار اشعه مشاهده شد. ليزر
ياقوت طرحي از حالت جامد لامپ نوراني پمپي مثل ليزرهاي ياگ و شيشه
اي ميباشد كه نور قابل رؤيتي را ساطع مينمايد.
اگر چه انواع ديگر ليزرها جايگزين اين نوع شده اند اما اين ليزر
هنوز هم با مشخصاتي شبيه به ليزرهاي شيشه اي
nd
، براي سوراخ كردن مناسب است.
اگزيمر:
ليزر اگزيمر يك ليزر گازي است كه در آن جريان با الكتريسيته تحريك
مي شود.
در اين نوع از ليزر از گازهاي گوناگون استفاده مي شود اما غالبا
اين گازها تركيبي از گازهاي بي اثر مثل آرگون با هالوژن هايي همچون
فلورين ميباشند. در محل تخليه ، دايمرهاي تحريك شده شكل ميگيرند.
اينها گونه هاي يونيزه شده بي ثباتي هستند كه نور ماوراء بنفش را
ساطع ميكند. طول امواج توليد شده از 193/0 تا 348/0 ميكرون است ،
بدليل مدت عمر كوتاه حالتهاي تحريك شده اگزيمر تنها به روش پالس
عمل ميكند. مادامي كه قدرت نهايي به بلندي 100 كيلووات باشد ، دوام
پالس به مدت خيلي كوتاه و به مقدار 01/0 تا 5/0 ميكرون در ثانيه
خواهد بود. بازده
UV
و قدرت نهايي عظيم ليزر اگزيمر براي پردازش ماده بسيار جاذب هستند.
با توسعه اين وسيله احتمالا عملكردهاي تازه اي به ظهور مي رسند.
گردآورنده:
حسين ده جوريان -
دانشجوي رشته مهندسي مکانيک -
دانشگاه آزاد اسلامي واحد سمنان
Damghan@Damghancity.com
نظرات و پيشنهاد هاي خود را حتما براي ما ارسال كنيد ... ( دفتر دامغان )
|