تئوری ساخت لیزر گازی co2 (قسمت دوم)اکنون پس از توضیحاتی که در مورد لیزر ها و انواع آنها داده شد ، به بررسی ساخت یک نمونه از لیزر دی اکسید کربن با جریان گاز می پردازیم .
اجزای سازنده لیزر CO2 با جریان گاز :
تیوپ لیزر
آینه های لیزر
منبع گاز CO2 و N2 و He
پمپ خلا
منبع ولتاژ بالا
آند و کاتد
سیستم خنک کننده
پیچ ها و پایه های تنظیم
در ادامه به برسی هریک از اجزای لیزر به طور مجزا می پردازیم و با ارائه آمار و ارقام و روش های پیشنهادی ، تئوری کاملی از ساخت لیزر CO2 با جریان گاز ارائه خواهیم داد .
 نقشه های لیزر با جریان گاز :
 نقشه سه بعدی لیزر
سیستم خلا و گازهای لیزر :
همان طور که در طرح ساخت بیان شد ، از سیستم جریان گاز با تخلی الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می شود. در ادامه نکات مهمی در مورد راه اندازی سیتم خلا و جریان گاز بیان می شود
- 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 درز ها 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 .
درصد ترکیب گاز ها در لیزر co2 به صورت زیر است:
با توجه به نقشه ساخت لیزر به صورت زیر عمل می کنیم .
ابتدا ورودی گاز لیزر را میبندیم 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 . لوله هایی که مخزن گاز و پمپ خلا را به لیزر متصل می کنند باید انعطاف پذیر باشند . محل اتصال لوله ها به لیزر باید کاملا عایق بندی شود تا هیچ گونه نشط به بیرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .
 تیوپ لیزر :
مهمترین قسمت لیزر co2 تیوپ آن می باشد . تیوپ های لیزر را معمولا از جنس لوله تخلیه پلاسما یا از جنس شیشه می سازند . اما کاواک های شیشه ای مرسو تر هستند زیرا دست رسی و ساخت آنها آسان تر است .
بهترین شیشه به منظور ساخت کاوا لیزر ، شیشه پریکس نسوز است که در مقابل تغییر دما مقاومت بالایی دارد . چرا که سیستم لیزر با تولید گرمای زیادی همراه است.
با توجه به طرح ساخت ، طول تیوپ لیزر را 45 سانتی متر و قطر مقطع آن را 2.5 سانتی متر در نظر می گیریم . جهت اتصال لوله های ورودی و خروجی گاز ، دو سوراخ در قسمتهای ابتدا و انتهای تیوپ لیزر تعبیه می کنیم یا اینکه تیوپ را به هنگام ساخت به گونه ای می سازیم که قابلیت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهای ان وجود داشته باشد. تیوپ لیزر ابتدا در یک لوله شیشه ای بزرگتر که همان لوله سیستم خنک کننده است قرار می گیرد و سپس بر رویه پایه های نگه دارنه لیزر محکم می شود.
 سیستم خنک کننده :
از انجا که عمل لیز گرمای زیادی ایجاد می کند و توان لیزر را تا حد زیادی کاهش می دهد پس باید به فکر راهی برای خنک کردن تیوپ لیزر و آینه ها باشیم.
یک روش خنک کردن سیستم استفاده از جریان گاز می باشد . و روش دیگر استفاده از سیستم خنک کننده ی گردش آب می باشد . به این منظور باید کاواک را در یک لوله شیشه ای بزرگ قرار دهیم . طرز کار به گونه ای 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 اب در سیستم خنک کننده باید دو سوراخ در لوله شیشه ای بزرگ به منظور اتصال لوله های ورودی و خروجی آب تعبیه کنیم . و با اتصال آن از طریق لوله ها به یک پمپ ، آب را از یک مخزن درون لوله شیشه ای به جریان بیندازیم . جهت پمپ آب میتوان از پمپ آکواریوم یا پمپ کولر های آبی استفاده کرد که اب را از یک منبع به داخل سیستم خنک کننده جریان می دهند.
در بستن لوله های آب و سیستم خنک کننده به هم سعی شود تا هیچگونه نشط آب به بیرون وجود نداشته باشد.
طبق طرح طول لوله شیشه ای سیستم خنک کننده 30 سانتی متر و قطر آن 5 سانتی متر می باشد .
 آینه ها و نصب آنها در لیزر:
همانطور که در قسمت تشدید کننده های نوری بیان شد برای افزایش توان لیزر و موازی کردن مسیر بازتاب پرتوها در کاواک از آینه هایی با درصد بازتابش بالا استفاده می شد تا فوتونها بتوانند بین دو آینه بازتاب کننده برای جلوگیری از تلفات به دلیل جلوگیری از پراش در لبه های آینه ها از سیستمی استفاده می شود که در آن یک آینه تخت با در صد بازتابش تقریبا 100% و یک آینه مقعر با در صد بازتابش تقریبا 90%در دو طرف کاواک تعبیه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آینه مقعر با بازتابش 90% می باشد.
از آنجا که خروجی لیزرهای co2 در محدوده 10.6 میکرون است از قطعات اپتیکی مثل شیشه و یا کوارتز جهت ساختن آینه های لیزر نمی توان استفاده کرد .چون این مواد در محدوده 10.6 جذب زیادی دارند بنابراین خروجی لیزر را به شدت کاهش می دهند و در اثر گرمای زیادی که در اثر فرایند جذب در آنها ایجاد می شود ممکن است بشکنند یا ذوب شوند. بنابراین برای ساختن آینه های لیزر از موادی مانند ژرمانیوم – گالیوم - آرسناید- سولفید روی- طلا و هالوژن ها می توان استفاده کرد. در میان این آینه ها هالوژنها کمترین جذب را دارند ولی جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشکلاتی را فراهم می کند. آینه های فلزی با در صد بازتاب 100% نیز می توانند برای استفاده در این طول موجها مورد استفاده قرار گیرند.
ما در ساخت لیزر co2 با جریان گاز از آینه ژرمانیوم و طلا استفاده می کنیم. به این صورت که آینه تخت را از جنس آینه ژرمانیوم و آینه مقعر را از جنس آینه طلا انتخاب می کنیم.
  تقریبا بیشترین هزینه در ساخت لیزر co2 مربوط به تهیه آینه هاست.
لازم به تذکر است که آینه مقعر طلا که مورد استفاده قرار می گیرد دارای شعاع انحنای cm 120 باید باشد در ضمن خروجی لیزر هم از همین آینه هاست.
نکته دیگری که باید هنگام تهیه آینه ها در نظر گرفت این است که آینه ها باید از طرف جلوی آینه پوشش داده شده باشند یعنی پوشش طلا یا ژرمانیوم باید بر روسی سطح ِنه باشد نه پشت آینه.
در صورتی که در تهیه آینه طلا با مشکل مواجه شدیم می توانیم از آینه آلومینیوم نیز استفاده کرد.
گاهی اوقات نیز در ساخت آینه ها سطح آینه را با استفاده از چند ماده مختلف با در صد بازتابش بالا در طول موجهای متفاوت استفاده می شود. ولی ضخامت پوش هر ماده بر روسی سطح آینه برابر با نصف طول موج نوری است که آینه برای آن طراحی شده است.
در انتخاب آینه مقعر باید توجه کرد که شعاع انحنای آن باید بزرگتر از طول کاواک لیزر باشد. در ادامه جدولی از آینه ها و اطلاعات مربوط به آن ارائه شده است.
نصب آینه ها و پیچهای تنظیم:
نصب آینه ها 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 آینه ها را بر روی پایه های متحرک با پیچ تنظیم نصب کنیم تا بتوانیم ان را به راحتی حرکت داده و تنظیم کنیم. از انجا که تهیه یک تنظیم کننده ایدهآل 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 ، نگهدارنده ای برای آینه ها می سازیم و برای تعبیه پیچ های تنظیم دو سوراخ در آنها ایجاد می کنیم .برای اتصال اینه ها به کاواک خلا ، به ورقه ای از جنس آلومینیوم انعطاف پذیر نیاز داریم . فویل الومینیوم را به صورت زیگ زاگ مطابق شکل به صورت استوانه ای که قطر سطح مقطع ان برابر با قطر کاواک است شکل می دهیم و لبه های 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 پیچ های تنظیم مطابق شکل پس از چک کردن عدم نشط گاز به بیرون با روشن کردن لیزر ، آینه ها را تنظیم می کنیم . لازم به ذکر است که این سیستم باید برای هر دو آینه تخت و مقعر به کار برده شود .
  تنظیم پرتوی خروجی:
جهت استفاده از پرتوی لیزر باید قادر باشیم آن را در جهات مختلف هدایت کنیم.
قبل از هر چیزی باید از موازی بودن پرتو های خروجی اطمینان حاصل کنیم. برای این منظور کاغذی را از وسط سوراخ کرده به گونه ای در جلوی کاواک لیزر قرار می دهیم که محور مرکزی گذرنده از کاواک هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستکاری پیچ های تنظیم آینه ها پرتوی خروجی از لیزر را به گونه ای تنظیم می کنیم تا از مرکز سوراخ عبور کند . اکنون ما یک دسته پرتوی مستقیم داریم . از قبل لازم به ذکر است که به دلیل نوع اینه های استفاده شده و سیتم بازتابش رفت و برگشت فوتون بین دو آینه پرتوی خروجی یک پرتوی موازی است.اکنون می خواهیم پرتو را با قطر های متفاوت بر روی نقطه مورد نظر متمرکز کنیم. جهت این کار می توان از سیستم عدسی های مرکب استفاده کرد . چند نمونه از سیتم های عدسی مرکب به منظور هدایت پرتو در شکل نشان داده شده که باتوجه به انها می توانیم با استفاده از عدسی های گوناگون با فاصله کانونی ها وشعاع های انحنای مختلف پرتوی خروجی را به گونه ای که تمایل داریم هدایت کنیم .
  نکته ی دیگر در تنظیم پرتوی خروجی استفاده از پهن کننده پرتو است . پهن کننده ها شعاع پرتو های 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 پرتو ها مفید است استفاده از تارهای نوری موج بر است که می توانند با قابلیت انعطاف پذیری خود ، پرتو را به نقاط مختلف انتقال دهند.
اصولا 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 می باشند.پرتو نور قادر به حرکت در داخل هسته مرکزی به صورت زیگ زاگ به دلیل بازتاب کلی از فصل مشترک هسته مرکزی با جداره می باشد.
متاسفانه این روش برای طول موجهای تا 1.6 میکرون به کار می رود . چون میزان جذب برای طول موج های بزرگتر زیاد است ، از این روش برای انتقال پرتو در لیزر co2 نمی توان استفاده کرد .
 ولتاژها:
همان طور که قبلا نیز بیان شد ، دمش در لیزر های گازی از نوع تخلیه الکتریکی است که توسط ولتاژ های بالا انجام می شود .از آنجا که دمش در لیزر های co2 طی دو مرحله انجام می شود ، بنابر این ابتدا باید توسط تخلیه الکتریکی ولتاژ بالا اتم های نیتروژن را تحریک کنیم تا به حالت برانگیخته برسند و با انتقال انرژی خود به مولکول های co2 عمل لیز آغاز شود .
اوین حالت تحریکی ازت تقریبا در 0.3 الکترون ولت است . بنا بر تجربه برای شروع عمل لیز به 2 الکترون ولت انرژی نیاز دارد .
لازم به ذکر است که لیزر های co2 با جریانDC یا جریان متناوب AC با فرکانس خیلی پایین کار می کند. البته جریان های AC در لیزر هایی استفاده می شود که به صورت ضربانی دمش می شوند و خروجی ناپیوسته دارند .
در مورد لیزر های co2 ولتاژی را برابر با 10 تا 15 کیلو ولت DC به ازای هر متر تخلیه الکتریکی استفاده می کنیم . که حدود جریان الکتریکی ما بین 10 تا 15 میلی آمپر است .
برای ایجاد جریان DC می توانیم از یکسو کننده های جریان AC استفاده کنیم تا به ولتاژ آغازین 10 کیلو ولت برسیم .
در لیزر های co2 نیاز نداریم که از سیستم های 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 ست.چرا که هر چه ولتاژ بالاتری به کار ببریم ، عمل لیز با قدرت بیشتری انجام می شود.
ولتاژ بالای اعمال شده به دو سر تیوپ لیزر اعمال می شود ، یک میدان یکنواخت در سر تا سر لوله ایجاد میکند و الکترونها در این میدان شتاب می گیرند و با برخورد به دیگر اتم ها آنها را تحریک می کنند.
گاهی اوقات قبل از عمل تخلی گاز را کمی یونیزه می کنند . این عمل به کمک یک پالس ولتاژ بالا که به یکی از الکترود ها اعمال می شود یا به کمک ی سیم کوتاه که به دور لوله پیچیده شده ، انجام می گیرد . در این روش هم الکترون ها و هم یون ها و هم مولکول های خنثی در محیط وجود دارند . الکترونهایآزاد توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و به سمت آنود حرکت می کنند.
نکته ای که به هنگام تنظیم ولتاژ مناسب در نظر می گیریم این است که ولتاژ اعمال شده را از مرز 15 کیلو ولت آغاز میکنیم . ولتاژ را اندک اندک افزایش میدهیم تا یک باریکه نوری موازی و درخشان در مرکز کاواک لیزر مشاهده شود . در چنین حالتی ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبی است.
لازم به ذکر است که استفاده از ولتاژ های بالا به مراقبت بسیار زیادی نیاز دارد .
از سیم های رابط عایق استفاده کنید و هر جا که سیم پوشش خود را از دست می دهد آان را عایق کنید . سیستم ولتاژ بالا و خود دستگاه لیزر باید بر روی پایه های محکم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالی برخورد سیم ها جلو گیری شود.
به هنگام کار کردن با چنین سیستمی بسیار دقت کنید تا سیمهای کاتد و انود 2 اینچ به ازای هر 10 کیلو ولت از هم فاصله داشته باشند. تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال کوتا اجتناب شود.
الکترود ها :
یکی از مهمترین اجزای یک لیزر الکترود های آن می باشد. همان طور که قبلا نیز اشاره شد ، الکترود ها با آزاد کردن الکترون هاب اولیه نقش مهمی در شروع عمل لیز ، ایفا می کنند . در لیزر های مختلف ، انواع متعددی از الکترودها استفاده می شود. در لیزر های co2 به طور معمول از الکترود هایی از جنس آلو مینیوم استفاده می شود. چراکه آلومینیوم دارای الکتونهای ظرفیت مناسب جهت ازاد شدن توسط ولتاژ بالا می باشد . همچنین از انجا که سطح الومینیوم همیشه پوشیده از یک لایه اکسید آلومینیوم است این امر به ازاد کردن الکترون های بیشتری کمک می کند. در طرح لیزر از ورقه های نازک و انعطاف پذیر آلومینیوم برای ساخت کاتد و آنود استفاده می کنیم . روش کار به این صورت است که درو قطعه ورقه الومینیوم با عرض 3 و طول 15 سانتی متر تهیه می کنیم . سپس این ورقه ها را به شکل استوانه هایی هم قطر با تیوپ لیزر یعنی به قطر 2.5 سانتی متر لوله می کنیم و در دو انتهای تیوپ لیزر فرو میکنیم . سپس یک سانتی متر از هر طرف را از لوله خارج کرده و بر روی خود تیوپ خم می کنیم . پس از اتصال سیم های رابط جریان به ورقه های آلومینیوم ، آن قسمت از تیوپ را که ورقه های آلومینیوم بر روی آن تا خورده به شدت عایق بندی می کنیم تا از هرگونه تماس با آن ها غیر ممکن شود .
لازم به ذکر است ، سیتم آینه ها و پیچ های تنظیم که قبلا توضیح داده شد باید پس از عایق بندی الکترود ها و لوله کاواک به انتهای لیزر متصل شود. چراکه اگر بدون عایق بندی عمل شود ، خطر برق گرفتگی وجود دارد.
محاسبه تقریبی توان لیزر :
لیزر های گونتگون با نوجه به سیستمی که در ساخت آنها به کار برده شده از قبیل : نوع ماده لیزی ، طول کاواک لیزر ، روش های گوناگون دمش و نوع سیستم خنک کننده دارای توان های خروجی متفاوتی هستند.
برای محاسبه توان خروجی لیزر روش های گوناگونی وجود دارد که بسیاری از آنها حاوی فرمول های سخت و پیچیده است و نیاز مند اطلاعات دقیقی از قسمت های مختلف دستگاه می باشد .
در اینجا یک راه پیشنهادی و ساده جهت محاسبه توان تقریبی لیزر ارائه می شود که می تواند مفید 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 می توان توان خروجی لیزر را از رابطه معروف p=w/t بدست آورد . یکی از مناسب ترین مایعاتی که می توان از آن استفاده کرد آب می باشد . چرا که ظرفیت گرمایی آن مشخص است و به راحتی در دسترس می باشد . 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 می شود . استفاده از مایعاتی با ظریب بازتابش کمتر ، محاسبات را دقیقتر می کند.
تلفات لیزر :
راه های متفاوتی برای اتلاف در لیزر وجود دارد که به کاهش توان خروجی لیزر منجر می شود . در زیر به برخی از آنها اشاره می شود که تلاش برای رفع هر کدام از موارد ذکر شده باعث افزایش توان خروجی لیزر است .
- جذب و پراکنده کردن نور توسط آینه ها .
- پراش از لبه آینه ها .
- عبور نور از آینه ها 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 آینه ها ، کاواک لیزر و یا الکترود ها شود .
- کاهش توان خروجی به دلیل عدم وجود خلا کامل در کاواک قبل از جریان دادن گاز درون کاواک.
تعدادی از عوامل اتلاف ذکر شده از جمله تلفات ناشی از گرم شدن سیستم و یا پراش از لبه های آینه ها قابل رفع است که قبلا 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 لیزر ها 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 می کند بستگی دارد .
از مشخصه های تابش لیزر جمع شوندگی پرتوی آن است . این امر به همراه انرژی بالای لیزر می تواند انرژی زیادی به بافت های فیزیو لوژیکی بدن منتقل کند.از آنجا که پرتو های لیزر دارای طول موج های متفائتی هستند ، می توانند به بافت های مختلف بدن با توجه به قابلیت جذب آنها آسیب برسانند . جذب تابش باعث افزایش دما می شود و به قطع شدن اتصالات مولکولی می انجامد .
یکی از آسیب پذیر ترین قسمت های بدن تا آنجا که به تابش لیزر مربوط می شود ، چشم انسان است . این امر به این دلیل است که عدسی چشم ، پرتوی تابیده شده از لیزر را در ناحیه ای به شعاع حدود چندین برابر طول موج لیزر با چگالی بالای انرژی متمرکز می کند .
میزان خسارت به طول موج بستگی دارد به طوری که تابش در نواحی ماورائ بنفش و مادون قرمز که توسط قرنیه جذب می شود ، باعث صدمه دیدن آن می شود و جذب در ناحیه مریی باعث آسیب دیدن شبکیه می گردد.
این جذب ها توسط چشم می تواند به سوختگی یا نقص بینایی منجر شود .
پوست می تواند 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 خسارت به طول موج تابش و میزان جذب بستگی دارد به یژه در محدوده پرتوهای ماورائ بنفش .
معمولا مکان هایی که دستگاه های لیزر در آن ها قرار دارد ، با چراغ های اخطار و متوقف کننده های پرتو تجهیز می شوند . در این مکان ها از موادی که بازتاب کننده پرتو هستند نیز استفاده می گردد . به هنگا کار کردن با لبزر ها باید از عینک های محافظ چشمی استفاده کرد و با توجه به اینکه در لیزر ها معمولا از مولد های ولتاژ بالا استفاده می شود ، رعایت نکات ایمنی در این مورد نیز ضروری می باشد .
منابع :
Sams FAQ in laser construction
Laser principle and application /J.Wilson – J.F Havaks
Laser miloni
|