تحقیق مقاله لیزر، ساخت لیزر ، کار با لیزر

روش تولید یک قطعه مهم صنعتی

ماشین کاری با لیزر: LBM

L.B.M
فرایندهای ترموالکتریکی

Light Amplification by stimulated Emission of Radiation

تعریف لیزر:

بسط و توسعه نور توسط نشر تشعشع تحریک شده می باشد.

نور لیزر:

تشکیل شده از یک هسته اشعه تک فرکانس موازی همفاز ودارای انرژی متمرکز در سطح مقطع کوچک.

کاربرد لیزر:

نور لیزر کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف از جمله:

تحفیفات فیزیک.اندازه گیری.پزشکی.ساخت....

کاربرد در ساخت:

1.جوشکاری 2.مته کاری

3.برشکاری 4.عملیات حرارتی

تاریخچه لیزر:

n توضیح طبیعت نور توسط یونانیان

 نظریه ذره ای نور نیوتن (قرن 17n

 نظریهn موجی نور هوک و هویگنس (1801م

 تئوری پرتو لیزر توسط اینشتین(اوایل قرن 20 برn مبنای تئوری خواص تقویت نور با استفاده از تخلیه گازها(1940-1951توسطn دانشمندان روس تولید و تقویت فرکانسها بر اساس تشعشعات الکترومغناطیسی(1952n به طور مستقل توسط دانشمندان روس امریکاو کانادایی بردن ذرات به حالتn ناپایدار توسط سیستمهای تحریک شده در سه تراز انرژی(1955 دانشمندان روس ساختn اولین لیزر یاقوتی (1960 توسط میمن اختراع اولین لیزرگازی که مخلوطی ازn گازهای هلیم و نیتروژن بود(1961 توسط دانشمند ایرانی الاصل علی جوان ودو دانشمند امریکایی استفاده از نیمه هادیها به عنوان ماده فعال در لیزر (1962 توسط دانشمندان روس استفاده از لیزر در تحقیقات فضایی(1963 شورویn سابق)

اصول تولید نور لیزر :

 بر مبنای تئوری اینشتین (تحریکn اتم توسط انرژی خارجی)بنا نهاده شده است.

الکترونهای مدار خارجی هر اتم بر اثر دریافت انرژی به مدارهای بالاتر می پرند در این حالت اتم را تحریک شده می گویند.اتم تحریک شده بلافاصله توسط الکترونش انرژی دریافتی خود به مدار قبلی بر می گردد در صورتی که اتم در حالت تحریک شده مجددا تحریک شود برگشت الکترون به مدار پایین سریع شده و دو موج کاملا مشابه همزمان با بازگشت الکترون به سطح قبلی انرژی خود از اتم خارج می شود این عمل را نشر تحریک گویند.

بدین صورت که امواج مشابه همدیگر را تقویت کرده و تقویت این امواج توسط نشر تحریک شده اصول عملکرد لیزر است .

ساختمان وفرایند سیستم لیزر:

 محیط لیزری: ماده ای که به عنوان تقویت کننده نور عمل می کند

 دمنده:یک چشمه انرژی خارجی است

 تشدید گر:یک دسته آینه

به منظور تولید پرتو لیزری از لوله نوری استفاده می شود که سطح داخلی آن کاملا آینه ای بوده و دو طرف آزاد این لوله توسط دو سطح آینه ای دیگر مسدود شده که یکی از این سطوح 100درصدآینه ای ودیگری 90 درصد آینه ای بوده و یک منبع انرژی به منظور تولید انرژی لازم برای تحریک اتمها در داخل لوله نصب شده که معمولا انرژی نورانی تولید نموده امواج انرژی در برخورد با ماده لوله که معمولا گاز یا جامد است باعث تحریک اتمهای این جسم شده و این امواج در برخورد با جدارهای لوله مرتبا منعکس شده و امواج منعکس شده اتم را مجددا تحریک می کنند .بطوریکه وقت اکثر اتمها(از نصف بیشتر)به حالت نشر تحریک شده (فوتون)در آینه قرار می گیرند و پرتوی لیزری قابلیت عبور از سطح آینه 90 درصد را پیدا می کند و آنچه خارج می شود به نام لیزر می نامیم .

لیزر و اصل مبدلهای انرژی

دستگاه لیزر مانند مبدلهای انرژی عمل میکند .

انرژی را از یک پمپ بصورت توان بالا و شدت کم گرفته وبه صورت توان پایین تر و شدت بالاتر در قالب شعاع لیزری گسیل می کند .

ساختمان کلی یک سیستم لیزری

 مولد لیزر(محفظه تشدید کننده)که حاوی گاز با فشار کم است وبا اعمال ولتاژباعث تحریک وشتاب دادن الکترونها شده که با یونهای خنثی برخورد کرده وآنها را تحریک می کنند

 منبع توان لیزریا منبع ولتاژ بالا

 میز فرایند

 کلگی شامل عدسیهای همگرا ساز و شیپوره

n NC برای کنترل دقیق میز و نور لیزروجابجایی عدسی همگرا ساز

 تابلوی عملیات برایn کنترل کل سیستم

 چیلربرای خنک کاری سیستم

 سیلندر گازیکی برای محفظه تشدیدn ویکی برای گاز کمکی
 هوا خنک کن هوای خنک را به محفظه لیزر و لوله انتقال لیزرn می فرستد و آنرا در فشار جو تمیز نگه میدارد

لیزر پالسی و پیوسته و تولید لیزر با پالسهای کوتاه

لیزر را میتوان واداشت تا همه انرژی خود را بصورت پالسهای کوتاه گسیل کند .این کار با استفاده از سلول پاکل انجام می شود که حرکت فوتونها را به سمت آینه جزئی سد میکند وهنگامی که تمام اتم هادی ماده برانگیخته شدند توسط یک پالس الکتریکی این سد شکسته شده و انرژی فراوان در مدت کوتاهتر از پیکو ثانیه آزاد می شود.

لیزربا پالس بلند

انواع لیزر

n لیزرهای حالت جامد

 لیزرهای مایع

 لیزرهای گازی

 لیزرهای نیمه رسانا

 لیزرهای الکترون آزاد

لیزرهای دو مورد آخر در مخابرات استفاده می شود

لیزر حالت جامد

کاربرد:

مته کاری – برشکاری – جوشکاری

ویژگی:

معمولابصورت پالسی از لوله نوری خارج شده

بالاترین انرژی لیزری را داراست

طرز کار لیزر جامد

معمولا جسم جامد مورد استفاده کریستالهای اکسید آلومینیوم می باشدکه 0.05% ناخالصی کروم دارد.برای تحریک این نوع لیزر از منابع نورانی استفاده می شود.

منبع نورانی برای تحریک یک فلاش لامپ است که شبیه فلاش دوربین عکاسی عمل می کندکه با نور شدید خود کریستالهای اکسید آلومینیوم را تحریک کرده و یونهای فعال ناخالص کروم جایگزین اتمهای ALدر شبکه می شود که تعداد بیش از نیمی از یونها باید در تراز بالاتر تحریک شوند واین تحریک بصورت پالسی است که راحت تر و هزینه کمتری دارد.وقتی اتمهای کروم تحریک شده به حالت اول خود بر می گردند از خود گرما و انرژی نورانی (فوتون)منتشر می کنند فوتونهای تولید شده با دیگر اتمها برخورد کرده و باعث تولید فوتونهای دیگر با طول موج های مشخص می شوند.این فوتونها به سمت جلو و عقب توسط آینه ها منعکس می شوند.در نتیجه تعداد فوتونها افزایش یافته و انرژی بیشتری تولید می شود تا اینکه از آینه جزئی عبور کرده و تفنگ لیزری را تولید می کند این نور از عدسی همگرا گذشته و روی یک نقطه متمرکز می شود.

لیزرهای مایع

کاربرد

تحقیق طیف نور

ویژگی

همگنی آنها نسبت به جامدات بیشتر است

مشکل ساخت و سیرکولاسیون برای خنک سازی را ندارند

نسبت به گازها چگالی بیشتری دارند

طرز کار لیزر مایع

انواع گوناگونی از مایعات به عنوان محیط لیزر ساخته شده ولی مفید ترین آنها رنگهای آلی هستند که در حلال مناسبی حل شده باشندچنین محلهایی شدیدا فلورسنس هستند.

به این صورت که مایع جریان پیدا کرده و لوله فلاش مولکولهای مایع رنگی را به انرژی بالاتر انتقال می دهد و فوتونها تولید می شوند فراین بصورت قابل تعدیل ادامه می یابد و آینه های خارجی فوتونها را منعکس می کنند و اتمها داخل لوله نوسان پیدا کرده تا اینکه مدار نور از آینه کم بازتاب عبور کرده و تشکیل تفنگ لیزر را میدهد .

لیزرهای گازی

کاربرد

اندازه گیری-مته کاری-جوشکاری-عملیات حرارتی-فرایندهای علمی و...

ویژگی

چگالی کم( درنتیجه برای دستیابی به توان زیاد باید از لیزرهای گازی بزرگ استفاده کرد

همگنی بیشتر نسبت به جامدات

سرمایش راحت تر نسبت به جامدات

تحریک راحت تر اتها در تخلیه گازی

طرز کار لیزر گازی

ولتاژی چند کیلو واتی به دو سر لوله ای که حاوی گاز با فشار کم است اعمال شده موجب تخلیه گاز می گردد. در این تخلیه الکترونها و یونهای زیادی بوجود آمده که الکترونها توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و در برخورد با یونها و اتمهای خنثی آنها را تحریک خواهند کرد . بقیه مراحل مانند طرز کار عموم لیزرها میباشد.

تقسیم بندی لیزرهای گازی

n لیزراتمی

 لیزریونیn

 لیزر مولکولیn

لیزر اتمی

 متداولترین لیزراتمیِِHeNe است نوعاً مقدار HeبرابرNeاست.

 لیزرهای HeNeکوچک نسبتا ًارزانn هستند وبی خطر(طول موج بالایی دارند) ودر مدارس و آزمایشگاهها استفاده میشوند.

HeNeدر یک شیشه با دو انتهای زاویه دار جهت کاهش انعکاس پر شده اند.

 بعنوانn مدار بسته قدرت یک الکترود تخلیه در میان لوله ها جا گرفته است.

طرز کار لیزر اتمی

اتمهای Heبه سطوح انرژی بالاتحریک شده این اتمها با اتمهای Neبرخورد کرده وباعث می شوند آنها را به سطوح یکسان بیاورند وقتی اتمهای Neبه سطح انرژی پایینتر سقوط می کنند و فوتونهای قرمز رنگ نور لیزر را ساطع می کنند این عمل ادامه پیدا می کندتا زیاد شوند.نوسان اتمها به سمت جلو و عقب ادامه دارد تا مقداری نور از آینه ها که جزئی از اشعه ها را از خود عبور می دهد بصورت تفنگ قرمز رنگ بگذرد.

لیزرهای یونی

 محل تحریک رویn یونهای حاصل در یک گاز یونیزه انجام می شود

 مثالی از این نوع لیزرn Arاست

لیزر مولکولی(دی اکسید کربن

 متداولترین نوع لیزر مولکولی لیزر دی اکسید کربن است

 بازده حدود 30%

 توان پیوسته بالا(تا چند ده کیلوn وات

 کاربرد در جوشکاری-برشکاری فولاد-گداخت لیزری -کاربرد نظامی و....n

n ساخت این لیزر به صورت پالسی و پیوسته امکان پذیر است

 با ولتاژ با تحریک میn شود

لیزرهای نیمه رسانا

 آمیزه ای از پیوند P-Nدارندn

n نسبت به لیزرهای جامد و گازی ارزانتر وکم حجم ترند

 اغلب در ژیروسکوپها برایn مخابرات وصنایع نظامی استفاده می شوند

لیزرهای الکترون آزاد

n ویژگی

 توان خیلی بالا -بازده زیاد-بهای نسبتاًکم-قابلیت تنظیم طول موج عالیn

اساس کار لیزر الکترون آزاد

منبع اصلی این نوع لیزر الکترونهایی هستند که سرعتی نزدیک به نور دارند.

تحت شرایط خاص الکترونها انرژی خود را بصورت یک پرتو فوتون
در همان جهت القا می کننددر میدان مغناطیسی متناوب الکترونهاتحت نوسانات عرضی قرار می گیرند که نتیجه اش گسیل خود به خودی الکترونها به سمت جلو ودر طول موج لاندا است.

انواع لیزرهای مورد استفاده در صنعت

لیزر های مورد استفاده در صنعت :

سوئیچی است که بوسیله آن می توان لیزر راکنترل کرد . این وسیله می تواند یک دیافراگم مکانیکی یا یک رنگ سفید شدنی یا دستگاهی باشد که برمبنای مختلف الکتریکی – اپتیکی

استوار باشد که اغلب ازسوئیچ صوتی اپتیکی استفاده می شود .

این لیزر هنگام عمل بر روی قطعه کار ایجاد امواج صوتی می کند .
به علت کوچک بودن طول موج این نوع لیزر در موارد زیر از آن استفاده می شود :

1- درمورد فلزات شدیدا بازتابنده نظیر طلا و مس ازلیزرفوق استفاده می شود .

2- با توجه به وقوع پلاسما قابلیت نفوذ این نوع لیزر بیشتر است .

3- امکان انتقال شعاع های این لیزر توسط فیبرهای نوری وجود دارد که باعث بالا رفتن قابلیت انجام فرایند ساخت می شود .

2- لیزر که از نوع گازی است .

تولید پرتو لیزر

تولید پرتوی لیزر در اثر تخلیه در گاز دی اکسید کربن می باشد که در اثرتخلیه ، یونها بوجود آمده واز برخورد یون ها و الکترون ها فوتون ساطع شده ، که با تقویت وافزایش فوتون ها نور لیزر می تواند از آینه 90 % گذشته وتوسط یک عدسی همگرا یا یک آینه همگرا متمرکز شود . پرتو تولیدی بصورت مادون قرمز با طول موج 10.6 میکرون تولید می شود . این لیزر راندمان بالایی دارد ودر برشکاری و بورینگ و سوراخکاری بسیار استفاده می شود .

دقت ابعادی 0.025± تا 0.1 ± وسطح پرداخت را دارد . فاصله کانونی عدسی در صنعت 2 تا 5 اینچ است و برای خنک کاری لوله نوری از تجهیزات هوای خنک در دستگاه های کوچک وآب خنک در دستگاه های بزرگ استفاده می شود .

ومتمرکز کردن روی قطعهCO2تولید لیزر

انتقال لیزر و کانونی نمودن آن

ابتدا پرتو توسط یک پهن کننده ، پهن شده و توسط یک عدسی روی سطح کار کانونی می شود . دلیل استفاده از پهن کننده این است که بتوانیم خوب لکه را کانونی کنیم .

مفاهیم

1- منبع انرژی همدوس : لیزر یک منبع انرژی همدوس است که پرتو آن بصورت یک لکه بسیار کوچک است .

همدوسی : موج نوری( پرتو ) بوجود آمده و موج نوری (پرتو ) بوجود آورنده لیزر همفاز هستند . یعنی تغییرات زمانی میدان الکتریکی دو موج یکسان هستند .

2- سوراخ کلید در ماشین کاری با لیزر :

بعضی از الکترون های ماده (قطعه کار) در اثر تبخیر ناگهانی ماده آزاد شده و باعث فرایند یونیزاسیون می شود که به این ترتیب درجه حرارت بالا رفته و در نتیجه جذب انرژی تشدید شده وبا افزایش ناگهانی جذب ، ماده بیشتری تبخیر شده و با افزایش تبخیر ماده حفره ای در قطعه کار بوجود می آید که به سوراخ کلید معروف است .

3- ابر پلاسما