لیزر ترکیب گاز البرز

لیزر CO2
مشخصات عمومی
لیزر CO2 یکی از پرتوان ترین و پرکاربرد ترین لیزرها است که در دسته لیزرهای گازی قرار داشته و از نوع لیزرهای ملکولی است. این لیزر در سال ۱۹۶۴ و در آزمایشگاه بل اختراع گردید. خروجی این لیزر دارای دو طول موج در ناحیه مادون قرمز و در طول موج های ۱۰٫۶ میکرومتر و ۹٫۴ میکرومتر است که البته اولی خط قوی تری است. این لیزر قادر است هم در مد پیوسته و هم در مد پالسی کار کند و توان بالای قابل تولید در این لیزر آن را به یکی از مطرح ترین لیزرها تبدیل نموده است. توان این لیزر در مد پیوسته تا ۱۰۰ کیلووات قابل حصول است و در مد پالسی نیز پالس های ۱۰ کیلوژول توسط این لیزر قابل تولید خواهد بود.گذار تابشی در این لیزر میان ترازهای نوسانی-ارتعاشی ملکول CO2 انجام می گیرد و از این روی این لیزر دی اکسید کربن نام گرفته است. در ترکیب گاز درون کاواک گاز دی اکسید کربن و نیتروژن با نسبت ۰٫۸ به ۱ وجود دارد و اندکی بیش از نیتروژن نیز هلیوم به این ترکیب اضافه می کنند. همانگونه که گفته شد گذار های فوتونی در ترازهای ملکول CO2 انجام می پزیرد. ملکول نیتروژن نیز در فرایند پمپاژ دخیل است به این صورت که اتم نیتروژن در اثر پمپاژ برانگیخته می شود و از انجا که حالت برانگیخته ی آن انرژی اندکی بیش از انرژی حالت برانگیخته ی ملکول CO2 دارد، طی گذار برخوردی انرژی را به ملکول CO2 منتقل نموده و آن را برانگیخته می سازد. نقش گاز هلیوم نیز کمک به پایداری لیزر از جمله پایداری حرارتی سیستم است.
پمپاژ این لیزر از نوع تخلیه الکتریکی است و به همین دلیل فشار گاز دورن محفظه در این لیزر بسیار مهم است و در لیزر CO2 نسبت به دیگر انواع لیزر این فشار خصوصا در توان های بالا افزایش می یابد که موجب بروز پهن شدگی طیفی لیزر از نوع پهنای داپلری می گردد. به همین دلیل لیزرهای CO2 خروجی های چندان تیزی از لحاظ فرکانسی نسبت به دیگر لیزرهای گازی نظیر هلیوم-نئون ندارند.
لیزر CO2 در ابعاد مختلف و با ویژگی های متعدد ساخته شده و طیف وسیعی از کاربردها را به همراه داشته است. از یک لیزرهای CO2 به صورت دست ساز (خانه ساز) با طول کمتر از ۳۵ سانتیمتر ساخته می شوند و از سوی دیگر لیزرهای CO2 برای درایور فیوژن لیزر در ابعادی ساخته -می شوند که یک فرد قادر است درون آن تیوب آن راه برود. چنین تنوعی در ساخت در کنار توان بالای قابل حصول و البته فیزیک نسبتا ساده ی این لیزر، آن را در کنار لیزر نئودیمیم یاگ به لیزرهای بی همتا از لحاظ توسعه و کاربرد بدل ساخته است.

پیکر بندی های مختلف لیزر Co₂
لیزر طولی (sealed)
این لیزر دارای یک محفظهی استوانهای شکل باریک و دراز است که در دو سوی آن دو الکترود برای انجام عمل تخلیه قرار دارند. در شکل زیر نمای کلی از این لیزر را مشاهده میکنید.

واژه sealed به معنای بسته است. در این پیکربندی محفظه توسط گاز پر میگردد و سپس بسته میشود. از جمله ایرادات این سیستم این است که ملکول دیاکسید کربن در طی فرایند تخلیه الکتریک ممکن است دچار شکست شده و گاز اکسیژن در محفظه تولید شود. در نتیجه علاوه بر کاهش ملکولهای دیاکسید کربن در محفظه، گاز اکسیژن ایجاد شده موجب اکسید شدن آینههای فلزی میگردد که به مرور باعث کاهش کارایی لیزر میگردد. بنابراین باید تیوب لیزر پس از مدتی تعویض گردد. لیزر با این پیکربندی تا طول چندمتر قابل ساخت است اما عوامل متعددی افزایش بیشتر این طول را ناممکن میسازد و منجر به بروز محدودیت در افزایش طول لیزر میگردد. یکی از این عوامل پمپاژ است که باید به صورت طولی انجام پذیرد و با افزایش طول ولتاژ بیشتری نیاز است با عمل تخلیه صورت پذیرد که تامین چنین ولتاژی در برخی موارد مشکل ساز میگردد. عامل دیگر که میتوان پیامد عامل اول به شمار آید افزایش توان روی آینهها است زیرا در این پیکربندی آینهها ابعاد بسیار کوچکی دارند و بالا بردن توان لیزر موجب افزایش شدت روی آینه های میگردد که میتواند به آینههای کوچک آسیب برساند. از دیگر معایب این پیکربندی میتوان به خنکسازی سختتر و پمپاژ غیر یکنواخت را اشاره نمود.
لیزر CO₂موجبری (waveguide)
   در این نوع طراحی امکان فشرده سازی لیزر فراهم میآید و لیزری با حجم کمتر خواهیم داشت. این لیزرها دو الکترود عرضی دارند که به یک منبعی تغذیه در فرکانس رادویی ( RF ) متصل هستند. در شکل زیر ساختار کلی و سادهی این لیزر نمایش داده شده است.

پرتوهای ایجاد شده در محیط فعال در فضای ایجاد شده میان دو الکترود نوسان زیگ زاگ انجام میدهند و این فضا برای آنها به صورت موجبر عمل میکند. به دلیل ساختار این لیزر امکان خنک سازی بهتر فراهم میآید و با حجم کمتر محیط فعال، میتوان توان بالاتری تولید نمود.
فشار گاز در این سیستم تا ۸۰ تور قابل افزایش است و نسبت گازها به صورت ۳ برابر نیتروژن، یک برابر CO₂و یک برابر هلیوم است. ویژگی بارز این گونه از لیزرهای CO₂کم حجم و فشرده بودن آن است و با لیزری با طول ۳۰ سانتیمتر از این نوع میتوان به توانی در حدود ۳۵ وات دست پیدا نمود.
لیزر CO₂با الکترودهای تخت(SLAB)
لیزری دیاکسید کربن با الکتوردهای پهن با ویژگیهای بسیار مطلوب جز لیزرهای بسیار پرکاربرد محسوب میشود. در این طراحی الکترودها بجای قرار گرفتن در دو سوی کاواک ( ابتدا و انتها ) در طرفین کاواک قرار میگیرند (به صورت عرضی) و عمل اعمال ولتاژ بر گار درون رزوناتور از عرض انجام میپذیرد. این الکترودها که غالبا صفحات پهن و ضخیم فلزی هستند با توانایی انتقال بالا حرارت مشکلات ناشی از ناپایداری در اثر حرارت را تا حد زیادی مرتفع میسازند. دیگر مزیت استفاده از این الکترودها امکان بالا بردن فشار گاز تا چندین اتمسفر است. در لیزرهای با تخلیه طولی به دلیل فاصلهی زیاد الکترودها بالا بردن فشار با مشکلات زیادی همراه است اما در این لیزرها این مزیت برقرار است و در نتیجه باعث افزایش چگالی اتمها در واحد حجم و امکان گرفتن توان بیشتر از لیزر با حجم مشخص میشود. در شکل زیر ساختار این لیزر نمایش داده شده است.

در این لیزر برای اینکه به صورت بهتر و یکنواخت تر عمل تخلیه الکتریکی را انجام گیرد، از تحریک خارجی استفاده میکنند بدین صورت که با استفاده از چشمههای خارجی فرابنفش (UV) از اتمهای گاز داخل کاواک الکترون میکنند و این الکترونها درون میدان شتاب گرفته اتمهای گاز را هرچه بیشتر یونیزه کرده و جریان تخلیه الکتریکی میان دو الکترود به راه میافتد.
لیزر CO₂با الکترودهای پهن (SLAB) به دلایلی که در بالا ذکر شد امکان حصول توانهای بسیار بالا را چه در مد پالسی و چه در مد پیوسته فراهم میآورد. قوی ترین پالسهای لیزری تولید شده توسط این لیزر به وجود آمدهاند و در مد پیوسته نیز حتی تا ۱۰۰ کیلو وات خروجی از این لیزر قابل حصول است.

لیزر CO₂ با جریان گاز (Gas flow)
   در این لیزرها گاز دیاکسید کربن درون کاواک لیزر جریان دارد. گاز به صورت عرضی و عمود ار راستای باریکهی لیزر وارد کاواک میشود. فرایند پمپاژ در این نوع لیزر توسط برانگیخته ساختن اتمهای گار در خارج محفظه (از طریق گرما و یا تخلیه الکتریکی) صورت میپذیرد. به گاز اندکی بخار آب نیز افزوده میشود. گاز تحت فشار بسیار زیاد قرار گرفته و سپس از طریق عبور از یک نازل به داخل کاواک هدایت میشود. گاز در هنگام عبور از نازل به سرعت خنک میگردد و از سوی دیگر یک پمپ با سرعت زیاد در سوی دیگر محفظه را تخلیه میکند تا همواره فشار محفظه تثبیت شود. در شکل زیر مکانیزم کاری این لیزر نمایش داده شده است.

   از معایب این لیزر میتوان به کیفیت باریکه خروجی اشاره نمود. به واسطهی جریان گاز در این لیزر و بروز اثراتی همچون پهنشدگی داپلری، باریکه خروجی این لیزر از همدوسی نسبتا کمی برخوردار است و همچنین اغلب دارای مدهای عرضی است که این مساله موجب کاهش کارایی باریکه با افزایش فاصلهی هدف از لیزر میشود. از سوی دیگر به دلیل وجود جریان گاز، گاز مصرفی دستگاه نسبت به انواع دیگر لیزر دیاکسید کربن زیاد است.
   به واسطهی پمپاژ محیط فعال لیزر در بیرون از کاواک و سپس وارد نمودن آن به کاواک، بسیای از محدودیتها نظیر گرمایش گاز و مشکلات ساختاری به خودیخود بر طرف میشوند که این مساله از یک سو مزیت به شمار میآید و این امکان را فراهم میسازد که بتوان تا بیش از ۱۰۰ کیلو وات توان در مد پیوسته توسط از این لیزر تولید نمود که کاربردهای نظامی دارد.
   به طور خلاصه میتوان گفت لیزر CO₂به واسطهی پایداری بسیار خوب در تمامی ساختمانهای ذکر شده طراحی و ساخته شود و این گسترهی وسیع طراحی از لحاظ تکنیکی، مالی و کاربردی است که این لیزر را به یکی از محبوب ترین لیزرها بدل ساخته است. انتخاب هر یک از انواع این لیزر وابسته به نوع کاربرد است. به عنوان مثال برای کاربردهای با توان بالا از لیزر SLAB و یا GAS FLOW استفاده میشود و برای کاربردهایی مانند پردازش مواد نیز از لیزرهای با توان پایین و پایدار بهره گرفته میشود