دانلود مقاله لیزر

مقدمه : لیزر این نور شگفت از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر ، آنرا از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می‌سازد.

از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر ، به خواص مشخصه آن پی برده شد.

و ما بصورتی گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده ، در علوم مختلف بخصوص صنعت و پزشکی و ...

ایجاد کرده است.

به جرأت می‌توان گفت پیشرفت علوم بدون تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست.

پهنای باریکه از آنجا که نشر القایی ، فوتونهایی را با راستای انتشار دقیقا یکسان تولید می‌کند، استفاده از پیکربندی آینه انتهایی به تقویت گزینشی باریکه محوری که تنها قطری در حدود 1mm دارد منجر می‌شود.

بدین ترتیب لیزر ، باریکه‌ای نازک و اساس موازی از نور را که معمولا دارای توزیع گاوسی از شدت است، از آینه خروجی به بیرون منتشر می‌کند.

زاویه واگرایی باریکه لیزر مقداری در حدود 1mrad است، که در فاصله یک کیلومتری ، تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن می‌کند.

هر چند که میزان واگرایی باریکه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجی تعیین می ود، ولی به ازا اپتیکی مناسب می توان همین واگرایی اندک را به مقدار زیادی تصحیح کرد.

شدت زیاد، خاصیتی است که بیش از سایر موارد همراه نور لیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدتهای روی زمین ایجاد می‌کنند.

از آنجا که لیزر باریکه‌ای اصولا موازی از نور را نه در تمام جهتها بلکه در راستای مشخصی نشر می‌کند، مناسبترین معیار شدت ، تابیدگی است.

توان: انرژی در واحد زمان.

سطح/توان = I تابیدگی در این اینجا منظور از توان ، توان خروجی لیزر است، نه توان ورودی به آن.

با متمرکز کردن باریکه تا رسیدن به حد پراش ناشی از ابزار اپتیکی متمرکز کننده می‌توان تابیدگی را افزایش داد.

به عنوان یک اصل کلی ، حداقل شعاع باریکه متمرکز شده قابل قیاس با طول موج می‌باشد.

خروجی لیزرها که دارای یک توزیع گوسی از شدت می‌باشد، ماکزیمم شدت (قله یا پیک) تنها برای زمان بسیار کوتاهی قابل حصول است.

و این شدت ماکزیمم (پیک) حاصل از یک لیزر تپی بطور وارون با مدت تپ متناسب است، روشها گوناگونی برای کاستن از طول تپ وجود دارد تا شدت آن افزایش یابد.

همدوسی همدوسی خاصیتی است که به بهترین وجه نور لیزر را از سایر انواع نور متمایز می‌کند و باز هم این خاصیت ، نتیجه ماهیت فرآیند نشر القایی است.

نور حاصل از منابع معمولی که توسط نشر خود به خودی کار می‌کنند، به نور غیر همدوس آشفته موسم است.

در این موارد ، هیچ همبستگی بین فاز فوتونهای گوناگون وجود ندارد و در اثر تداخلهای اساسا تصادفی بین آنها ، افت و خیز محسوسی در شدت پدید می‌آید.

در مقابل در لیزر ، فوتونهایی که توسط محیط برانگیخته لیزر نشر می‌شوند، با سایر فوتونهای موجود در حفره ، همفازند.

مقیاس زمانی که طی آن همبستگی فاز برقرار می‌ماند، به عنوان زمان همدوسی شناخته می‌شود.

بنابراین دو نقطه در طول باریکه لیزر به فاصله‌ای کمتر از طول همدوسی ، باید فاز مرتبطی داشته باشند.

طول همدوسی برای انواع مختلف لیزر متفاوت است.

مهمترین کاربرد همدوسی لیزری تمام نگاری (هولوگرافی) است، که روش برای تهیه تصاویر سه بعدی به شمار می رود.

تکفامی مشخصه بارز نور لیزر و خاصیتی که بیشترین ارتباط را با کاربردهای شیمیایی دارد، تکفامی اساسی آن است.

این خاصیت از این حقیقت منشأ می‌گیرند که تمام فوتونها در اثر گذار بین دو تراز انرژی اتمی یا مولکولی مشابه ، نشر می‌شوند و بنابراین تقریبا فرکانسهای دقیقا یکسانی دارند.

تعداد کمی از فرکانسها با فواصل اندک از یکدیگر ، ممکن است در عمل لیزر حضور داشته باشند، بطورری که برای رسیدن به تکفامی بهینه باید وسیله اضافی دیگری را برای گزینش فرکانس لیزر تعبیه کرد.

معمولا برای این کار از یک نسخه استفاده می‌شود که عنصری اپتیکی است که درون حفره لیزر قرار می‌گیرد و به گونه‌ای تنظیم می‌شود، که تنها یک طول موج معین بتواند بین دو آینه انتهایی ، بطور نامتناهی به جلو و عقب حرکت کند.

کاربردهای مهم پهنای کم باریکه در صنعت سازه مثلا در حفر تونلها دریابی و فاصله‌ یابی و نظارت بر آلودگی اتمسفر (امکان نظرات بر گازهای خروج از دودکش کارخانه‌ها ، با تجزیه و تحلیل نور پراکنده از روی سطح زمین امکان پذیر است.

کاربرد لیزر بر اساس شدتهای زیاد برش و جوشکاری با لیزر ، صنعت هوافضا و نساجی ، جراحی چشم و جراحیهای دیگر، مزایای بسیار زیادی برای استفاده از لیزر در چپنین جراحیهایی وجود دارد، روش لیزری تخریبی نیست و نیازی به بیهوشی ندارد و با توجه به مدت زمان کوتاه تپها ، نیازی به بی حرکت نگهداری طولانی عضو نیست.

کاربرد همدوس لیزر هولوگرافی (تمام نگاری) ، که از خود این روش درست قطعات خودرو تأسیسات ، ترکیدگی داخلی لاستیکهای هواپیما ، فشرده سازی اطلاعات (اعم از تصاویر و متن و ...) و بازسازی اطلاعات.

جوشکاری با اشعه لیزر جوشکاری و برشکاری با استفاده از اشعه لیزر از روشهای نوین جوشکاری بوده که در دههای اخیر مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر کیفیت ، سرعت و قابلیت کنترل آن به طور وسیعی در صنعت از آن استفاده می شود .به وسیله متمرکز کردن اشعه لیزر روی فلز یک حوضچه مذاب تشکیل شده و عملیات جوشکاری انجام می شود .

اصول کار و انواع لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری : به طور عمده از دو نوع لیزر در جوشکاری و برشکاری استفاده می شود : لیزر های جامد مثل Ruby و ND:YAG و لیزرهای گاز مثل لیزر CO2 .

در زیر اصول کار لیزر Ruby که از آن بیشتر در جوشکاری استفاده می شود توضیح داده می شود .

این سیستم لیزر از یک کریستال استوانه ای شکل Ruby (Ruby یک نوع اکسید آلومینیوم است که ذرات کرم در آن پخش شده اند .

) تشکیل شده است .

دو سر آن کاملا صیقلی و آینه ای شده و در یک سر آن یک سوراخ ریز برای خروج اشعه لیزر وجود دارد .

در اطراف این کریستال لامپ گزنون قرار دارد که لامپ فوق برای کار در سرعت حدود 1000 فلاش در ثانیه طراحی شده است .

لامپ گزنون با استفاده از یک خازن که حدود 1000 بار در ثانیه شارژ و تخلیه شده فلاش می زند و هنگامی که کریستال Ruby تحت تاثیر این فلاش ها قرار بگیرد اتمهای کرم داخل شبکه کریستالی تحریک شده و در اثر این تحریک امواج نور از خود سطع می کنند و با باز تابش این اشعه ها در سطوح صیقلی و تقویت آنها اشعه لیزر شکل می گیرد .

اشعه لیزر شکل گرفته از سوراخ ریز خارج شده و سپس به وسیله یک عدسی بر روی قطعه کار متمرکز شده که بر اثر برخورد انرژی بسیار زیادی در سطح کوچکی آزاد می کند که باعث ذوب و بخار شدن قطعه و انجام عمل ذوب می شود .

محدودیت لیزر Ruby پیوسته نبودن اشعه آن است در حالیکه انرژی خروجی ان بیشتر از لیزر های گاز مانند لیزر CO2 است که در آنها اشعه حاصله پیوسته است، از لیزر CO2 بیشتر به منظور برش استفاده می شود و از لیزر ND:YAG بیشتر برای جوشکاری آلومینیوم استفاده میشود .

از انجا که در این روش مقدار اعظمی از انرژی مصرف شده به گرما تبدیل می شود این سیستم باید به یک سیستم خنک کننده مجهز باشد .

در جوشکاری لیزر دو روش عمده برای جوشکاری وجود دارد : یکی حرکت دادن سریع قطعه زیر اشعه است تا که یک جوش پیوسته شکل بگیرد و دیگری که مرسوم تر است جوش دادن باچند سری پرتاب اشعه است .

در جوشکاری لیزر تمامی عملیات ذوب و انجماد در چند میکروثانیه انجام می گیرد و به خاطر کوتاه بودن این زمان هیچ واکنشی بین فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از این رو گاز محافظ لازم ندارد .

طراحی اتصال در جوشکاری لیزر : بهترین طرح اتصال برای این نوع جوشکاری طرح اتصال لب به لب می باشد و با توجه به محدودیت ضخامت در آن می توان ازطرح اتصال های T یا اتصال گوشه نیز استفاده نمود .

جوشکاری و برشکاری با استفاده از اشعه لیزر از روشهای نوین جوشکاری بوده که در دههای اخیر مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر کیفیت ، سرعت و قابلیت کنترل آن به طور وسیعی در صنعت از آن استفاده می شود .به وسیله متمرکز کردن اشعه لیزر روی فلز یک حوضچه مذاب تشکیل شده و عملیات جوشکاری انجام می شود .

اصول کار و انواع لیزرهای مورد استفاده در جوشکاری : به طور عمده از دو نوع لیزر در جوشکاری و برشکاری استفاده می شود : لیزرهای جامد مثل Ruby و ND:YAG و لیزرهای گاز مثل لیزر CO2 .

مزایای جوشکاری لیزر : حوضچه مذاب می تواند داخل یک محیط شفاف ایجاد شود ( باعکس روشهای معمولی که همیشه حوضچه مذاب در سطح خارجی آنها ایجاد می شود ) .

- محدوده بسیار وسیعی از مواد را مانند آلیاژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غیر همجنس و ...

را میتوان به یکدیگر جوش داد .

- در این روش میتوان مکان های غیر قابل دسترسی را جوشکاری نمود .

- از آنجا که هیچ الکترودی برای این منظور استفاده نمی شود نیازی به جریانهای بالا برای جوشکاری نیست .

- اشعه لیزر نیاز به هیچگونه گاز محافظ یا محیط خلایی برای عملکرد ندارد .

- به خاطر تمرکز بالای اشعه منطقه HAZ بسیار باریکی در جوش تشکیل میشود جوشکاری لیزر نسبت به سایر روشهای جوشکاری تمیز تر است .

محدودیت ها و معایب جوشکاری لیزر : سیستم های جوشکاری لیزرنسبت به سایر دستگاههای سنتی جوشکاری بسیار گران هستند و در ضمن لیزرهایی مانند Ruby به خاطر پالسی بودن اکثر آنها از سرعت پیشروی کمی برخوردارند ( 25 تا 250 میلیمتر در دقیقه ) .

همچنین این نوع جوشکاری دررای محدودیت عمق نیز می باشد .

موارد استفاده اشعه لیزر : از اشعه لیزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشکاری استفاده می شود .

این نوع جوشکاری در اتصال قطعات بسیار کوچک الکترونیکی و در سایر میکرو اتصال ها کاربرد دارد .

از اشعه لیزر میتوان در جوش دادن آلیاژها و سوپر الیاژها با نقطه ذوب بالا و برای جوش دادن فلزات غیر همجنس استفاده نمود .

به طور کلی این روش جوشکاری برای استفاده های دقیق و حساس استفاده میشود .

از این روش میتوان در صنعت اتومبیل و مونتاژآن برای جوش دادن درزهای بلند استفاده نمود.

لیزیک لیزک یا لیزر اپیتلیال کرایومیلیوزیس (Laser Epithelial Keratomileusis) نوع تغییریافته عمل لیزر (PRK) است.

در عمل PRK لایه سطحی قرنیه که اپیتلیوم نام دارد بوسیله ابزار خاصی برداشته می شود و سپس با استفاده از لیزر اکسایمر سطح قرنیه تراش داده شده و با تغییر شکل آن عیب انکساری بیمار اصلاح می شود.

پس ازعمل PRK ، اپیتلیوم که حدود 50 میکرون ضخامت دارد ظرف مدت 3 تا 5 روز ترمیم شده و مجددا" سطح قرنیه را میپوشاند.

عمل لیزک گرچه بسیار شبیه به PRK میباشد، ولی از بعضی جهات با آن متفاوت است.

در این عمل پس از آنکه قرنیه با استفاده از قطرههای مخصوص بیحس شد، بر روی قسمت مرکزی قرنیه که با ابزار خاصی محصور شده است، چند قطره الکل چکانده شده و در مرحله بعد محلول الکل از سطح قرنیه شسته می شود.

بدین ترتیب الکل لایه سطحی قرنیه یا اپیتلیوم را شل نموده و جراح میتواند با استفاده از ابزار خاصی این لایه را جمع کند.

در این عمل نباید ایجاد و برداشتن لایه اپیتلیوم را با ایجاد لایه (Flap) در عمل لیزیک اشتباه کرد.

در عمل لیزیک لایهای با ضخامت تقریبی 130 تا 180 میکرون با استفاده از میکروکراتوم برداشته شده که علاوه بر اپیتلیوم شامل بخشی از بافت مرکزی قرنیه نیز می شود، اما در لیزیک این لایه تنها از اپیتلیوم تشکیل می شود.

پس از برداشتن اپیتلیوم، سطح قرنیه همانند عمل PRK با استفاده از لیزر اکسایمر تراش داده می شود.

پس از تکمیل این مرحله جراح با دقت اپیتلیوم را به جای خود برمیگرداند و مانند عمل PRK یک لنز تماسی نرم برای چند روز برای بیمار تجویز می شود.

در عمل لیزک، گاهی اوقات لایه اپیتلیوم قرنیه بیمار استحکام کافی ندارد، در نتیجه جراح نمیتواند آن را روی قرنیه برگرداند.

در این گونه موارد لایه اپیتلیوم بطور کامل برداشته می شود و بدین ترتیب عمل لیزک تبدیل به PRK میگردد.

لیزک از نظر کاربرد همانند عمل PRK است و برای نزدیکبینی و آستیگماتیسم خفیف بکار میرود.

بدین جهت پیشبینی میگردد که در آینده این عمل جایگزین PRK شود.

با توجه به این که لیزک در بیماران مبتلا به نزدیکبینی بالا قابل انجام نیست، این عمل جایگزین لیزیک نخواهد شد رفع بوی بد دهان به کمک لیزر بوی دهان بر اثر فعالیت باکتریهای بی‌هوازِی (anaerobic bacteria) که ترکیبات گوگرد‌دار تولید می‌کنند، ایجاد می‌گردد.این باکتریها بیشتر بر روی زبان و حلق زندگی می ‌کنند و کارشان کمک به هضم ترکیبات پروتئینی موجود در دهان است.لوزه ها یکی از مناطقی هستند که به دلیل حفرات سطحی ،پناهگاه های مناسبی برای باکتریها محسوب می شوند.

اخیرا استفاده از لیزر درمانی برای درمان بوی دهان مورد تحقیق دانشمندان قرار گرفته است.

این دانشمندان با تاباندن 15 دقیقه ای اشعه لیزر Co2 کریپتهای بیماران را حذف کرده اند.

بر اثر اشعه بافتهای کریپتها بخار شده ، با تشکیل بافت اسکار (scar tissue) و مسطح شدن ناحیه محل تجمع باکتریها به کلی حذف می گردد.جالب است که بدانید انجام این روش درمانی بدون بیهوشی و تنها با بیحسی موضعی انجام گرفته است و بیماران پس از 15 دقیقه درمان از مطب ترخیص شده اند.

انتشار این خبر عکس العمل های مختلفی را بر انگیخته است.

بعضی امکان درمان بوی دهان را با لیزر درمانی رد کرده اند .بعضی نیز برداشتن لوزه ها را باعث رفع بوی دهان نمی دانند.

عده ای نیز لیزر درمانی را به عنوان آخرین حربه معرفی کرده اند و مبتلایان را در مراحل اولیه به رعایت بهداست دهان و مصرف زیاد آب توصیه کردند.

The Basics of an Atom There are only about 100 different kinds of atoms in the entire universe.

Everything we see is made up of these 100 atoms in an unlimited number of combinations.

How these atoms are arranged and bonded together determines whether the atoms make up a cup of water, a piece of metal, or the fizz that comes out of your soda can!

Atoms are constantly in motion.

They continuously vibrate, move and rotate.

Even the atoms that make up the chairs that we sit in are moving around.

Solids are actually in motion!

Atoms can be in different states of excitation.

In other words, they can have different energies.

If we apply a lot of energy to an atom, it can leave what is called the ground-state energy level and go to an excited level.

The level of excitation depends on the amount of energy that is applied to the atom via heat, light, or electricity.

Here is a classic interpretation of what the atom looks like: This simple atom consists of a nucleus (containing the protons and neutrons) and an electron cloud.

It’s helpful to think of the electrons in this cloud circling the nucleus in many different orbits.

Absorbing Energy Consider the illustration from the previous page.

Although more modern views of the atom do not depict discrete orbits for the electrons, it can be useful to think of these orbits as the different energy levels of the atom.

In other words, if we apply some heat to an atom, we might expect that some of the electrons in the lower-energy orbitals would transition to higher-energy orbitals farther away from the nucleus.

This is a highly simplified view of things, but it actually reflects the core idea of how atoms work in terms of lasers.

Once an electron moves to a higher-energy orbit, it eventually wants to return to the ground state.

When it does, it releases its energy as a photon -- a particle of Light.

You see atoms releasing energy as photons all the time.

For example, when the heating element in a Toaster turns bright red, the red color is caused by atoms, excited by heat, releasing red photons.

When you see a picture on a TV screen, what you are seeing is phosphor atoms, excited by high-speed electrons, emitting different colors of light.

Anything that produces light -- fluorescent lights gas lanterns -- does it through the action of electrons changing orbits and releasing photons The Laser/Atom Connection A laser is a device that controls the way that energized atoms release photons.

"Laser" is an acronym for light amplification by stimulated emission of radiation, which describes very succinctly how a laser works.

Although there are many types of lasers, all have certain essential features.

In a laser, the lasing medium is “pumped” to get the atoms into an excited state.

Typically, very intense flashes of light or electrical discharges pump the lasing medium and create a large collection of excited-state atoms (atoms with higher-energy electrons).

It is necessary to have a large collection of atoms in the excited state for the laser to work efficiently.

In general, the atoms are excited to a level that is two or three levels above the ground state.

This increases the degree of population inversion.

The population inversion is the number of atoms in the excited state versus the number in ground state.

Once the lasing medium is pumped, it contains a collection of atoms with some electrons sitting in excited levels.

The excited electrons have energies greater than the more relaxed electrons.

Just as the electron absorbed some amount of energy to reach this excited level, it can also release this energy.

As the figure below illustrates, the electron can simply relax, and in turn rid itself of some energy.

This emitted energy comes in the form of photons (light energy).

The photon emitted has a very specific wavelength (color) that depends on the state of the electron's energy when the photon is released.

Two identical atoms with electrons in identical states will release photons with identical wavelengths.

Laser Light Laser light is very different from normal light.

Laser light has the following properties: The light released is monochromatic.

It contains one specific wavelength of light (one specific color).

The wavelength of light is determined by the amount of energy released when the electron drops to a lower orbit.

The light released is coherent.

It is “organized” -- each photon moves in step with the others.

This means that all of the photons have wave fronts that launch in unison.

The light is very directional.

A laser light has a very tight beam and is very strong and concentrated.

A flashlight, on the other hand, releases light in many directions, and the light is very weak and diffuse.

To make these three properties occur takes something called stimulated emission.

This does not occur in your ordinary flashlight -- in a flashlight, all of the atoms release their photons randomly.

In stimulated emission, photon emission is organized.

The photon that any atom releases has a certain wavelength that is dependent on the energy difference between the excited state and the ground state.

If this photon (possessing a certain energy and phase) should encounter another atom that has an electron in the same excited state, stimulated emission can occur.

The first photon can stimulate or induce atomic emission such that the subsequent emitted photon (from the second atom) vibrates with the same frequency and direction as the incoming photon.

The other key to a laser is a pair of mirrors, one at each end of the lasing medium.

Photons, with a very specific wavelength and phase, reflect off the mirrors to travel back and forth through the lasing medium.

In the process, they stimulate other electrons to make the downward energy jump and can cause the emission of more photons of the same wavelength and phase.

A cascade effect occurs, and soon we have propagated many, many photons of the same wavelength and phase.

The mirror at one end of the laser is "half-silvered," meaning it reflects some light and lets some light through.

The light that makes it through is the laser light.

You can see all of these components in the figures on the following page, which illustrate how a Ruby Lasers A ruby laser consists of a flash tube a ruby rod and two mirrors (one half-silvered).

The ruby rod is the lasing medium and the flash tube pumps it.

1.

The laser in its non-lasing state 2.

The flash tube fires and injects light into the ruby rod.

The light excites atoms in the ruby 3.

Some of these atoms emit photons 4.

Some of these photons run in a direction parallel to the ruby's axis, so they bounce back and forth off the mirrors.

As they pass through the crystal, they stimulate emission in other atoms.

5.

Monochromatic, single-phase, columnated light leaves the ruby through the half-silvered mirror -- laser light!

There are many different types of lasers.

The laser medium can be a solid, gas, liquid or semiconductors.

Lasers are commonly designated by the type of lasing material employed: Solid-state lasers have lasing material distributed in a solid matrix (such as the ruby or neodymium:yttrium-aluminum garnet "Yag" lasers).

The neodymium-Yag laser emits infrared light at 1,064 nanometers (nm).

A nanometer is 1x10-9 meters.

Gas lasers (helium and helium-neon, HeNe, are the most common gas lasers) have a primary output of visible red light.

CO2 lasers emit energy in the far-infrared, and are used for cutting hard materials.

Excimer lasers (the name is derived from the terms excited and dimers) use reactive gases, such as chlorine and fluorine, mixed with inert gases such as argon, krypton or xenon.

When electrically stimulated, a pseudo molecule (dimer) is produced.

When lased, the dimer produces light in the ultraviolet range.

Dye lasers use complex organic dyes, such as rhodamine 6G, in liquid solution or suspension as lasing media.

They are tunable over a broad range of wavelengths.

Semiconductor lasers, sometimes called diode lasers, are not solid-state lasers.

These electronic devices are generally very small and use low power.

They may be built into larger arrays, such as the writing source in some laser printers or cd players .

An atom, in the simplest model, consists of a nucleus and orbiting electrons.

Absorption of energy: An atom absorbs energy in the form of heat, light, or electricity.

Electrons may move from a lower-energy orbit to a higher-energy orbit.