جوشکاری لیزری..اشنایی با لیزر وفرایندهای مرتبط با لیزر

[spow 44,195]

روابط الکتريکـی :

 

روابط الکتريکی منطقه جوش توسط نوع فلاکس و روش جوشکاری تعيين می شود.. بررسی های نوسان نگاری، اسپکتوگرافيک و راديو گرافيک, قوس طبيعی را در هنگام جوشکاری زير پودری نشان مــی دهند. برای محاسبه روابط الکتريکی ثبت ولتاژ در بررسی های نوسان نگاری مهمترين عامل است. شرايـط جوش:دانسيته جريان الکتريسته در سيم الکترود جوش زير پودری در مقايسه با مقدار آن در جوش الکترود دستی چندين برابر بزرگتر و نرخ ذوب و سرعت جوشکاری نيز بيشتر است. ارتباط بين ولتاژ معمول تجهيزات صنعتی و جريان نشان داده شده است. برای اين داده ها فرض شده که هر يک از تنظيمات جريان جوشکاری دامنه ای حدود 10 ولت دارد، که در اين محدوده جوش سالم در ولتاژهای بالاتر گرده جوش پهن تر و در ولتاژهای پايين تر گرده جوش باريکتر می دهند. در ولتاژ جوشکاری و مجموع و پتانسيل کاتد و آند با افزايش جريان جوشکاری افزايش می يابند. و در هر جريانی با کاهش ولتاژ و يا مجموع پتانسيل کاتد و آند مقدار پودر ذوب شده کاهش می يابد و به صفر نزديک می شود. خطی نبودن کاهش پتانسل کاتد و آند نشان دهنده وجود هدايت الکتروليتی است.حداکثر سرعت جوشکاری قابل استفاده برای جوشکاری بدون عيب و رفتار پايدار, با جريان جوشکاری تغيير می کند. هنگامی Undercut رخ می دهد که جوشکاری در سمت راست خط مورب انجام شود.مثلا" جوش تک پاس را در ورق های به ضخامت 1 اينچ را می توان با 1500 آمپر و با سرعت 10 اينچ در دقيقه جوش داد. فاصله نازل : فاصله بين سطح فلز پايه و نوک لوله تماس (نازل) در گرمای وارده به جوش و لذا نرخ ذوب تاثير می گذارد. زيرا نرخ ذوب الکترود جوش مجموع ذوب شدن براثر گرمای قوس و ذوب شدن براثر گرمای مقاومت الکتريکی (I2R) در طول الکترودی که از نازل خارج شده است می باشد. بسته به طرح اتصال و طول قوس, انتهای الکترود ممکن است بالاتر, هم سطح يا زير سطح بالايی فلز پايه باشد.

[spow 44,195]

نرخ ذوب ناشی از گرمای مقاومتی i2r در الکترود تابع نمايی از طول الکترود بين نازل و قطعه کار، جريان و قطر الکترود می باشد. افزايش مقدار ذوب بر اثر گرمای مقاومتی به شدت جريان و طول الکترود خارج از نازل وابسته است, که هر دو تابعی از قطر الکترود می باشند. نفـــوذ: نفوذ, عمق تشکيل رسوب جوش درشيار يا سطح فلز پايه است که معمولا" فاصله زيرسطح اصلی است، که فلز آن ذوب شده است. ولتاژ کم اهميت ترين و جريان جوشکاری مهمترين عامل در محاسبه نفوذ و سرعت جوشکاری است. تاثير متقابل ولتاژ, جريان و سرعت حرکت جوش بر مقدار نفوذ که از چندين آزمايش زير پودری بدست آمده اند. برای ساير فرايندهای جوش قوس، gmaw وsmaw نيز رابطه خطی مشابهی بدست آمده است. شيب اين خط مورب در فرايندهای مختلف متفاوت است و بيشترين مقدار آن مربوط به فرايندهايی است که از گازهای محافظ هليم يا co2 استفاده می کنند. ظرفيت حرارتی فلز جوش مذاب برای محاسبات گرمای ورودی و سرعت سردشدن دارای اهميت هستند و با مقطع عرضی گرده جوش که نشان دهنده مقدار فلزی است که برای ذوب شدن گرم می شود، متناسب است. بازده توليد برای هر روش جوشکاری به اندازه گيری اين ناحيه مربوط می شود. ارتفاع گرده جوش با افزايش جريان جوشکاری و کاهش سرعت حرکت جوشکاری افزايش می يابد و تاثير ولتاژ برگرده جوش ناچيز است. رقــت: نسبت فلز پايه به رسوب فلز جوش عامل مهم در کنترل خواص مکانيکی فلز جوش است. رقت فلز جوش از فلز پايه را می توان از روی نسبت حجم گرده (سطح مقطع عرضی درطول گرده) بر فلز پايه حساب کرد.رقت فلز جوش از فلز پايه با افزايش نسبت جريان به سرعت جوشکاری افزايش می يابد. با افزايش ولتاژ نرخ ذوب الکترود اندکی کمتر شده و لذا باعث افزايش رقت می شود. بازيسيته پــودر جــوش : انديس بازی پودر جوش (bi) معيار ديگری برای طبقه بندی پودرهای جوش است که مقدار اسيدی بودن روش توليد فلاکس را و همچنين فعال ، خنثی يا آلياژی بودن فلاکس را مشخص می کند. انديس بازی نسبت مجموع اکسيدهای فلزی با پيوند سخت به مجموع اکسيدهای فلزی با پيوند سست است . انديس بازی برآوردی از مقدار اکسيژن فلز جوش است و لذا می تواند برای بيان خواص فلز جوش بکار رود. پودرهای جوش با بازيسيته بيشتر تمايل به داشتن اکسيژن کمتر و استحکام بالاتر در فلز جوش دارند. در حالی که پودرهای جوش اسيدی, جوشی با اکسيژن بيشتر ، ريز ساختار درشت تر و با مقاومت کمتر در مقابل تورق توليد می کنند.پودرهای جوشی با انديس بازی بيشتر از 5/1 پودر جوش بازی و با انديس بازی کمتر از يک ، پودر جوش اسيدی شناخته می شوند. پودرهای جوش اسيدی معمولا برای جوش های تک پاس مناسبند و رفتار جوش مناسب و در گرده جوش خاصيت ترکنندگی خوب دارند.علاوه برآن پودرهای جوش اسيدی در مقايسه با پودرهای جوش بازی مقاومت بيشتری در برابر ايجاد تخلخل ناشی از آلودگی های چون روغن ، زنگ و پوسته های نوردي در ورق دارند.پودرهای جوش بازی در مقايسه با پودرهای جوش اسيدی مقاومت به ضربه بهتری نشان می دهند. اين مزيت در جوش چند پاس به وضوح مشهود است. پودرهای جوش با بازيسيته زياد در جوش های بزرگ با چند پاس خواص ضربه خيلی خوب ودر جوش تک پاس خواص ضعيفتری را در مقايسه با پودرهای جوش اسيدی نشان می دهند.لذا مصرف پودرهای جوش بازی بايد به جوش های بزرگ چند پاس که در آن استحکام ضربه خوب برای فلز جوش نياز باشد محدود شود.

[spow 44,195]

منابع عيوب در جوش زير پودری:

 

جوش زيرپودری فرايندی با گرمای ورودی بالاست و در زير لايه محافظ فلاکس انجام می شود ولذا امکان بروز عيوب جوش در اين روش بسيار کمتر از ساير روش هاست . عيوبی که بعضا" در جوش زيرپودری رخ می دهند عبارتند از: ذوب ناقص ، سرباره باقيمانده درون جوش ترک انقباضی ترک هيدروژنی و تخلخل. ذوب ناقص و سرباره باقيمانده درون جوش اغلب ناشی از قرار گرفتن صحيح گرده جوش برروی درز جوش و يا از فرايند ناشی می شود. انحراف گرده جوش از محل خود باعث ايجاد چرخش و تلاطم فلز مذاب و اکسيژن تکه هايی از سرباره به درون فلز جوش شود. و اگر هم که گرده جوش دور از لب های اتصال باشند باعث عدم نفوذ کافی جوش به فلز پايه شود. گرده جوش تاجی شکل که براثر پايين بودن ولتاژ ايجاد می شود نيز احتمال بروز نفوذ ناقص و محبوس شدن سرباره را بخاطر مختل شدن حرکت يکنواخت مذاب تشديد می کند. ترک انقباضی :ترک انقباضی در وسط طول گرده جوش زير پودری هنگامی رخ می دهد که شکل گرده جوش و يا طرح اتصال مناسب نباشد و يا مواد جوش غلط انتخاب شده باشند.متمايل به ترک انقباضی در جوش با گرده جوش محدب و به شکل گرده ماهی هنگامی که نسبت پهنا به ارتفاع آن بيشتر از يک باشد کمتر است. هنگامی که عمق نفوذ جوش زياد باشد تنش های انقباضی باعث ترک طولی در وسط جوش می شود و خطر اين ترک می تواند براثر طرح اتصال نامناسب تشديد شود. مواد مستحکم تر بدليل تنش بيشتر در جوش تمايل بيشتری به ايجاد ترک دارند. لذا هنگام استفاده از اين مواد بايد در انتخاب مواد جوش, آماده سازی طرح اتصال, دمای پيش گرمايش و دمای بين پاس ها کاملا دقت شود. ترک هيدروژنی ::ترک هيدروژنی يک فرايند کند است و برخلاف ترک انقباضی که بلافاصله پس از جوش ظاهر می شود ايجاد آن تا روزها پس از جوش نيز می تواند ادامه يابد. برای کاهش خطر ترک هيدروژنی بايد همه منابع هيدروژن مانند آب ، روغن و آلودگی های موجود در فلاکس الکترود و سطوح اتصال حذف شوند و ورق فلاکس و الکترود کاملا" تميز و خشک باشند.فلاکس و الکترود را بايد در محل های خشک و مقاوم به رطوبت نگهداری کرد و چنانچه در معرض رطوبت قرار گرفت بايد طبق دستور سازنده مجددا" خشک شوند.انتخاب مواد جوش مناسب برای فولادهای پراستحکام مقاومت جوش را در برابر ترک هيدروژنی افزايش می دهد. مواد جوش ويژه مقاوم در برابر ترک هيدروژنی ساخته می شوند که قابليت نفوذ هيدروژن در جوش را کاهش می دهند. پيش گـــرمايش قطعه کار خطر ترک هيدروژنی را باز هم کاهش می دهد. قطعات ضخيم گرمای پيش گرم را تا ساعت ها پس از جوشکاری در قطعه نگه می دارند. لذا خطر ترک هيدروژنی در اين قطعات کمتر است. دمای پيش گرم مناسب بيشتر از oC100 است زيرا در اين دما هيدروژن درون فولاد کاملا متحرک است و به خروج بيشترين مقدار هيدروژن از فولاد کمک می کند. تخلخل: درجوش زير پودری سرباره حفاظت خوبی از مذاب انجام می دهد و لذا تخلخل ناشی از ورود گاز به مذاب در جــوش. زير پودری معمول نيست. در جوش زيرپودری منشاء تخلخل ممکن است از درون مــذاب و يا فشردگی هايی در سطح گرده جوش باشد. برای کاهش تخلخل در جوش زير پودری بايد پوشش فلاکس کافی باشد و ورق، الکترود و فـــلاکس از همه آلودگی ها از جمله رطوبت روغن و غيره پاک باشند. در سرعت های بيش از حد جوش کاری نيز حباب های گاز فرصت خارج شدن از مذاب را پيدا نمی کنند که در صورت وجود حباب ها درست در زير سرباره برای کنترل آن بايد سرعت پيشروی جوشکاری را اندکی کاهش داد.

[spow 44,195]

جوشكاری با اشعه ليزر

 

ليزر يك نام اختصاري به معني تقويت نور با انتشار برانگيخته تابش است . فرآيند به برخورد يك اشعه نور تكرنگ همفاز جهت دار و شديد به قطعه كاري كه ماده به وسيله تبخير از آن خارج ميشود بستگي دارد .

جوشكاري و برشكاري با استفاده از اشعه ليزر از روشهاي نوين جوشكاري بوده كه در دههاي اخير مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر كيفيت ، سرعت و قابليت كنترل آن به طور وسيعي در صنعت از آن استفاده مي شود .به وسيله متمركز كردن اشعه ليزر روي فلز يك حوضچه مذاب تشكيل شده و عمليات جوشكاري انجام مي شود .

اصول كار و انواع ليزرهاي مورد استفاده در جوشكاري :

به طور عمده از دو نوع ليزر در جوشكاري و برشكاري استفاده مي شود : ليزرهاي جامد مثل Ruby و ND:YAG و ليزرهاي گاز مثل ليزر CO2 . در زير اصول كار ليزر Ruby كه از آن بيشتر در جوشكاري استفاده مي شود توضيح داده مي شود . اين سيستم ليزر از يك كريستال استوانه اي شكل Ruby (Ruby يك نوع اكسيد آلومينيوم است كه ذرات كرم در آن پخش شده اند . ) تشكيل شده است . دو سر آن كاملا صيقلي و آينه اي شده و در يك سر آن يك سوراخ ريز براي خروج اشعه ليزر وجود دارد . در اطراف اين كريستال لامپ گزنون قرار دارد كه لامپ فوق براي كار در سرعت حدود 1000 فلاش در ثانيه طراحي شده است . لامپ گزنون با استفاده از يك خازن كه حدود 1000 بار در ثانيه شارژ و تخليه شده فلاش مي زند و هنگامي كه كريستال Ruby تحت تاثير اين فلاش ها قرار بگيرد اتمهاي كرم داخل شبكه كريستالي تحريك شده و در اثر اين تحريك امواج نور از خود سطع مي كنند و با باز تابش اين اشعه ها در سطوح صيقلي و تقويت آنها اشعه ليزر شكل مي گيرد . اشعه ليزر شكل گرفته از سوراخ ريز خارج شده و سپس به وسيله يك عدسي بر روي قطعه كار متمركز شده كه بر اثر برخورد انرژي بسيار زيادي در سطح كوچكي آزاد مي كند كه باعث ذوب و بخار شدن قطعه و انجام عمل ذوب مي شود .

[spow 44,195]

محدوديت ليزر Ruby پيوسته نبودن اشعه آن است در حاليكه انرژي خروجي ان بيشتر از ليزر هاي گاز مانند ليزر CO2 است كه در آنها اشعه حاصله پيوسته است، از ليزر CO2 بيشتر به منظور برش استفاده مي شود و از ليزر ND:YAG بيشتر براي جوشكاري آلومينيوم استفاده ميشود .

از انجا كه در اين روش مقدار اعظمي از انرژي مصرف شده به گرما تبديل مي شود اين سيستم بايد به يك سيستم خنك كننده مجهز باشد .

در جوشكاري ليزر دو روش عمده براي جوشكاري وجود دارد : يكي حركت دادن سريع قطعه زير اشعه است تا كه يك جوش پيوسته شكل بگيرد و ديگري كه مرسوم تر است جوش دادن باچند سري پرتاب اشعه است .

در جوشكاري ليزر تمامي عمليات ذوب و انجماد در چند ميكروثانيه انجام مي گيرد و به خاطر كوتاه بودن اين زمان هيچ واكنشي بين فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از اين رو گاز محافظ لازم ندارد .

طراحي اتصال در جوشكاري ليزر : بهترين طرح اتصال براي اين نوع جوشكاري طرح اتصال لب به لب مي باشد و با توجه به محدوديت ضخامت در آن مي توان ازطرح اتصال هاي T يا اتصال گوشه نيز استفاده نمود .

مزاياي جوشكاري ليزر :

- حوضچه مذاب مي تواند داخل يك محيط شفاف ايجاد شود ( باعكس روشهاي معمولي كه هميشه حوضچه مذاب در سطح خارجي آنها ايجاد مي شود ) .

- محدوده بسيار وسيعي از مواد را مانند آلياژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غير همجنس و ... را ميتوان به يكديگر جوش داد .

- در اين روش ميتوان مكان هاي غير قابل دسترسي را جوشكاري نمود .

- از آنجا كه هيچ الكترودي براي اين منظور استفاده نمي شود نيازي به جريانهاي بالا براي جوشكاري نيست .

- اشعه ليزر نياز به هيچگونه گاز محافظ يا محيط خلايي براي عملكرد ندارد .

- به خاطر تمركز بالاي اشعه منطقه HAZ بسيار باريكي در جوش تشكيل ميشود .

- جوشكاري ليزر نسبت به ساير روشهاي جوشكاري تميز تر است .

محدوديت ها و معايب جوشكاري ليزر :

سيستم هاي جوشكاري ليزرنسبت به ساير دستگاههاي سنتي جوشكاري بسيار گران هستند و در ضمن ليزرهايي مانند Ruby به خاطر پالسي بودن اكثر آنها از سرعت پيشروي كمي برخوردارند ( 25 تا 250 ميليمتر در دقيقه ) . همچنين اين نوع جوشكاري درراي محدوديت عمق نيز مي باشد .

[spow 44,195]

موارد استفاده اشعه ليزر :

 

از اشعه ليزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشكاري استفاده مي شود . اين نوع جوشكاري در اتصال قطعات بسيار كوچك الكترونيكي و در ساير ميكرو اتصال ها كاربرد دارد . از اشعه ليزر ميتوان در جوش دادن آلياژها و سوپر الياژها با نقطه ذوب بالا و براي جوش دادن فلزات غير همجنس استفاده نمود . به طور كلي اين روش جوشكاري براي استفاده هاي دقيق و حساس استفاده ميشود . از اين روش ميتوان در صنعت اتومبيل و مونتاژآن براي جوش دادن درزهاي بلند استفاده نمود.

جوشكاري ليزر ساخت مدلها را سرعت ميدهد

ليزر هايَ StarWeld شركت Rofin Baasel جايگاه ويژه اي در امور تحقيقاتي پيدا كرده است . يك آزمايشگاه تحقيقاتي اغلب نيازمند آنست كه محصولات جديد را نمونه سازي كند تا زمان به بازار رسيدن محصول را كاهش دهد . سيستم هاي ليزر StarWeld با قابليت جوشكاري انواع فلزات شامل مس ، فولادهاي ابزار و تيتانيوم واكنون قابليت ايجاد درز جوش و نقطه جوش قطعات حتي در زير ميكروسكوپ را دارند . جوشها مي توانند از حدود 2.5 mm تا 60 ميكرون ايجاد شوند . سيستم اصلي با ولتاژ استاندارد 240 ولت و 13 آمپر تغذيه مي شود . اكثر افراد ميتوانند در عرض 5 دقيقه يك جوش نسبتا خوب را با اين سيستم انجام دهند .

[spow 44,195]

كاربرد ليزر در صنعت چيست؟

 

ماشين‌كاري با ليزر كه از گاز اكسيژن مي‌توان براي افزايش بازده ماشين‌كاري بهره برد. مثلاً سوراخ‌كاري با ليزر، به علت اينكه برخورد فيزيكي بين ابزار ليزر و قطعه وجود ندارد بنابراين شكست و سايش سرمته حذف مي‌شود.

برشكاري: براي برش فولاد از ليزري با توان 1 تا kw200 استفاده مي‌شود. همان‌طور كه گفته شد جت اكسيژن مي‌تواند به عمل برش كمك بسزايي كند.

كنده‌كاري : مواد ترد مثل سيليسيم، شيشه و سراميك را با كنده‌كاري با ليزر مي‌توان براده‌برداري و شكل‌دهي كرد. شكست كنترل شده : انرژي ليزر را مي‌توان براي شكستن اجزاء دقيق مثل مدارها و يا اجزاء الكترونيك، به صورت كنترل شده بكار برد.

برش اجزاء الكترونيك: بالانس ديناميكي اجزاء مدار: با برشكاري ليزر بالانس بسيار دقيق قابل انجام است. در اين كار براده‌برداري با سرعت چند ميلي‌گرم در هر پالس با سوراخ‌كاري عميق انجام مي‌شود.

جوشكاري : در صنايع اتومبيل سازي براي جوشكاري درب‌ها و سقف اتومبيل به ندرت استفاده مي‌شود.

[spow 44,195]

ليزر

 

مقدمه

بدون شك ليزر يكي از برجسته‌ترين ابزار علمي و فني قرن بيستم بشمار مي‌آيد .

پيشرفت سريع تكنولوژي ليزر از سال 1960 ميلادي ، هنگامي كه اولين ليزر با موفقيت تهيه شد ، شروع گرديد . ليزر امروزه در زمينه‌هاي گوناگون از قبيل بيولوژي ، پزشكي ، مدارهاي كامپيوتر ، ارتباطات ، سيستم‌هاي اداري ، صنعت ، اندازه‌گيري در زمينه‌هاي مختلف و … بكار برده مي‌شود . ليزر يك منبع نور خاص است و بطور كلي با نور لامپهاي معمولي ، چراغ برق ، نور فلورسانت و غيره تفاوت فاحش دارد و در مقايسه با ساير منابع نور : در رده‌اي با مشخصات فوق‌العاده نوري قرار دارد . اين مطلب با عنوان اينكه نور ليزر از همدوستي (coherence) فوق‌العاده برخوردار است ، بيان مي‌شود .

ليزر را مي‌توان در مقايسه با ساير مولد‌هاي نوري كه فقط نور را منتشر مي‌كنند ، يك فرستنده نوري پنداشت . تا قبل از ظهور ليزر محدوده فركانس امواج راديوئي و محدوده نوري از نقطه‌ نظر همدوستي با يكديگر اختلاف داشتند . در فيزيك راديوئي بطور گسترده‌اي امواج همدوس مورد استفاده قرار مي‌گيرند و اين در حالي است كه امواج نوري (اپتيكي) غير همدوس نيز در اختيار است . در گذشته كتب درسي تنها مكاني بود كه امواج ليزري مورد بحث قرار مي‌گرفت . اين امواج هنگامي واقعيت پيدا كردند كه ليزر اختراع گرديد .

دانش مربوط به ليزر در حقيقت علم تابش نور همدوس (coherence radiation) است گرچه اين رشته از دانش فيزيك در حدود 20سال است ظهور نمود و در حال تكامل است . معذالك نمودهاي نوظهور آن در معرض كاربردهاي جالب قرار گرفته‌اند .

آنچه در اين تحقيق مورد بحث قرار مي‌گيرد كاربردهاي ليزر و ليزر به عنوان سلاح مخرب و نحوه مقابله با سلاحهاي ليزري و قوانين بين‌الملل در مورد اين تكنولوژي برتر مي‌باشد .

 

[spow 44,195]

بسوی ليزر

 

Light amptificationaly stimnlatcd emission of radiation

 

فكر ساختن وسيله‌اي كه نور همدوس توليد كند ، مدتها دانشمندان قرن حاضر را به خود مشغول داشته بود . در سال 1985 فيزيكدان مشهور آمريكايي چالز تاونز راه اين كار را پيدا كرد . دو سال بعد دانشمند ديگر آمريكايي ، تئودور مايمن به نظريه تاونز جامه عمل پوشاند و اولين ليزر را با بلوري از ياقوت مصنوعي ساخت اين دو بعداً به دريافت جايزه نوبل نايل آمدند . يك ليزر ياقوتي ساده از سه بخش تشكيل مي‌شود : استوانه‌اي از ياقوت مصنوعي ، يك چشمه نور ـ مثلاً يك لامپ گزنون كه مانند لامپ نئون كار مي‌كند . ( گزنون و زنون هر دو از گازهاي بي‌اثرند يعني اتمهايشان با اتمهاي ديگر مولكول نمي‌سازد . ) ـ و يك بازتابنده كه نور را از لامپ گزنون به ياقوت هدايت مي‌كند

استوانه ياقوتي ، بخش اصلي دستگاه است . قطر آن در حدود 7 ميليمتر و طولش 3.5 تا 5 cm است . دو قاعده استوانه صيقل خورده و نقره اندود شده است تا آينه كاملي باشد . قاعده ديگر نيز نقره اندود است ولي نه كاملاً به طوري كه مي‌تواند قسمتي از نور را از خود عبور دهد .

ياقوت بلور اكسيد آلومينيوم است كه در آن تعداد نسبتاً كمي اتم كروم معلق است . اتمهاي كروم از طريق گسيل القايي ، كوانتوم نور توليد مي‌كنند ، اتمهاي اكسيژن و آلومينيم كه بقيه بلور را تشكيل مي‌دهند فقط اتمهاي كروم را در جايشان نگه مي‌دارند. اتمهاي كروم نسبتاً بزرگ است و تعداد زيادي الكترون در مدارهايشان دارد . در اين جا فقط الكتروني مورد توجه ماست كه بيش از ديگران برانگيخته مي‌شود .

لازم به ذكر است واژه ليزر از حروف اول (( تقويت نور بوسيله گسيل برانگيخته تابش )) در زبان انگليسي گرفته شده كه آن را مي‌توان توسعه “maser” تقويت ميكروويو بوسيله گسيل برانگيخته تابش در محدوده فوتوني طيف امواج الكترومغناطيسي دانست .

در سال 1917 اينشتين براي اولين بار وجود دو فرايند براي گسيل تابش را بصورت زير پيشگويي كرد .

1 . گسيل خودبخود spantaneous

2 . گسيل برانگيخته stimulated

دانشمنداني همانند townes و schawlow در امريكا و basov و prochror از روسيه قديم امكان استفاده از روش دوم (گسيل برانگيخته) را براي يك طراحي نور همدوس كشف كردند . در سال 1958 ميلادي مي‌من ( muiman ) اولين ليزر ياقوت سرخ ruby را به نمايش گذاشت . در سال 1960 ميلادي علي ج.ان در امريكا اولين ليزر گازي He_Ne را ساخت و از آن به بعد ليزرهاي گوناگون بمانند گازي ، مايعات ، مواد شيميايي ، جامدات و تهيه رساناها با قابليت‌هاي متفاوت و ويژگيهاي گوناگون براي كاربردهاي مختلف ساخته و بكار گرفته شد .

[spow 44,195]

اجزای اصلی در يك ليزر :

 

محيط فعال (active medium) : محيط فعال مجموعه‌اي از اتم‌ها و مولكول‌ها ، با يونها در حالت جامد ، مايع يا گازي است كه همانند تقويت‌كننده عمل مي‌كند .

منبع تحريك :وسيله‌اي براي ايجاد شرايط لازم جهت گسيل ليزري كه اين شرايط اساسي را وارونگي جمعيت (inrerted population) مي‌نامند و ممكن است منبع تحريك نوراني و يا الكتريكي و … باشد . مثلاً در ياقوت قرمز اين منبع از يك لامپ فلاش و در ليزر He - Ne پتانسيل الكتريكي در حدود چند هزار ولت است . اگر در محيط فعال چگونگي تقويت يا تضعيف را بررسي كنيم خواهيم ديد كه شدت تحريك I با وارونگي جمعيت وابستگي كمي دارند .

[spow 44,195]

اصول كار ليزر

 

محيط فعال و عناصر ديگر در داخل مشدد نوري قرار دارند . مشدد محور نور در ليزر را تعيين و نور ساطع شده در امتداد محور تابش مي‌كند . بايد توجه داشت كه يك ليزر مي‌تواند نور را در يك يا دو امتداد مخالف در امتداد محور نوري ساطع كند . ماشه تحريك يك ليزر بوسيله سيستم پمپاز شروع بكار مي‌نمايد . كار اين سيستم تحريكي عناصر فعال است كه در اثر آن جمعيت وارونه (inrerted population) سطوح تابش‌كننده ايجاد مي‌گردد . مشدد نور (همراه با عناصر) اضافي عمل گزينش را بر روي حالات فوتوني تدارك مي‌بينند . در نتيجه ، يك تابش فوق‌العاده همدوس موسوم به تابش ليزر در امتداد محور حاصل مي‌شود .

محيط‌هاي فعال و روش‌هاي تحريك :

مواد فعال زير در ليزرها بكار برده مي‌شوند :

گازها و يا مخلوطي از گازها (ليزرهاي گازي)

بلورها و شيشه‌هاي ممزوج با يونهاي مخصوص (ليزرهاي جامد)

مايعات (ليزرهاي مايع)

نيمه‌هادي‌ها (ليزرهاي نيمه‌هادي)

كاربردهاي ليزر :

در نظر اول فهم اين نكته مشكل است كه چرا با نور ليزر مي‌توان يك تيغه را سوراخ كرد ولي با نور معمولي ، مثلاً نور يك لامپ الكتريكي ـ هر قدر هم قوي باشد اين كار ميسر نيست . اين سئوال سه جواب دارد :

اولاً نور لامپ ناهمدوس است يعني فوتونهاي لامپ همفاز نيستند و با مختصري اختلاف زماني به هدف مي‌رسند ، در حالي كه فوتونهاي تابه ليزري ، همه دقيقاً با هم حركت مي‌كنند و درست در يك نقطه به هدف مي‌رسند . دليل دوم اين كه نور از چشمه‌هاي ديگر كوبنده‌تر است ، اين است كه تابه نور معمولي فقط از يك طول موج معين تشكيل شده است بلكه شامل طيف نسبتاً وسيعي از طول موج‌هاست . اين مطلب ، دليل سوم را نيز در بر مي‌گيرد : نور معمولي بر خلاف نور ليزر به شكل تابه‌اي باريك و موازي توليد نمي‌شود ، بلكه راستاهاي مختلف را اختيار مي‌كند .

نور ليزر براي روشنايي :

ليزرهاي حالت جامد و ليزرهاي تزريقي درخشهاي كوتاه بسيار روشني توليد مي‌كند كه براي عكسبرداري بسيار سريع ، ايده‌آل است . ما در عصري هستيم كه سالانه ميليونها پوند صرف ساختن هوانوردهاي سريع ـ اعم از موشك‌هاي بالستيكي ، قاره‌پيما يا هواپيما مي‌شود . بايد دانست كه سرعتهاي زياد چه بر سر اجسام متحرك مي‌آيد و يكي از بهترين راههاي اين كار عكسبرداري از جسم در حال حركت است . سرعت بعضي از پرتابه‌ها بقدري زياد است كه اغلب چندين كيلومتر در ثانيه كه حتي عكسي كه به كمك سريعترين فلاشهاي متداول از آنها گرفته مي‌شود ، چيزي جز تصويري محو نيست . از آنجايي كه حتي سريعترين پرتابه‌ها هم در اين مدت فاصله بسيار كمي را خواهند پيمود ، عكسي كه با درخشش ليزري از اجسام تيز پرواز گرفته مي‌شود ، واضح و دقيق خواهد بود . ارتش آمريكا سرگرم آزمايش با تلويزيون ليزري براي استفاده در گشتهاي شبانه مخفي با هواپيماست و طراحان نظامي درصدد ساختن كلاهك بمب‌هايي هستند كه هدف را با استفاده از پرتو ليزري نامرئي مادون قرمز پيدا كنند .

[spow 44,195]

استفاده از ليزر در فاصله‌يابی :

 

يافتن فاصله هدف مورد نظر از مشكلات دائمي توپچيها و ضدهوايي‌ها بوده است . فاصله‌ياب ليزري ، اساساً از يك ليزر ، يك منبع توان ، يك سلول فتوالكتريك و يك كامپيوتر رقمي كوچك تشكيل مي‌شود . پرتويي كه ليزر مي‌فرستد ، پس از برخورد به هدف بازتابيده مي‌شود و وارد سلول فتوالكتريك مي‌گردد . از روي زمان رفت‌وبرگشت فاصله هدف ، توسط كامپيوتر محاسبه و بر حسب هر واحدي كه بخواهد ثبت مي‌شود .

نوعي فاصله‌ياب ليزري كه براي ناتو ساخته شده ، به اندازه يك تفنگ نسبتاً بزرگي است كه منبع توان و كامپيوتر آن را مي‌توان در بسته‌اي روي پشت حمل كرد . فاصله‌يابهاي ليزري تا مسافت 11 km را با دقتي حدود 5/4 متر تعيين كرده‌اند

[spow 44,195]

استفاده از ليزر در هوانوردی و دريانوردی :

 

يكي از بديعيترين وسايل ليزري ، ژيروسكوپ ليزري است . ژيروسكوپ معمولي اساساً چرخ دواري است كه بسرعت مي‌چرخد . به دليل اين چرخش ، محور چرخ همواره در يك صفحه باقي مي‌ماند . محور ژيروسكوپ چرخنده هميشه در يك راستا باقي مي‌ماند و تغيير مسير كشتي تأثيري بر آن ندارد . اين محور ، كار يك ((خط مبنا)) را انجام مي‌دهد كه تغييرات جهت كشتي را از روي آن مي‌توان تشخيص داد . سفينه‌هاي فضايي كه غالباً بي‌سرنشينند تنها به كمك ژيروسكوپ مسير خود را حفظ مي‌كنند . اين ژيروسكوپ متشكل است از يك ليزر گازي مثلاً ليزر هليوم ، نئون كه از هر دو انتهايش نور همدوس خارج مي‌شود . با نصب اين ژيروسكوپ به سفينه فضايي ، انحراف سفينه از مسير ، قابل تشخيص است .

 

استفاده از ليزر در پزشكی :

ليزر بعنوان يك منبع قوي انرژي ، در پزشكي نيز بكار گرفته شده است بخصوصدر امريكا كه زادگاه ليزر بود و هنوز هم موطن آن است . به عقيده برخي جراحان ، ليزر براي بريدن اعضايي كه رگهاي خوني بسيار پيچيده دارد ـ مانند مغز ـ فوق‌العاده مناسب است. تابه ليزر در حين قطع‌كردن رگهاي خوني ، با سوزاندن، دهانه آنها را مي‌بندند . برخي از چشم‌پزشكان ليزر را براي جوش‌دادن جداشدگي شبكيه چشم ، مفيد يافته‌اند .

[spow 44,195]

كاربرد ليزر در نوسازی صنعت :

 

گسترش تكنولوژي ليزر در دهه گذشته در تمامي شاخه‌هاي زندگي رشد فزاينده‌اي داشته است به گونه‌اي كه امروزه ليزر جزء لاينفك زندگي انسان محسوب مي‌شود يكي از شاخه‌هائي كه ليزر از ابتداي اختراع آن بيش از ديگر زمينه‌هاي كاربردي مورد توجه محققين و متخصصين قرار گرفت ، كاربرد صنعتي ليزر بوده است .

برش‌كاري توسط ليزر از همان روزهاي آغازين تولد ليزر مورد توجه بسياري از علاقه‌مندان و صنعتگران كه به آينده درخشان كار خود اميد داشتند قرار داشت . پرتو ليزر با توجه به ويژگيهاي منحصر خود كه شامل تك‌رنگي ، همدوسي ، شدت بالا و واگرائي كم است نشان داد كه با بكارگيري آن مي‌توان نه تنها به گسترش حوزه صنعت بلكه به تحول كيفي محصولات آن اميد فراواني پيدا نمود . بدنبال ساخت اولين ليزر گازكربنيك در سال 1964 اين امكان فراهم‌شد كه بتوان با حداقل امكانات ليزرهاي پرقدرتي در ناحيه حرارتي مادون قرمز ، همان منطقه‌اي كه موردنياز صنعت است تهيه و به بازار عرضه نمود . اينك وسيله‌اي پا به عرصه وجود گذاشته بود كه امكان فراهم‌نمودن يك منبع حرارتي قابل كنترل و در عين حال بسيار باريك به راحتي در دسترس كاربران قرار مي‌گرفت . با يك نگاه گذرا اما عميق به نقش ليزر در صنعت مي‌توان به اين نكته واقف شد كه ليزر تحولي بي‌سابقه در اين عرصه ايجاد كرده است كه دامنه رشد آن هر روزه گسترش مي‌يابد . امروزه اگر شاهد محصولاتي باشيم كه به جهت كيفي و مرغوبيت در كمترين زمان به بازار عرضه مي‌شوند ، متوجه نقش و اهميت ليزر در صنعت خواهيم بود .

اثربخشي ليزر در تمامي زيرشاخه‌هاي صنعت امري محسوس و غيرقابل انكار است . براي مثال برش‌كاري، سخت‌كاري ، سوراخكاري ، علامت‌زني ، بيشترين كاربردها را در خانواده صنعت عهدا‌دار بوده است . آمارها نشان مي‌دهد بيش از 85% فعاليت‌هاي صنعتي در همين موارد خلاصه مي‌شود .

امروزه بكارگيري ليزر در شاخه‌هاي مورد اشاره بالا امري طبيعي ، روتين و با يك سابقه 20 ساله مملو از تحقيقات و تجربيات فراوان است .

در خصوص برشكاري اين امكان فراهم مي‌شود كه پرتوي ليزر توسط يك عدسي بر روي قطعه كار متمركز شده بطوريكه در زماني نزريك به يك‌هزارم ثانيه درجه حرارتي بيش از 4000 درجه سانتي‌گراد بر روي قطعه‌كار (فلز) ايجاد مي‌كند .

نتيجه اين عمل ذوب‌شدن لحظه‌اي فلز در يك باريكه‌اي به قطر 1/0 ميلي‌متر است . اينك با حركت‌دادن 2 آينه كه نقش هدايت پرتو ليزر بر روي عدسي مورد‌نظر را دارد اين امكان فرهم مي‌شود كه پرتو ليزر در جهت x و yحركت نموده و براحتي هر شكلي را كه مايل باشيم بر روي قطعه كار ايجاد نماييم . از ديگر مزاياي بكارگيري ليزر در برش‌كاري مي‌توان به : افزايش سرعت كار ، دقت بالا ، كمترين خسارت حرارتي به قطعه‌كار اشاره كرد . در زمينه جوشكاري نيز بكارگيري ليزر مزاياي قابل‌ملاحظه‌اي را در صنعت بدنبال داشته است .

[spow 44,195]

در نگاه اول جوشكاري با ليزر بنظر مي‌رسد كه قادر است براحتي و در كمترين زمان ممكن نه تنها فلزات را در ابعاد و اندازه‌هاي مختلف به يكديگر جوش دهد بلكه با اين تكنيك اين امكان فراهم شده است كه فلزات غيرهمنام نيز به يكديگر جوش داده شوند . ليزر در كنار يك cnc يك سيستم كامل ليزر جوش را ايجاد مي‌كند كه با كمك آن صنعت گران قادرند با سرعت زياد ، دقت بالا و حداقل هزينه مصرفي از قابليت‌هاي آن استفاده نمايند . يكي از شاخه‌هاي صنعت كه در دو دهه اخير مورد توجه و بسط فراوان قرار گرفته است پديده بهينه‌سازي و بكارگيري مواد با آلياژهاي مختلف با طول‌عمر بالاست . هر قطعه مكانيكي بعد از يك دوره مشخص بر اثر صدمات مختلف از رده خارج شده و بايد قطعه‌هاي نو جايگزين آن شود . قطعاتي مانند مته‌ها ، توربين‌ها ، تيغه اره‌ها و سيلندرها دچار بيشترين ساييدگي و پوسيدگي هستند لذا بيش از عناصر تشكيل‌دهنده مورد توجه قرار گرفته‌اند .

امروزه با كمك ليزر مي‌توان عمل سخت‌كاري بر روي لايه‌هاي سطحي فلزات انجام داد . به گونه‌اي كه طول‌عمر آنها به ميزان قابل‌توجه‌اي افزايش پيدا‌ كند . اين عمل نه تنها صرفه‌جويي فراواني را به‌همراه دارد بلكه در حداقل زمان ممكن صورت مي‌پذيرد . امروزه عمل سخت‌كاري با ديگر روش‌ها نيز صورت‌ مي‌پذيرد اما عملاً هيچيك از آنها نتوانسته جايگزين خوبي براي ليزر باشد .علامت‌زني بر روي قطعات مختلف با مواد مختلف از نكات حائز اهميت حوزه صنعت بشمار مي‌رود بسياري از توليدكنندگان مايلند جهت جلوگيري از سوءاستفاده محصولات تقلبي به گونه‌اي محصولات اصلي را از نمونه‌ تقلبي متمايز نمايند . حك‌كردن علامت و يا يك آرم مشخص با دقت بالا يك راه حل خوبي به‌نظر مي‌رسد كه ساليان سال مورد استفاده قرار گرفته است . به همين خاطر با متمركز كردن پرتو ليزر در ابعادي حدود 50 ميكرون با كمك 2 اسكنر مكانيكي ميتوان هر شكل دلخواهي را در اندازه‌هاي مختلف بر روي محصولات حك نمود .

سرعت حكاكي به قدري بالاست كه اين فرايند ظرف چند ثانيه به اتمام خواهد رسيد . امروزه حك‌نمودن 300 حرف در يك ثانيه توسط ليزر امري عادي بنظر مي‌رسد . از آنجا كه تمامي كنترل و هدايت اين فرايند توسط كامپيوتر صورت ‌مي‌گيرد ، كاربران با حداقل مهارت قادر به انجام آن خواهند بود . حكاكي با ليزر هيچگونه محدوديتي جدي به جهت نوع جنس فراهم نخواهد كرد. دستگاههاي حكاكي ليزري با قيمت‌هاي نازلي قابل تهيه از سازندگان آن مي‌باشند يكي از كاربردهاي پرطرفدار ليزر در صنعت در امر سوراخكاري مي‌باشد . ايجاد نمودن سوراخهاي بزرگ و ريز بر روي موادي مانند چوب ، فلز امري عادي بنظر مي‌رسد . اما همين كه مايل باشيم اين عمل را در ابعاد چند ميكرون و بر روي موادي مانند سراميكها ، شيشه و پلاستيك انجام دهيم خود پي مي‌بريم كه اگر نگوييم غيرممكن ، بسيار مشكل خواهد بود . اما امروزه به كمك ليزر اين عمل در كمتر از ثانيه و با آهنگ بالا قابل اجرا و تكرارپذير است . و اين همان چيزي است كه صنعتگران ساليان سال بدنبال آن بوده‌اند . اميد است در آينده‌اي نه‌چندان دور شاهد بكارگيري اين فناوري جديد در عرصه صنعت بوده و با اين كار بر دامنه فعاليت‌هاي ليزر ، اين نور شگفت‌انگيز بيافزاييم .

[spow 44,195]

سلاحهای ليزری و نحوه مقابله با سلاحهای ليزری :

 

غير قابل اجتناب است كه ميدان جنگ ليزري به طور محسوسي سالهاي آينده جنگ را تهديد نكند . اين نتيجه نه تنها توسعه و استفاده از سلاحهاي ليزري مفيد است بلكه نتيجه شمار فزاينده‌اي از وسائل ليزري از قبيل مسافت‌ياب و هدف‌ياب مي‌باشد . بنابراين در نيروهاي مسلح لازم است كه از حساسه‌ها و توسط اقدامات عامل و غير عامل الكترومغناطيسي حفاظت شود . تهديد اوليه ليزري از خود سلاحهاي ليزري بوجود مي‌آيد. نگهداري و نحوه مقابله با سلاحهاي ليزري مسائل مشكلي است كه تاكنون حل نشده باقي مانده‌اند .