تکنولوژی‌های جدید لیزرها

به طور مداوم، تکنولوژی لیزرها در حال پیشرفت است و تحقیقات بسیاری در جهت بهبود و ایجاد تکنولوژی‌های جدید صورت می‌گیرد. در زیر، به برخی از تکنولوژی‌های جدید در حوزه لیزرها اشاره خواهم کرد:

1. لیزرهای فمتوثانیه (Ultrafast Lasers): لیزرهای فمتوثانیه، لیزرهایی هستند که مدت زمان پالس‌های نوری آنها در حدود یک فمتوثانیه (10 به توان منفی 15 ثانیه) است. این لیزرها برای بررسی فرآیندهای دینامیکی سریع در طبیعت، مطالعه ترکیبات شیمیایی و بررسی رفتار مواد در شرایط استراحت و تحریک شده استفاده می‌شوند.

2. لیزرهای فوتونیکی چند حالته (Multimode Photonics Lasers): این تکنولوژی به استفاده از مد های مختلف نور در یک لیزر اشاره دارد. با استفاده از لیزرهای چند حالته، می‌توان موج‌های نوری را با تفاوت‌های فازی بین آنها ترکیب کرده و امواجی با شدت و خواص منحصر به فرد تولید کرد که کاربردهای متنوعی در سنسورها، ارتباطات نوری و پردازش اطلاعات دارد.

3. لیزرهای سوپرکانتینومی (Supercontinuum Lasers): این نوع لیزرها برای تولید طیف گسترده‌ای از نور استفاده می‌شوند که شامل محدوده طیفی عریضی از UV تا IR می‌باشد. لیزرهای سوپرکانتینومی برای طیف‌سنجی پهن‌باند، آزمایشات طیفی و پزشکی تشخیصی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

4. لیزرهای توده‌ای فشرده (High-Power Solid-State Lasers): این لیزرها قادر به تولید توان بالا و پالس‌های نوری با مدت زمان کوتاه هستند. آنها برای برنامه‌هایی مانند برش و جوشکاری صنعتی، مراکز پزشکی، انجام آزمایشات همجوشی و پروسه‌های نورپردازی استفاده می‌شوند.

5. لیزرهای نانوساختار (Nanolasers): لیزرهای نانوساختار، نوعی لیزرهایی هستند که از مواد و ساختارهای نانومتری تشکیل شده‌اند. این لیزرها به دلیل ابعاد کوچک و خواصنوینی که در سطح نانو دارند، قابلیت کارکرد در دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی را فراهم می‌کنند. آنها می‌توانند در حوزه‌هایی مانند ارتباطات نوری فشرده، پردازش اطلاعات نانومتری، حسگرهای بسیار حساس و تصویربرداری پزشکی مورد استفاده قرار گیرند.

6. لیزرهای پالسی پیوسته (Continuous-Wave Pulsed Lasers): این نوع لیزرها ترکیبی از پالس‌های نوری با مدت زمان کوتاه و پالس‌های پیوسته با توان بالا هستند. آنها برای برنامه‌هایی مانند برش و حکاکی دقیق، پزشکی لیزری، علوم زیستی و اندازه‌گیری فشار و دما استفاده می‌شوند.

7. لیزرهای تراهرمودینامیک (Thermodynamic Lasers): این تکنولوژی بر اساس اصل تراهرمودینامیک و چرخه‌های حرارتی استوانه‌ای کار می‌کند. با بهره‌گیری از تغییرات دما و فشار در چرخه‌های حرارتی، لیزرهای با کارایی بالا و مصرف انرژی کمتر تولید می‌شوند. این تکنولوژی می‌تواند در دستگاه‌های الکترونیکی و پردازش اطلاعات کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.

این تکنولوژی‌ها تنها برخی از نمونه‌های تکامل لیزرها در حوزه‌های مختلف هستند. با پیشرفت تحقیقات و فناوری، ممکن است در آینده نیز تکنولوژی‌های جدید دیگری ارائه شود که بهبود و کاربردهای جدیدی در حوزه لیزرها ایجاد کنند.

تکامل تکنولوژی برش لیزری

فناوری برش لیزری اولین بار در دهه 1960 توسعه یافت. در ابتدا، برش لیزری یک فرآیند آهسته و خسته کننده بود که بیشتر به تنظیمات آزمایشگاهی محدود می شد. ژنراتور لیزر CO2، یکی از اولین ژنراتورهای لیزری مورد استفاده برای برش، حجیم بود و به قدرت زیادی نیاز داشت. با این حال، پیشرفت های قابل توجهی در طول دهه ها رخ داده است تا این فناوری به آنچه امروز است تبدیل شود.

توسعه اولیه

اولین سیستم های برش لیزر اساساً پرتوهای متمرکزی بودند که مواد را ذوب یا تبخیر می کردند. این سیستم ها برای مصارف صنعتی کمتر کاربردی هستند زیرا دقت و قدرت ندارند. ژنراتور لیزری CO2 برای اولین بار در سال 1964 به نمایش گذاشته شد و یک گام مهم رو به جلو در توسعه فناوری برش لیزر است. این ژنراتورهای لیزری نور را در محدوده مادون قرمز دور ساطع می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهند تا مواد مختلف را به طور موثر برش داده و حکاکی کنند.

ژنراتور لیزر CO2 و تاثیر آن

لیزرهای CO2 به طور گسترده در دهه 1970 مورد استفاده قرار گرفتند زیرا توانایی آنها در برش مواد مختلف از جمله فلز، پلاستیک و چوب با دقت بسیار بالا بود. با این حال، این سیستم های لیزر دی اکسید کربن اولیه توسط قدرت و سرعت محدود شده بودند. پیشرفت در فناوری لوله لیزر و بهینه سازی کیفیت پرتو به غلبه بر برخی از این محدودیت ها کمک کرده است و راه را برای کاربردهای صنعتی بیشتر هموار کرده است.

مقدمه ای بر لیزرهای فیبر

یکی از مهم ترین پیشرفت های فناوری برش لیزری در دو دهه گذشته، معرفی لیزرهای فیبر بوده است. لیزرهای فیبر از رسانه های حالت جامد استفاده می کنند و به طور قابل توجهی نسبت به ژنراتورهای لیزر CO2 سنتی کارآمدتر انرژی هستند. سرعت، دقت و مقرون به صرفه بودن برش را به ویژه هنگام برش مواد نازک بهبود می بخشد. ژنراتورهای لیزری فیبر تبدیل به یک تغییر دهنده بازی در صنایعی مانند خودروسازی، هوافضا و تولید الکترونیک شده‌اند.

وضعیت فعلی فناوری برش لیزری

همانطور که در آستانه انقلاب صنعتی چهارم قرار داریم، فناوری برش لیزری راه طولانی را طی کرده است و اکنون بخشی جدایی ناپذیر از فرآیندهای تولید مدرن است. فناوری فعلی برش لیزر با ترکیبی از دقت، تطبیق پذیری و اتوماسیون مشخص می شود.

برش لیزر فیبر

یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌ها در سال‌های اخیر، ظهور برش لیزر فیبر است. ژنراتورهای لیزری فیبر از فیبر نوری به عنوان واسطه بهره استفاده می کنند و مزایای زیادی نسبت به ژنراتورهای لیزر CO2 سنتی دارند. این مزایا شامل کارایی استثنایی، دقت و تطبیق پذیری است.

راندمان برتر: ژنراتورهای لیزری فیبر انرژی کارآمدتری دارند و انرژی کمتری برای انجام همان کار برش مصرف می‌کنند که می‌تواند هزینه‌های عملیاتی را کاهش دهد و ردپای محیطی را کاهش دهد.
دقت: ژنراتورهای لیزری فیبر دقت بی نظیری را برای برش الگوهای پیچیده و جزئیات ظریف به راحتی ارائه می دهند.
تطبیق پذیری: ژنراتورهای لیزری فیبر می توانند مواد مختلفی از جمله فلزات، پلاستیک ها و کامپوزیت ها را برش دهند که آنها را به اولین انتخاب برای بسیاری از کاربردها تبدیل می کند.

مطالب مرتبط : لیزر co2

قدرت را افزایش دهید

قدرت و سرعت برش لیزر در سال های اخیر به طور قابل توجهی بهبود یافته است. سیستم های برش لیزری مدرن می توانند قدرت بالاتری را ارائه دهند و امکان برش سریعتر مواد ضخیم را فراهم کنند. این عملکرد پیشرفته به طور قابل توجهی کارایی و بهره وری فرآیند تولید را بهبود می بخشد.

ضخامت مواد و سرعت برش

در سال های اخیر، پیشرفت های قابل توجهی در برش مواد ضخیم تر با سرعت های بالاتر صورت گرفته است. این به دلیل پیشرفت در قدرت منبع لیزر، اپتیک و فناوری هد برش است. در نتیجه، برش لیزر اکنون می تواند در طیف وسیع تری از کاربردهای صنعتی مانند کشتی سازی و ساخت ماشین آلات سنگین استفاده شود.

بهبود دقت

دقت یکی از جنبه های کلیدی فناوری برش لیزری است و پیشرفت های اخیر منجر به پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه شده است. سیستم های شکل دهی و تحویل پرتو و کنترل حرکت پیشرفته دستیابی به جزئیات بسیار ظریف و طرح های پیچیده را ممکن می سازد. این نوع دقت به‌ویژه در صنایعی با تحمل‌های بسیار سخت مانند هوافضا و تجهیزات پزشکی ارزشمند است.

انواع مواد را برش دهید

یکی از مهم ترین پیشرفت ها در سال های اخیر، توانایی برش طیف گسترده ای از مواد است. در ابتدا، برش لیزری عمدتاً برای فلزات مورد استفاده قرار می گرفت، اما اکنون به غیر فلزات مانند پلاستیک، سرامیک، کامپوزیت و حتی مواد آلی گسترش یافته است. این تطبیق پذیری فرصت های جدیدی را در صنایعی مانند مد، الکترونیک و تحقیقات پزشکی باز می کند.

اتوماسیون و ادغام

اتوماسیون به یک جنبه اساسی از فناوری برش لیزر تبدیل شده است. سیستم های رباتیک، کنترل عددی کامپیوتری (CNC) و نرم افزارهای پیشرفته فرآیند تولید را ساده می کنند. این سیستم ها می توانند فایل های طراحی را بخوانند و الگوهای برش پیچیده را با کمترین دخالت انسان اجرا کنند. بارگیری و تخلیه خودکار و همچنین نظارت و تنظیم در زمان واقعی به ویژگی های استاندارد سیستم های برش لیزری مدرن تبدیل شده است. این اتوماسیون نه تنها دخالت انسان را کاهش می دهد، بلکه کیفیت و بهره وری ثابت را تضمین می کند.

ادغام Industry 4.0

ادغام برش لیزری در ابتکارات Industry 4.0 یک تغییر بازی است. جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل بی‌درنگ داده‌ها، همراه با استفاده از هوش مصنوعی و یادگیری ماشینی، برش لیزری را کارآمدتر و سازگارتر می‌کند. تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌شده، بهینه‌سازی فرآیند و کنترل تطبیقی در حال حاضر امکان‌پذیر است و زمان خرابی و اتلاف مواد را کاهش می‌دهد.

ملاحظات زیست محیطی

در پاسخ به نگرانی های رو به رشد زیست محیطی، فناوری برش لیزری سازگارتر با محیط زیست شده است. ژنراتورهای لیزری فیبر انرژی کمتری مصرف می کنند و ذاتاً دوستدار محیط زیست هستند. علاوه بر این، سیستم‌های برش لیزری اکنون با ویژگی‌های صرفه‌جویی در انرژی طراحی شده‌اند و اغلب شامل سیستم‌های فیلتراسیون برای کاهش انتشارات مضر هستند که آنها را به گزینه‌ای پایدارتر برای تولیدکنندگان تبدیل می‌کند.

اقدامات امنیتی بهبود یافته است

ایمنی همیشه یک مسئله در مورد برش لیزر بوده است، عمدتاً به دلیل پرتوهای لیزری با شدت بالا. اقدامات ایمنی در سال های اخیر به طور قابل توجهی بهبود یافته است، از جمله طراحی بهتر مسکن، سیستم های به هم پیوسته و نظارت بر زمان واقعی پارامترهای لیزر. این پیشرفت ها عملیات برش لیزر را هم برای اپراتور و هم برای تجهیزات ایمن تر می کند.

سیستم قابل حمل فشرده

کوچک سازی فناوری برش لیزری نیز باعث دسترسی بیشتر آن می شود. برش های لیزری جمع و جور و قابل حمل اکنون در دسترس هستند و این فناوری را برای مشاغل کوچک، هنرمندان و علاقمندان بیشتر در دسترس قرار می دهند. این سیستم ها مقرون به صرفه هستند و سطحی از دقت را ارائه می دهند که قبلاً در دسترس مخاطبان وسیع تری نبود.

برش لیزری سه بعدی

برش لیزری دو بعدی سنتی به حوزه برش لیزری سه بعدی گسترش یافته است. این امکان تولید اجزا و ساختارهای پیچیده سه بعدی را فراهم می کند و صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی و مراقبت های بهداشتی را متحول می کند.

ژنراتورهای لیزری نانوثانیه و فمتوثانیه

ژنراتورهای لیزری نانوثانیه و فمتوثانیه نیز در برش لیزری نشان خود را دارند. این لیزرهای پالس اولتراکوتاه دارای دقت استثنایی و حداقل مناطق متاثر از گرما هستند که آنها را برای مواد دقیق و فرآیندهای ریزماشینکاری ایده آل می کند.

کاربرد فناوری لیزر

لیزر به لطف ارائه پرتوهای نوری تک رنگ، کنترل شده و دقیقاً هدایت شده، یک ابزار بسیار کاربردی است. بسیاری از کاربردهای مهم امروزی آن در ارتباطات فیبر نوری، ماشینکاری و ساخت لیزر، تشخیص عناصر کمیاب، مترولوژی لیزری و تصویربرداری پزشکی نهفته است.

مطالب مرتبط : اصول و مبانی لیزر

در حالی که خود علم نور تغییر نکرده است، فناوری لیزر در طول سال ها به سرعت پیشرفت کرده است. بنابراین، در حالی که چندین دهه پیش اختراع شد، فناوری پیشرفته سرانجام به لیزرها اجازه داد تا نقشی را که ما همیشه برای آنها متصور بودیم بازی کنند.

تجزیه و تحلیل و آزمایش

فناوری لیزر به دلیل خواص منحصر به فرد، دقت و تطبیق پذیری آن نقش مهمی در زمینه های مختلف تجزیه و تحلیل و آزمایش دارد.

در فیزیک اتمی و مولکولی، محققان و دانشمندان از لیزر برای کاهش سرعت و به دام انداختن اتم ها در دمای بسیار پایین استفاده می کنند. منبع نور قابل تنظیم آن علاوه بر استفاده از لیزر برای کنترل حالات کوانتومی، به مطالعه سطوح انرژی و انتقال در اتم ها و مولکول ها کمک می کند.

خنک‌سازی لیزری که برای اولین بار 40 سال پیش نشان داده شد و فیزیک اتمی را متحول کرد تا در مطالعات اطلاعات کوانتومی، گازهای منحط کوانتومی، ساعت‌های اتمی و آزمایش‌های فیزیک بنیادی مورد استفاده قرار گیرد، اکنون در مورد پادماده اعمال می‌شود. انتظار می‌رود توانایی دستکاری حرکت اتم‌های پادماده توسط نور لیزر، فرصت‌های اساسی را برای آزمایش‌های آینده، مانند فواره‌های ضد اتمی و ایجاد مولکول‌های ضد ماده، فراهم کند.

در سال 2021، همکاری ALPHA در سرن موفق شد اتم های آنتی هیدروژن، ساده ترین شکل پادماده اتمی را با استفاده از نور لیزر خنک کند، که به عنوان یک «تغییرگر بازی برای اندازه گیری های طیف سنجی و گرانشی» دیده می شود.

در همین حال، تحقیقاتی نیز در مورد شتاب ذرات بر اساس تعامل لیزر-پلاسما برای درک جهان انجام می شود. علاوه بر درک تکامل همه موجودات زنده با درک واکنش‌های شیمیایی، قابلیت چنین فناوری همچنین به درمان سرطان کمک می‌کند، جایی که می‌تواند جایگزینی برای پرتودرمانی مرسوم با اشعه ایکس باشد. فناوری شتاب ذرات بر اساس برهمکنش لیزر-پلاسما اجازه می دهد تا انرژی های بسیار بالایی در فواصل بسیار کوچک به دست آید که به طور بالقوه منجر به دستاوردهای بسیار قابل توجهی از نظر حجم می شود.

مطالب مرتبط : دستگاه تمیزکاری لیزری

فناوری لیزر بیشتر برای تولید نانومواد با ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی متمایز با چندین فرآیند مبتنی بر لیزر که برای تولید نانومواد توسعه یافته‌اند، مانند کاهش به کمک لیزر، لایه‌برداری با لیزر و فرسایش لیزری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

انرژی پاک / همجوشی هسته ای

رشد مداوم انرژی های تجدیدپذیر در سراسر جهان، فرصت های فزاینده ای را برای تکنیک های پردازش لیزری ارائه می دهد. در صنعت انرژی پاک، از فناوری لیزر در ساخت تجهیزات جدید برای تولید انرژی و همچنین از کار انداختن نیروگاه ها در پایان عمر آنها استفاده می شود.

لیزرها علاوه بر استفاده در ساخت، می توانند در روکش فلزی که به عنوان رسوب فلز لیزری نیز شناخته می شود، استفاده شود و خواص سطوحی را که تحت درمان قرار می دهند، بهبود بخشد. در همین حال، اجزای توربین میکروگاز می توانند از تمیز کردن لیزر فیبر بهره ببرند.

وقتی صحبت از انرژی خورشیدی به میان می‌آید، کنتاکت‌های لیزری برای بهبود کارایی سلول‌های خورشیدی نویدبخش هستند و در برش و علامت‌گذاری ویفرهای نیمه‌رسانا و همچنین جداسازی مدارهای الکتریکی سلول‌های منفرد پانل‌های خورشیدی بزرگ استفاده می‌شوند.

در آینده، ممکن است شاهد استفاده از لیزر برای ایجاد نسل جدیدی از پنل‌های خورشیدی و همچنین تولید باتری‌هایی برای ذخیره انرژی تولید شده توسط منابع تجدیدپذیر باشیم.

فناوری لیزر بیشتر در همجوشی هسته ای دیده می شود. یک سال پیش، وزیر انرژی ایالات متحده از پیشرفتی در زمینه همجوشی هسته ای مبتنی بر لیزر خبر داد که در آن یک آزمایشگاه تحقیقاتی خورشید کوچکی را روی زمین تولید کرد. منبع نور مورد استفاده در این آزمایش بزرگترین لیزر جهان بود که از 192 خط پرتو برای تولید پالس استفاده می کرد. پرتوهای لیزر 54 درصد بیشتر از انرژی وارد شده به آن تولید کردند.

در این سال، 192 لیزر یک کپسول کوچک پر از دوتریوم و تریتیوم، ایزوتوپ‌های سنگین هیدروژن را خرد کردند و باعث واکنش همجوشی شد که انرژی بیشتری نسبت به پرتوهای لیزری که در طول فرآیند به هدف می‌تابید، تولید کرد.

تکنولوژی‌های جدید لیزرها

تکنولوژی‌های جدید لیزرها