اصول و مبانی لیزر

اصول و مبانی لیزر

ساز و کاز جوش لیزری

۱.۱مقدمه 

با مفهوم لیزر بیشتر اشنا شویم.

کلمه “LASER” مخفف کلمات زیر است:

سبک(Light)

تقویت توسط(Amplication by)

تحریک شده (stimulated)

انتشار (Emisson of)

تابش (Radiation)

لیزر از این عناصر تشکیل شده است: 

محیط لیزر: ماده ای که لیزر در آن تولید می شود. برای لیزرهای حالت جامد، محیط معمولاً از یک ماده میزبان دوپ شده عنصر لیزر فعال تشکیل شده است.

منبع پمپ : انرژی فعال سازی لازم را برای آن فراهم می کند محیط لیزر، تولید لیزر را قادر می سازد.

تشدیدگر لیزر: نحوه تولید لیزر را در محیط لیزری کنترل می‌کند که از یک بازتابنده 100 درصدی عقب و یک بازتابنده جزئی جلو تشکیل شده است.

۲.۱ اصول تولید لیزر

تولید پرتو لیزر یک فرآیند سه مرحله ای است که در آن مراحل تقریباً آنی اتفاق می افتد.

۱) انتشار خود به خود – منبع پمپ انرژی را برای محیط فراهم می کند و اتم های محیط لیزر را تحریک می کند، بنابراین الکترون های نگه داشته شده در اتم ها به طور موقت به حالت های انرژی بالاتر ارتقا می یابند. الکترون هایی که در این حالت برانگیخته نگهداری می شوند نمی توانند به طور نامحدود در آنجا باقی بمانند و به سطح انرژی پایین تری سقوط کنند. در این فرآیند، الکترون با گسیل یک فوتون، انرژی اضافی حاصل از انرژی پمپ را از دست می دهد. فوتون های تولید شده توسط این فرآیند، که گسیل خود به خودی نامیده می شود، بذر تولید لیزر هستند.

۲)گسیل تحریک شده – فوتون های ساطع شده از گسیل خود به خود در نهایت به الکترون های دیگر در حالت های انرژی بالاتر برخورد می کنند. این به دلیل سرعت نور و چگالی اتم های برانگیخته در زمان بسیار کوتاهی اتفاق می افتد. فوتون ورودی، الکترون را از حالت برانگیخته به سطح انرژی پایین تر می زند و فوتون دیگری ایجاد می کند. این دو فوتون منسجم هستند، به این معنی که در فاز، با طول موج یکسان هستند و در یک جهت حرکت می کنند. این فرآیند به عنوان انتشار تحریک شده شناخته می شود.

۳) تقویت – فوتون ها در همه جهات گسیل می شوند. با این حال، برخی از آنها در امتداد محیط لیزر حرکت می کنند تا به آینه های تشدید کننده برخورد کنند تا از طریق محیط بازتاب شوند. بازتابنده های تشدید کننده جهت تقویت ترجیحی برای انتشار تحریک شده را تعیین می کنند. باید درصد بیشتری از اتم ها در حالت برانگیخته نسبت به سطوح انرژی پایین تر وجود داشته باشد تا تقویت اتفاق بیفتد. این “وارونگی جمعیت” اتم های بیشتر در حالت برانگیخته منجر به ایجاد شرایط لازم برای تولید لیزر می شود.

۳.۱. لیزرهای جوش

لیزرهای مناسب برای جوشکاری آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم پالسی (Nd:YAG)، فیبر و دیود است. هر کدام ویژگی‌های منحصربه‌فردی را ارائه می‌دهند که با برنامه‌های خاص هماهنگ هستند. لیزر پالسی Nd:YAG تا حد زیادی دارای بزرگترین پایه نصب با حداکثر توان و عرض پالس است که برای جوشکاری میکرو طراحی شده است.

به عنوان مثال، لیزرهای Nd:YAG پالس 25 تا 50 وات به طور معمول برای جوشکاری درزهایی با ضخامت 0.015 اینچ تیتانیوم برای دستگاه های قابل کاشت استفاده می شود. لیزرهای فیبر اخیراً توسعه یافته انعطاف پذیری عالی در تنظیم ابعاد جوش و بهترین عملکرد نفوذ در هر وات را ارائه می دهند که جوشکاری درز با سرعت بالا را امکان پذیر می کند. یک لیزر فیبر 300 وات می تواند محفظه چاشنی کیسه هوا را با ضخامت 0.01 اینچ با سرعت 2 اینچ در ثانیه جوش دهد، در حالی که یک لیزر فیبر پالسی 20 وات می تواند جوش های نقطه ای با قطر 0.001 اینچ را در فویل 0.001 اینچی ایجاد کند. معماری لیزر فیبر مقیاس پذیر است، با توان لیزر موجود در سطوح چند کیلوواتی برای کاربردهای جوشکاری نفوذی تا ضخامت 0.25 اینچ و بیشتر از آن استفاده می شود.

لیزر دایود یک فناوری لیزر به خوبی تثبیت شده است که برای بسیاری از کاربردهای جوشکاری پلاستیک، به ویژه در صنعت خودرو برای جوشکاری محفظه چراغ عقب استفاده می شود. جوشکاری پلاستیک با لیزر تکنولوژی جدیدی با توان رشد بالاست، به ویژه با توسعه پلاستیک‌های دوستدار لیزر و لیزرهایی که می‌توانند پلاستیک‌های شفاف بصری را جوش دهند. اخیراً، لیزر دیود در سطوح چند کیلوواتی مناسب برای جوشکاری فلزات در دسترس قرار گرفته است.

برای اطلاعات بیشتر در مورد دستگاه جوش لیزر کلیک کنید.

۱.۳.۱ لیزر Nd:YAG

میله لیزری مورد استفاده در جوشکارهای لیزر Nd:YAG یک کریستال مصنوعی از گارنت آلومینیوم ایتریوم (YAG) است. ماده YAG ماده “میزبان” است که حاوی بخش کوچکی از نئودیمیم، عنصر فعال است. کریستال YAG میزبان ایده آلی برای مواد لیزر Nd3+ است، زیرا از نظر فیزیکی سخت، پایدار، از نظر نوری همسانگرد است و رسانایی حرارتی خوبی دارد که امکان عملکرد لیزر در سطوح توان متوسط بالا را فراهم می کند. نئودیمیم یک ماده لیزری عالی است زیرا سطح بالاتری از قدرت را نسبت به سایر عناصر دوپینگ تولید می کند. ابعاد میله لیزر برای قدرت و کیفیت نوری انتخاب شده است. حداکثر اندازه میله به قطر حدود 15 میلی متر (میلی متر) و طول 200 میلی متر محدود می شود تا کیفیت کریستال و مدیریت حرارتی تضمین شود.

۲.۳.۱ محیط لیزر فیبر

همانطور که از نام آن پیداست، یک لیزر فیبر در داخل یک فیبر شیشه ای دوپینگ انعطاف پذیر تولید می شود که معمولاً 10 تا 30 فوت طول و بین 9 تا 50 میکرون قطر دارد، همانطور که در شکل نشان داده شده است. برای اکثر لیزرهای صنعتی ایتربیوم به عنوان عنصر دوپینگ استفاده می شود. راندمان تبدیل کافی و طول موج نزدیک به 1 میکرون را فراهم می کند که با اجزای تحویل نوری استاندارد همسو می شود. تولیوم همچنین می تواند بین طول موج 1-2 میکرون استفاده و تنظیم شود که اغلب برای کاربردهای جوشکاری پلاستیک کم توان استفاده می شود. هسته مرکزی توسط یک لایه اضافی احاطه شده است که انرژی پمپ را قادر می سازد تا در طول آن به هسته داخلی منتقل شود.

۳.۳.۱ محیط لیزر دایود

طیف گسترده ای از مواد نیمه هادی را می توان به عنوان محیط لیزر دیود برای تولید طول موج بین 750-980 نانومتر (nm) استفاده کرد. محیطی که معمولاً برای پردازش مواد لیزری انتخاب می شود، آرسنید گالیم (GaAs) است. این رسانه توان را به طور موثر تبدیل می کند و طول موجی بین 900-980 نانومتر تولید می کند.

۴.۱ ایمنی لیزر

در ایالات متحده، مرکز خطرات تشعشعات دستگاه FDA )CDRH) صلاحیت رسیدگی به مسائل ایمنی لیزر را دارد که تحت ANSI 136.1 تنظیم شده است. علاوه بر این، مؤسسه لیزر آمریکا دستورالعمل ها و اقداماتی را برای ایمنی لیزر ارائه می دهد. خطر اصلی مرتبط با استفاده از فیبر Nd:YAG و لیزرهای دایود که با طول موج 1 میکرون کار می کنند، تأثیر مستقیم یا غیرمستقیم اشعه لیزر بر چشم است. (البته این به غیر از خطرات اسمی مرتبط با کارکرد هر قطعه از تجهیزات است.)

از آنجایی که چشم انسان در واقع پرتو لیزر را مستقیماً به شبکیه متمرکز می کند، اپراتورهای لیزر و همه افراد دیگر در مجاورت لیزر، باید همیشه در محیطی که به عنوان یک محیط ایمن چشم کلاس 1 شناخته می شود، ایمن ترین از چهار لیزر کار کنند. کلاس ها. سطح ایمنی چشم کلاس 1 با استفاده از عینک ایمنی مناسب یا محتوی تمام تابش لیزر در محفظه/ایستگاه کاری کلاس 1 با نور مهر و موم شده به دست می آید.

  CDRH به تولیدکنندگان و کاربران لیزر قوانین، استانداردها و محدودیت های نوردهی خاصی را برای هر نوع لیزر و سطح توان ارائه می دهد. برای رعایت مقررات، باید یک گزارش CDRH برای هر لیزر و هر سیستم لیزری ارسال کنید. هنگامی که یک سیستم لیزر یا لیزر به داخل وارد می شود، یکی از کارکنان باید برای تبدیل شدن به یک افسر تایید شده ایمنی لیزر، آموزش ببینند.

برای ایجاد گرمای کافی در قسمت جوشکاری، لیزر توسط یک عدسی متمرکز می شود، به طوری که تمام نور در یک نقطه متمرکز می شود. این امر غلظت بسیار بالایی از توان ایجاد می کند (که به درستی چگالی توان نامیده می شود) که به سرعت فلزات را گرم می کند. فرآیند جذب نور لیزر توسط فلزات پیچیده است و در اینجا پوشش داده نمی شود. در عوض، این سند بر اثر گرمایش کلی تمرکز دارد که لیزر را قادر می‌سازد تا فلز را گرم کند، ذوب کند و به عنوان منبع جوش لیزری عمل کند.

جهت کسب اطلاعات بیشتر مرتبط از متنی که مطالعه کردید می توانید به مقاله مرجع رجوع کنید.