وبلاگ

ای بر علم لیزر

با اختراع لیزر در نیمه دوم قرن بیستم دریچه جدیدی به روی دانشمندان فیزیک اتمی ومولکولی باز شد. بعلاوه این فناوری و کاربردهای ان مورد توجه بسیاری از مهندسین در دنیا قرار گرفته است. تئوری های لازم جهت در ک مفاهیم های فیزیک لیزر قبل از اختراع لیزر درسال 1960 ارائه گردیده بود از ان زمان لیزر با سرعت به طور وسیعی در زمینه کاربرد های جالب فیزیک کوانتومی تا به عنوان یک ابزار مفید مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است[59, 60].
پژوهش های کاربردی بسیار جدیدی در زمینه های بر هم کنش لیزر با پلاسما طراحی لیزر های با پالسهای بسیار کوتاه و توان های بسیار زیاد و ساخت لیزرهای با طول موج کوتاه به خصوص در دو دهه گذشته توسط فیزیکدانان و محققین سراسر دنیا صورت گرفته است در این پژوهش ها تلاش های زیادی به منظور کوچک نمودن حجم سیستم های لیزری مورد نیاز جهت تولید پلاسما و تابش های X-Ray به عمل امده است بیشتر این سیستم های جدید در حال حاضر در ازمایشگاه های ملی کشور ها مورد استفاده قرار می گیرند که اینده روشنی را نوید می دهند. در این فصل همانگونه که مشاهده خواهید کرد در ابتدا به اصول مبانی و طرز کار لیزر پرداخته شده است. در ادامه انواع لیزر مورد بررسی قرار گرفته است و در پایان کاربرد لیزر در صنایع مختلف شرح داده شده است[57, 62, 84].

• ماهیت نور

واژه لیزر به معنای تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش می باشد. بنابراین پی بردن به چگونگی عمل لیزر ویژگی های تابش لیزرها و کاربردهایش منوط به اگاهی بیشتر از نظریه های حاضر در مورد ماهیت نور است [68, 74, 83]. انیشتین در سال 1905 به سادگی اثر فوتوالکتریک را توضیح دادبدین ترتیب که نور برخورد کننده به سطح فلز را متشکل از بسته های کوچک انرژی با ذراتی به نام فوتون نامید. او گفت انرژی هر متناسب است با فرکانس آن یعنی E = H.N که H ثابت پلانک و N فرکانس نور است. فوتون برخورد کننده می تواند انرژی خود را به یک الکترون بدهد و به طوری که بر نیروی نگهدارنده ان در سطح فلز غلبه کرده و ان را از فلز جدا سازد[80].

• گسیل خود به خودی گسیل القایی و جذب

در لیزر از سه پدیده اساسی که نتیجه بر هم کنش موج الکترومغناطیس ( EM ) با ماده اند استفاده می شود یعنی فرایند های گسیل خود به خود گسیل القایی و جذب[79, 81].

• گسیل خود به خود

در یک اتم مفروض دو تراز 1و2 با انرژی های E1 و E2 را در نظر گرفته می شود (  E2 < E1) در بحث فعلی این این دو تراز ممکن است دو تراز منتخب از ترازهای بیشمار ان اتم باشد اکنون فرض می کنیم که اتمی (یا مولکولی) از ماده ابتدا در تراز 2 باشد از انجا که E2 < E1 اتم به فرو افتادن به تراز 1 گرایش پیدا می کند. بنابراین اختلاف انرژی  E2 = E1باید ازاد شود وقتی این اختلاف انرژی به صورت موج الکترومغناطیسی گسیل شود به ان گسیل خود به خود یا تابشی می گویند[62, 69, 78] .

انرژی داخلیE:
فرکانس (بسامد) موج: N
بنابراین گسیل خود به خود با گسیل فوتونی به انرژی  وقتی که اتم از تراز 2 به تراز 1 فرو می افتد مسخص می شود.

• گسیل القایی

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا در تراز دو قرار گرفته باشد و موجی الکترومغناطیسی با فرکانس N که از رابطه (5-2) به دست می اید (یعنی فرکانس موج فرودی برابر با فرکانس گسیل خود به خود است). نظر به اینکه این موج دارای همان فرکانس اتمی است احتمال معینی وجود دارد که این موج اتم را به گذار  وا دارد. در این مورد اختلاف انرژی  ازاد شده به صور موج الکترومغناطیسی به موج فرودی افزوده می شود این پدیده گسیل القایی است. در مورد گسیل القایی چون این فرایند با اعمال موج الکترومغناطیسی فرودی صورت می گیرد گسیل هر اتم به صورت هم فاز به موج فرودی افزوده می شود. علاوه بر این موج فرودی هم موج گسیل شده را تعیین می کند[61, 64, 67].
لیزرهای حرارتی متعددی در صنعت حفاری معادن و مخازن نفتی مورد استفاده قرار گرفته اند. این لیزرها دارای ویژگی توان اعمالی بسیار بالا به نمونه های مواد روبروی خویش دارند. تمامی لیزرهای پرتوان استفاده شده تا کنون در عرصه حفاری مخازن نفت و گاز به شرح ذیل می باشند[63].

• جذب

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا در تراز 1 قرار گرفته باشد اگر این تراز تراز پایه باشد اتم در این تراز باقی خواهد ماند مگر انکه نیرویی خارجی به ان اعمال شود اکنون فرض می کنیم که موجی الکترومغناطیسی با فرکانسN  که باز هم از رابطه (1.1) به دست می اید به ماده برخورد کند در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز 2 برود. اختلاف انرژی مورد احتیاج اتم برای این گذار از انرژی موج الکترومغناطیسی فرودی تامیین می شود. [65]

• انواع لیزرهای پرکاربرد حرارتی در صنعت حفاری

لیزر هیدروژنی
لیزر هیدروژن فلوراید ویا لیزر دوتریم فلوراید  که عملکرد آنها در طول موج بین l=2/6-  mM 4/2 می باشد. این لیزر اولین لیزر در کلاس مگاوات بود و لیزری با موج پیوسته  کهدر خارج از شوری ساخته شده بود. از این لیزر برای تاسیسات  و کارهای نظامی استفاده می شود که ازآن در حفاری مورد استفاده قرار می گرفت که در این عملیاتپرتو های  تابنده شده نشان داد که سرعت حفاری یا سرعت نفوذ لیزر در سنگ بیشتر از 100برابر سرعت حفاری با روش های معمولی  حفاری می باشد[71] .
شکل 1. 2 . لیزر هیدروژن فلوراید[71]
  لیزر اکسیژنی
این تحقیق و پژوهش در سال 1977 توسط نیروی هوایی ایالت متحده امریکا در آزمایشگاه مکزیکو اختراع و انجام گردید .از این لیزر برای مقابله و دفاع هواپیماها در نبردهای هوایی طراحی شد چنانکه زا آن به عنوان لیزر هوابرد که قابلیت ردیابی سلاح های تاکتیکی و نابود کنندگی موشک را داشت یاد می کند . این لیزر در طول موج     mM  l=1/315عملکرد دارد. این لیزر در حالت CW یادر حالت موج پیوسته کار می کند که در ابتدا فقط برای کارهای نظامی به کار برده می شد ولی بعد از مدتی برای مصارف صنعتی  نیز اجازه استفاده داده شد. محدوده قدرت  این لیزر در حدود 31 مایل یا 50 کیلومتر  می باشد که ازآن در بوئینگ 474 برای ردیابی از آن استفادهشد. در صورتی که از آن برای حفاری استفاده شود بسیاری از مسائل  کنترل و  ردیابی  و تکمیل مجدد و مشکلات حفاری را نخواهیم  داشت[70].
  لیزر کربن دی اکسید   
این لیزر عملکرد آن در طول موج l=10/6mM ودر حالت های پیوسته و پالسی می تواند باشد. قدرت متوسط آن تا بالای  1مگاوات می تواند باشد . هنگامی که در حالت پالسی استفاده  شود طول پالس می تواند تغییر کند و دائما متفاوت  باشد یعنی بین 1تا 30ثانیه مزیت مهم لیزر  در دوام و قابلیت اطمینان  آن است. می تواند انرژی خود را به صورت  مادون قرمز با توان ارسال  بیشتر منتشر کند. یکی از مشکلات آن می توان به دلیل طول موج بالای این لیزر اشاره کرد که در انتقال آن از طریق فیبر نوری قدرت  آن به شدت کم خواهد شد.
شکل 2. 2 . لیزر کربن دی اکسید[69]
لیزر کربن مونو اکسید
عملکرد آن  در طول موج    mM 6-5  =   l می باشد ودر هردو حالت پیوسته و پالسی می تواند  از خود عملکرد نشان دهد . متوسط قدرت دست یافتنی 200 کیلو وات و طول پالس می تواند متفاوت بین 1و 1000 ثانیه  باشد . اولین عملکرد  آن  در دو حالت پیوسته و پالسی در طول موج  l=2/5-4/0mM بوده است. بدست آوردن کمترین طول موج درهنگام کار بسیار مهم است چون تاثیر توزیع سطح به وسیله پلاسمای لیزر و طول موج تسعسع لیزر کاهش خواهد یافت[73].
شکل 3. 2 .  لیزر کربن مونو اکسید[73]
لیزر الکترون آزاد
لیزر الکترون آزاد عملکرد آن با الکترون هایی با انرژی بالا است که فاقد سطوح انرژی گسسته نیز باشند که در نتیجه آن اجازه می دهد در هر طول موجی در حاتموج پیوسته تنظیم شود که توانایی طول موج تابش لیزر می تواند اجازه بهبود سازی برای تاثیرات مختلفی همچون بازتاب – پراکندگی –جذب – تابش جسم سیاه و گزینش پلاسما را بدهد .دانشمندان انتظار دارند که این لیزر در آینده به لیزر با قدرت تبدیل شود[68].