آينه ها و نصب آنها در ليزر:
همانطور كه در قسمت تشديد كننده هاي نوري بيان شد براي افزايش توان ليزر و موازي كردن مسير بازتاب پرتوها در كاواك از آينه هايي با درصد بازتابش بالا استفاده مي شد تا فوتونها بتوانند بين دو آينه بازتاب كننده براي جلوگيري از تلفات به دليل جلوگيري از پراش در لبه هاي آينه ها از سيستمي استفاده مي شود كه در آن يك آينه تخت با در صد بازتابش تقريبا 100% و يك آينه مقعر با در صد بازتابش تقريبا 90%در دو طرف كاواك تعبيه شده باشد. با توجه به در صد بازتابش آينه مقعر با بازتابش 90% مي باشد.
از آنجا كه خروجي ليزرهاي co2 در محدوده 10.6 ميكرون است از قطعات اپتيكي مثل شيشه و يا كوارتز جهت ساختن آينه هاي ليزر نمي توان استفاده كرد .چون اين مواد در محدوده 10.6 جذب زيادي دارند بنابراين خروجي ليزر را به شدت كاهش مي دهند و در اثر گرماي زيادي كه در اثر فرايند جذب در آنها ايجاد مي شود ممكن است بشكنند يا ذوب شوند. بنابراين براي ساختن آينه هاي ليزر از موادي مانند ژرمانيوم – گاليوم - آرسنايد- سولفيد روي- طلا و هالوژن ها مي توان استفاده كرد. در ميان اين آينه ها هالوژنها كمترين جذب را دارند ولي جذب رطوبت و نرم بودن آنها مشكلاتي را فراهم مي كند. آينه هاي فلزي با در صد بازتاب 100% نيز مي توانند براي استفاده در اين طول موجها مورد استفاده قرار گيرند.
ما در ساخت ليزر co2 با جريان گاز از آينه ژرمانيوم و طلا استفاده مي كنيم. به اين صورت كه آينه تخت را از جنس آينه ژرمانيوم و آينه مقعر را از جنس آينه طلا انتخاب مي كنيم.
تقريبا بيشترين هزينه در ساخت ليزر co2 مربوط به تهيه آينه هاست.
لازم به تذكر است كه آينه مقعر طلا كه مورد استفاده قرار مي گيرد داراي شعاع انحناي cm 120 بايد باشد در ضمن خروجي ليزر هم از همين آينه هاست.
نكته ديگري كه بايد هنگام تهيه آينه ها در نظر گرفت اين است كه آينه ها بايد از طرف جلوي آينه پوشش داده شده باشند يعني پوشش طلا يا ژرمانيوم بايد بر روسي سطح ِنه باشد نه پشت آينه.
در صورتي كه در تهيه آينه طلا با مشكل مواجه شديم مي توانيم از آينه آلومينيوم نيز استفاده كرد.
گاهي اوقات نيز در ساخت آينه ها سطح آينه را با استفاده از چند ماده مختلف با در صد بازتابش بالا در طول موجهاي متفاوت استفاده مي شود. ولي ضخامت پوش هر ماده بر روسي سطح آينه برابر با نصف طول موج نوري است كه آينه براي آن طراحي شده است.
در انتخاب آينه مقعر بايد توجه كرد كه شعاع انحناي آن بايد بزرگتر از طول كاواك ليزر باشد. در ادامه جدولي از آينه ها و اطلاعات مربوط به آن ارائه شده است.
نصب آينه ها و پيچهاي تنظيم:
نصب آينه ها به صورت ثابت ولي حركت در دو انتهاي كاواك ممكن است مشكلاتي از قبيل عدم موازي بودن پرتوها و يا ضعيف شدن توان خروجي ليزر براي ما ايجاد كند.
بنابر اين بهترين كار اين است كه آينه ها را بر روي پايه هاي متحرك با پيچ تنظيم نصب كنيم تا بتوانيم ان را به راحتي حركت داده و تنظيم كنيم. از انجا كه تهيه يك تنظيم كننده ايدهآل كه با سيستم خلا كاواك ليزر سازگار باشد بسيار هزينه بر است پس يك راهكار پيشنهادي ارائه مي كنيم.
مطابق شكل ارائه شده با دوقطعه فلز در ابتدا ، نگهدارنده اي براي آينه ها مي سازيم و براي تعبيه پيچ هاي تنظيم دو سوراخ در آنها ايجاد مي كنيم .براي اتصال اينه ها به كاواك خلا ، به ورقه اي از جنس آلومينيوم انعطاف پذير نياز داريم . فويل الومينيوم را به صورت زيگ زاگ مطابق شكل به صورت استوانه اي كه قطر سطح مقطع ان برابر با قطر كاواك است شكل مي دهيم و لبه هاي آن را توسط چسب قابل انعطافي مانند چسب آكواريوم به هم مي چسبانيم . سپس يك انتهاي استوانه انعطاف پذير ساختگي خود را به آينه مي چسبانيم و طرف ديگر آن را به كاواك ليزر . با قرار دادن پيچ هاي تنظيم مطابق شكل پس از چك كردن عدم نشط گاز به بيرون با روشن كردن ليزر ، آينه ها را تنظيم مي كنيم . لازم به ذكر است كه اين سيستم بايد براي هر دو آينه تخت و مقعر به كار برده شود .
تنظيم پرتوي خروجي:
جهت استفاده از پرتوي ليزر بايد قادر باشيم آن را در جهات مختلف هدايت كنيم.
قبل از هر چيزي بايد از موازي بودن پرتو هاي خروجي اطمينان حاصل كنيم. براي اين منظور كاغذي را از وسط سوراخ كرده به گونه اي در جلوي كاواك ليزر قرار مي دهيم كه محور مركزي گذرنده از كاواك هم راستا با سوراخ باشد. سپس با دستكاري پيچ هاي تنظيم آينه ها پرتوي خروجي از ليزر را به گونه اي تنظيم مي كنيم تا از مركز سوراخ عبور كند . اكنون ما يك دسته پرتوي مستقيم داريم . از قبل لازم به ذكر است كه به دليل نوع اينه هاي استفاده شده و سيتم بازتابش رفت و برگشت فوتون بين دو آينه پرتوي خروجي يك پرتوي موازي است.اكنون مي خواهيم پرتو را با قطر هاي متفاوت بر روي نقطه مورد نظر متمركز كنيم. جهت اين كار مي توان از سيستم عدسي هاي مركب استفاده كرد . چند نمونه از سيتم هاي عدسي مركب به منظور هدايت پرتو در شكل نشان داده شده كه باتوجه به انها مي توانيم با استفاده از عدسي هاي گوناگون با فاصله كانوني ها وشعاع هاي انحناي مختلف پرتوي خروجي را به گونه اي كه تمايل داريم هدايت كنيم .
نكته ي ديگر در تنظيم پرتوي خروجي استفاده از پهن كننده پرتو است . پهن كننده ها شعاع پرتو هاي نوري را افزايش داده و ما ميتوانيم با عبور دسته پرتوي گسترده تر از عدسي ، سطح كانوني كوچك تري بدست آوريم و پرتو را بيشتر متمركز كنيم .
راه ديگري كه در انتقال پرتو ها مفيد است استفاده از تارهاي نوري موج بر است كه مي توانند با قابليت انعطاف پذيري خود ، پرتو را به نقاط مختلف انتقال دهند.
اصولا اين تارهاي نوري داراي قطرهاي كوچك ، از جنس شيشه يا كوارتز هستند و داراي يك هسته مركزي با ضريب شكست بزرگتر از محيط اطراف خود مي باشند.پرتو نور قادر به حركت در داخل هسته مركزي به صورت زيگ زاگ به دليل بازتاب كلي از فصل مشترك هسته مركزي با جداره مي باشد.
متاسفانه اين روش براي طول موجهاي تا 1.6 ميكرون به كار مي رود . چون ميزان جذب براي طول موج هاي بزرگتر زياد است ، از اين روش براي انتقال پرتو در ليزر co2 نمي توان استفاده كرد .
ولتاژها:
همان طور كه قبلا نيز بيان شد ، دمش در ليزر هاي گازي از نوع تخليه الكتريكي است كه توسط ولتاژ هاي بالا انجام مي شود .از آنجا كه دمش در ليزر هاي co2 طي دو مرحله انجام مي شود ، بنابر اين ابتدا بايد توسط تخليه الكتريكي ولتاژ بالا اتم هاي نيتروژن را تحريك كنيم تا به حالت برانگيخته برسند و با انتقال انرژي خود به مولكول هاي co2 عمل ليز آغاز شود .
اوين حالت تحريكي ازت تقريبا در 0.3 الكترون ولت است . بنا بر تجربه براي شروع عمل ليز به 2 الكترون ولت انرژي نياز دارد .
لازم به ذكر است كه ليزر هاي co2 با جريانDC يا جريان متناوب AC با فركانس خيلي پايين كار مي كند. البته جريان هاي AC در ليزر هايي استفاده مي شود كه به صورت ضرباني دمش مي شوند و خروجي ناپيوسته دارند .
در مورد ليزر هاي co2 ولتاژي را برابر با 10 تا 15 كيلو ولت DC به ازاي هر متر تخليه الكتريكي استفاده مي كنيم . كه حدود جريان الكتريكي ما بين 10 تا 15 ميلي آمپر است .
براي ايجاد جريان DC مي توانيم از يكسو كننده هاي جريان AC استفاده كنيم تا به ولتاژ آغازين 10 كيلو ولت برسيم .
در ليزر هاي co2 نياز نداريم كه از سيستم هاي ولتاژ بالا با قابليت تنظيم استفاده كنيم . اما استفاده كردن از چنين سيستمي كه قابليت تنظيم ولتاژ خروجي را داشته باشد براي تنظيم قدرت خروجي ليزر مناسب ست.چرا كه هر چه ولتاژ بالاتري به كار ببريم ، عمل ليز با قدرت بيشتري انجام مي شود.
ولتاژ بالاي اعمال شده به دو سر تيوپ ليزر اعمال مي شود ، يك ميدان يكنواخت در سر تا سر لوله ايجاد ميكند و الكترونها در اين ميدان شتاب مي گيرند و با برخورد به ديگر اتم ها آنها را تحريك مي كنند.
گاهي اوقات قبل از عمل تخلي گاز را كمي يونيزه مي كنند . اين عمل به كمك يك پالس ولتاژ بالا كه به يكي از الكترود ها اعمال مي شود يا به كمك ي سيم كوتاه كه به دور لوله پيچيده شده ، انجام مي گيرد . در اين روش هم الكترون ها و هم يون ها و هم مولكول هاي خنثي در محيط وجود دارند . الكترونهايآزاد توسط ميدان الكتريكي شتاب گرفته و به سمت آنود حركت مي كنند.
نكته اي كه به هنگام تنظيم ولتاژ مناسب در نظر مي گيريم اين است كه ولتاژ اعمال شده را از مرز 15 كيلو ولت آغاز ميكنيم . ولتاژ را اندك اندك افزايش ميدهيم تا يك باريكه نوري موازي و درخشان در مركز كاواك ليزر مشاهده شود . در چنين حالتي ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبي است.
لازم به ذكر است كه استفاده از ولتاژ هاي بالا به مراقبت بسيار زيادي نياز دارد .
از سيم هاي رابط عايق استفاده كنيد و هر جا كه سيم پوشش خود را از دست مي دهد آان را عايق كنيد . سيستم ولتاژ بالا و خود دستگاه ليزر بايد بر روي پايه هاي محكم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالي برخورد سيم ها جلو گيري شود.
به هنگام كار كردن با چنين سيستمي بسيار دقت كنيد تا سيمهاي كاتد و انود 2 اينچ به ازاي هر 10 كيلو ولت از هم فاصله داشته باشند. تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال كوتا اجتناب شود.
الكترود ها :
يكي از مهمترين اجزاي يك ليزر الكترود هاي آن مي باشد. همان طور كه قبلا نيز اشاره شد ، الكترود ها با آزاد كردن الكترون هاب اوليه نقش مهمي در شروع عمل ليز ، ايفا مي كنند . در ليزر هاي مختلف ، انواع متعددي از الكترودها استفاده مي شود. در ليزر هاي co2 به طور معمول از الكترود هايي از جنس آلو مينيوم استفاده مي شود. چراكه آلومينيوم داراي الكتونهاي ظرفيت مناسب جهت ازاد شدن توسط ولتاژ بالا مي باشد . همچنين از انجا كه سطح الومينيوم هميشه پوشيده از يك لايه اكسيد آلومينيوم است اين امر به ازاد كردن الكترون هاي بيشتري كمك مي كند. در طرح ليزر از ورقه هاي نازك و انعطاف پذير آلومينيوم براي ساخت كاتد و آنود استفاده مي كنيم . روش كار به اين صورت است كه درو قطعه ورقه الومينيوم با عرض 3 و طول 15 سانتي متر تهيه مي كنيم . سپس اين ورقه ها را به شكل استوانه هايي هم قطر با تيوپ ليزر يعني به قطر 2.5 سانتي متر لوله مي كنيم و در دو انتهاي تيوپ ليزر فرو ميكنيم . سپس يك سانتي متر از هر طرف را از لوله خارج كرده و بر روي خود تيوپ خم مي كنيم . پس از اتصال سيم هاي رابط جريان به ورقه هاي آلومينيوم ، آن قسمت از تيوپ را كه ورقه هاي آلومينيوم بر روي آن تا خورده به شدت عايق بندي مي كنيم تا از هرگونه تماس با آن ها غير ممكن شود .
لازم به ذكر است ، سيتم آينه ها و پيچ هاي تنظيم كه قبلا توضيح داده شد بايد پس از عايق بندي الكترود ها و لوله كاواك به انتهاي ليزر متصل شود. چراكه اگر بدون عايق بندي عمل شود ، خطر برق گرفتگي وجود دارد.
محاسبه تقريبي توان ليزر :
ليزر هاي گونتگون با نوجه به سيستمي كه در ساخت آنها به كار برده شده از قبيل : نوع ماده ليزي ، طول كاواك ليزر ، روش هاي گوناگون دمش و نوع سيستم خنك كننده داراي توان هاي خروجي متفاوتي هستند.
براي محاسبه توان خروجي ليزر روش هاي گوناگوني وجود دارد كه بسياري از آنها حاوي فرمول هاي سخت و پيچيده است و نياز مند اطلاعات دقيقي از قسمت هاي مختلف دستگاه مي باشد .
در اينجا يك راه پيشنهادي و ساده جهت محاسبه توان تقريبي ليزر ارائه مي شود كه مي تواند مفيد باشد .
جهت محاسبه توان خروجي، پرتوي ليزر را به يك مايع كه ظرفيت گرمايي آن براي ما مشخص است مي تابانيم و در مدت زمان تابش ، تغييرات دمايي را اندازه مي گيريم . با محاسبه انرژي گرمايي مي توان توان خروجي ليزر را از رابطه معروف p=w/t بدست آورد . يكي از مناسب ترين مايعاتي كه مي توان از آن استفاده كرد آب مي باشد . چرا كه ظرفيت گرمايي آن مشخص است و به راحتي در دسترس مي باشد . اما براي محاسبه توان دقيق بايد ضريب بازتابش سطح آب را نيز به هنگام محاسبات در نظر بگيريم .چرا كه مقداري از پرتوي تابيده شده به سطح آب ، توسط سطح بازتابيده مي شود . استفاده از مايعاتي با ظريب بازتابش كمتر ، محاسبات را دقيقتر مي كند.
تلفات ليزر :
راه هاي متفاوتي براي اتلاف در ليزر وجود دارد كه به كاهش توان خروجي ليزر منجر مي شود . در زير به برخي از آنها اشاره مي شود كه تلاش براي رفع هر كدام از موارد ذكر شده باعث افزايش توان خروجي ليزر است .
- جذب و پراكنده كردن نور توسط آينه ها .
- پراش از لبه آينه ها .
- عبور نور از آينه ها قبل از رسيدن به حد آستانه تابش .
- پخش و پراكندگي پرتوها توسط ماده ليزري به دليل عدم يك نواختي ماده از نظر اپتيكي .
- جذب ماده ليزري و گسيل تابش هايي كه مورد نظر ما نيست.
- كاهش توان خروجي به دليل گرماي حاصله از عمل ليز كه ميتواند باعت بالا رفتن دماي آينه ها ، كاواك ليزر و يا الكترود ها شود .
- كاهش توان خروجي به دليل عدم وجود خلا كامل در كاواك قبل از جريان دادن گاز درون كاواك.
تعدادي از عوامل اتلاف ذكر شده از جمله تلفات ناشي از گرم شدن سيستم و يا پراش از لبه هاي آينه ها قابل رفع است كه قبلا در مورد آنها توضيح داده شد . تعدادي ديگر از عوامل نيز با استفاده از مواد مناسب در ساخت ليزر قابل رفع است .
به طور كلي هر جه بيشتر بتوانيم در رفع عوامل بالا تلاش كنيم ، توان خروجي بيشتري خواهيم داشت .
ايمني ليزر :
بيشتر ليزر ها تابشي گسيل مي كنند كه با احتمال خطر همراه است . درجه خطرناكي ليزر به مشخصات خروجي ليزر ، طريقه استفاده و تجربه فردي كه از آن استفاده مي كند بستگي دارد .
از مشخصه هاي تابش ليزر جمع شوندگي پرتوي آن است . اين امر به همراه انرژي بالاي ليزر مي تواند انرژي زيادي به بافت هاي فيزيو لوژيكي بدن منتقل كند.از آنجا كه پرتو هاي ليزر داراي طول موج هاي متفائتي هستند ، مي توانند به بافت هاي مختلف بدن با توجه به قابليت جذب آنها آسيب برسانند . جذب تابش باعث افزايش دما مي شود و به قطع شدن اتصالات مولكولي مي انجامد .
يكي از آسيب پذير ترين قسمت هاي بدن تا آنجا كه به تابش ليزر مربوط مي شود ، چشم انسان است . اين امر به اين دليل است كه عدسي چشم ، پرتوي تابيده شده از ليزر را در ناحيه اي به شعاع حدود چندين برابر طول موج ليزر با چگالي بالاي انرژي متمركز مي كند .
ميزان خسارت به طول موج بستگي دارد به طوري كه تابش در نواحي ماورائ بنفش و مادون قرمز كه توسط قرنيه جذب مي شود ، باعث صدمه ديدن آن مي شود و جذب در ناحيه مريي باعث آسيب ديدن شبكيه مي گردد.
اين جذب ها توسط چشم مي تواند به سوختگي يا نقص بينايي منجر شود .
پوست مي تواند بيشتر از چشم مورد تابش قرار گيرد . پوست ممكن است در تابندگي سطح بالا تاول بزند و يا آسيب كمتري ببيند . در مورد پوست هم ميزان خسارت به طول موج تابش و ميزان جذب بستگي دارد به يژه در محدوده پرتوهاي ماورائ بنفش .
معمولا مكان هايي كه دستگاه هاي ليزر در آن ها قرار دارد ، با چراغ هاي اخطار و متوقف كننده هاي پرتو تجهيز مي شوند . در اين مكان ها از موادي كه بازتاب كننده پرتو هستند نيز استفاده مي گردد . به هنگا كار كردن با لبزر ها بايد از عينك هاي محافظ چشمي استفاده كرد و با توجه به اينكه در ليزر ها معمولا از مولد هاي ولتاژ بالا استفاده مي شود ، رعايت نكات ايمني در اين مورد نيز ضروري مي باشد .
منابع :
Sams FAQ in laser construction
Laser principle and application /J.Wilson – J.F Havaks
Laser miloni
