لیزرهای دیسک
لیزر دیسک نازک
ليزر ديسك نازک[1] نوعي از ليزر حالت جامد دمیدۀ دیودی ميباشد كه ويژگي اصلي آن توليد خروجي ليزر با توان بالا و در عين حال باکیفیت پرتو مناسب است [[1]]. در اين ليزر محيط فعّال به شكل یک دیسک نازك با ضخامت چند صد ميكرون و معمولاً از جنس Yb:YAG است. چون محيط فعال ليزر ديسك در اصل يك آينه اپتيكي با ضريب بازتاب بيشتر از يك (علاوه بر بازتاب پرتو ورودي، تقويت اين پرتو هم صورت ميگيرد) است در ابتدا ليزرهاي ديسك را آينههاي فعّال[2] ميناميدند [[2]].
در مقايسه با ليزرهاي ميلهاي شكل، ضخامت ديسك خیلی کمتر از قطر آن است (شکل 1). اين مسئله منجر به خنك‌سازي بهتر ماده فعّال شده و باعث کاهش بروز خواص اپتيكي نامطلوب همچون عدسی حرارتی[3] و پدیدۀ دوشكستي[4] در مادۀ فعال ميشود. به همين دليل علاوه بر قابلیت دسترسی به توانهای بالا، ليزرهاي ديسك قابلیت دستیابی به کیفیت پرتو بسيار مناسبي را نیز دارند [[3]]. اين ويژگي‌ها باعث گرديده تا استفاده از لیزر دیسک در صنعت و فرآوری مواد با مزایای بسیاری همراه شود، که یکی از این مزایا کاهش قطر پرتو لیزر بر روی قطعۀ کار است؛ در نتیجه چگالی توان افزایش پیدا می‌کند و موجب کاهش زمان انجام کار میشود.
شکل 2. طرحواره از ديسك نازك در حين دمش. گرما در جهت طولي خارج ميشود و اثر عدسی حرارتي كاهش مييابد.
شکل 1. محیط فعّال لیزرهای (الف) تیغه شکل (ب) میله‌ای شکل (ج) دیسک شکل
همچنین با توجه به اینکه در لیزر دیسک از دیود لیزرها به عنوان منبع دمش استفاده میشود، از این نظر لیزر دیسک همۀ مزایای لیزرهای دمیدۀ دیودی را نسبت به انواع دیگر لیزرها را دارا است. این مزایا شامل طول عمر نسبتاً زیاد (حدود 10000 ساعت)، بازده اپتیکی بالا و سادگی منبع تغذیه و سیستم کنترلی و همچنین ولتاژ کاری پایین است.
اولین آينههاي فعّال در آزمايشگاه لیزر انرژتیک[5] (USA) ساخته شد [2] و سپس در گروههاي تحقيقاتي مختلف، به‌ویژه در دانشگاه اشتوتگارد[6] (آلمان) توسعه پيدا کرد [4].
ليزر ديسك در دهه 1990 به‌وسیله گروه آدولف گیسن[7] در دانشگاه اشتوتگارد آلمان معرفی شد [[4] و [5]]. اختلاف اصلي آن با ليزرهاي ميلهاي و تیغه‌اي در هندسه محيط فعّال و نوع خنک‌سازی آن است. معمولاً خنک‌سازی آن از سمت سطح انتهایی دیسک صورت می‌پذیرد و گرماي تولیدشده از طريق همین سطح از ديسك خارج ميشود يعني انتقال گرما در جهت طولي بيشتر از جهت عرضي است (شکل 2). همچنين سطح خنك شده داراي یک‌لایه دی‌الکتریک با بازتابندگی پرتو دمش و ليزر ميباشد.
در اينجا باید به دو نكته توجه نمود:
اولاً ليزرهاي ديسك را نبايد با ديسكهاي ليزري[8] (محيط ذخيره اپتيكي ديسك شكل) اشتباه گرفت.
ثانیاً ليزرهاي ديسك را نبايد با ديسكهاي ليزر فيبر[9] (سیم‌پیچ‌های ديسك شكلي از ليزر فيبر كه از كنار دمش ميشوند) اشتباه گرفت.
2.تاريخچه
در سال 1991 آقاي فان[10] از دانشگاه MIT[11] در گردهمایی LEOS[12] درباره ليزر Yb:YAG صحبت كرد و اشاره كرد عليرغم داشتن ترازهاي انرژي مناسب نمي‌توان با استفاده از اشكال رايج ليزرهاي حالت‌جامد (عمدتاً ميلهاي) با اين محيط فعّال به توانهاي بسيار بالا دست‌یافت و علّت آن عدم قابليت اين هندسه‌ها در خنک‌سازی كافي است؛ چراکه اين ماده از لحاظ ليزري يك ماده شبه سه ترازي است و تراز پایین ليزري به تراز پايه كه دمش از آن آغاز ميگردد بسيار نزديك است [17]. در دماي اتاق كسري (حدود 5/5%) از اتم‌ها در اين تراز هستند و با افزايش دما در اثر دمش اين كسر افزايش يافته و باعث كاهش بازدهي سيستم ميشود. در آن زمان توان حاصل از محيط فعّال Yb:YAG در شكل ميلهاي از مرز چند وات تجاوز نميكرد. البته بعدازآن در سال 1998 توان حدود 1 كيلووات با بازده اپتيكي 25% از محيط فعّال ميلهاي شكل با دمش جانبي گزارش شد [[6]].
يكي از حضار اين گردهمایی آقاي گیسن از دانشگاه اشتوتگارت (IFSW) بود. وي بعدازاین گردهمایی يك سري محاسبات اولیه انجام داد و به اين نتيجه رسيد كه اگر شكل محيط فعّال Yb:YAG به‌صورت ديسك نازكي باشد كه از يك یا دو وجوه بزرگ خنك شود، ميتوان توان قابل حصول از اين محيط فعّال را افزايش داد. وي با همكاري براچ[13] از DLR و ووس[14] و ویتیگ[15] از دانشگاه IFSW اولين لیزر دیسک را در سال 1992 توسعه دادند و در اواخر بهار 1993 موفق به ثبت توان 2 وات و سپس 4 وات شدند [[7] و[8]].
در سال 1995 اولین ليزر قفل مدي با پهناي پالس كمتر از پيكوثانيه با استفاده از ليزر ديسك Yb:YAG توسط گیسن و همكاران گزارش شد [[9]]. در همان سال توان پيوسته 10 وات [[10]]، در سال 1998 توان پيوسته 100 وات [[11]] و در سال 2000 توان 1 كيلووات [[12]] از اين ليزر گزارش شد.
سال‌هاي توسعه اوليه اين ليزر مصادف بود با زماني كه وزارت تحقيقات و فناوري آلمان، ليزر را به‌عنوان يك فنّاوری كليدي براي فراوري مواد تشخيص داده بود و اهتمام زيادي بر همكاري صنعت و مراكز پژوهشي براي ارتقاي اين فناوري به وجود آمده بود. اين شرايط مساعد باعث شد تا شركتهاي مهم و قدرتمندي مثل ترامف[16]، جناپتیک[17]، رافین سینار[18] در زمينه ليزر ديسك وارد كار شده و تحقيقات در حال انجام در IFSW را به‌صورت مناسبي پشتيباني كنند. در حال حاضر ليزر ديسك در شركتهاي تجاري مختلفي ساخته و عرضه ميگردد ولي شركت ترامف به‌عنوان پيشرو در اين زمينه شناخته ميشود به‌نحوی‌که اكثر ركوردهاي جديد در زمينههاي مختلف ليزر ديسك از اين شركت گزارش ميشود. محصولات تجاري اين شركت ليزر پيوسته تك ديسك تا توان 4 كيلووات، چهار ديسك تا توان 16 کیلووات، ليزر هماهنگهاي بالاتر و پالس كوتاه و ... را شامل ميگردد.
توان 10 كيلووات از يك ديسك بيشترين تواني است كه تاكنون گزارش‌شده است. اين نتيجه كه به‌صورت آزمايشگاهي توسط ترامف گزارش‌شده منجر شده كه اين شركت تصميم بگيرد توان هر ديسك را در محصولات تجاري خود به 6 كيلووات ارتقا دهد. در زمينه ليزرهاي پالسي، پالسهاي با طول زماني 30 نانوثانيه و با توان ميانگين 750 وات و انرژي 80 ميلي ژول به‌صورت تجاري توسط اين شركت در دسترس است. در كار آزمايشگاهي نيز در سال 2014 پالسهاي 20 نانوثانيه با انرژي بيش از 180 ميلي ژول و توان ميانگين بيش از 4 كيلووات توسط اين شركت گزارش‌شده است. بالاترين توان ميانگين هماهنگ دوم Yb:YAG (515 نانومتر) توسط اين شركت به ثبت رسيده است. 700 وات در سال 2010 و 1800 وات در سال 2014 كه اولي منجر به عرضه محصول 300 واتي شده است و احتمالاً بر مبناي ركورد دوم محصولي باقابلیت‌های بيشتر ارائه خواهد شد. در ركورد اخير 500 وات هماهنگ سوم Yb:YAG (343 نانومتر) نيز گزارش‌شده است كه ازجمله نتايج منحصربه‌فرد است كه با اين هندسه ارائه‌شده است. با استفاده از فن تشدیدگر چند ديسكي توان 24 كيلووات پيوسته ثبت‌شده است و محصول 16 كيلووات پيوسته آن به‌صورت تجاري عرضه ميشود [[13]]. البته بهترین لیزر دیسک نازک ازلحاظ توان و کیفیت باریکه مربوط به شرکت بوئینگ[19] است؛ این شرکت لیزر دیسک نازکی با توان خروجی 27 کیلووات باکیفیت پرتو نزدیک به حدّ پراش، ساخته و ارائه داده است [[14]].
3.طراحي
تقریباً تمام مواد حالت‌جامد شناخته‌شده را میتوان به‌عنوان محیط بهره در لیزر دیسک استفاده نمود. اولین و بیشترین ماده مورداستفاده در لیزرهای دیسک نازک Yb:YAG بوده است. Yb3+ یک مادّه شبه سه ترازی است که دارای مزایای از قبیل نقصان کوانتومی[20] کم، طول عمر زیاد ترازبالای لیزر، نبود فرایندهای خاموشی غلظت[21]، جذب حالت‌های برانگیخته و فرایندهای Upconversion است [[15]]. عملکرد Yb3+ در لیزر دیسک نازک در چندین میزبان مانند YVO4، Sc2O3، Lu2O3، KY(WO4)2، KGd(WO4)2، LaSc3(BO3)4، Ca4YO(BO3)3 و NaGd(WO4)2 بررسی‌شده است. همچنین یونهای فعّال دیگری نیز از قبیل هولمیوم در YAG و نئودیمیوم در YAG و YVO4 در لیزر دیسک نازک استفاده‌شده است [17].
در طراحی‌های متداول سطح پشت دیسک با لايه‌اي با بازتاب بالا، در طول‌موج‌هاي ليزر (در لیزر Yb:YAG، 1030 نانومتر) و دمش (در لیزر Yb:YAG،940 نانومتر)، و سطح جلو ديسك با لایه‌ای ضد بازتاب در هر دو طول‌موج پوشش داده ميشود.
3.1. چیدمان دمش
معمولاً منبع دمش ليزرهاي ديسك با استفاده از آرايههاي ديودي توان بالا، در شكلهاي فايبر كوپل و یا انتقال توان از طريق المان اپتیکی است. پرتو دمش ابتدا توسط فيبر و يا عبور از آرايه اپتيكي به‌صورت همگن درآمده و به سطح ديسك تابيده ميشود. به دليل ضخامت نازك ديسك با یک‌بار رفت‌وبرگشت پرتو دمش از داخل ديسك، تنها بخش اندكي از آن جذب ميشود. اين مشكل به‌طورمعمول با استفاده از ساختار چند عبوري[22] پرتو دمش با طراحي اپتيكي مناسب حل میشود. اين طراحي شامل آينه شلجمي[23] و منشورهاي بازتابش[24](یا آینههای خمش[25]) ميباشد (شکل 3). اين ساختار اجازه دسترسي به چيدماني براي مثال با 8، 16 یا 32 مرتبه عبور پرتو دمش از داخل ديسك و با جذب بالای 90 درصدی، بدون لزوم داشتن پرتو دمش باکیفیت را به وجود ميآورد. این امر موجب افزايش چگالي مؤثر توان دمش و درنتیجه افزایش بازدهي ليزر ميشود. علاوه بر این، استفاده از روش دمش چند عبوري اين مزيّت مهم را داراست كه ديسك نازک‌تر با آلایندگی كمتر بكار مي‌رود و درنتیجه اثرات حرارتي مانند عدسی حرارتي و تنش‌های ترمومکانیکی كاهش مييابد.
شکل 4. سيستم خنک‌کننده شامل چاهك گرمايي خنك شونده آبي به همراه خنك‌ساز فورانی
3.3.تشدیدگر
شکل 5 دو طرح اوليه تشدیدگر براي ليزرهاي ديسك نازك دمش ديودی را نشان ميدهد كه معمولاً ديسك داراي ضخامت 1/0 تا 2/0 میلی‌متر و قطر 5 تا 15 میلی‌متر است. در يك ليزر تك ديسك، پرتو دمش بعد از عبور از المانهای اپتیکی، با روشن كردن سطح ديسك و عبور از داخل آن، محيط فعّال (معمولاً ايتربيم[30] در داخل بلور) را برانگيخته کرده و با بازتاب از سطح پشت ديسك و عبور مجدد از داخل آن باعث برانگيخته شدن اتمهاي بيشتري ميشود. لايههاي بازتابي پشت ديسك به همراه آينه خروجي تشكيل كاواك تشدیدگر[31] را ميدهند، كه پرتو ليزر را توليد ميكند (شکل 5 الف). در اين مثال ساده گسيل پرتو در راستای عمود به صفحه ديسك است. دو ديسك يا تعداد زيادي ديسك ميتوانند در يك سري اپتيكي و در يك كاواك خم‌شده[32] قرار گيرند، همانند كاواكهاي ليزر W شكل دو ديسكي (شکل 5 ب)، كه باعث افزايش بهره در داخل كاواك و افزايش توان خروجي ميشود.
شکل 3. ساختار چند بار عبوری پرتو دمش
3.2.خنک‌سازی
به دلیل ضخامت نازك ديسك (100-200 ميكرون براي Yb:YAG) افزايش دماي مربوط به توان اتلاف شده كم است. با وجود اینکه چگالی حرارتی در دیسک نسبتاً بالا است ولی گراديان دمايي غالباً در جهت عمود بر سطح ديسك است كه اين سبب ضعيف بودن عدسی حرارتي[26] و اتلاف ناشی از به هم خوردگی قطبش[27] ميشود. اين امر باعث عملكرد ليزر باکیفیت پرتو بسيار بالا ناشي از واپيچشهاي حرارتي ضعيف پرتو[28] و عملكرد پايدار در بازه وسيع از توانهاي دمش ميباشد. در این طراحی، ديسك از انتها با استفاده از لحیم یا چسب خاص به سيستم خنک‌کننده چسبانده ميشود (شکل 4). براي كاهش استرس ناشي از اين اتصال، سيستم خنک‌کننده از ماده‌‌اي با ضريب حرارتي منطبق با ديسك (مانند مس-تنگستن) ساخته ميشود.
سيستم خنک‌کننده كه يك چاهك گرمايي خنك شونده آبي است، به روش خنك‌سازي فوراني[29] با استفاده از چندين پاشنده عمل ميكند (شکل 4). علاوه بر این به دلیل بالا بودن نسبت سطح به حجم محيط فعّال، انتقال حرارت از ديسك به چاهك گرمايي از بازده بالايي برخوردار است كه اين امر به عملكرد ديسك در چگالي‌هاي توان بسيار بالا منجر ميشود.
شکل 5. طرحواره كاواك ليزر ديسك نازك (الف) با يك تك ديسك در كاواك خطي (ب) و با یک جفت ديسك در كاواك W شكل. پرتو از ديودهای دمش به سطح ديسك برخورد ميكند. رنگ قرمز، تشدیدگر را نشان ميدهد و ديسك نازك هم آبي است.
4.عملكرد در مد پالسي و پيوسته
ليزر پيوسته پرتوان
ليزر Q سوئيچ
ليزر قفل مدي
توان خروجی در لیزر دیسک نازک به چند صورت قابل‌افزایش است. اولاً با افزايش توان دمش و قطر ديسك، ميتوان توان ليزر را افزايش داد. دوماً با افزایش تعداد عبورهاي پرتو دمش از ديسك، بدون تغيير در ابعاد و يا آلایندگی ديسك، توان ليزر افزايش مييابد. راه سومی برای افزایش توان خروجی، استفاده از چندین دیسک در یک تشدیدگر میباشد؛ یعنی سری کردن چندین دیسک به‌طور اپتیکی است [17]. روش چهارم افزایش توان با افزایش قطر دمش در شدت دمش ثابت میباشد که این مشخصه بسيار مهمي از هندسه ديسك نازك است. قابليت افزايش توان[33] يك فرایند ساده است. براي مثال، توان خروجي را ميتوان با دو برابر كردن توان دمش به دو برابر ناحيه روي ديسك دو برابر كرد، درحالی‌که ضخامت ديسك و سطح آلايندگي ثابت نگه‌داشته شده است. تشدیدگر ليزر را ميتوان براي دو برابر كردن ناحيه مد در ديسك بهينه كرد. با توجه به فرايند افزايش توان، اين طرح با توان خروجي دو برابر، داراي پيك شدت اپتيكي بدون تغيير و دماي ماكزيمم تقریباً ثابت (كه ضرورتاً نياز به دو برابر كردن ناحيه خنك شده دارد) در ديسك است. همچنین به دلیل اثرات حرارتی ناچیز در لیزر دیسک، کیفیت پرتو تقریباً مستقل از توان بوده و میتوان توان خروجی از دیسک را بدون تغییری در کیفیت باریکه آن افزایش داد [[16]].
پدیده گسيل خودبه‌خودی تقویت شده[34] (ASE) باعث محدودیت در دسترسی به توانهای بسیار بالا با چندین کیلووات از تک دیسک میشود. با این حال، استفاده از يك ديسك تركيبي[35] با يك بخش غير آلاینده شده در بالاي لايه آلاینده شده ميتواند به‌شدت ASE را كاهش دهد [1]. چون بهره Yb:YAG با آلایندگی کم پایین میباشد، بنابراین ASE تنها در سطح توانهای دمش بسیار بالا رخ میدهد. با استفاده از مدلهای عددی توان خروجی بیش از 40 کیلووات از یک تک دیسک گزارش شده است [[17]].
4.1.توليد پالس Q سوئيچ شده
امروزه سامانه‌های ليزري پالسي بسياري در رژیم‌های میکروثانیه، نانوثانيه، پيكوثانيه و فمتوثانيه ساخته و ارائه‌شده‌اند. تمامي اين سامانه‌ها داراي كيفيت باريكه عالي و بازدهي بالا هستند. ليزرهاي ديسك نازك بسيار مناسب براي توليد پالسهاي نانوثانیه با انرژی بالا باکیفیت پرتو عالي ميباشد كه مناسب براي فعاليتهايي از قبيل پردازش ليزري مواد ميباشند. قطر بزرگ محيط فعّال در ليزرهاي ديسكي باعث ميشود شدت پرتو در محيط فعّال ديسك حتي در توانهاي بالا كم باشد. این‌یکی از امتيازهاي برجسته ليزر ديسك براي عملكرد پالسي است كه بسياري از گونه‌هاي ديگر ليزري مخصوصاً ليزرهاي فيبري (به دلیل سايز کوچک‌مغزی محيط فعّال و طول بلند آن) از آن محروم هستند.
علاوه بر این، هر چه طول عمر تراز بالايي ليزر بيشتر باشد ذخيره انرژي بهتري در آن صورت ميگيرد و مناسب‌تر براي توليد انرژي بالاتري ميباشد. محيط بهره Yb:YAG كه غالباً به‌عنوان محيط فعّال ليزر ديسك انتخاب ميشود ذخيره انرژي بهتري (طول عمر تراز بالايي بالا) را در مقايسه با مثلاً Nd:YAG ارائه ميكند. هرچند يك فاكتور محدودکننده در ليزرهاي ديسك، بهره كم (در مقايسه با ليزرهاي ميلهاي دمش شونده از انتها) ميباشد كه دستیابی به پالسهاي بسيار كوتاه (چند نانوثانيه) با روش Q سوئيچ ساده را مشكل ميكند كه با تركيب آن با روش ميرا شونده كاواك[36] ميتوان پالسهاي كوتاه را به دست آورد.
4.2.ليزرهاي حالت‌جامد پرتوان قفل مدي:
ليزرهاي ديسك نازك به‌ویژه براي توليد پالسهاي فوق كوتاه در توان بالا بسيار جذاب ميباشند. علاوه بر قابليت توان بالا این لیزرها داراي مزيتهاي زير ميباشند [1]:
دستیابی آسان به عملكرد حد پراش (كه اين يك پیش‌نیاز براي عملكرد قفل مدي ميباشد)
پهناي بهره زیاد Yb:YAG (كه تاكنون مناسب‌ترين محيط بهره شناخته‌شده براي ليزرهاي ديسك نازك قفل مدی ميباشد)
رفتار غیرخطی بسيار ضعيف ديسك نازك (باوجوداینکه شدت قله پرتو داخل كاواك بسيار بالا ميباشد اما رفتار غیرخطی بسيار ضعيف باعث دور شدن از جابجایی فازی غیرخطی اضافي[37] ميشود.)
ليزرهاي ديسك نازك قفل مدي به‌عنوان اولين ليزرهاي فمتوثانيه باقابلیت افزايش توان شناخته‌شده‌اند [1]. يكي از چالشهاي اوليه در ليزرهاي ديسك با پالسهاي فوق كوتاه، پيدا كردن مکانیسم قفل مدي مناسب ميباشد. در حقيقت طراحي این‌چنین ليزرهايي شامل ريزه‌كاريهايي مثل چاه سوزي فضايي[38] و جبران پاشندگي[39] و ... ميباشد.
مزيت اصلي ليزرهاي ديسك نازك قفل مدي، غیرخطی نبودن محیط فعّال آن است چون نور در داخل كاواك تنها از طريق محيط ليزر حالت‌جامد بسيار كوچكي عبور ميكند. قطر لکه لیزر در روی ديسكهاي نازك بزرگ است و غالباً انتشار پرتو در داخل كاواك ليزر از طريق هوا اتفاق ميافتد، بنابراين اثرات غیرخطی ناچیز است. در ليزرهاي ديسك، چون فضاي آزاد داريم ميتوانيم توان پيك دلخواه بدون غیرخطی بودن را داشته باشيم [[18]].
ليزرهاي ديسك نازك قفل مدی با ميانگين توان خروجي بيش از 100 وات ساخته شده‌اند [[19]، [20] و [21]]. انرژي پالس بيش از 10 ميكرو ژول با طول پالس کمتر از پيكوثانيه [[22]، [23] و [24]]، يا 80 ميكرو ژول با طول پالس پيكوثانيه امکان‌پذیر ميباشند [21]. درحالی‌که طول پالس با Yb:YAG در حدود 700 تا 800 فمتوثانيه است، پاسهاي كوتاه‌تر با آلايش ايتربيم در بلور تنگستن[40] در قالب محيطهاي فعّالي همچون Yb:KGW يا Yb:KYW امکان‌پذیر است [[25]]. حتي با Yb:YAG لیزر پالسی با طول پالس در حدود 200 فمتوثانيه با استفاده از قفل مدي عدسی كر[41] ساخته‌شده است [[26] و[27]].
5.كاربردها
جوشكاري و لحیم‌کاری
برش و سوراخ‌کاری
عمليات سطحي و فرايندهاي ميكروني
5.1.جوش ليزري و لحیم‌کاری ليزري
روشهاي متنوعي براي اتصال فلزات با استفاده از پرتو ليزر وجود دارد كه ميتواند قطعات را به‌صورت سطحي يا عميق به هم جوش دهد. جوشکاری ليزري را ميتوان با روشهاي متداول جوشكاري تركيب و نیز براي كاربردهاي لحیم‌کاری استفاده كرد.
حتي زماني كه جوشكاري را با استفاده از پرتوهاي ليزر پيوسته انجام ميدهيم تأثیر ناحيه گرم شده و همچنين گرماي مؤلفه به‌طور قابل‌توجهی كمتر از روشهاي جوشهاي آركي و پلاسمايي است. انرژي اعمالي به روش ليزري را ميتوان به‌خوبی تصویر، تنظيم و ثابت نگهداشت يا به‌دقت كنترل كرد.
مواد با نقطه ذوب بالا و همچنين رسانندگي گرمايي بالا را ميتوان با استفاده از ليزر جوش داد. به خاطر مقدار كم ماده ذوب‌شده و زمان ذوب قابل‌کنترل و کوتاه، بعضي از مواد ميتوانند باهم تركيب شوند كه با روشهاي جوشكاري متداول جوش داده نمی‌شوند.
در لحیم‌کاری، قسمت جفت شده با استفاده از مواد پركننده يا لحيم به هم اتصال داده ميشوند. سطح درز لحیم‌کاری شده صاف و تميز است. چون درز لحیم‌کاری شده نياز به پرداخت ندارد اغلب در صنايع اتومبیل‌سازی براي ساخت قطعات بدنه از قبيل سقف و صندوق اتومبيل از لحیم کاری لیزری استفاده ميشود.
كه شامل:
جوش نقطهاي و جوش لبه
جوشكاري رسوبي
جوشكاري پيمايشگري
جوشكاري هيبريدي
جوشكاري هدايت حرارتي
جوشکاری نفوذي عميق
لحیم‌کاری
جوشكاري پلاستيك
5.2.برشكاري و سوراخ‌کاری ليزري
از ليزر ميتوان براي كاربردهاي متنوعي از برش استفاده كرد. از برش ميكرومتري دقيق اتصالات در ورقههاي نازك چيپهاي نیمه‌رسانا گرفته تا برشهاي باکیفیت ورقهاي ضخيم 30 میلی‌متری را شامل ميگردد. در سوراخ‌کاری ليزري، پرتو ليزر ميتواند بدون تماس گرفتن، سوراخهاي بسيار كوچك تا بزرگ را در فلز، پلاستيك، كاغذ و سنگ ايجاد كند.
در مكاني كه پرتو متمرکزشده ليزر با قطعه تماس پيدا ميكند، گرماي ناشي از آن ماده را ذوب يا حتي بخار ميكند. زماني كه قطعه به‌صورت كامل سوراخ ميشود، فرايند برش آغاز ميشود؛ پرتو ليزر طرح را دنبال ميكند و ذوب مواد انجام ميشود. معمولاً براي خارج كردن ماده ذوب‌شده جرياني از گاز به سمت مواد ذوب‌شده هدايت شده و به سمت بيرون برش دميده ميشود. شكاف ایجادشده در برش‌کاری ليزري بزرگ‌تر از پرتو ليزر متمرکز شده ميباشد.
در سوراخ‌کاری ليزري با استفاده از پالسهاي كوتاه، مواد را با استفاده از چگالي توان بالا پرتو ذوب و بخار ميكند. به علت فشار بالاي اعمالي، مواد ذوب‌شده به خارج از سوراخ هدايت ميشود.
كه شامل
برش شعله
برش همجوشي (گداخت)
برش تصعيد
سوراخ‌کاری
5.3.عمليات سطحي
صفحات پردازش‌شده در عمليات سخت‌کاری ليزري داراي قسمتهايي بسيار مقاوم به فشار ميشوند که بر اساس بسياري از پردازشهاي متداول، يك سري فرايندهاي براي اين مقصودها وجود دارد. مواد پرداخت‌شده ليزري به‌صورت لايه مقاوم، لايههاي سطحي جديدي را براي لايههاي زيرين به وجود ميآورند.
عمليات سخت‌کاری ليزري، بخشهايي را با مقاومت فشاري بالا به وجود ميآورند؛ كه اين فرآيندها باعث سختي و دوام، تغيير ساختار و ايجاد لايههاي محافظ براي سطح ميباشد.
كه شامل:
سخت‌کاری ليزري
شکل‌دهی ليزري
لايه نشاني ليزري
علامت‌گذاری ليزري
فرايندهاي ميكروني
در علامت‌گذاری ليزري و فرايندهاي ميكروني ليزري، تغييراتي در سطح قطعه ايجاد ميشود. علامت‌گذاری ليزري شامل فرايندهاي متعددي از قبيل: حكاكي، ساييدگي، بازپخت، رنگ‌کاری، شکل‌دهی ميباشد. كه هرکدام از اين فرايندها به نوع ماده و كيفيت موردنیاز بستگي دارد.
لیزر دیسک نازک دارای مزیت‌هایی از قبیل بازتاب‌های مخرب کم، قابلیت انتقال از طریق فیبر نوری، و همچنین افزایش توان را نسبت به لیزرهای مشابه را در کاربردهای صنعتی خود دارا میباشد.
شکل 6. ساخت لیزر دیسک در مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران
7.مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران
مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران با توجه به رسالت خود در راستای گسترش علوم و فنّاوری‌های مرتبط با لیزر، با مطرح‌شدن لیزر دیسک به‌عنوان رقیبی جدی برای دیگر لیزرهای پرتوان، فعالیتهای تحقیقاتی در زمینۀ این نوع لیزرها را آغاز نمود. این فعالیتها شامل مراحل مطالعات و محاسبات همچنین ایجاد زیرساختها و فنّاوری‌های لازم بوده و خوشبختانه علیرغم فاصلۀ نسبتاً زیاد با مراکز تحقیقاتی دنیا ازلحاظ زیرساختها و تجربیات کاری در این زمینه، نتایج به‌دست‌آمده در حال حاضر قابل‌مقایسه با نتایج معتبرترین مراکز تحقیقاتی مرتبط میباشد.
لیزرهای دیسک نازک با توان بالا به‌عنوان یک لیزر راهبردی در مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران طراحی و ساخته‌شده است. ساخت این لیزرها را میتوان به‌عنوان گامی مهم درراه توسعۀ زیرساخت‌های صنعتی و پژوهشی کشور تلقی نمود. این لیزرها قابلیت استفاده در صنایع مختلف به‌عنوان ابزار برش، با سرعت و کیفیت برش بهتر، ابزار جوش باقابلیت جوشکاری در فلزات متنوع را دارند.
6.جدیدترین دستاوردهای جهانی
جدیدترین فعالیتها و رکوردها در زمینه لیزر دیسک مربوط به دانشگاه اشتوتگارد میباشد که این فعالیتها شامل تولید تقویت‌کننده لیزر دیسک نازک فوق‌سریع چند عبوری[42] با میانگین توان خروجی 1/1 کیلووات، با مشخصه پرتو در حد پراش، بازده اپتیکی 44 درصد، نرخ تکرار 800 کیلوهرتز، انرژی 38/1 میلیژول و طول پالسهای 8/3 پیکوثانیه میباشد [[28]].
همچنین با استفاده از یک تک بلوره لیزر دیسک نازک Yb:YAG، توان خروجی 815 وات با M2 کوچکتر از 4/1 به‌دست‌آمده است. این کار با استفاده از آینههای تشدیدگر تغییر شکل‌پذیر[43] برای جبران واپیچش جبهه موج غیر کروی انجام شده است. فاکتور انتشار پرتو این لیزر برای همه بازه توان کاری بهتر از 6/1 است. این بالاترین توان در مد اصلی از یک تک دیسک در تشدیدگر لیزر دیسک است [[29]].
شکل 7. نمونه از لیزر دیسک تولیدشده در مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران
مراجع
[1] Thin-Disk Laser
[2] Active Mirror
[3] Thermal Lensing
[4] Birefringence
[5] Laser Energetics
[6] Stuttgart
[7] Adolf Giesen
[8] Laser Discs
[9] Fiber Laser Disks
[10] T.Y.Fan
[11] Massachusetts Institute of Technology
[12] Laser and Electro-Optics Society
[13] Uwe Brauch
[14] Andreas Voss
[15] Klaus Wittig
[16] Trumpf
[17] Jenoptik
[18] Rofin Sinar
[19] Boeing
[20] Quantum Defect
[21] Concentration Quenching
[22] Multi Pass
[23] Parabolic Mirror
[24] Prism Retroreflection
[25] Bending Mirror
[26] Thermal Lensing
[27] Depolarization Loss
[28] Weak Thermal Beam Distortions
[29] Jet Impingement
[30] Ytterbium
[31] Resonant Cavity
[32] Folded Cavity
[33] Power Scalability
[34] Amplified Spontaneous Emission
[35] Composite Disk
[36] Cavity Damping
[37] Excessive Nonlinear Phase Shifts
[38] Spatial Hole Burning
[39] Dispersion Compensation
[40] Tungstate
[41] Kerr Lens Mode Locking
[42] Ultrafast Multi-Pass Thin-Disk Laser Amplifier enerating
[43] Deformable Resonator Mirror
[1] R. Paschotta, article on 'thin-disk lasers' in the Encyclopedia of Laser Physics and Technology, 1. Edition October 2008, Wiley-VCH, ISBN 978-3-527-40828-3.
[2] Abate, J. A., Lund, L., Brown, D., Jacobs, S., Refermat, S., Kelly, J., Gavin, M., et al., “Active Mirror: A Large-Aperture Medium-Repetition Rate Nd:Glass Amplifier,” Appl. Opt., 20: 351–361, 1981.
[3] New Thin-Disk Laser Record: 1.1 kW, 1.4 mJ / 7 ps, 800 kHz, M2 < 1.25 http://www.ifsw.uni-stuttgart.de/artikel/art13_06.html?__locale=en , 2013.
[4] Giesen, A., Hügel, H., Voss, A., Wittig, K., Brauch, U., and Opower, H., “Scalable Concept for Diode-Pumped High-Power Solid-State Lasers,” Appl. Phys. B, 58: 365–372, 1994.
[5] Giesen, A., and Speiser, J., “Fifteen Years of Work on Thin-Disk Lasers: Results and Scaling Laws,” IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 13: 598–609, 2007.
[6] Sumida, D.S, Bruesselbach, H., Byren, R., Mangin, M., Reeder, R.,”High-Power Yb:YAG rod oscillator and amplifiers”, Pros. SPIE, 3265,100, 1998.
[7] Giesen, A., Hugel, H., Voss, A., Wittig, K., Brauch, U., and Opower, H., “Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers”, Appl. Physics B, 58: 365, 1994.
[8] Giesen, A., Hugel, H., Voss, A., Wittig, K., Brauch, U., and Opower, H., “Diode-pumped high-power solid-state lasers: Concept and frist results with Yb:YAG”,Advanced Solid State Lasers, Washington,DC,OSA, 1994.
[9] Hönninger, C., Zhang, G., Keller, U., and Giesen, A., “Femtosecond Yb:YAG Laser Using Semiconductor Saturable Absorbers,” Opt. Lett., 20 (23): 2402, 1995.
[10] Brauch, U., Giesen, A., Karszewski, M., Stewen, C., and Voss, A., “Multi Watt Diode-Pumped Yb:YAG Thin Disc Laser Continuously Tunable Between 1018 nm and 1053 nm,” Opt. Lett., 20 (7): 713, 1995.
[11] Karszewski, M., Brauch, U., Contag, K., Erhard, S., Giesen, A,. Johannsen, I., Stewen, C., and Voss, A., “100 W TEM00 Operation of Yb:YAG Thin-Disc Laser with High Efficiency,” OSA Trends in Optics and Photonics (Advanced Solid-State Laser, vol. 19), eds. W. R. Bosenberg and M. M. Fejer, Washington, DC, OSA, 1998.
[12] Stewen, C., Contag, K., Larionov, M., Giesen, A., and Hügel, H., “A 1-kW CW Thin-Disc Laser,” IEEE J. Sel. Top. Quant. Electron., 6 (4): S650, 2000.
[13] R. Brockmann and D. Havrilla, “Disk Laser : A New Generation of Industrial Lasers,” vol. 7193, pp. 1–6, 2009.
[14] David Havrilla, Third Generation of Disk Lasers, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2009.
[15] G. L. Bourdet, G. L. Bourdet, and C. Gouedard, “Theoretical analysis of an end-pumped Yb: YAG active mirror thin-disk amplifier with a longitudinal doping concentration gradient,” Appl. Opt., vol. 53, no. 31, pp. 7556–7565, 2014.
[16] R. Brockmann and D. Havrilla, “Disk Laser : A New Generation of Industrial Lasers,” vol. 7193, pp. 1–6, 2009.
[17] Injeyan, H., D. Goodno, G. “High-Power Laser Handbook”, McGrow-Hill, 2011.
[18] http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-50/issue-01/featur
[19] Baer, C. R. E., Kränkel, C, Saraceno, C. J ,Heckl, O. H., Golling, M., Peters, R., Petermann, et al., “Femtosecond Thin-disk Laser with 141 W of Average Power,” Opt. Lett., 35, 2719–2721, 2010.
[20] D. Bauer, I. Zawischa, D. H. Sutter, A. Killi, and T. Dekorsy, "Mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator with 41 µJ pulse energy at 145 W average infrared power and high power frequency conversion," Opt. express, vol. 20, 2012.
[21] C. J. Saraceno, F. Emaury, C. Schriber, M. Hoffmann, M. Golling, T. Südmeyer, et al., “Ultrafast thin-disk laser with 80 μJ pulse energy and 242 W of average power,” Opt. Lett., 22: 0-12, 2014.
[22] Neuhaus, J., Kleinbauer, J., Killi, A., Weiler, S., Sutter, D., and Dekorsy, T., “Passively Mode-Locked Yb:YAG Thin-Disk Laser with Pulse Energies Exceeding 13 mJ by Use of an Active Multipass Geometry,” Opt. Lett., 33: 726–728, 2008.
[23] Marchese, S. V., Baer, C. R. E., Engqvist, A. G., Hashimoto, S., Maas, D. J. H. C., Golling, M., Südmeyer, T., and Keller, U., “Femtosecond Thin Disk Laser Oscillator with Pulse Energy Beyond the 10-Microjoule Level,” Opt. Express, 16: 6397–6407, 2008.
[24] Neuhaus, J., Bauer, D., Zhang, J., Killi, A., Kleinbauer, J., Kumkar, M., Weiler, S., et al., “Subpicosecond Thin-Disk Laser Oscillator with Pulse Energies of up to 25.9 Microjoules by Use of an Active Multipass Geometry,” Opt. Express, 16: 20530–20539, 2008.
[25] Brunner, F., Südmeyer, T., Innerhofer, E., Paschotta, R., Morier-Genoud, F., Gao, J., Contag, K., et al., “240-fs Pulses with 22-W Average Power from a Mode-Locked Thin-Disk Yb:KY(WO4)2 Laser,” Opt. Lett., 27: 1162–1164, 2002.
[26] O. Pronin, J. Brons, C. Grasse, V. Pervak, A. Apolonski, G. Boehm, et al., "High-power 200 fs Kerr-lens mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator," Opt. let, vol. 36, 2011.
[27] O. Pronin, J. Brons, C. Grasse, A. Apolonski, V. Pervak, V. L. Kalashnikov, et al., "High-power Kerr-lens mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator in the positive dispersion regime," Opt. Lett., vol. 37, 2012.
[28] J. P. Negel, A. Voss, M. Abdou Ahmed, D. Bauer, D. Sutter, A. Killi, and T. Graf, “1.1 kW average output power from a thin-disk multipass amplifier for ultrashort laser pulses,” Opt. Lett. 38(24), 5442–5445 (2013).
[29] S. Piehler, B. Weichelt, A. Voss, M. Abdou Ahmed, and T. Graf, "Power scaling of fundamental-mode thin disk lasers using in- tracavity deformable mirrors", Opt. Lett. 37, 5033 5035 (2012).
محصولات گروه لیزر دیسک
1- لیزر دیسک 1800 وات صنعتی
لیزر دیسک نازک با حداکثر توان خروجی 1800 وات به عنوان یک لیزر حالت جامد با پر توان در مرکز ملی علوم و فنون لیزر ایران طراحی و ساخته شده است. ساخت این لیزر را می توان به عنوان گامی مهم در راه توسعۀ زیر ساختهای صنعتی و پژوهشی کشور تلقی نمود. این لیزر قابلیت استفاده در صنایع مختلف به عنوان ابزار برش، با سرعت وکیفیت برش بهتر، ابزار جوش با قابلیت جوشکاری در فلزات متنوع و همچنین سخت کاری آلیاژهای مختلف را دارد.
3- لیزر دیسک کم توان آموزشی
لیزر دیسک آموزشی کم توان با حداکثر توان خروجی 10 وات به عنوان یک لیزر حالت جامد برای استفاده در مراکز آموزشی و پژوهشی طراحی و ساخته شده است. از آنجا که لیزر دیسک جزو لیزرهای پیشرفته بوده و تحقیقات و مقالات درباره آن در سطح جهانی در حال ایجاد وبه روزرسانی است، وجود این لیزر در مراکز آموزشی باعث ارتقا درجه علمی دانشجویان و پژوهشگران خواهد بود.
نکته حائز اهمیت در پروژه لیزر دیسک آموزشی استفاده از توانمندیهای داخل کشور در طراحی و ساخت المانهای اپتیکی و، مکانیکی و الکترونیکی می باشد.
این لیزر قابلیت استفاده در آزمایشهای نظیر Q-Switching ، چیدمان رزوناتورهای مختلف، تولید هارمونیکهای بالاتر، بهینه سازی لیزر دیسک و ... را دارد.
2- لیزر دیسک 200 وات آموزشی
لیزر دیسک آموزشی با حداکثر توان خروجی 200 وات به عنوان یک لیزر حالت جامد برای استفاده در مراکز آموزشی و پژوهشی طراحی و ساخته شده است. از آنجا که لیزر دیسک جزو لیزر های پیشرفته بوده و تحقیقات و مقالات درباره آن در سطح جهانی در حال ایجاد وبه روزرسانی است، وجود این لیزر در مراکز آموزشی باعث ارتقا درجه علمی دانشجویان و پژوهشگران خواهد بود.
نکته حائز اهمیت در پروژه لیزر دیسک آموزشی استفاده از توانمندیهای داخل کشور در طراحی و ساخت المانهای اپتیکی و، مکانیکی و الکترونیکی می باشد.
این لیزر قابلیت استفاده در آزمایشهای نظیر Q-Switching ، چیدمان رزوناتورهای مختلف، تولید هارمونیکهای بالاتر، بهینه سازی لیزر دیسک و ... را دارد.
