لیزرهای گازی
تعریف : لیزرهایی که محیط فعال آنها یک گاز ( یا پلاسما ) است.
بسیاری از لیزرها محیط فعالشان بر پایه گاز است. عناصر وجودی تشکیل دهنده محیط فعال لیزر هم اتمها هستند و هم مولکولها و در برخی اوقات نیز بصورت ترکیب با مواد دیگری استفاده میشوند که نقش توابع کمکی را دارند. به منظور ایجاد جمعیت معکوس و فرایند گسیل القایی، دمش گاز اغلب توسط تخلیه الکتریکی انجام میشود ولی لیزرهای گازی‌ای نیز وجود دارند که دمش آنها توسط واکنش شیمیایی، دمش نوری و لیزرهای رامان انجام میشود. در حین کار، گاز معمولا در حالت پلاسما با غلظت مناسبی از ذرات باردار قرار دارد.
بیشتر لیزرهای گازی کیفیت پرتو بالا و گاهی اوقات نزدیک به محدوده پراش را تابش میکنند، زیرا گاز با وجود گرادیان‌های دمایی قابل توجه فقط اعوجاجهای اپتیکی ضعیف را ایجاد میکنند
این لیزرها برای عملکرد معمولاً به یک منبع تغذیه ولتاژ بالا و توان الکتریکی بالا نیازمندند. برخی از لیزرهای گازی توان بالا از یک سیستم برای چرخش سریع گاز استفاده میکنند.
انواع لیزرهای گازی
انواع بسیار متفاوتی از لیزرهای گازی وجود دارند که در رژیم های کاملاً متفاوتی از نظر طول موج و توان خروجی عمل میکنند:
تعریف : لیزرهایی که محیط فعال آنها یک گاز ( یا پلاسما ) است.
بسیاری از لیزرها محیط فعالشان بر پایه گاز است. عناصر وجودی تشکیل دهنده محیط فعال لیزر هم اتمها هستند و هم مولکولها و در برخی اوقات نیز بصورت ترکیب با مواد دیگری استفاده میشوند که نقش توابع کمکی را دارند. به منظور ایجاد جمعیت معکوس و فرایند گسیل القایی، دمش گاز اغلب توسط تخلیه الکتریکی انجام میشود ولی لیزرهای گازی‌ای نیز وجود دارند که دمش آنها توسط واکنش شیمیایی، دمش نوری و لیزرهای رامان انجام میشود. در حین کار، گاز معمولا در حالت پلاسما با غلظت مناسبی از ذرات باردار قرار دارد.
بیشتر لیزرهای گازی کیفیت پرتو بالا و گاهی اوقات نزدیک به محدوده پراش را تابش میکنند، زیرا گاز با وجود گرادیان‌های دمایی قابل توجه فقط اعوجاجهای اپتیکی ضعیف را ایجاد میکنند
این لیزرها برای عملکرد معمولاً به یک منبع تغذیه ولتاژ بالا و توان الکتریکی بالا نیازمندند. برخی از لیزرهای گازی توان بالا از یک سیستم برای چرخش سریع گاز استفاده میکنند.
انواع لیزرهای گازی
انواع بسیار متفاوتی از لیزرهای گازی وجود دارند که در رژیم های کاملاً متفاوتی از نظر طول موج و توان خروجی عمل میکنند:
- لیزر هلیوم- نئون (He-Ne laser): لیزر هلیوم نئون معمولاً نور قرمز با طول موج ۸/۶۳۲ نانومتر گسیل میکند ولی میتواند برای دیگر طول موجها نظیر nm ۵/۵۴۳ سبز، nm ۱/۵۹۴ زرد، nm9/611 نارنجی، μm ۳۹/۳ و μm15/1 نیز ساخته شود. لیزرهای هلیوم- نئون رایج دارای یک سلول گازی با طولی در حدود cm20 هستند و با توان الکتریکی ورودی چندین وات، توان خروجی ای درحد چند میلی وات با طول موج قرمز nm ۸/۶۳۲ در مد کاری پیوسته تولید میکنند. لیزر های هلیوم- نئون اغلب برای کاربردهای تنظیم و تداخل سنجی مورد استفاده قرار میگیرند و با لیزر دیود ها که فشرده تر و پر بازده هستند به رقابت می پردازند.
- لیزرهای یون آرگون معمولاً شامل یک لوله بلند (حدود ۱ متر) حاوی پلاسمای آرگون است که توسط آب خنک کاری میشود. پلاسمای آرگون توسط تخلیه الکتریکی و با اعمال چگالی جریان بالا برای ایجاد غلظت مناسب یونهای آرگون بوجود می آید. این لیزرها قادر هستند توان خروجی بیش از ۲۰ وات در طول موج سبز nm ۵/۵۱۴ و طول موجهای کمتر nm ۹/۴۵۷، nm ۴۸۸ یا nm ۳۵۱ تولید کنند. بازده توان خروجی این لیزرها پایین است، به همین علت چند ده کیلو وات توان الکتریکی ورودی برای تولید چند وات خروجی نور سبز لازم است و سیستم خنک کاری آنها نیز متناظراً حائز اهمیت است. لوله های کوچکتری نیز برای لیزرهای آرگونی که توسط هوا خنک میشوند، وجود دارند که در آنها چند صد وات توان نیاز است تا چند ده میلی وات توان خروجی تولید کنند. لیزرهای یون آرگون میتوانند برای دمش لیزرهای یاقوت-تیتانیوم و لیزرهای رنگی مورد استفاده قرار بگیرند و با لیزرهای حالت جامد فرکانس دوبل شده دارای دمش دیودی رقابت میکنند.
- لیزرهای یون کریپتون شبیه لیزرهای یون آرگون هستند و میتوانند توان های بالا در طول موج nm ۱/۶۴۷ و چند طول موج دیگر تولید کنند.
- لیزرهای دی اکسید کربن (CO2) از یک گاز شامل مخلوطی از گازهای CO2 ، هلیوم، نیتروژن و احتمالاً مقداری هیدوژن، بخار آب و زنون برای ایجاد طول موج μm ۶/۱۰ استفاده میکنند. کیفیت پرتو این لیزرها بالاست و با بازده بالای ۱۰% برای توانهای خروجی چندین کیلو وات مناسب هستند. این لیزرها در فرآوری مواد مثل برش، جوشکاری، حکاکی و همچنین در جراحی لیزری کاربرد دارند.
- لیزرهای اگزایمر(لیزر گازهای هالید نادر)، دمش این نوع لیزرها نیز ناشی از تخلیه الکتریکی است ولی در این مورد انرژی دمش برای ناپایدار کردن مولکولهایی استفاده میشود که وقتی تفکیک میشوند میتوانند فوتون تابش کنند. اغلب لیزرهای اگزایمر فرابنفش بوده و با اعمال پالس های جریان عمل میکنند و منجر به گسیل پالسهای نانوثانیه پر شدت میشوند. این لیزرها در حوزه های مختلف فرآوری مواد از جمله لایه نشانی با لیزر پالسی، حکاکی با لیزر و ساخت توری های براگ فیبری کاربرد دارند. لیزر اگزایمر کاربردهای پزشکی نیز دارد و به عنوان مثال در چشم پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- لیزر نیتروژن نوع دیگری از لیزرهای پالسی فرابنفش است که بر پایه نیتروژن خالص، ترکیبی از هلیوم- نیتروژن و گاهی اوقات هوا (با کارائی کمتر) عمل میکنند. گسیل اغلب در طول موج nm ۱/۳۳۷ انجام میشود. بازده بالای این لیزرها منجر میشود که حتی بدون رزوناتور لیزر بتوانند گسیل سوپرلومینسانس نسبتاً خوبی را انجام دهند. ساخت لیزر نیتروژن به نسبت ساده است وتوسط بسیاری از علاقه مندان بدون نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی ساخته شده است.
انواع مختلف لیزرهای بخار فلز که در آنها از تخلیه الکتریکی برای گرم کردن و تحریک اتمهای فلز استفاده میشود.
لیزرهای بخار مس توسط پالسهای جریان قوی تحریک میشوند و پالسهای نانوثانیه در طول موجهای nm ۶/۵۱۰ (سبز) و nm ۲/۵۷۸ (زرد) گسیل میکنند. متوسط توان خروجی این لیزرها میتواند به ۱۰ وات برسد.
لیزرهای هلیوم-کادمیوم شبیه لیزرهای هلیوم-نئون هستند و در آنها یونهای Cd+ توسط برخورد با اتمهای برانگیخته هلیوم تحریک میشوند. این لیزرها توان خروجی در حدود ۱۰۰ میلی وات دارند و بطور پیوسته در طول موجهای nm ۴۲۲ (آبی) یا nm ۳۲۵ (فرابنفش) گسیل میکنند.
لیزرهای بخار قلیایی لیزرهایی هستند که از سلولهای سزیم یا روبیدیم در یک آون به عنوان محیط فعال استفاده میکنند. دمش این نوع لیزرها میتوانند توسط لیزر دیودها صورت گیرد. با در نظر گرفتن نقشه دمش این لیزرها که در آنها اتم از تراز پایه۶S1/2 به۶P3/2 پمپ میشود و سپس توسط گاز بافر به تراز۶P1/2 به عنوان تراز بالایی منتقل میشوند، از بازده توان بالایی برخوردار هستند. بدلیل اینکه چنین لیزری به عنوان یک مبدل درخشندگی مؤثر (کارآمد) عمل میکند کیفیت پرتو این لیزرها میتواند از منبع دمش بهتر باشد.
لیزرهای شیمیایی، انرژی شیمیایی گازها را به نور لیزر (معمولاً در ناحیه فروسرخ-نزدیک یا میانه) با توان هایی تا حد مگاوات تبدیل میکنند. به عنوان مثال می‌توان به لیزر فلوئوراید- هیدروژن اشاره کرد که در آن H2 و F2 با یکدیگر ترکیب شده وHF تشکیل میشود. لیزرهای شیمیایی عموماً برای مقاصد نظامی مانند جنگ افزارهای ضد موشک برای عملکرد روی هواپیماهای مورد مطالعه قرار گرفته‌اند
لیزرهای گازی رامان برپایه تقویت اپتیکی عمل میکنند و به جای گسیل القایی یونهای برانگیخته از طریق پراکندگی القایی رامان لیز می‌دهند. به عنوان مثال این لیزرها میتوانند از یک سلول هیدروژن که بصورت اپتیکی (نوری) تحت دمش قرار می‌گیرد، استفاده کنند.
لیزرهای گازی بر اساس طبیعت عناصر محیط فعالشان نیز میتوانند دسته بندی شوند:
لیزرهای بخار مس توسط پالسهای جریان قوی تحریک میشوند و پالسهای نانوثانیه در طول موجهای nm ۶/۵۱۰ (سبز) و nm ۲/۵۷۸ (زرد) گسیل میکنند. متوسط توان خروجی این لیزرها میتواند به ۱۰ وات برسد.
لیزرهای هلیوم-کادمیوم شبیه لیزرهای هلیوم-نئون هستند و در آنها یونهای Cd+ توسط برخورد با اتمهای برانگیخته هلیوم تحریک میشوند. این لیزرها توان خروجی در حدود ۱۰۰ میلی وات دارند و بطور پیوسته در طول موجهای nm ۴۲۲ (آبی) یا nm ۳۲۵ (فرابنفش) گسیل میکنند.
لیزرهای بخار قلیایی لیزرهایی هستند که از سلولهای سزیم یا روبیدیم در یک آون به عنوان محیط فعال استفاده میکنند. دمش این نوع لیزرها میتوانند توسط لیزر دیودها صورت گیرد. با در نظر گرفتن نقشه دمش این لیزرها که در آنها اتم از تراز پایه۶S1/2 به۶P3/2 پمپ میشود و سپس توسط گاز بافر به تراز۶P1/2 به عنوان تراز بالایی منتقل میشوند، از بازده توان بالایی برخوردار هستند. بدلیل اینکه چنین لیزری به عنوان یک مبدل درخشندگی مؤثر (کارآمد) عمل میکند کیفیت پرتو این لیزرها میتواند از منبع دمش بهتر باشد.
لیزرهای شیمیایی، انرژی شیمیایی گازها را به نور لیزر (معمولاً در ناحیه فروسرخ-نزدیک یا میانه) با توان هایی تا حد مگاوات تبدیل میکنند. به عنوان مثال می‌توان به لیزر فلوئوراید- هیدروژن اشاره کرد که در آن H2 و F2 با یکدیگر ترکیب شده وHF تشکیل میشود. لیزرهای شیمیایی عموماً برای مقاصد نظامی مانند جنگ افزارهای ضد موشک برای عملکرد روی هواپیماهای مورد مطالعه قرار گرفته‌اند
لیزرهای گازی رامان برپایه تقویت اپتیکی عمل میکنند و به جای گسیل القایی یونهای برانگیخته از طریق پراکندگی القایی رامان لیز می‌دهند. به عنوان مثال این لیزرها میتوانند از یک سلول هیدروژن که بصورت اپتیکی (نوری) تحت دمش قرار می‌گیرد، استفاده کنند.
لیزرهای گازی بر اساس طبیعت عناصر محیط فعالشان نیز میتوانند دسته بندی شوند:
- لیزرهای گازی اتم خنثی شامل لیزرهای هلیوم – نئون و لیرزهای بخار مس.
- لیزرهای یونی که از یونهای آزاد به عنوان عنصر تولید کننده لیزر استفاده میکنند. مانند لیزر هلیوم – کادمیوم، لیزر یون آرگون و لیزر کریپتون. لیزرهای یونی طول موجهای کوتاه‌تری تولید میکنند ولی بازده توان متوسطی دارند.
- لیزرهای گازی مولکولی که عنصر لیز دهنده مولکولهای گاز هستند. لیزر دی اکسید کربن، لیزر مونوکسید کربن، لیزر نیتروژن و لیزر اگزایمر مثالهایی از این نوع هستند.
بسیاری از لیزرهای گازی خود-پایان دهنده هستند بدین معنی که طول عمر تراز پایین آنها زیاد است. در این لیزرها وقتی جمعیت تراز پایین زیاد میشود ایجاد لیزر متوقف میشود. به عنوان مثال از این دسته می‌توان به لیزرهای نیتروژن و لیزر بخار مس اشاره کرد. لیزرهای اگزایمر نیز به دلایل مختلف فقط میتوانند در مد پالسی عمل کنند.
کاربردهایی از لیزرهای گازی:
یکی از دلایلی که از برخی لیزرهای گازی به جای لیزرهای حالت جامد استفاده میشود این است که طول موجهای خاصی را میتوانند تولید کنند که از طریق روشهای دیگر بسیار سخت حاصل میشوند. دیگر جنبه جالب توجه لیزرهای گازی قابلیت تولید توان خروجی بالای آنها در مقایسه با لیزرهای حالت جامدی است که دمش دیودی دارند و قیمت آنها نیز کمتر به میزان توان خروجی مورد نیاز بستگی دارد. یک مثال خوب از هر ۲ جنبه ذکر شده لیزر دی اکسید کربن است که یک منبع منحصر بفرد طول موجهای بلند و توان خروجی بالا است. بطور مشابه لیزرهای اگزایمر نیز در محدوده فرابنفش توانهای بالایی ایجاد میکنند.
تاکنون لیزر هلیوم– نئون بطور وسیع به عنوان چشمه نور قرمز مورد استفاده قرار می‌گرفت، ولی اکنون توسط لیزر دیودهای ارزان‌تر و فشرده‌تر جایگزین شده است. بطور مشابه لیزرهای یون آرگون نیز اغلب برای پمپاژ لیزرهای تیتانیوم-یاقوت مورد استفاده قرار می‌گرفتند که اکنون توسط لیزرهای حالت جامد فرکانس- دوبل شده جایگزین شده‌اند.
کاربردهایی از لیزرهای گازی:
یکی از دلایلی که از برخی لیزرهای گازی به جای لیزرهای حالت جامد استفاده میشود این است که طول موجهای خاصی را میتوانند تولید کنند که از طریق روشهای دیگر بسیار سخت حاصل میشوند. دیگر جنبه جالب توجه لیزرهای گازی قابلیت تولید توان خروجی بالای آنها در مقایسه با لیزرهای حالت جامدی است که دمش دیودی دارند و قیمت آنها نیز کمتر به میزان توان خروجی مورد نیاز بستگی دارد. یک مثال خوب از هر ۲ جنبه ذکر شده لیزر دی اکسید کربن است که یک منبع منحصر بفرد طول موجهای بلند و توان خروجی بالا است. بطور مشابه لیزرهای اگزایمر نیز در محدوده فرابنفش توانهای بالایی ایجاد میکنند.
تاکنون لیزر هلیوم– نئون بطور وسیع به عنوان چشمه نور قرمز مورد استفاده قرار می‌گرفت، ولی اکنون توسط لیزر دیودهای ارزان‌تر و فشرده‌تر جایگزین شده است. بطور مشابه لیزرهای یون آرگون نیز اغلب برای پمپاژ لیزرهای تیتانیوم-یاقوت مورد استفاده قرار می‌گرفتند که اکنون توسط لیزرهای حالت جامد فرکانس- دوبل شده جایگزین شده‌اند.