تئوری ساخت لیزر گازی co2

اصول كلي تابش ليزر:

وقتي كه الكترون در يكي از مدارهاي مجاز يا حالت پايه قرار داردهيچ انرژي توسط اتم ساتع نمي شود . هر يك از اين مدار هاي مجاز به يك تراز انرژي معين يا حالت انرژي معين مربوط مي شوند. الكترونها و اتم ها با حركت از يك مدار با انرژي بالاتر (دور تر از هسته) به يك مدار با انرژي كمتر ( نزديكتر به هسته ) ، انرژي از دست مي دهند. اين انرژي به صورت يك فوتون با انرژي است.
در اتمها مدارهاي مجزا و متعددي وجود دارد و بنابر اين انتقالات مختلفي ممكن اسن انجام شود . از اين رو يك اتم انرژي هاي مختلفي را مي تواند گسيل كند . به طور كلي هر اتم تمايل دارد در حالت انرژي هاي پايين تر قرار گيرد از اين رو براي ايجاد طيف اتمي الكترونها را با تحريك كردن به تراز هاي بالاتر ميفرستند. اين عمل در لوله هاي تخليه و به كمك حرارت يا برخورد الكترونهاي ديگر و يا به كمك تابش با طول موجهاي مناسب انجام پذير است. هر طول موجي كه توسط اتم در حال تحريك گسيل شود، ميتواند توسط آن وقتي كه در تراز هاي پايين انرژي قرار دارد جذب شود . البته انرژي فوتون هاي برخورد كننده بايد خيلي نزديك به اختلاف انرژي بين دو تراز انرژي اتم درگير باشد. اين حالت را جذب تشديدي مي گويند.
اگر اتم در يك تراز پايين تر تحت تابش با فركانس قرار بگيرد ، احتمال بسيار زيادي وجود دارد كه اتم با جذب اين فوتون تحريك شده و به تراز بالاتر برود. اين فرآيند را جذب برانگيخته مي گويند.
اتم بلافاصله (چند نانو ثانيه) بعد از تحريك شدن به تراز بالاتر انرژي مي رود و با گسيل فوتوني با انرژي به تراز پايين انرژي باز مي گردد . فرآيند گسيل پرتو مي تواند به دو صورت خود به خودي يا تحريكي انجام شود.
دو نكته در رابطه با گسيل تحريكي وجود دارد :
1 - فوتوني كه با گسيل برانگيخته توليد مي شود داراي همان انرژي و فركانس فوتون تحريك كننده است
2 - امواج نوري مربوط به هر دو فوتون هم فازند و داراي پولاريزاسيون مشابه هستند
به اين معني كه در اتمي كه به صورت برانگيخته مجبور به تابش نوري مي شود ، موجي كه باعث ايجاد فرآيند شده به فوتون اضافه مي شود به طوري كه يكديگر را تقويت مي كنند و دامنه هاي آنها افزايش ميابد . پس ما امكان تقويت نور به وسيله گسيل هاي تحريكي تابش را خواهيم داشت.
تابش هاي تحريك شده همدوس هستند. يعني همه امواج سازنده چنين تابش هايي هم فاز هستند .
اين فرايند با گسيل خود به خودي تفاوت اساسي دارد. چون در آنجا اتمها كاملا به صورت اتفاقي كسيل مي كنند به طوري كه رابطه خاص فازي بين امواج وجود ندارد و اينگونه تابش ها غير همدوس هستند.

دمش:

فرآيند تحريك ماده ليزريبراي تغيير تراز و آزاد كردن انرژي را دمش مي گويند. عمل دمش از طريق چندين راه امكان پذير است از قبيل : دمش اپتيكي – دمش به كمك تخليه الكتريكي – دمش به كمك آزاد كردن انرژي شيميايي .
با توجه به ليزر هاي متفاوت و نوع ماده ليزري از روش هاي متفاوت دمش استفاده مي شود. به طو ر مثال در لبزر هاي گازي مانند ليزر CO2 از روش تخليه الكتريكي استفاده مي شود.

تشديد كننده هاي نوري:

براي داشتن پرتو خروجي از ليزرها و انرژي بهينه و با توان بالا نياز داريم كه پرتو هاي تحريك كننده جهت تحريك ماده ليزري و افزايش انرژي را تقويت كنيم.
در بيشتر حالات تقويت كلي توسط قرار دادن آينه هايي با درصد بازتابش بالا در دو انتهاي كاواك ليزر انجام مي شود . پرتوي نوري بيش از حدود 100 بار بين دو اينه رفت و برگشت مي كند و به اين ترتيب طول موثر ماده افزايش مي يابد. آينه ها تشكيل يك كاواك نوري يا تشديد كننده مي دهند و به همراه ماده فعال ليزري يك نوسان كننده مي سازند . آينه ها در اصل مانند يك بازخور نوري از ماده تقويت كننده عمل مي كنند. اساسا گسيل خود به خودي يك تغيير كوچك در فركانس عبوري از ماده ايجاد مي كند و آن را به دليل گسيل برانگيخته تقويت مي كند.
در برخورد با آينه هاي انتهايي اكثر انرژي به داخل كاواك باز مي گردد . اين نور تقويت شده مجددا با برخورد به آينه ديگر بيشتر تقويت مي شود و اين <رايند مدام تكرار مي شود. اين تغييرات تااين نوسانات به يك حالت پايدار برسند افزايش مي يابد . در اين حالت رشد دامنه امواج داخل كاواك افزايش مي يابد و هر انرژي كه به دليل گسيل برانگيخته ظاهر ميشود به عنوان خروجي ليزر منظور مي گردد.
تا اينجا فرض بر اين بود پرتوهايي كه بين دو آينه رفت و برگشت مي كنند موازي هستند . ولي در واقع اينطور نيست. به دليل اثرات پراش در لبه آينه ها يك باريكه كاملا موازي نمي تواند با اندازه محدود ابقا شود چون بخشي از تابش از كناره هاي آينه ها پخش مي شود و اين اتلاف ها در اثر پراش را مي توان با استفاده از آينه هاي مقعر و در عمل با آينه هاي با انحناي متفاوت و شكل هاي مختلف، بسته به نوع ليزر ، كاهش داد. به اينگونه سيستم ها كاواك پايدار گفته مي شود.
برخي از سيستمهاي كاواك پايدار در شكل زير نشان داده شده است.

ليزر هاي واقعي :

در قلب هر ليزر ماده فعالي وجود دارد كه باعث ايجاد خروجي ليزر در باريكه اي از طول موجها است.در حقيقت ليزر ها با نام ماده فعال آنها شناخته مي شوند. به طور كلي ماده هاي متفاوتي به عنوان ماده فعال ليزري مورد استفاده قرار مي گيرد. به طور مثال اولين ليزر در سال 1960 با استفاده از كريستال صورتي ياقوت ساخته شد.
امروزه تعداد و انواع مواد استفاده شده به عنوان ماده فعال ليزري افزايش يافته است به طوري كه انسان احساس مي كند از هر ماده اي ميتواند با استفاده از روش دمش خاص براي ليزر استفاده كند.
به طور كلي ليزر ها را با توجه به نوع ماده فعال آن ها به چهار دسته اصلي تقسيم مي كنند:
1 - ليزر هاي آلائيده شده با عايق
2 - ليزر هاي نيمه هادي
3 - ليزر هاي گازي
4 - ليزر هاي رنگ
در اينجا به برسي ليزر هاي گازي مي پردازيم.

لیزر های گازی:

لیزر هایی را که ماده فعال آنها گاز است ، لیزر های گازی می گویند . لیزر های گازی معمولا حجیم هستند و و هر چه پر قدرت تر باشند ، اندازه آنها بزرگتر خواهد بود.
نکته مفید در رابطه با لیزر های گازی این است که از آنجا که گازها بسیار یکنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، می توان برای پر کردن و خنک نمودن آنها از یک مدار بسته استفاده کرد.
از آنجا که اتمها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند ، تقریبا تقریبا غیر ممکن است بتوان به کمک دمش نوری در آنها انرژی آزاد کرد. بنابر این در لیزر های گازی از روش دمش تخلیه الکتریکی استفاده می شود.
لیزر های گازی خود به سه دسته تقسیم می شوند:
1- لیزر های اتمی
2- لیزر های یونی
3- لیزر های مولکولی
با توجه به به نوع لیزر ، گزار لیزری بین دو تراز انرژی اتم و یو ن یا مولکول به وقوع می پیوندد.
یکی از مهمترین انواع لیزر های گازی، لیزر مولکولی CO2 است .

لیزر CO2 (دی اکسید کربن ) :

لیزر CO2 از مهمترین لیزر ها در نوع خود است و از نظر کاربرد فنی آن را در زمره مهمترین لیزر ها دسته بندی می کنند. این لیزر با کارایی بالا (30%) و توان خروجی زیاد و پیوسته حدود چندین کیلو ولت ساخته می شود .
لیزر های دی اکسید کربن کاربرد های زیادی در زمینه های مختلف از جمله جوشکاری ، برش استیل ، الگوبری ، جوش هسته ای و کاربردهای متنوع نظامی دارند.

عملکرد لیزر های CO2 در تولید پرتو :

تحریک مولکول های CO2 در دو مرحله انجام می گیرد. در لیزر های CO2 از گاز نیتروژن به عنوان گاز کمکی به منظور تحریک استفاده می شود. بعضی تراز های نیتروژن که کاملا نزدیک به ترازهای CO2 هستند به راحتی در تخلیه الکتریکی دمش می شوند . وقتی نیتروژن تحریک شده به اتمهای CO2 که در حالت پایه قرار دارند برخورد کند ، ممکن است انرژی خود را به انها بدهد و آنها را تحریک کند و به تراز تحریکی مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهای نیتروژن و CO2 دقیقا بر روی هم منطبق نیستند ولی اختلاف آنها خیلی کم است .این اختلاف با انرژی جنبشی اتمها در تبادل انرژی تقریبا جبران می شود. اتمهای CO2 تحریک شده با بازگشت به تراز خود انرژی آزاد کرده و یک فوتون ایجاد میککند که این فوتون دارای طول موجی بین 9.2 تا 10.8 میکرون است و قوی ترین طول موج آن طول موج 10.6 میکرون می باشد.
فوتون آزاد شده با توجه به جهت میدان الکتریکی که از آنود به کاتود است به طرف آینه حرکت می کند و با برخورد به آینه ای که در سمت آنود قرار دارد منعکس شده با برخورد مجدد به مولکول های CO2 آنها را تحریک کرده و یک فوتون دیگر آزاد می کند .
این دو فوتون با برخورد مجدد به آینه ها و بازتابش خود فوتونهای بیشتری ازاد می کنند و این عمل تا آنجا ادامه می یابد که روند تولید فوتون به یک مقدار پایدار برسد که در آن موقع خروجی بهینه لیزر آغاز می شود . لازم به ذکر است که قبل از رسیدن به حد آستانه نیز از لیزر پرتو هایی خارج می شود که به دلیل ضعیف بودن قرت چندانی ندارد و ناکارامد است.

دمش به روش تخلیه الکتریکی :

همان طور که بحث شد تحریک در لیزر های CO2 طی دو مرحله است که ابتدا تحریک نیتروژن انجام می شود.
در لیزر های CO2 تحریک به کمک تخلیه الکتریکی با ولتاژ های بالا انجام می شود. کاواک لیزر دارای کاتد و آندی از جنس آلومینیوم است . با اعمال ولتاژ بالا در قسمت کاتد ، الکترون های مربوط به لایه سطحی آلومینیوم و یا الکترونهای مربوط به اکسید روی سطح کاتد جدا شده و در جهت میدان الکتریکی به سمت آند حرکت می کنند و در مسیر خود به اتم های نیتروژن برخورد کرده و آنها را تحریک می کنند و به تراز های بالاتر انرژی می فرستند. اتمهای نیتروژن نیز در بازگشت به تراز های قبلی خود انرژی خود را به مولکول های CO2 منتقل می کنند و ان ها را تحریک می نمایند و به همین روند پرتو ها تقویت شده تا خروجی لیزر آغاز گردد.

انواع لیزر های CO2 :

1 - لیزر با لوله بسته
2 - لیزر با جریان گاز
3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA )
در این گونه لیزر ها گاز CO2 و نیتروژن در لوله های تخله قرار دارند. مشکلی که برای این لیزر ها وجود دارد این است کهدر جریان تخلیه الکتریکی مولوکول های CO2 به CO تبدیل می شوند . این واکنش خیلی سریع است و اگر تمهیداتی به کار گرفته نشود ، عمل لیزر پس از چند دقیقه متوقف می شود.
یکی از راهها این است که هیدروژن یا بخار آب به مخلوط گاز اضافه کنیم تا با ترکیب مجدد CO را به CO2 تبدیل کند.
سرد کردن گاز در این گونه لیزر ها از دیگر مشکلاتی است که می تواند توان لیزر را به 100 وات محدود کند .طرح های لوله بسته خیلی مرسوم نیستند ولی در طرح حای موجبر ب کار برده می شوند . در موجبر ها ابعاد داخلی لوله کوچک (در حد میلیمتر ) است و موجبر دی الکتریک را به وجود می آورد . کیفیت پرتوی عالی و خروجی نسبتا زیاد با توجه به قطر های کوچک لوله بدست می آید .
تحریک به کمک میدان الکتریکی قوی یا میدان RF که به داخل ماده موجبر هدایت می شود انجام می گیرد.

لیزر با لوله بسته

لیزر موجبر

دو مشکل تجزیه CO2 و سرد کردن گاز را می توان با حرکت دادن گاز در سر تا سر لوله برطرف کرد .در طرح های ساده جریان گاز و تخلیه الکتریکی هر دو در سر تا سر لوله لیزر انجام می شود. اگر اقدامی برای تبدیل گاز انجام نشود ، گاز باید به طور مداوم به بیرون جریان یابد. ولی از آنجا که فشار گاز پایین است مقدار گاز مصرفی زیاد نخواهد بود. توان خروجی ین لیزر ها به طور خطی با افزایش طول لوله افزایش می یابد . حدود 60 وات به ازای هر متر . ولی برای توان های بیشتر از چند کلیو ولت به طول های بزرگ نیاز داریم .

افزایش ماکزیمم توان خروجی ، با جریان عرضی و سریع ممکن خواهد بود .تخلیه الکتریکی را نیز می توان هم جهت با جریان گاز انجام داد . این طرح امکان توان تا حدود ده ها کیلو ولت و به صورت مداوم را ممکن می سازد . خروجی های بیشتر نیز امکان پذیر است اما ابعاد بزرگ لیزر و منابع تغذیه مورد نیاز ، کاربرد آِن را در صنعت با مشکل رو برو می کند.
3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA ):
تا کنون برای افزایش توان خروجب لیزر CO2 طول تیوپ و سرعت جریان گاز را افزایش دادیم . اما یک راه دیگر برای افزایش توان لیزر افزایش فشار است .
متاسفانه با افزایش فشار به ولتاژ های بزرگی برای تخلیه الکتریکی و تحریک دی اکسید کربن نیاز است و تجهیزات مورد نیاز عظیم می باشد . لذا در این روش تخلیه در لوله های به طول چند متر مشکل خواهد بود . از طرفی تخلیه الکتریکی عرضی برای حدود 10 میلیمتر یا این حدود قابل قبول تر است . عمل لیزر به طور مداوم به دلیل عدم پایداری تخلیه در فشار های بالاتر از 100 میلیمتر جیوه مشکلاتی به همراه خواهد داشت .بنابر این لیزر های با فشار گار بالا باید به صورت ضربانی کار کنند و به صورت عرضی تخلیه شوند .چنین لیزر هایی با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ، (TEA) نامیده می شوند . گرچه فشار گاز ممکن است متغیر و حدود چند اتمسفر باشد ،اما توسط این لیزر ها می توان ضربان هایی با توان بالا و دوره های حدود 50 نانو ثانیه و با انرژی 100 ژول به دست آورد .
در فشار های خیلی بالا و حدود 10 اتمسفر ، بخورد های مولکولی باعث پهن کردن خطوط طیف لیزر شده و تنظیم لیزر را روی طول موج های مختلف مقدور می سازد.

تئوری ساخت لیزر CO2 :

اکنون پس از توضیحاتی که در مورد لیزر ها و انواع آنها داده شد ، به بررسی ساخت یک نمونه از لیزر دی اکسید کربن با جریان گاز می پردازیم .
اجزای سازنده لیزر CO2 با جریان گاز :
تیوپ لیزر
آینه های لیزر
منبع گاز CO2 و N2 و He
پمپ خلا
منبع ولتاژ بالا
آند و کاتد
سیستم خنک کننده
پیچ ها و پایه های تنظیم
در ادامه به برسی هریک از اجزای لیزر به طور مجزا می پردازیم و با ارائه آمار و ارقام و روش های پیشنهادی ، تئوری کاملی از ساخت لیزر CO2 با جریان گاز ارائه خواهیم داد .

سیستم خلا و گازهای لیزر :

همان طور که در طرح ساخت بیان شد ، از سیستم جریان گاز با تخلی الکتریکی ولتاژ بالا استفاده می شود. در ادامه نکات مهمی در مورد راه اندازی سیتم خلا و جریان گاز بیان می شود
- تمام هوای داخل لوله باید تخلیه شود . تخلیه باید تقریبا به طور کامل انجام شود چرا که وجود هوای پس ماند در لوله باعث ضعیف شدن پرتوی خروجی یا عدم خروجی لیزر می شود.
- هر گونه آلودگی را از روی تیوپ لیزر پاک کنید چرا که ممکن است باعث اختلال در پرتوی خروجی شود . توجه شود که برخی از مواد خلا مانند گریش و مواد پوشاننده درز ها مشکلی ایجاد نمی کند.
- فشار گاز لیزر را به صورت تکی یا مخلوط ، چه در ابتدای کار و چه به هنگام عمل لیز کنترل کنید .
درصد ترکیب گاز ها در لیزر co2 به صورت زیر است:

گاز ها	حجم (لیتر)	فشار (بار)
دی اکسید کربن 16% تا 4%	7930 – 280	167 - 2400
نیتروژن 20% تا 10%	5664 – 200	2124 - 75
هلیوم به میزان تعادل	2124 – 75	146 - 2100

با توجه به نقشه ساخت لیزر به صورت زیر عمل می کنیم .
ابتدا ورودی گاز لیزر را میبندیم و سپس از طرف دیگر توسط پمپ تخلیه کاواک را به طور کامل تخلیه می کنیم . منبع گاز را با توجه با جدول بالا پر میکنیم و سپس آن را به ورودی کاواک متصل می کنیم . سپس شیر ورودی را باز کرده تا مخلوط گاز وارد کاواک شود به منظور برقرار کردن جریان گاز در طول کاواک باید خروجی لیزر را به پمپ خلا متصل کنیم تا با مکشی که ایجاد میکند ، گاز در طول لوله جریان یابد .
راه دیگر برای ایجاد جریان گاز این است که خروجی کاواک را به یک مخزن خالی گاز با فشار کمتر از مخزن ورودی متصل کنیم . توجه شود که باید مسیر جریان گاز در طول لوله از آند به کاتد باشد تا تخلیه الکتریکی هم مسیر با عبور جریان انجام شود . لوله هایی که مخزن گاز و پمپ خلا را به لیزر متصل می کنند باید انعطاف پذیر باشند . محل اتصال لوله ها به لیزر باید کاملا عایق بندی شود تا هیچ گونه نشط به بیرون نداشته باشد و باعث افت فشار نشود .

تیوپ لیزر :

مهمترین قسمت لیزر co2 تیوپ آن می باشد . تیوپ های لیزر را معمولا از جنس لوله تخلیه پلاسما یا از جنس شیشه می سازند . اما کاواک های شیشه ای مرسو تر هستند زیرا دست رسی و ساخت آنها آسان تر است .
بهترین شیشه به منظور ساخت کاوا لیزر ، شیشه پریکس نسوز است که در مقابل تغییر دما مقاومت بالایی دارد . چرا که سیستم لیزر با تولید گرمای زیادی همراه است.
با توجه به طرح ساخت ، طول تیوپ لیزر را 45 سانتی متر و قطر مقطع آن را 2.5 سانتی متر در نظر می گیریم . جهت اتصال لوله های ورودی و خروجی گاز ، دو سوراخ در قسمتهای ابتدا و انتهای تیوپ لیزر تعبیه می کنیم یا اینکه تیوپ را به هنگام ساخت به گونه ای می سازیم که قابلیت اتصال دو لوله به ابتدا و انتهای ان وجود داشته باشد. تیوپ لیزر ابتدا در یک لوله شیشه ای بزرگتر که همان لوله سیستم خنک کننده است قرار می گیرد و سپس بر رویه پایه های نگه دارنه لیزر محکم می شود.

سیستم خنک کننده :

از انجا که عمل لیز گرمای زیادی ایجاد می کند و توان لیزر را تا حد زیادی کاهش می دهد پس باید به فکر راهی برای خنک کردن تیوپ لیزر و آینه ها باشیم.
یک روش خنک کردن سیستم استفاده از جریان گاز می باشد . و روش دیگر استفاده از سیستم خنک کننده ی گردش آب می باشد . به این منظور باید کاواک را در یک لوله شیشه ای بزرگ قرار دهیم . طرز کار به گونه ای است که تیوپ لیزر در وسط لوله بزرگتر قرار دارد و آب از اطراف آن جریان می یابد و آن را خنک می کند. جهت اجاد جریان اب در سیستم خنک کننده باید دو سوراخ در لوله شیشه ای بزرگ به منظور اتصال لوله های ورودی و خروجی آب تعبیه کنیم . و با اتصال آن از طریق لوله ها به یک پمپ ، آب را از یک مخزن درون لوله شیشه ای به جریان بیندازیم . جهت پمپ آب میتوان از پمپ آکواریوم یا پمپ کولر های آبی استفاده کرد که اب را از یک منبع به داخل سیستم خنک کننده جریان می دهند.
در بستن لوله های آب و سیستم خنک کننده به هم سعی شود تا هیچگونه نشط آب به بیرون وجود نداشته باشد.
طبق طرح طول لوله شیشه ای سیستم خنک کننده 30 سانتی متر و قطر آن 5 سانتی متر می باشد .

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 .

نکته ی دیگر در تنظیم پرتوی خروجی استفاده از پهن کننده پرتو است . پهن کننده ها شعاع پرتو های نوری را افزایش داده و ما میتوانیم با عبور دسته پرتوی گسترده تر از عدسی ، سطح کانونی کوچک تری بدست آوریم و پرتو را بیشتر متمرکز کنیم .
راه دیگری که در انتقال پرتو ها مفید است استفاده از تارهای نوری موج بر است که می توانند با قابلیت انعطاف پذیری خود ، پرتو را به نقاط مختلف انتقال دهند.
اصولا این تارهای نوری دارای قطرهای کوچک ، از جنس شیشه یا کوارتز هستند و دارای یک هسته مرکزی با ضریب شکست بزرگتر از محیط اطراف خود می باشند.پرتو نور قادر به حرکت در داخل هسته مرکزی به صورت زیگ زاگ به دلیل بازتاب کلی از فصل مشترک هسته مرکزی با جداره می باشد.
متاسفانه این روش برای طول موجهای تا 1.6 میکرون به کار می رود . چون میزان جذب برای طول موج های بزرگتر زیاد است ، از این روش برای انتقال پرتو در لیزر co2 نمی توان استفاده کرد .

ولتاژها:

همان طور که قبلا نیز بیان شد ، دمش در لیزر های گازی از نوع تخلیه الکتریکی است که توسط ولتاژ های بالا انجام می شود .از آنجا که دمش در لیزر های co2 طی دو مرحله انجام می شود ، بنابر این ابتدا باید توسط تخلیه الکتریکی ولتاژ بالا اتم های نیتروژن را تحریک کنیم تا به حالت برانگیخته برسند و با انتقال انرژی خود به مولکول های co2 عمل لیز آغاز شود .
اوین حالت تحریکی ازت تقریبا در 0.3 الکترون ولت است . بنا بر تجربه برای شروع عمل لیز به 2 الکترون ولت انرژی نیاز دارد .
لازم به ذکر است که لیزر های co2 با جریانDC یا جریان متناوب AC با فرکانس خیلی پایین کار می کند. البته جریان های AC در لیزر هایی استفاده می شود که به صورت ضربانی دمش می شوند و خروجی ناپیوسته دارند .
در مورد لیزر های co2 ولتاژی را برابر با 10 تا 15 کیلو ولت DC به ازای هر متر تخلیه الکتریکی استفاده می کنیم . که حدود جریان الکتریکی ما بین 10 تا 15 میلی آمپر است .
برای ایجاد جریان DC می توانیم از یکسو کننده های جریان AC استفاده کنیم تا به ولتاژ آغازین 10 کیلو ولت برسیم .
در لیزر های co2 نیاز نداریم که از سیستم های ولتاژ بالا با قابلیت تنظیم استفاده کنیم . اما استفاده کردن از چنین سیستمی که قابلیت تنظیم ولتاژ خروجی را داشته باشد برای تنظیم قدرت خروجی لیزر مناسب ست.چرا که هر چه ولتاژ بالاتری به کار ببریم ، عمل لیز با قدرت بیشتری انجام می شود.
ولتاژ بالای اعمال شده به دو سر تیوپ لیزر اعمال می شود ، یک میدان یکنواخت در سر تا سر لوله ایجاد میکند و الکترونها در این میدان شتاب می گیرند و با برخورد به دیگر اتم ها آنها را تحریک می کنند.
گاهی اوقات قبل از عمل تخلی گاز را کمی یونیزه می کنند . این عمل به کمک یک پالس ولتاژ بالا که به یکی از الکترود ها اعمال می شود یا به کمک ی سیم کوتاه که به دور لوله پیچیده شده ، انجام می گیرد . در این روش هم الکترون ها و هم یون ها و هم مولکول های خنثی در محیط وجود دارند . الکترونهایآزاد توسط میدان الکتریکی شتاب گرفته و به سمت آنود حرکت می کنند.
نکته ای که به هنگام تنظیم ولتاژ مناسب در نظر می گیریم این است که ولتاژ اعمال شده را از مرز 15 کیلو ولت آغاز میکنیم . ولتاژ را اندک اندک افزایش میدهیم تا یک باریکه نوری موازی و درخشان در مرکز کاواک لیزر مشاهده شود . در چنین حالتی ولتاژ اعمال شده ولتاژ مناسبی است.
لازم به ذکر است که استفاده از ولتاژ های بالا به مراقبت بسیار زیادی نیاز دارد .
از سیم های رابط عایق استفاده کنید و هر جا که سیم پوشش خود را از دست می دهد آان را عایق کنید . سیستم ولتاژ بالا و خود دستگاه لیزر باید بر روی پایه های محکم و بدون لغزش نصب شده باشد تا از هر گونه لغزش و خطر احتمالی برخورد سیم ها جلو گیری شود.
به هنگام کار کردن با چنین سیستمی بسیار دقت کنید تا سیمهای کاتد و انود 2 اینچ به ازای هر 10 کیلو ولت از هم فاصله داشته باشند. تا از هر گونه جرقه زدن و اتصال کوتا اجتناب شود.

الکترود ها :

یکی از مهمترین اجزای یک لیزر الکترود های آن می باشد. همان طور که قبلا نیز اشاره شد ، الکترود ها با آزاد کردن الکترون هاب اولیه نقش مهمی در شروع عمل لیز ، ایفا می کنند . در لیزر های مختلف ، انواع متعددی از الکترودها استفاده می شود. در لیزر های co2 به طور معمول از الکترود هایی از جنس آلو مینیوم استفاده می شود. چراکه آلومینیوم دارای الکتونهای ظرفیت مناسب جهت ازاد شدن توسط ولتاژ بالا می باشد . همچنین از انجا که سطح الومینیوم همیشه پوشیده از یک لایه اکسید آلومینیوم است این امر به ازاد کردن الکترون های بیشتری کمک می کند. در طرح لیزر از ورقه های نازک و انعطاف پذیر آلومینیوم برای ساخت کاتد و آنود استفاده می کنیم . روش کار به این صورت است که درو قطعه ورقه الومینیوم با عرض 3 و طول 15 سانتی متر تهیه می کنیم . سپس این ورقه ها را به شکل استوانه هایی هم قطر با تیوپ لیزر یعنی به قطر 2.5 سانتی متر لوله می کنیم و در دو انتهای تیوپ لیزر فرو میکنیم . سپس یک سانتی متر از هر طرف را از لوله خارج کرده و بر روی خود تیوپ خم می کنیم . پس از اتصال سیم های رابط جریان به ورقه های آلومینیوم ، آن قسمت از تیوپ را که ورقه های آلومینیوم بر روی آن تا خورده به شدت عایق بندی می کنیم تا از هرگونه تماس با آن ها غیر ممکن شود .
لازم به ذکر است ، سیتم آینه ها و پیچ های تنظیم که قبلا توضیح داده شد باید پس از عایق بندی الکترود ها و لوله کاواک به انتهای لیزر متصل شود. چراکه اگر بدون عایق بندی عمل شود ، خطر برق گرفتگی وجود دارد.

محاسبه تقریبی توان لیزر :

لیزر های گونتگون با نوجه به سیستمی که در ساخت آنها به کار برده شده از قبیل : نوع ماده لیزی ، طول کاواک لیزر ، روش های گوناگون دمش و نوع سیستم خنک کننده دارای توان های خروجی متفاوتی هستند.
برای محاسبه توان خروجی لیزر روش های گوناگونی وجود دارد که بسیاری از آنها حاوی فرمول های سخت و پیچیده است و نیاز مند اطلاعات دقیقی از قسمت های مختلف دستگاه می باشد .
در اینجا یک راه پیشنهادی و ساده جهت محاسبه توان تقریبی لیزر ارائه می شود که می تواند مفید باشد .
جهت محاسبه توان خروجی، پرتوی لیزر را به یک مایع که ظرفیت گرمایی آن برای ما مشخص است می تابانیم و در مدت زمان تابش ، تغییرات دمایی را اندازه می گیریم . با محاسبه انرژی گرمایی می توان توان خروجی لیزر را از رابطه معروف p=w/t بدست آورد . یکی از مناسب ترین مایعاتی که می توان از آن استفاده کرد آب می باشد . چرا که ظرفیت گرمایی آن مشخص است و به راحتی در دسترس می باشد . اما برای محاسبه توان دقیق باید ضریب بازتابش سطح آب را نیز به هنگام محاسبات در نظر بگیریم .چرا که مقداری از پرتوی تابیده شده به سطح آب ، توسط سطح بازتابیده می شود . استفاده از مایعاتی با ظریب بازتابش کمتر ، محاسبات را دقیقتر می کند.

تلفات لیزر :

راه های متفاوتی برای اتلاف در لیزر وجود دارد که به کاهش توان خروجی لیزر منجر می شود . در زیر به برخی از آنها اشاره می شود که تلاش برای رفع هر کدام از موارد ذکر شده باعث افزایش توان خروجی لیزر است .
- جذب و پراکنده کردن نور توسط آینه ها .
- پراش از لبه آینه ها .
- عبور نور از آینه ها قبل از رسیدن به حد آستانه تابش .
- پخش و پراکندگی پرتوها توسط ماده لیزری به دلیل عدم یک نواختی ماده از نظر اپتیکی .
- جذب ماده لیزری و گسیل تابش هایی که مورد نظر ما نیست.
- کاهش توان خروجی به دلیل گرمای حاصله از عمل لیز که میتواند باعت بالا رفتن دمای آینه ها ، کاواک لیزر و یا الکترود ها شود .
- کاهش توان خروجی به دلیل عدم وجود خلا کامل در کاواک قبل از جریان دادن گاز درون کاواک.
تعدادی از عوامل اتلاف ذکر شده از جمله تلفات ناشی از گرم شدن سیستم و یا پراش از لبه های آینه ها قابل رفع است که قبلا در مورد آنها توضیح داده شد . تعدادی دیگر از عوامل نیز با استفاده از مواد مناسب در ساخت لیزر قابل رفع است .
به طور کلی هر جه بیشتر بتوانیم در رفع عوامل بالا تلاش کنیم ، توان خروجی بیشتری خواهیم داشت .

ایمنی لیزر :

بیشتر لیزر ها تابشی گسیل می کنند که با احتمال خطر همراه است . درجه خطرناکی لیزر به مشخصات خروجی لیزر ، طریقه استفاده و تجربه فردی که از آن استفاده می کند بستگی دارد .
از مشخصه های تابش لیزر جمع شوندگی پرتوی آن است . این امر به همراه انرژی بالای لیزر می تواند انرژی زیادی به بافت های فیزیو لوژیکی بدن منتقل کند.از آنجا که پرتو های لیزر دارای طول موج های متفائتی هستند ، می توانند به بافت های مختلف بدن با توجه به قابلیت جذب آنها آسیب برسانند . جذب تابش باعث افزایش دما می شود و به قطع شدن اتصالات مولکولی می انجامد .
یکی از آسیب پذیر ترین قسمت های بدن تا آنجا که به تابش لیزر مربوط می شود ، چشم انسان است . این امر به این دلیل است که عدسی چشم ، پرتوی تابیده شده از لیزر را در ناحیه ای به شعاع حدود چندین برابر طول موج لیزر با چگالی بالای انرژی متمرکز می کند .
میزان خسارت به طول موج بستگی دارد به طوری که تابش در نواحی ماورائ بنفش و مادون قرمز که توسط قرنیه جذب می شود ، باعث صدمه دیدن آن می شود و جذب در ناحیه مریی باعث آسیب دیدن شبکیه می گردد.
این جذب ها توسط چشم می تواند به سوختگی یا نقص بینایی منجر شود .
پوست می تواند بیشتر از چشم مورد تابش قرار گیرد . پوست ممکن است در تابندگی سطح بالا تاول بزند و یا آسیب کمتری ببیند . در مورد پوست هم میزان خسارت به طول موج تابش و میزان جذب بستگی دارد به یژه در محدوده پرتوهای ماورائ بنفش .
معمولا مکان هایی که دستگاه های لیزر در آن ها قرار دارد ، با چراغ های اخطار و متوقف کننده های پرتو تجهیز می شوند . در این مکان ها از موادی که بازتاب کننده پرتو هستند نیز استفاده می گردد . به هنگا کار کردن با لبزر ها باید از عینک های محافظ چشمی استفاده کرد و با توجه به اینکه در لیزر ها معمولا از مولد های ولتاژ بالا استفاده می شود ، رعایت نکات ایمنی در این مورد نیز ضروری می باشد .

منابع :

Sams FAQ in laser construction
Laser principle and application /J.Wilson – J.F Havaks
Laser milon