تدریس فیزیک لیزر با شکوفه ساتری

انواع لیزر

فناوری لیزر یک زمینه نسبتاً متنوع است که از طیف گسترده ای از انواع بسیار متفاوت رسانه های بهره لیزری، عناصر نوری و تکنیک ها استفاده می کند. انواع رایج لیزرها عبارتند از:

لیزرهای نیمه هادی (بیشتر دیودهای لیزری)، پمپاژ الکتریکی (یا گاهی اوقات نوری)، که به طور موثر توان خروجی بسیار بالایی (اما معمولاً با کیفیت پرتو ضعیف) یا توان های کم با ویژگی های فضایی خوب (به عنوان مثال برای کاربرد در پخش کننده های CD و DVD) تولید می کنند. پالس ها (به عنوان مثال برای برنامه های مخابراتی) با نرخ تکرار پالس بسیار بالا. انواع ویژه شامل لیزرهای آبشاری کوانتومی (برای نور مادون قرمز میانی) و لیزرهای نیمه هادی ساطع کننده سطح (VCSELs، VECSELs و PCSELs) است. برخی از آن ها نیز برای تولید پالس با توان های بالا مناسب هستند.

لیزرهای حالت جامد مبتنی بر کریستال‌ها یا شیشه‌های دوپ‌شده یونی (لیزرهای عایق دوپ‌شده)، پمپ‌شده با لامپ‌های تخلیه یا دیودهای لیزر، تولید توان‌های خروجی بالا، یا توان‌های پایین‌تر با کیفیت پرتو بسیار بالا، خلوص طیفی و/یا پایداری (مثلاً برای اندازه‌گیری) اهداف)، یا پالس های فوق کوتاه با مدت زمان پیکوثانیه یا فمتوثانیه. رسانه های بهره رایج Nd:YAG، Nd:YVO4، Nd:YLF، Nd:glass، Yb:YAG، Yb:glass، Ti:Sapphire، Cr:YAG و Cr:LiSAF هستند. نوع خاصی از لیزرهای شیشه دوپ شده یونی عبارتند از:

لیزرهای فیبر، بر اساس فیبرهای شیشه ای نوری که با برخی از یون های فعال لیزر در هسته فیبر دوپ شده اند. لیزرهای فیبر می توانند به توان خروجی بسیار بالایی (تا کیلووات) با کیفیت پرتو بالا دست پیدا کنند، امکان عملکرد گسترده با قابلیت تنظیم طول موج، عملیات با عرض خط باریک و غیره را فراهم کنند.

لیزرهای گازی (مثلاً لیزرهای هلیوم-نئون، لیزرهای CO2، لیزرهای یون آرگون و لیزرهای اگزایمر)، بر اساس گازهایی که معمولاً با تخلیه الکتریکی برانگیخته می شوند. گازهای پرمصرف عبارتند از CO2، آرگون، کریپتون و مخلوط های گازی مانند هلیوم-نئون. اگزایمرهای رایج ArF، KrF، XeF و F2 هستند. تا آنجایی که مولکول های گاز در فرآیند لیزر نقش دارند، به این گونه لیزرها، لیزرهای مولکولی نیز می گویند.

لیزرهای پمپ شده شیمیایی و هسته ای، لیزرهای الکترون آزاد و لیزرهای اشعه ایکس چندان رایج نیستند.

لیزر مادون قرمز دور یا لیزر تراهرتز

لیزر مادون قرمز دور یا لیزر تراهرتز (لیزر FIR، لیزر THz) لیزری با طول موج خروجی بین 30 تا 1000 میکرومتر (فرکانس 0.3 تا 10 تراهرتز)، در باند فرکانسی مادون قرمز دور یا تراهرتز طیف الکترومغناطیسی است.

لیزرهای FIR در طیف سنجی تراهرتز، تصویربرداری تراهرتز و همچنین در تشخیص فیزیک پلاسما فیوژن کاربرد دارند. آنها می توانند برای شناسایی مواد منفجره و عوامل جنگ شیمیایی، با استفاده از طیف سنجی مادون قرمز یا برای ارزیابی چگالی پلاسما با استفاده از تکنیک های تداخل سنجی استفاده شوند.

لیزرهای FIR معمولاً از یک موجبر طولانی (1 تا 3 متر) پر از مولکول‌های آلی گازی، پمپاژ نوری یا از طریق تخلیه HV تشکیل شده‌اند. آنها بسیار ناکارآمد هستند، اغلب به خنک کننده هلیوم، میدان های مغناطیسی بالا نیاز دارند و/یا فقط قابل تنظیم خط هستند. تلاش‌ها برای توسعه جایگزین‌های کوچک‌تر حالت جامد در حال انجام است.

لیزر p-Ge (ژرمانیوم نوع p) یک لیزر مادون قرمز دور قابل تنظیم، حالت جامد است که بیش از 25 سال است که وجود داشته است.[1] این در میدان های الکتریکی و مغناطیسی متقاطع در دمای هلیوم مایع عمل می کند. انتخاب طول موج را می توان با تغییر میدان های الکتریکی/مغناطیسی اعمال شده یا از طریق معرفی عناصر داخل حفره به دست آورد.

لیزر آبشاری کوانتومی (QCL) ساخت چنین جایگزینی است. این یک لیزر نیمه هادی حالت جامد است که می تواند به طور مداوم با توان خروجی بیش از 100 میلی وات و طول موج 9.5 میکرومتر کار کند. یک نمونه اولیه قبلاً نشان داده شده بود.[2] و استفاده بالقوه نشان داده شده است.[3]

یک لیزر مولکولی FIR که به صورت نوری توسط یک QCL پمپ می شود در سال 2016 نشان داده شده است.[4] این لیزر در دمای اتاق کار می کند و از لیزرهای مولکولی FIR که به صورت نوری توسط لیزرهای CO2 پمپ می شوند، کوچکتر است.

لیزرهای الکترون آزاد همچنین می توانند روی طول موج های مادون قرمز بسیار دور عمل کنند.

لیزرهای قفل شده با حالت فمتوثانیه Ti: یاقوت کبود نیز برای تولید پالس های بسیار کوتاهی استفاده می شوند که می توانند به صورت نوری اصلاح شوند تا یک پالس تراهرتز تولید کنند.

پردازش مواد لیزری

پردازش مواد لیزری

در پردازش مواد لیزری، به عنوان مثال. حفاری یا برش لیزری، اغلب استفاده از پالس های نوری بسیار کوتاه با قدرت پیک بالا برای انرژی پالسی معین، سودمند است. مدت زمان پالس نانوثانیه (از لیزرهای نانوثانیه) اغلب بیش از حد طولانی است، زیرا انتشار قابل توجهی از انرژی ته نشین شده می تواند توسط هدایت حرارتی در طول مدت پالس رخ دهد. این برای مدت زمان پالس به عنوان مثال کاملاً متفاوت است. 10 ps یا کمتر، جایی که حداقل انتشار گرما در طول مدت پالس وجود دارد. در نتیجه، ساختارهای بسیار ظریف‌تری را می‌توان با کیفیت بالا (ریزماشینکاری لیزری) پردازش کرد. البته توجه داشته باشید که نتایج با کیفیت بالا معمولاً نیازمند بهینه سازی دقیق بسیاری از جزئیات فرآیند هستند.

در مقایسه با لیزرهای فمتوثانیه، منابع لیزر پیکو ثانیه ای اغلب مقرون به صرفه تر هستند: میانگین توان خروجی بالاتر با قیمت پایین تر در دسترس است. در کاربردهایی مانند ریزماشین کاری لیزری، گاهی اوقات با پالس های فمتوثانیه نتایج با کیفیت بهتری به دست می آید، اما پالس های پیکو ثانیه ای اغلب زمانی کافی هستند که فرآیند به طور کلی به اندازه کافی بهینه شده باشد. در چنین مواردی، لیزرهای پیکو ثانیه ای اغلب ترجیح داده می شوند.

انواع لیزر فمتوثانیه

انواع لیزر فمتوثانیه

پالس های فمتوثانیه را می توان با انواع بسیار متفاوتی از لیزر تولید کرد که در ادامه توضیح داده شده است. برخی از این لیزرها لیزرهای صنعتی و برخی دیگر لیزرهای علمی هستند.

لیزر فمتوثانیه

لیزر فمتوثانیه لیزری است که پالس های نوری با مدت زمان بسیار کمتر از 1 ps (← پالس های فوق کوتاه)، یعنی در حوزه فمتوثانیه (1 fs = 10-15 اینچ) ساطع می کند. بنابراین همچنین به دسته لیزرهای فوق سریع یا لیزرهای پالس فوق کوتاه (که شامل لیزرهای پیکوثانیه نیز می شود) تعلق دارد.

تولید چنین پالس های نوری کوتاه (زیر پیکوثانیه) تقریباً همیشه با تکنیک قفل کردن حالت غیرفعال به دست می آید. این منجر به پالس هایی با انرژی پالس متوسط (اغلب در ناحیه نانوژول) و نرخ های تکرار پالس بالا در ناحیه مگاهرتز یا گیگاهرتز می شود. انرژی های پالس بسیار بالاتر (در نرخ های تکرار کمتر) با استفاده از نوعی سیستم تقویت کننده نوری (← تقویت کننده های فوق سریع) علاوه بر لیزر فمتوثانیه امکان پذیر است.

لیزر پیکو ثانیه

لیزر پیکو ثانیه ای لیزری است که پالس های نوری با مدت زمان بین 1 ثانیه و (معمولا) چند ده پیکو ثانیه منتشر می کند. بنابراین همچنین به دسته لیزرهای فوق سریع یا لیزرهای پالس فوق کوتاه تعلق دارد.

گاهی اوقات، سایر منابع مبتنی بر لیزر برای پالس‌های پیکوثانیه - برای مثال OPOهای پمپ شده همزمان - لیزرهای پیکوثانیه نیز نامیده می‌شوند، حتی اگر به طور دقیق بدون لیزر باشند.

انواع مختلفی از لیزر می‌توانند پالس‌های پیکوثانیه‌ای تولید کنند که سایر پارامترهای عملکرد در محدوده‌های وسیعی متفاوت هستند:

رایج ترین منابع لیزرهای حجیم حالت جامد با حالت قفل فعال یا غیرفعال هستند. اینها می توانند پالس های فوق کوتاه بسیار تمیز (تبدیل محدود و کم نویز) با نرخ های تکرار پالس از چند مگاهرتز تا بیش از 100 گیگاهرتز را ارائه دهند. به عنوان مثال، یک لیزر Nd:YAG یا vanadate با حالت غیرفعال قفل شده می تواند به راحتی به عنوان مثال تولید کند. پالس‌های 10 ثانیه با توان خروجی چند وات و لیزرهای دیسک نازک می‌توانند ده‌ها وات را در پالس‌های کوتاه‌تر تولید کنند.

لیزرهای فیبر حالت قفل شده همچنین می توانند طیف گسترده ای از نرخ های تکرار را از چند مگاهرتز تا بیش از 100 گیگاهرتز (با قفل حالت هارمونیک) پوشش دهند. به خصوص با سیستم های MOPA یا MOFA، میانگین توان خروجی بسیار بالا امکان پذیر است. کیفیت پالس از چنین منابعی متفاوت است. به عنوان مثال، پالس ها ممکن است نزدیک به پهنای باند محدود باشند یا نباشند.

نرخ‌های تکرار کمتر با یک جمع‌کننده پالس اضافی امکان‌پذیر است و همچنین امکان تقویت به انرژی‌های پالس بالاتر را فراهم می‌کند. با تقویت کننده احیا کننده، احتمالاً با استفاده از تقویت کننده پالس چیرپ. ریختن حفره لیزر قفل شده یک گزینه دیگر است.

دیودهای لیزری را می توان برای تولید پالس پیکو ثانیه ای قفل کرد (← لیزرهای دایود حالت قفل شده). این منجر به منابع فشرده با نرخ های تکرار پالس معمولی بین 1 گیگاهرتز و صدها گیگاهرتز می شود. با این حال، انرژی پالس به شدت محدود است و کیفیت پالس همیشه بالا نیست.

دیودهای لیزر را می‌توان با تجهیزات الکترونیکی با دقت طراحی شده برای دستیابی به مدت زمان پالس بسیار کمتر از 1 ns، گاهی اوقات حتی زیر 100 ثانیه، سوئیچ کرد. این منجر به منابع بسیار فشرده و بالقوه ارزان می شود، و مزیت دیگر این است که نرخ تکرار پالس را می توان به راحتی در محدوده بسیار وسیعی به سادگی از طریق الکترونیک درایور تغییر داد. مقاله لیزر دایود پیکوثانیه را ببینید.

اگرچه لیزرهای سوئیچ کیو معمولاً پالس های نانوثانیه ای تولید می کنند، لیزرهای ریزتراشه سوئیچ کیو می توانند به مدت زمان پالس بسیار کمتر از 100 ثانیه برسند.

منابع عجیب‌تر پالس‌های پیکوثانیه، لیزرهای الکترون آزاد هستند که می‌توانند انرژی‌های پالس بالایی را حتی در مناطق با طول موج شدید فراهم کنند.

فرسایش لیزری

فرسایش لیزری

حذف مواد جامد با استفاده از نور شدید لیزرفرسایش لیزری به معنای برداشتن مقداری ماده از سطح جامد با استفاده از نور شدید لیزر، معمولاً به شکل پرتو لیزر است. این اصطلاح اغلب به عنوان یک کاربرد لیزری در نظر گرفته نمی شود، بلکه به عنوان فرآیندی در زمینه کاربردهای خاص در پردازش مواد لیزری تفریقی (ماشین کاری لیزر)، مانند حکاکی لیزری، برش یا حفاری استفاده می شود.

کاربردهای لیزر ابلیشن

فرآیندهای فرسایش لیزر در بسیاری از زمینه های پردازش مواد لیزری استفاده می شود:

در فرآیندهای ماشینکاری لیزری مانند برش لیزری، حفاری و فرز لیزری، حذف مقداری از مواد مورد نیاز است.

همین امر برای حکاکی لیزری به منظور علامت گذاری لیزری یا موارد دیگر صدق می کند. در اینجا، اغلب نیاز به حذف مواد تا عمق مشخصی وجود دارد. یکنواختی به‌دست‌آمده و زبری کم سطح پایین‌تر حاصل می‌تواند مهم باشد. معمولاً ابلیشن با توالی بسیاری از پالس‌های لیزری انجام می‌شود که هر کدام کمی بر خلاف موقعیت قبلی حرکت می‌کنند. چنین فرآیندهایی با طیف وسیعی از مواد مانند فلزات، سرامیک ها، شیشه ها و پلیمرها امکان پذیر است.

قطعات ماشین برای بدست آوردن سطوح ریز بافت پردازش می شوند، به عنوان مثال. به منظور کاهش اصطکاک قطعات روغن کاری شده - برای مثال روی سیلندرها و پیستون های موتورهای احتراقی.

برخی از انواع اصلاح سطح لیزری نیز شامل فرسایش، معمولاً در مقیاس میکروسکوپی است.

تمیز کردن لیزر به معنای حذف برخی از نوع مواد ناخواسته است که اغلب تابش لیزر را بهتر از لایه زیرین جذب می کند. این گزینش پذیری در عمل اغلب برای حذف کامل تمام مواد ناخواسته و در عین حال حفظ مواد بستر بسیار مفید است.

پانل های فتوولتائیک لایه نازک باید در مرزهای خود عایق بندی شوند، به عنوان مثال، یک لایه فلزی باید جدا شود.

رسوب لیزر پالسی از فرسایش لیزری یک ماده به منظور رسوب آن در جای دیگر استفاده می کند.

یک کاربرد عجیب و غریب پیشرانه لیزری است که از پس زدن مواد فرسوده استفاده می کند [6]. برای سرعت‌های پس‌زدگی بسیار بالاتر از سرعت گازهای خروجی موشک‌ها، پیشرانه لیزری ممکن است از نظر جرم مورد نیاز پیشران کارآمدتر باشد، در حالی که به انرژی بیشتری نیاز دارد (به عنوان مثال از یک راکتور هسته‌ای).

همچنین برنامه های کاربردی خارج از حوزه پردازش مواد وجود دارد، به عنوان مثال. طیف‌سنجی شکست ناشی از لیزر (LIBS). در اینجا، یکی تابش توده پلاسمای تولید شده را به صورت طیفی تجزیه و تحلیل می کند.

کاربردهای غیر فنی لیزر فرسایش عمدتاً در حوزه پزشکی است:

جراحی لیزری به فرد این امکان را می دهد که ساختارهای ظریف (مثلاً بخش هایی از تومورهای بدخیم) را بدون تأثیر قابل توجهی بر روی همسایگی آنها به دقت حذف کند. با این حال، سرعت پردازش ممکن است بسیار پایین باشد.

لیزر فرسایش همچنین می تواند در دندانپزشکی برای درمان پوسیدگی استفاده شود. هنگام استفاده از لیزرهایی با طول موج مناسب، می‌توان بافت آسیب‌دیده به پوسیدگی را به‌طور انتخابی حذف کرد و در عین حال قسمت‌های سالم دندان را حفظ کرد.

برای جزئیات بیشتر به پیوندهای مقالات دایره المعارف مراجعه کنید.

انواع لیزر بر اساس مدت زمان پالس

انواع لیزر بر اساس مدت زمان پالس

لیزرهای پالسی بر اساس مدت زمان پالس آنها به چند دسته تقسیم می شوند.

یک مدولاتور برای کنترل تعداد پالس ها در ثانیه استفاده می شود. در نتیجه، هر پالس دارای مدت زمان دقیقی است که به آن طول پالس، طول پالس یا عرض پالس می گویند. مدت زمان پالس زمان بین شروع و پایان یک نبض است.

چندین روش تعدیل کننده برای پالس پرتوهای لیزر استفاده می شود: سوئیچینگ q، سوئیچینگ بهره و قفل حالت چند نمونه هستند. هرچه نبض کوتاهتر باشد، پیک های انرژی بیشتر می شود. در اینجا رایج ترین واحدهای مورد استفاده برای بیان مدت زمان پالس هستند.

میلی‌ثانیه‌ها (یک هزارم ثانیه) طولانی‌ترین واحدهای زمانی هستند که برای بیان مدت پالس استفاده می‌شوند و از این رو کمترین پیک انرژی را دارند. به عنوان مثال، پالس های لیزر موهای زائد ممکن است بسته به ضخامت مو بین 5 تا 60 میلی ثانیه متفاوت باشد.

میکروثانیه ها (یک میلیونیم ثانیه) احتمالاً کمترین مدت زمان پالس هستند. آنها می توانند برای کاربردهای پردازش مواد استفاده شوند، اما مدت زمان پالس زیر معمولاً استفاده می شود، زیرا دقت بیشتری ارائه می دهند. لیزرهای میکروثانیه همچنین می توانند برای کاربردهایی مانند طیف سنجی و حذف موهای زائد استفاده شوند.

نانوثانیه (یک میلیاردم ثانیه) مدت زمان پالس بسیار رایجی است که برای کاربردهایی مانند پردازش مواد لیزری، اندازه‌گیری فاصله و سنجش از دور استفاده می‌شود. برای مثال Laserax از لیزرهای فیبر نانوثانیه برای انجام علامت گذاری لیزری، تمیز کردن، بافت و حکاکی استفاده می کند.

پیکوثانیه (یک تریلیونم ثانیه) و فمتوثانیه (یک کوادریلیوم ثانیه) کوتاه ترین مدت زمان پالس هستند، به همین دلیل است که از اصطلاحات پالس های فوق کوتاه و لیزرهای فوق سریع استفاده می شود. این لیزرها دقیق ترین نتایج را ارائه می دهند و کمترین مناطق تحت تأثیر حرارت را دارند. این امر از ذوب نامطلوب جلوگیری می کند و امکان حکاکی بسیار دقیق را فراهم می کند. آنها در پردازش مواد، پزشکی (مانند جراحی چشم)، میکروسکوپ، اندازه‌گیری و مخابرات استفاده می‌شوند.

کتاب لیزر

شرح

ویرایش چهارم کتاب که مقدمه‌ای ضروری بر فناوری لیزر و جدیدترین پیشرفت‌ها در این زمینه است.

ویرایش چهارم اصلاح شده و به روز شده Understanding Lasers یک راهنمای اساسی و مقدمه ای ارائه می دهد که به بررسی نحوه عملکرد لیزرها، کارهایی که انجام می دهند و نحوه استفاده از آنها در دنیای واقعی می پردازد. نویسنده - یکی از اعضای انجمن نوری - مفاهیم کلیدی فیزیک و اپتیک را که برای درک لیزر ضروری هستند مرور می کند و نحوه عملکرد لیزرها را توضیح می دهد. این کتاب همچنین حاوی اطلاعاتی در مورد لوازم جانبی نوری مورد استفاده در لیزر است.

این کتاب که با عبارات غیر فنی نوشته شده است، مروری بر انواع و پیکربندی‌های لیزری با تنوع گسترده دارد. لیزرهای درک فیبر، حالت جامد، اگزایمر، هلیوم-نئون، دی اکسید کربن، لیزرهای الکترون آزاد و غیره را پوشش می دهد. علاوه بر این، کتاب مفاهیمی مانند تفاوت بین نوسان و تقویت لیزر، اهمیت بهره لیزر و لیزرهای قابل تنظیم را نیز توضیح می دهد. نسخه چهارم به روز شده جدیدترین تحقیق و توسعه در این زمینه را برجسته می کند. این منبع مهم:

شامل فصل جدیدی در مورد لیزرهای فیبر و تقویت کننده ها است

مرور مباحث جدید در زمینه فیزیک فیبرهای نوری و لیزرهای فیبر، لیزرهای دیسکی و لیزرهای ایتربیوم

شامل بخش های جدید در مورد هندسه و مفاهیم لیزری، ساختارهای لیزر دیود، منابع پارامتری بهینه، و چاپ سه بعدی و ساخت افزودنی است.

تمرکز بر تحقیقات و پیشرفت های نوظهور در زمینه هایی مانند طیف سنجی، نور آهسته، خنک کننده لیزری و اندازه گیری های بسیار دقیق

شامل ضمائم، واژه نامه و فهرست است که کمک می کند این کتاب به یک مرجع مفید تبدیل شود

ویرایش چهارم کتاب درک لیزرها که برای دانشجویان مهندسی و فیزیک، مهندسان، دانشمندان و تکنسین ها نوشته شده است، حاوی مفاهیم اساسی لیزر و جدیدترین پیشرفت های این فناوری است.

اپتیک کوانتومی