لیزر در مهندسی مکانیک

مروری بر جلسه نهم مکالامپ

در این جلسه ابتدا به بررسی چیستی لیزر و مکانیزم های آن پرداخته شد و در ادامه درباره‌ی انواع منابع لیزر بحث شد و توضیحاتی در مورد کاربردهای لیزر در مهندسی مکانیک داده شد. 

در آخر هم موضوعات تحقیقاتی روز و روش‌های ایمنی در برابر اشعۀ لیزر معرفی شدند.

کلمه LASER مخفف Light amplification by stimulated emission of radiation به معنی تقویت نور با انتشار تحریک شده تشعشع است . یزر چیست؟

لیزر وسیله‌ای برای تولید نور است که این نورها در طبیعت وجود ندارند. نور هم در واقع موج الکترومغناطیس است که از برهم کنش میدان های الکتریکی و مغناطیسی حاصل می‌شود. از قبل به یاد داریم که این موج‌ها نیز طیف وسیعی دارند و از موج‌های کم انرژی رادیویی تا موج‌های پر انرژی گاما ادامه دارند. لیزر در محدوده ای شامل طیف‌های فرابنفش، نور مرئی و فرو سرخ کار می‌کند. اگر بخواهیم تفاوت لیزر را با نور خورشید یا LED امروزی بیان کنیم ، میتوانیم بگوییم که لیزر نوری است تک رنگ (Monochromatic)  و همچنین هم فاز (Coherent) که در نقطۀ مقابل آن LED  علی‌رغم اینکه تک رنگ است ولی هم فاز نیست. نور خورشید هم نه هم فاز است و نه تک رنگ و شامل طیف وسیعی از رنگ ها با طول موج‌های مختلف می‌شود. اگر بخواهیم با توجه به موارد بالا یک تعریف کلی بیان کنیم، لیزر نوری است تک رنگ، هم فاز و جهت‌دار که چگالی انرژی بالایی دارد.

اگر بخواهیم مکانیزم لیزر را بررسی کنیم باید دوباره به تعریف آن برگردیم. همان طور که گفته شد لیزر مخفف Light amplification by stimulated emission of radiation است. برای شناخت stimulated emission of radiation یا انتشار تحریک شده‌ی نور باید ابتدا انتشار خود به خودی را بشناسیم. می‌دانیم که وقتی به یک اتم انرژی بدهیم الکترون‌های آن با دریافت انرژی، به سطح تراز انرژی بالاتری می روند که به اصطلاح گفته می‌شود که الکترون برانگیخته شده است. اتم تمایل به پایداری دارد و در نتیجه این الکترون‌ها با از دست دادن انرژی به صورت گرما یا نور به حالت پایه برمی‌گردند، در حالت عادی این یک انتشار خود به خود است اما اگر این انتشار، هدفمند و کنترل شده انجام شود به واژه ی stimulated emission می‌رسیم. در گسیل القایی، چشمه انرژی خارجی یا به اصلاح پمپ مناسب باید وجود داشته باشد تا الکترون‌ها را به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته کند. اگر انرژی کافی به اتم‌ها داده شود الکترون‌های بیشتری به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته ‌می‌شود. شرطی که به وارونی جمعیت معروف است. وارونی جمعیت الکترون‌ها در یک محیط لیزری مربوط به وضعیتی است که تعداد الکترون‌ها در ترازهایی موسوم به ترازهای شبه پایدار نسبت به تراز پایین‌تر بسیار بیش‌تر باشند در این ترازها الکترون‌ها مدت زمان بسیار طولانی‌تری نسبت به حالت برانگیخته معمولی باقی می‌مانند این زمان طولانی‌تر، فرصت بیشتری برای افزایش وارونی جمعیت و در نتیجه تقویت نور لیزر فراهم می‌کند.

متخصصان برای تبدیل علم به فناوری لیزر با دو چالش مهم روبه رو بودند. اول اینکه در ازای انرژی داده شده، تعداد فوتون خیلی کمی گسیل می‌شد و در نتیجه نور لیزر خیلی کم بود. دومین مورد هم این بود که فوتون‌ها در جهت‌های مختلفی گسیل می‌شدند و در یک جهت مشخص نبودند. فیزیکدانان برای حل این مشکلات از  optical resonator  یا تشدید کننده‌های نوری استفاده کردند. آنها جسم مد نظر که قرار بود از آن فوتون گسیل شود را ما بین دو آینه قرار دادند و یکی از آینه ها را شفاف‌تر از قبلی ساختند. وقتی فوتون به سوی جسم گسیل میشد، به سمت آینه‌ها می‌رفت و پس از بازتاب از آینه‌ها دوباره به داخل جسم رفته و دو فوتون از جسم ساطع شده و به سمت آینه دیگر می‌رفت و همین روند ادامه می‌یافت. دقت کنید که در اینجا قانون بقای انرژی نقض نمی‌شود. در نهایت بخشی از فوتون‌ها پس از رسیدن به آینه شفاف بازتاب شده و بخشی عبور می‌کنند که این نور عبوری، نور لیزر مد نظر است. برای اینکه نور خروجی از لیزر تشدید شود باید توان پمپ کردن از یک حدی (Threshold) بیش تر باشد تا این اتفاق بیفتد.

خروجی لیزر عموما به صورت گاوسی است و هر چقدر کیفیت اشعه بالاتر و به شکل قوسی نزدیک‌تر  باشد، قیمت لیزر بالاتر است. لیزرها همچنین می‌توانند پالسی یا پیوسته باشند.

در لیزر پیوسته که نور به طور پیوسته از لیزر خارج می‌شود اما در لیزر پالسی انرژی لیزر جمع شده و در یک زمان کوتاهی تابانده می‌شود و در نتیجه فرصت انتقال حرارت پیش نمی‌آید و جسم سریع ذوب می‌شود.

اگر بخواهیم به منابع تولید لیزر که تحت عنوان Laser Gain Medium  می‌شناسیم، بپردازیم، شامل موارد زیر است:

Solid-State LASERs (لیزرهای حالت جامد): این نوع لیزرها عموما از جنس کریستال هستند که از همان مکانیزم آینه استفاده می‌کنند. معمولا این کریستال‌ها، سرامیک‌هایی هستند که یون داخل آنها دوپ(Doping) شده است.

Gas LASERs  (لیزرهای گازی): در این نوع لیزرها یک گاز از خود فوتون گسیل می‌کند. در شکل زیر لیزر معروف هلیم- نئون مشاهده می‌شود. در این لیزر هلیم برانگیخته می‌شود و انرژی خود را به نئون می‌دهد و نئون وظیفه‌ی لیزر کردن را دارد.

لیزرهای گازی بعدی لیزرهای co2 هستند. این لیزرها ترکیبی از co2، نیتروژن و هلیم هستند. در اینجا نیتروژن برانگیخته شده و انرژی خود را به مولکول‌های کربن‌دی‌اکسید می‌دهد. کربن‌دی‌اکسید هم وظیفه‌ی لیزرکردن را برعهده دارد. این لیزرها در پزشکی و برش فلز، شیشه و سرامیک کاربرد دارند، اگرچه پایداری پایینی دارند و کیفیت اشعه در آنها نیز پایین است. لیزرهای بعدی، لیزرهای Excimer  هستند که از واکنش لحظه‌ای یک گاز خنثی مثل آرگون با یک ماده‌ی دیگر مثل فلوئور تولید می‌شوند که طول موج کوچکی هم دارند. این لیزرها در وسایل میکروالکترونیک و جراحی چشم کاربرد دارند.

Fiber LASERs (لیزر‌های فیبری): در این نوع لیزرها یک فیبر توخالی چند جداره وجود دارد که با استفاده از یک لیزر دیگر فوتون‌ها را داخل این فیبر می‌فرستیم و این فیبر به خاطر چند جداره‌بودن باعث تقویت فوتون‌ها شده و یک خروجی با توان بالا از آنها گرفته می‌شود. این لیزرها پایدار بوده و کیفیت خوبی هم دارند. در صنعت این نوع لیزرها پر طرفدار هستند.

Semiconductor LASERs (لیزرهای نوع نیمه رسانا) : یک نوع از لیزرها هم که از پرکاربردترین لیزرها در دنیا به شمار می‌روند، لیزرهای نیمه‌هادی هستند. در این نوع یک اتصال n-type  و p-type  داریم که وقتی به آن جریان الکتریکی وصل می‌کنیم، انرژی خروجی می‌تواند یک انرژی نورانی باشد که وقتی از یک عدسی عبور دهیم، یک نور متمرکز و لیزر خواهیم داشت. این نوع لیزرها ارزان هستند و مستقیم به برق وصل می‌شوند ولی توان بالا نمی‌توان از آنها گرفت.

 Liquid LASERs (لیزرهای مایع): این نوع لیزرها نیز انواع مختلفی دارند که به بررسی آنها می پردازیم:

●     Dye LASERs (لیزرهای رنگی): یک محلول آلی هستند که از خودشان نور را ساطع می‌کنند. این نوع لیزرها بر خلاف قبل، تک رنگ نیستند و یک طیف را منتشر می‌کنند.

●     Chemical LASERs (لیزرهای نوع شیمیایی): در این نوع لیزرها انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی برای این منظور استفاده می‌شود که معروف‌ترین واکنش آن، واکنش اکسیژن با یون ید است. این لیزرها در صنایع نظامی کاربرد دارند و گران قیمت هستند.

لیزرهای Nd:YAG  و لیزرهای فیبری بسیار امروزه پرکاربرد هستند چون طول موج آنها در حدود یک میکرومتر است و این یک نقطه ی بهینه برای کاربرهای مختلف از جمله برش فلزات حساب می‌شود. چون هم جذب فوتون خوبی دارند و هم توان تولید شده قابل توجه است.

تصویر زیر به برخی از کاربردهای لیزر در صنایع مختلف اشاره دارد:

جالب است بدانید که بیشترین کاربرد لیزر در زمینه ارتباطات است. از کابل‌های فیبر نوری گرفته تا CD و DVD و بارکد خوان‌ها و ماهواره‌ها همگی از خواص لیزرها بهره می‌برند. لیزر در مهندسی مواد نیز استفاده می‌شود و با استفاده از آن ترکیب‌های تشکیل دهنده یک ماده شناسایی می‌شود. بیشتر کاربرد لیزر در مهندسی مکانیک در حوزۀ اندازه‌گیری است. فاصله‌سنج‌های لیزری، سرعت‌سنج‌های لیزری، دماسنجی، غلظت‌سنجی و ... از انواع مختلف آن هستند. به عنوان مثال فاصله‌ی زمین تا ماه در عملیات آپولو 11 با استفاده از روش فاصله‌سنجی Trip Time  اندازه‌گیری شد. به طوری که نوری به سمت آینه‌ای قرار داده شده در کرۀ ماه تابانده می‌شد و با توجه به اینکه سرعت نور ثابت است فاصله زمین تا ماه به دست می‌آمد. روش دیگر فاصله‌سنجی، تداخل‌سنجی است. برای این کار لیزر را به یک سطح تابانده و بازتاب آن را می‌گیریم و از دو آینه مختلف با فاصله‌های معین عبور می‌دهیم و نور بازتاب شده را دوباره روی سنسور می‌تابانیم، به گونه‌ای که آن دو پرتو نور به طور کامل با هم منطبق شوند، در این فاصله فازهای نور با هم تداخل پیدا می‌کنند و در بعضی موارد، یکدیگر را خنثی و در بعضی مواقع یکدیگر را تقویت می‌کنند. خروجی آن به صورت خط‌های سیاه و سفیدی خواهد بود که از روی آن‌ها می‌توان فاصله‌یابی کرد.

در مهندسی مکانیک، کاربردهایی که برای اندازه‌گیری فاصله استفاده می‌شود در سه دسته‌ی اصلی 3D Scanner ، Profilometry (به دست آوردن پروفیل سطح و زبری‌سنجی با استفاده از بازتاب نور لیزر گسیل شده به سمت جسم) و Thickness measurement تقسیم می‌شوند. میکروسکوپ اتمی AFM  که با استفاده از آن می‌توان چینش اتم‌های کنار هم را تشخیص داد، یک نمونه از کاربردهای لیزر در حوزه ی فاصله‌سنجی است. در روش اندازه‌گیری سرعت معروف‌ترین روش، روش PIV  یا Particle Image Velocimetry است که در آن با استفاده از ادوات اپتیکی لیزر را به صورت یک صفحه ی نازک در می‌آورند و نور را داخل یک سیالی که حاوی ذرات ریزی است پخش می‌کنند. Light sheet، این ذرات را روشن می‌کند و با استفاده از یک دوربین، عکس‌برداری صورت می‌گیرد. با یک پردازش عکس ساده و با استفاده از اندازه‌گیری جابه‌جایی این ذرات می‌توانیم میدان سرعت را به دست بیاوریم.

یکی از پرکاربرد ترین روش‌های استفاده از لیزر Surface Texturing است. در این روش هندسه سطح را تغییر می‌دهیم و آن را اصلاح می‌کنیم. از کاربردهای این کار برای ساخت سطوح سیال گریز می‌باشد. کاربرد دیگر آن Laser Ablation است. در این روش لیزر را بر روی یک سطحی می‌تابانیم که این سطح می‌تواند داخل یک محلول باشد و بعد این سطح مد نظر ما تبخیر شده و یک پلاسما ایجاد می‌کند. این گاز تولید شده یا پلاسما وارد محیط سیال خنک تر می‌شود و سریعا به صورت ذرات جامد در می‌آید و با این روش ما می‌توانیم نانوذرات تولید کنیم. ساخت سطوح ضد سایش با روش PVD  یا Physical vapor deposition از دیگر کاربردهای لیزر است.

از دیگر کاربردهای لیزر در جوشکاری است. جوشکاری با لیزر این امکان را فراهم می‌کند که جوشکاری قطعات خیلی مشکل در ابعاد خیلی کوچک با دقت بالا امکانءپذیر باشد. همچنین با استفاده از لیزر ها می‌توان لایه‌های زنگ‌زدگی روی سطوح را نیز زدود. از Laser Shock Peening هم در ایجاد تنش‌های پسماند فشاری روی جسم استفاده می‌شود که در مقایسه با روش‌های معمول زبری سطح تغییر نمی‌کند و همچنین عمق نفوذ خیلی بیشتری دارد. سخت‌کاری سطحی، رسوب نشانی روی جسم و ساخت افزایشی با لیزر نمونه‌هایی از ساخت افزایشی است.

اساتید زیادی در دانشکده هستند که بر کاربردهای لیزر فعالیت می‌کنند که از جمله‌‌ی آن‌ها می‌توان به آزمایشگاه اپتیک و لوله‌های حرارتی استاد محمد بهشاد شفیعی و در موضوع ساخت پیشرفته و ساخت دقیق به استاد جواد اکبری و استاد محمدرضا موحدی اشاره کرد.

لیزرها همان‌طور که گفته شد علاوه بر مزایای زیادی که دارند، به دلیل طول موج کوتاه آن میتواند برای پوست و چشم مضر باشند و باعث سوختگی یا حتی سرطان  شوند. بعضی لیزرها ممکن است سمی باشند یا گازهای سمی و ذرات میکرونی تولید کنند. توان و شدت نفوذ در لیزرها نیز حائز اهمیت است و در نتیجه باید به این موارد توجه کرد. استفاده از عینک محافظ مناسب و ماسک تنفسی از جمله مواردی است که باید در هنگام کار با لیزر مد نظر قرار داد.

با سپاس از توجه شما.