لیزر در اطراف ما وجود دارد. جراحان از آنها برای جراحی چشم و درمان سرطان استفاده می کنند. تولیدکنندگان از آنها برای پردازش مواد برای برش، حكاكي، جوش، تمیز کردن و بافت انواع مختلف مواد استفاده می کنند. برخی از افراد برای خالکوبی یا حذف موهای زائد به آنها نیاز دارند و همه نمایش های نور لیزر را در طول کنسرت های موسیقی دیده اند. اخیراً کاربردهای جدیدی مانند هولوگرافی لیزری در حال ظهور هستند.
انواع مختلفی از لیزر برای این کاربردها مورد نیاز است. لیزرها بر اساس محیط بهره خود به پنج نوع اصلی طبقه بندی می شوند:
- لیزرهای گازی
- لیزرهای حالت جامد
- لیزرهای فیبر
- لیزرهای مایع (لیزرهای رنگی)
- لیزرهای نیمه هادی (دیودهای لیزری)
علاوه بر این، این پنج نوع لیزر را می توان بر اساس نحوه عملکردشان به زیرمجموعه هایی تقسیم کرد: لیزرهای موج پیوسته و لیزرهای پالسی. علاوه بر این، انواع مختلفی از لیزرهای پالسی نیز وجود دارد.
قبل از تمایز بین انواع لیزرها، خوب است به یاد داشته باشید که لیزر در واقع چیست.
لیزر چیست؟
لیزر وسیله ای است که نور را به شکل پرتو لیزر تولید می کند. پرتو لیزر با پرتو نور متفاوت است زیرا پرتوهای آن تک رنگ (یک رنگ)، منسجم (با فرکانس و شکل موج یکسان) و همسو (در یک جهت می‌روند).
لیزرها این “اطلاعات کامل” را ارائه می دهند که برای برنامه هایی که به دقت بالایی نیاز دارند ایده آل است.
لیزرها از سه جزء اصلی تشکیل شده اند:
- منبع انرژی نور را به یک محیط افزایش پمپ می کند. بسته به نوع لیزر متفاوت است. این می تواند یک دیود لیزر، یک تخلیه الکتریکی، یک واکنش شیمیایی، یک لامپ فلاش یا حتی یک لیزر دیگر باشد.
- محیط بهره هنگامی که توسط نور برانگیخته می شود، نوری با طول موج خاص ساطع می کند. گفته می شود که منبع بهره نوری است. لیزرها معمولاً بر اساس محیط بهره خود نامگذاری می شوند. برای مثال در لیزر CO2، محیط افزایش گاز CO2 است.
- تشدید کننده بهره نوری را از طریق آینه هایی که محیط بهره را احاطه کرده اند تقویت می کند. اینها شامل آینه های حجیم در لیزرهای حالت جامد، وجوه بریده شده یا پوشش داده شده در دیودهای لیزری و بازتابنده های براگ در لیزرهای فیبر می باشد.
لیزرهای گازی
لیزر گازی لیزری است که در آن جریان الکتریکی از طریق گاز برای تولید نور از طریق فرآیندی به نام وارونگی جمعیت ارسال می شود. نمونه هایی از لیزرهای گازی عبارتند از: لیزرهای دی اکسید کربن (CO2)، لیزرهای هلیوم-نئون، لیزرهای آرگون، لیزرهای کریپتون و لیزرهای اگزایمر.
لیزرهای گازی در طیف گسترده ای از کاربردها از جمله هولوگرافی، طیف سنجی، اسکن بارکد، اندازه گیری آلودگی هوا، پردازش مواد و جراحی لیزری استفاده می شوند.
لیزرهای CO2 احتمالاً شناخته شده ترین لیزرهای گازی هستند و عمدتاً برای علامت گذاری لیزری، برش لیزری و جوشکاری لیزری استفاده می شوند.
لیزرهای حالت جامد
لیزرهای حالت جامد از یک جامد (کریستال یا شیشه) مخلوط شده با عنصر خاکی کمیاب به عنوان منبع بهره نوری خود استفاده می کنند. عنصر مخلوط معمولاً نئودیمیم، کروم، اربیوم، تولیوم یا ایتربیوم است.
شناخته شده ترین لیزر حالت جامد، لیزر یاقوت است، زیرا اولین لیزری است که تا به حال ساخته شده است. لیزر Nd:YAG (گارنت آلومینیوم ایتریوم دوپ شده با نئودیمیم) نیز در کاربردهای پردازش مواد رایج است.
لیزرهای حالت جامد همچنین برای فناوری LIDAR و همچنین کاربردهای پزشکی مختلف، از جمله تاتو و رفع موهای زائد، فرسایش بافت و حذف سنگ کلیه استفاده می‌شوند.
لیزرهای فیبر
لیزر فیبر نوع خاصی از لیزر حالت جامد است که برای خود یک دسته است. در لیزرهای فیبر، محیط افزایش یک فیبر نوری (شیشه سیلیسی) است که با یک عنصر خاکی کمیاب مخلوط شده است.
ویژگی‌های هدایت نور فیبر نوری چیزی است که این نوع لیزر را بسیار متفاوت می‌کند: پرتو لیزر مستقیم‌تر و کوچک‌تر از سایر انواع لیزر است و آن را دقیق‌تر می‌کند. لیزرهای فیبر به دلیل ردپای کوچک، راندمان الکتریکی خوب، تعمیر و نگهداری کم و هزینه های عملیاتی پایین نیز مشهور هستند.
لیزرهای فیبر در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله پردازش مواد (تمیز کردن لیزر، بافت، برش، جوش، علامت گذاری)، پزشکی و سلاح های انرژی هدایت شده استفاده می شود.
نمونه هایی از لیزرهای فیبر مورد استفاده برای این کاربردها شامل لیزرهای فیبر ایتربیوم و دوپ شده با اربیوم است.
لیزرهای مایع (لیزرهای رنگی)
لیزرهای مایع از یک رنگ آلی به شکل مایع به عنوان محیط کسب خود استفاده می کنند. آنها همچنین به عنوان لیزرهای رنگی شناخته می شوند و در پزشکی لیزر، طیف سنجی، حذف خال مادرزادی و جداسازی ایزوتوپ استفاده می شوند.
یکی از مزایای لیزرهای رنگی این است که آنها می توانند طیف وسیع تری از طول موج ها را تولید کنند، که آنها را کاندیدهای خوبی برای لیزرهای قابل تنظیم می کند، به این معنی که می توان طول موج را در حین کار کنترل کرد.
به عنوان مثال، در جداسازی ایزوتوپ لیزری، لیزرها به رزونانس های اتمی خاصی تنظیم می شوند. سپس آنها را روی یک ایزوتوپ خاص تنظیم می‌کنند تا اتم‌ها را یونیزه کند و آنها را در مقابل بار منفی یا مثبت خنثی کند. سپس با یک میدان الکتریکی از هم جدا می شوند و به آنچه جداسازی ایزوتوپی می گویند، دست می یابند.
لیزرهای نیمه هادی (دیودهای لیزری)
دیودهای لیزری که لیزرهای دیودی و لیزرهای نیمه هادی نیز نامیده می شوند، شبیه به دیودهای معمولی هستند که دارای یک اتصال با بار مثبت-منفی (PN) هستند. تفاوت این است که دیودهای لیزر دارای یک لایه ذاتی در محل اتصال PN هستند که از موادی ساخته شده است که انتشار خود به خودی ایجاد می کند. لایه ذاتی صیقلی می شود تا فوتون های تولید شده تقویت شوند و در نهایت جریان الکتریکی را به نور لیزر تبدیل می کنند.
اگرچه اکثر لیزرهای نیمه هادی لیزرهای دیودی هستند، اما تعداد کمی از آنها اینگونه نیستند. این به این دلیل است که لیزرهای نیمه هادی وجود دارند که از ساختار دیود استفاده نمی کنند، مانند لیزرهای آبشاری کوانتومی و لیزرهای نیمه هادی با پمپ نوری.
مانند لیزرهای فیبر، دیودهای لیزر را می توان به عنوان لیزرهای حالت جامد طبقه بندی کرد زیرا محیط بهره آنها جامد است. با این حال، آنها به دلیل اتصال PN خود در یک دسته خاص قرار دارند.
دیودهای لیزر اغلب به عنوان منابع انرژی برای پمپاژ لیزرهای دیگر استفاده می شوند. به این لیزرها لیزرهای پمپ دیود می گویند. در این موارد، همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، معمولاً دیودهای لیزر برای پمپاژ انرژی بیشتر آرایه می شوند.
دیودهای لیزر بسیار رایج هستند. آنها در بارکدخوان ها، نشانگرهای لیزری، چاپگرهای لیزری، اسکنرهای لیزری و چندین کاربرد دیگر استفاده می شوند.
انواع لیزر بر اساس نحوه عملکرد
همه انواع لیزرها می توانند با استفاده از یکی از اين دو روش کار کنند: پرتوهای لیزر آنها می تواند پالسی یا پیوسته باشد. این همان چیزی است که ما آن را حالت عملکرد آنها می نامیم.
در لیزرهای موج پیوسته، جریان دائمی انرژی وجود دارد، به این معنی که لیزر به طور پیوسته یک پرتو لیزر واحد و بدون وقفه شلیک می کند. رایج‌ترین مثال در این مورد، پرتو بدون وقفه نشانگر لیزری است. لیزرهای موج پیوسته معمولاً برای برش لیزری و جوش لیزری استفاده می شود.
در لیزرهای پالسی، پرتو لیزر در فواصل زمانی معین قطع می شود تا انرژی جمع شود و به اوج قدرت بالاتری نسبت به لیزرهای موج پیوسته برسد. پرتو لیزر به صورت پالس هایی منتشر می شود که مدت زمان مشخصی به نام مدت زمان پالس دارند. این چگالی انرژی بالا برای بسیاری از کاربردها مانند جوشکاری نقطه ای و حکاکی مورد نیاز است.
لیزرهای موج پیوسته ممکن است قدرتمندتر از لیزرهای پالسی به نظر برسند زیرا قدرت لیزر تبلیغ شده معمولاً بسیار بالاتر است، اما این می تواند گمراه کننده باشد. این به این دلیل است که لیزرها با توجه به توان لیزر متوسط آنها نامگذاری می شوند و میانگین توان لیزرهای پالسی معمولاً کمتر است حتی اگر به پیک های بالاتری از قدرت برسند.
به عنوان مثال، یک لیزر موج پیوسته 6000 وات به طور مداوم 6000 وات توان لیزر را آزاد می کند. برعکس، یک لیزر پالسی 100 وات می تواند پالس های 10000 واتی را منتشر کند.
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 مدت زمان 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 زمان پالس استفاده می‌شوند و در نتیجه کمترین پیک انرژی را دارند. به عنوان مثال، پالس های لیزر موهای زائد ممکن است بین 5 میلی ثانیه تا 60 میلی ثانیه بسته به ضخامت مو 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 های زیر بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند، زیرا دقت بیشتری ارائه می دهند. از لیزرهای میکروثانیه ای می توان برای کاربردهایی مانند طیف سنجی و حذف موهای زائد نیز استفاده کرد.
- 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 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.
انواع بیشتر لیزر
همانطور که می بینید روش های زیادی برای دسته بندی لیزرها وجود دارد. راه دیگر استفاده از طول موج لیزر است که در آن شما لیزرهای مادون قرمز، مادون قرمز نزدیک، مرئی، فرابنفش و اشعه ایکس دارید.
متخصصان لیزر محدودیت های تکنولوژی لیزر را با پیشرفت های جدیدی که هر ساله انجام می شود، ادامه می دهند. در نتیجه، انواع لیزرها به طور مداوم در حال تکامل هستند و هر کسی که به دنبال کشف این جهان است، می تواند یک عمر اکتشافات را انتظار داشته باشد.