Энсиклопедияи хурд: Принсип ва татбиқи равандҳои кафшери лазерӣ
Сатҳҳои энергетикӣ
Модда аз атомҳо иборат аст ва атомҳо аз ядро ва электронҳо иборатанд. Электронҳо дар атрофи ядро ҳаракат мекунанд. Энергияи электронҳо дар атом тасодуфӣ нест.
Механикаи квантӣ, ки ҷаҳони микроскопиро тавсиф мекунад, ба мо мегӯяд, ки электронҳо сатҳҳои муайяни энергияро ишғол мекунанд. Сатҳҳои гуногуни энергия ба энергияҳои гуногуни электрон мувофиқат мекунанд: мадорҳои дуртар аз ядро энергияи баландтар доранд.
Илова бар ин, ҳар як мадор метавонад шумораи максималии электронҳоро нигоҳ дорад. Масалан, мадори пасттарин (наздиктарин ба ядро) метавонад то 2 электронро нигоҳ дорад, дар ҳоле ки мадори баландтар метавонад то 8 электронро нигоҳ дорад ва ғайра.
Гузариш
Электронҳо метавонанд аз як сатҳи энергетикӣ ба сатҳи дигар тавассути ҷаббида ё раҳо кардани энергия ҳаракат кунанд.
Масалан, вақте ки электрон фотонро фурӯ мебарад, он метавонад аз сатҳи пасти энергия ба сатҳи баландтар гузарад. Ба ҳамин монанд, электрон дар сатҳи баландтари энергия метавонад бо партоби фотон ба сатҳи пасттар афтад.
Дар ин равандҳо, энергияи фотони ҷаббидашуда ё партофташуда ҳамеша ба фарқияти энергия байни ду сатҳ баробар аст. Азбаски энергияи фотон дарозии мавҷи рӯшноиро муайян мекунад, рӯшноии ҷаббидашуда ё партофташуда ранги муқаррарӣ дорад.
Принсипи истеҳсоли лазер
Ҷабби ҳавасмандгардонидашуда
Ҷабби ҳавасмандгардонӣ вақте рух медиҳад, ки атомҳо дар ҳолати камэнергия радиатсияи берунаро фурӯ мебаранд ва ба ҳолати баландэнергия мегузаранд. Электронҳо метавонанд тавассути фурӯ бурдани фотонҳо аз сатҳҳои пасти энергия ба баланд гузаранд.
Партовҳои ҳавасмандшуда
Эмиссияи ангезанда маънои онро дорад, ки электронҳо дар сатҳи баланди энергия, таҳти «ангезандагӣ» ё «индуксия»-и фотон, ба сатҳи пасти энергия мегузаранд ва фотонро бо ҳамон басомади фотони афтида мебароранд.
Хусусияти асосии партоби ангезанда дар он аст, ки фотони тавлидшуда бо фотони аввала якхела аст: ҳамон басомад, ҳамон самт ва комилан фарқнопазир. Бо ин роҳ, як фотон тавассути як раванди партоби ангезанда ба ду фотони якхела табдил меёбад. Ин маънои онро дорад, ки рӯшноӣ тақвият ё тақвият меёбад - принсипи асосии тавлиди лазер.
Партовҳои худсарона
Партови худсарона вақте рух медиҳад, ки электронҳо дар сатҳи баланди энергия бе таъсири беруна ба сатҳи пасттар меафтанд ва ҳангоми гузариш нур (афканишоти электромагнитӣ) мебароранд. Энергияи фотон E=E2−E1 аст, ки фарқи энергия байни ду сатҳ аст.
Шароити истеҳсоли лазер
Миёна барои афзоиши лазерӣ
Барои тавлиди лазер муҳити мувофиқи тақвият лозим аст, ки метавонад газ, моеъ, сахт ё нимноқил бошад. Калиди муваффақият дар он аст, ки дар муҳит инверсияи популятсия ба даст оварда шавад, ки шарти зарурӣ барои баромади лазер аст. Сатҳи энергияи метаустувор барои инверсияи популятсия хеле муфид аст.
Манбаи насосӣ
Барои ноил шудан ба инверсияи популятсия, системаи атомӣ бояд барои зиёд кардани шумораи зарраҳо дар сатҳи болоии энергия ангехта шавад.
Усулҳои маъмул инҳоянд:
- Насоскунии барқӣ: холӣ кардани газ бо истифода аз электронҳои дорои энергияи баландкинетикӣ
- Насосдиҳии оптикӣ: нурпошӣ тавассути манбаъҳои рӯшноии импулсӣ
- Насосҳои гармӣ, насосҳои кимиёвӣ ва ғайра.
Ин усулҳо дар маҷмӯъ насоскунӣ номида мешаванд. Барои нигоҳ доштани зарраҳои бештар дар сатҳи болоӣ нисбат ба сатҳи поёнӣ барои баромади устувори лазер, насоскунии пайваста лозим аст.
Резонатор
Бо истифода аз муҳити мувофиқи афзоиш ва манбаи насосӣ, инверсияи популятсияро ба даст овардан мумкин аст, аммо шиддати партоби ангезанда барои истифодаи амалӣ хеле заиф аст. Тақвияти минбаъда лозим аст, ки онро резонатори оптикӣ таъмин мекунад.
Резонатори оптикӣ аз ду оинаи хеле инъикоскунанда иборат аст, ки дар ҳарду нӯги лазер мувозӣ ҷойгир шудаанд:
- Як оинаи пурраи инъикос
- Як инъикоси қисман ва оинаи интиқоли қисман
Оинаи инъикоси пурра тамоми нури афтандаро дар масири аввалаи худ бармегардонад. Оинаи инъикоси қисман фотонҳоро, ки аз ҳадди муайяни энергия поёнтаранд, ба муҳит бармегардонад, дар ҳоле ки фотонҳои болотар аз ҳадди остона ҳамчун нури лазерии тақвиятёфта интиқол меёбанд.
Нур дар резонатор ба пешу пас ларзиш мекунад ва реаксияи занҷираи партоби ангезандаро ба вуҷуд меорад ва мисли тарма пурқувват шуда, баромади лазерии баландшиддатро ба вуҷуд меорад.
Чароғи насосӣ чист?
Чароғи ксенон як чароғи разрядии гази инертӣ аст, ки одатан шакли найчаи рост дорад. Он одатан аз электродҳо, найчаи кварсӣ ва гази ксенони (Xe) пуршуда иборат аст.
Электродҳо аз металле сохта шудаанд, ки нуқтаи баланди обшавӣ, самаранокии баланди партоби электрон ва пошидани паст дорад. Лампаи лампа аз шишаи кварсии мустаҳкам, ба ҳарорати баланд тобовар ва интиқоли баланд сохта шудааст, ки бо гази ксенон пур карда шудааст.
Мили лазерии Nd:YAG чист?
Nd:YAG (Гарнати алюминии иттрий бо неодим омехташуда) маводи сахти лазерӣ мебошад, ки маъмултарин истифода мешавад.
YAG кристалли мукаабӣ бо сахтии баланд, сифати аълои оптикӣ ва гузаронандагии баланди гармӣ мебошад. Ионҳои севалентии неодимӣ баъзе ионҳои севалентии иттрийро дар шабакаи кристаллӣ иваз мекунанд, аз ин рӯ, гранати алюминии иттрий бо неодим омехташуда номида мешавад.
Хусусиятҳои лазерӣ
Ҳамоҳангии хуб
Нур аз манбаъҳои оддӣ аз ҷиҳати самт, фаза ва вақт бетартиб аст ва ҳатто бо линза ба як нуқта фокус карда намешавад.
Нури лазерӣ хеле когерентӣ аст: он басомади холис дорад, дар як самт дар фазаи комил паҳн мешавад ва метавонад ба нуқтаи хурде бо энергияи хеле мутамарказ равона карда шавад.
Самти аъло
Лазер нисбат ба ҳама гуна манбаи дигари рӯшноӣ самти хеле беҳтар дорад ва қариб мисли нури мувозӣ амал мекунад. Ҳатто вақте ки ба Моҳ (тақрибан 384,000 км дуртар) нигаронида шудааст, диаметри нуқта танҳо тақрибан 2 км аст.
Монохроматии хуб
Нури лазерӣ аз партоби ангезанда диапазони басомади ниҳоят танг дорад. Ба ибораи оддӣ, лазер дорои монохроматии аъло аст — «ранги» он бениҳоят соф аст. Монохроматии кор барои коркарди лазер муҳим аст.
Равшании баланд
Кафшери лазерӣ самти аъло ва зичии баланди қувваи нурҳои лазериро истифода мебарад. Лазер тавассути системаи оптикӣ ба як минтақаи хурд равона карда мешавад ва дар муддати хеле кӯтоҳ манбаи гармии хеле мутамарказро ба вуҷуд меорад, маводро об мекунад ва нуқтаҳои устувори кафшер ва дарзҳоро ба вуҷуд меорад.
Афзалиятҳои кафшери лазерӣ
Дар муқоиса бо дигар усулҳои кафшер, кафшери лазерӣ пешниҳодҳои зеринро пешниҳод мекунад:
- Консентратсияи баланди энергия, самаранокии баланди кафшер, дақиқии баланд ва таносуби калони умқ ба паҳнои кафшерҳо.
- Вуруди ками гармӣ, минтақаи хурди аз гармӣ осебдида, фишори боқимонда ва деформатсияи ҳадди ақал.
- Кафшери бетамос, интиқоли нахи оптикии чандир, дастрасии хуб ва автоматикунонии баланд.
- Тарроҳии чандири буғум, сарфаи ашёи хом.
- Энергияи дақиқ идорашаванда, натиҷаҳои устувори кафшер ва намуди аълои кафшер.
Равандҳои кафшери лазерӣ барои маводҳои металлӣ
Пулоди Зангнамезадагӣ
- Натиҷаҳои хубро бо истифода аз импулсҳои муқаррарии мавҷи чоркунҷа ба даст овардан мумкин аст.
- Пайвандҳоро тарҳрезӣ кунед, то нуқтаҳои кафшерро аз маводҳои ғайриметаллӣ дур нигоҳ доред.
- Барои мустаҳкамӣ ва намуди зоҳирӣ майдони кафшер ва ғафсии кори қисмро захира кунед.
- Ҳангоми кафшер тозагии қисмати корӣ ва муҳити хушкро таъмин кунед.
Хӯлаҳои алюминий
- Инъикоси баланд қувваи баланди лазерро талаб мекунад.
- Ҳангоми кафшери нуқтаӣ ба кафшер майл дорад, ки мустаҳкамиро коҳиш медиҳад.
- Таркиби мавод метавонад боиси пошидани доғҳо гардад; аз ашёи хоми баландсифат истифода баред.
- Натиҷаҳои беҳтар бо андозаи калони нуқта ва паҳнои дарози импулс.
Мис ва хӯлаҳои мисӣ
- Инъикоси баландтар нисбат ба алюминий; қувваи авҷи лазерро ҳатто баландтар талаб мекунад.
- Сари лазер бояд дар кунҷе майл дошта бошад.
- Кафшер кардани хӯлаҳои мис (биринҷӣ, мелуникел ва ғайра) аз сабаби унсурҳои хӯлакунанда душвортар аст; интихоби бодиққати параметрҳо зарур аст.
Камбудиҳои маъмулӣ дар кафшери лазерӣ ва ҳалли онҳо
Параметрҳои нодуруст ё кори нодуруст аксар вақт боиси камбудиҳои кафшер мешаванд, аз ҷумла:
- Пошидани сатҳ
- Сӯрохии кафшери дохилӣ
- Тарқишҳои кафшерӣ
- Деформатсияи кафшерӣ
Пошидани кафшер
Пошидани пошхӯрӣ асосан аз зичии аз ҳад зиёди қувваи лазер ба вуҷуд меояд: қисми корӣ дар муддати кӯтоҳ энергияи аз ҳад зиёдро фурӯ мебарад, ки боиси бухоршавии шадиди мавод ва аксуламали шадиди ҳавзи гудохта мегардад.
Пошидани об ба намуди зоҳирӣ, дақиқии васлкунӣ ва мустаҳкамии кафшер зарар мерасонад.
Сабабҳо
- Қувваи аз ҳад зиёди қуллаи лазер.
- Шакли номуносиби мавҷи кафшерӣ, махсусан барои маводҳои дорои инъикоси баланд.
- Ҷудошавии мавод боиси азхудкунии баланди энергия дар маҳал мегардад.
- Ифлосшавӣ ё ифлосшавии ғайриметаллӣ дар сатҳи қисмати корӣ.
- Моддаҳое, ки дар ҳарорати пасти обшавӣ байни ё зери қисмҳои корӣ қарор доранд ва ҳангоми кафшер газ ба вуҷуд меоранд.
- Сохторҳои пӯшидаи холӣ, ки боиси васеъшавӣ ва пошидани газ мешаванд.
Роҳҳои ҳал
- Параметрҳоро оптимизатсия кунед: қувваи қулларо кам кунед ё шаклҳои мавҷи хӯшаро истифода баред.
- Аз ашёи хоми босифат ва мувофиқ истифода баред.
- Тозакунии пеш аз кафшерро барои тоза кардани равған ва ифлосӣ пурқувват кунед.
- Тарроҳии сохтори кафшерро беҳтар созед.
Сӯрохии дохилӣ
Сӯрохнокӣ нуқсони маъмултарин дар кафшери лазерӣ мебошад. Давраи гармии зуд ва мӯҳлати кӯтоҳи ҳавзи гудохта аз ихроҷи газ пешгирӣ мекунад ва сӯрохиҳоро ба вуҷуд меорад.
Намудҳои маъмул: сӯрохиҳои гидроген, сӯрохиҳои оксиди карбон ва сӯрохиҳои фурӯпошии сӯрохи калидӣ.
Тарқишҳои кафшерӣ
Тарқишҳо мустаҳкамии кафшер ва мӯҳлати хизмати онро ба таври назаррас коҳиш медиҳанд. Гармкунӣ ва хунуккунии босуръати кафшери лазерӣ хатари кафшерро зиёд мекунад.
Аксари тарқишҳои кафшери лазерӣ тарқишҳои гарм мебошанд, ки дар хӯлаҳои алюминий ва пӯлодҳои карбони баланд/хӯлаҳои баланд маъмуланд.
Пешгирӣ
- Барои маводҳои шикананда, барои кам кардани кафидан шаклҳои мавҷи пешакӣ гармкунӣ ва хунуккунии оҳиста-оҳистаро илова кунед.
- Барои кам кардани фишори кафшер, тарҳи буғумро оптимизатсия кунед.
- Маводҳоеро интихоб кунед, ки майли кафиданашон камтар аст, дар шароити иҷрои баробар.
Деформатсияи кафшер
Деформатсия аксар вақт дар варақаҳои тунук, қисмҳои корӣ бо масоҳати калон ё кафшери бисёрнуқтаӣ ба амал меояд, ки ба васлкунӣ ва кор таъсир мерасонад. Он аз сабаби вуруди нобаробари гармӣ ва васеъшавӣ/кашиши номувофиқи гармӣ ба вуҷуд меояд.
Роҳҳои ҳал
- Параметрҳоро барои кам кардани вуруди гармӣ оптимизатсия кунед: қувваи авҷро афзоиш диҳед ва ҳамзамон паҳнои импулсро кам кунед.
- Суръати кафшер ва басомади импулсро кам кунед, то гармиро дар як воҳиди вақт кам кунед.
- Барои таъмини гармкунии якхела, пайдарпайии кафшерро оптимизатсия кунед.
Вақти нашр: 25 феврали соли 2026
