لیزر و کاربردهای آن
لیزر یکی از فناوری هایی است که در دهه های اخیر پیشرفت های مهمی در زمینه های علم، پزشکی، صنعت و ارتباطات ایجاد کرده است. این فناوری که با تولید نوری منسجم و منفرد توانسته کاربردهای متنوع و پیشرفته ای را ارائه دهد، به ویژه به دلیل دقت و قدرت بالای آن در برش، جوش، اندازه گیری و تشخیص، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به اصول اولیه لیزر، انواع مختلف آنها، مزایا و محدودیت های استفاده از لیزر در کاربردها و صنایع مختلف می پردازیم.
1. مفاهیم و اصول عملیات لیزر
کلمه "لیزر" مخفف "تقویت نور با انتشار تحریک شده تابش" است. این پدیده بر اساس اصول فیزیک کوانتومی است که در آن اتم ها یا مولکول ها به حالت های انرژی بالاتر برانگیخته می شوند و سپس با از دست دادن انرژی به حالت های پایدار باز می گردند. از لیزر در آموزش جراحی لیزر موهای زائد استفاده می شود.
در فرآیند تولید لیزر، دو مفهوم اصلی انتشار تحریک شده و انسجام نور نقش مهمی دارند:
گسیل تحریک شده: وقتی یک اتم یا مولکول برانگیخته می شود، می تواند با از دست دادن انرژی و گسیل یک فوتون به حالت پایدار بازگردد. این فوتون به سایر فوتون های محفظه لیزر اضافه می شود و انرژی را افزایش می دهد.
- منسجم و تک رنگ: پرتو لیزر منسجم است. این بدان معناست که تمام فوتون ها فاز و فرکانس یکسانی دارند. این خاصیت باعث می شود نور لیزر بسیار تیز و قدرتمند باشد و مسافت های طولانی را بدون انحراف طی کند.
https://ensafnews.com/562156/%d9%84%db%8c%d8%b2%d8%b1-%d9%88-%da%a9%d8%a7%d8%b1%d8%a8%d8%b1%d8%af%d9%87%d8%a7%db%8c-%d8%a2%d9%86/
2. مبانی دستگاه های لیزر
لیزر دستگاهی متشکل از اجزای مختلف است که با هم کار می کنند تا یک پرتو نور با کیفیت خاص تولید کنند. این بخشها عبارتند از:
- محیط فعال: این محیط حاوی اتم ها یا مولکول هایی است که می توانند برانگیخته شوند. محیط فعال می تواند جامد، مایع، گاز یا نیمه هادی باشد و نوع آن تعیین کننده نوع لیزر است.
- منبع انرژی (پمپ): منبع انرژی اتم های محیط فعال را به حالت های انرژی بالاتر منتقل می کند. این انرژی را می توان با استفاده از تخلیه الکتریکی، لامپ یا روش های دیگر به دست آورد.
- آینه ها: در دو سر محفظه لیزر آینه هایی وجود دارد که یکی کاملاً نمایان و دیگری تا حدی قابل مشاهده است. این آینه ها نور را با بازتاب مکرر آن تقویت می کنند و تنها بخشی از نور دستگاه را به صورت پرتو لیزر ساطع می کنند.
3. نوع لیزر
لیزرها با توجه به نوع محیط فعال و پمپاژ به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که هر کدام دارای خواص ویژه ای بوده و برای کاربردهای مختلف مناسب می باشند.
الف) لیزر حالت جامد
این نوع لیزرها از یک محیط فعال جامد استفاده می کنند. شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های لیزرهای حالت جامد، لیزر روبی و لیزر nd:yag هستند.
- لیزر روبی: این اولین لیزری بود که از یاقوت مصنوعی به عنوان کاتالیزور استفاده کرد و به طور گسترده در کاربردهای علمی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار گرفت.
- لیزر دوم: YAG: لیزری است که در صنایع پزشکی، برش و جوشکاری فلزات کاربرد فراوان دارد. Nd:yag توانایی تولید نور مادون قرمز در طول موج 1064 نانومتر با راندمان بالا را دارد.
ب) لیزرهای گازی
در این لیزرها از گازهایی مانند هلیوم-نئون (he-ne)، دی اکسید کربن (co2) و آرگون به عنوان محیط فعال استفاده می شود.
- لیزر He-ne: این لیزر عمدتاً برای تولید نور قرمز با طول موج 632.8 نانومتر استفاده می شود و در ابزارهای اندازه گیری، نشانگرها و آزمایش های علمی کاربرد دارد.
لیزر CO2: لیزر دی اکسید کربن یکی از قوی ترین و کارآمدترین لیزرهایی است که در صنایع مختلف از جمله برش و جوشکاری و همچنین جراحی های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد.
ج) لیزرهای نیمه هادی (دیود)
لیزرهای رسانا از دیودهای ساطع کننده نور به عنوان محیط فعال استفاده می کنند و یکی از رایج ترین انواع لیزرها هستند. این لیزرها به دلیل اندازه کوچک، مصرف برق کم و طول عمر زیاد در دستگاه های الکترونیکی، ارتباطات فیبر نوری، چاپگرهای لیزری و نمایشگرهای نوری کاربرد دارند. بهترین لیزر برای رفع موهای زائد، لیزر تیتانیوم است.
د) لیزر ژانتین
لیزرهای فیبر از فیبرهای نوری ویژه ای استفاده می کنند که حاوی یک محیط فعال هستند. این لیزرها به دلیل پایداری بالا و کیفیت پرتو خوب در صنایع ارتباطی و برش فلز کاربرد دارند.
4. کاربردهای لیزر در صنعت
لیزرها به دلیل دقت، کارایی و قدرت بالا کاربردهای مختلفی در صنایع مختلف دارند. در زیر به برخی از این موارد استفاده می شود:
الف) برش و جوشکاری فلزات
لیزرهای صنعتی به ویژه لیزرهای co2 و nd: yag به دلیل قدرت بالا برای برش و جوش فلزات استفاده می شود. این روش برش دقت بالایی دارد و می تواند با سرعت بالا بدون ایجاد تغییرات حرارتی گسترده در مواد انجام شود.
ب) ثبت و علامت گذاری
لیزرها فلزی هستند، بسیار مفید برای حکاکی و علامت گذاری پلاستیک و شیشه و به دلیل دقت، متن، امکان ترسیم تصاویر و کدهای qr. این نوع رنگ آمیزی به دلیل تماس ضعیف با سطح و جزئیات خوب در صنایع مختلف به ویژه صنایع برق و خودروسازی کاربرد فراوانی دارد.
ج) صنعت پزشکی و درمانی
لیزر در پزشکی از اهمیت ویژه ای برخوردار است و در درمان های مختلف از جمله درمان های جراحی، دندانپزشکی و زیبایی کاربرد دارد. لیزرها به دلیل توانایی برش دقیق و ایجاد حداقل آسیب به بافت اطراف در جراحی استفاده می شوند. لیزر همچنین در درمان های زیبایی برای از بین بردن موهای زائد، کاهش لک و درمان آکنه استفاده می شود.
د) ارتباط فیبر نوری
لیزرهای دیود و فیبر به عنوان منبع نور در سیستم های ارتباطی نوری استفاده می شوند. این لیزرها به دلیل پهنای باند بالا و قابلیت ارسال اطلاعات با سرعت بالا، امکان انتقال اطلاعات را با دقت و کیفیت بالا در فواصل طولانی فراهم می کنند.
ه) صنعت الکترونیک
در صنعت الکترونیک از لیزر در تولید نیمه هادی ها و چاپگرهای لیزری استفاده می شود. چاپگرهای لیزری از لیزر برای ایجاد تصاویر و متن با وضوح بالا استفاده می کنند. همچنین در تولید تراشه های الکترونیکی از لیزر برای برش و حکاکی دقیق استفاده می شود.
5. مزایا و محدودیت های لیزر
لیزر به دلیل خواص منحصر به فرد خود دارای مزایا و معایب مختلفی است که به آن پرداخته شده است.
مزایای لیزر
- دقت بالا: نور لیزر بسیار منسجم است و این ویژگی به آن اجازه می دهد تا بر روی یک نقطه با دقت بالا فوکوس کرده و برش های دقیقی انجام دهد.
- سرعت و کارایی: لیزرها می توانند فرآیندهای مختلفی را با سرعت و کارایی بالا انجام دهند و باعث افزایش بهره وری و کاهش هزینه های تولید شوند. خواهد بود
- عدم نیاز به تماس مستقیم: لیزر برای برش، فلز یا حکاکی نیازی به تماس مستقیم با سطوح ندارد که از سایش و آسیب به بدنه جلوگیری می کند.
- طیف وسیعی از کاربردها: از برش و شکل دهی فلز گرفته تا جراحی و ارتباط، لیزرها کاربردهای گسترده ای دارند که آن را به ابزاری پرکاربرد تبدیل می کند.
محدودیت های لیزر
- هزینه بالا: هزینه خرید و نگهداری تجهیزات لیزر در بسیاری از موارد برای مشاغل کوچک بالا و زیان آور است.
- حساسیت به شرایط محیطی: برخی از لیزرها به شرایط محیطی مانند دما و رطوبت حساس هستند و برای عملکرد بهینه نیاز به شرایط خاصی دارند.
- خطر ایمنی: استفاده از لیزر قدرتمند بدون رعایت قوانین ایمنی می تواند به چشم و پوست آسیب برساند. در نتیجه استفاده از لیزر در محیط های صنعتی و پزشکی نیاز به تجهیزات ایمنی و آموزش خاصی دارد.
یک چیز آخر
لیزر به دلیل ویژگی های خاص خود در سال های اخیر به یکی از فناوری های اساسی در بسیاری از صنایع تبدیل شده است. از آزمایش های پزشکی و درمان های خاص گرفته تا صنعت و ارتباطات، لیزر به دلیل دقت، کارایی و سرعت بالا جایگاه ویژه ای در فرآیندهای تجاری و علمی پیدا کرده است. با پیشرفت روزافزون در زمینه فیزیک نوری و توسعه لیزرهای جدید و پرکاربرد، انتظار می رود این فناوری همچنان به گسترش و بهبود کاربردهای خود ادامه دهد و در آینده سهم قابل توجهی در زندگی و تجارت داشته باشد.
