الخصائص الفريدة لإشعاع الليزر. ليزر روبي
يتكون المولد الكمومي البصري من جزأين رئيسيين: وسيط نشط ومرنان.
في الليزرات الأولى ، كان الوسط النشط عبارة عن بلورة روبي مع شوائب حوالي 0.05٪ كروم (الشكل 104). عادةً ما يكون لعنصر الليزر الأساسي هذا شكل أسطوانة يبلغ قطرها 0.4-2 سم وطولها من 3 إلى 20 سم ، وتكون نهايات الأسطوانة 3 و 4 متوازية تمامًا ، وتوضع عليها طبقة من الفضة. أحد أسطح المرآة شفاف جزئيًا: 92٪ تدفق مضيئةينعكس منه وينقل منه حوالي 8٪.
منذ ذلك الحين ، كانت هناك تطبيقات لمصادر شعاع الليزر. أصبح اللحام بالليزر طريقة شائعة للانضمام إلى الأسلاك مكونات الكترونيةمن خلال الثقوب في لوحات الدوائر المطبوعة. تم تطوير عملية لحام تبدأ بالليزر. تؤدي إضافة الغاز النشط إلى تغيير اتجاه تدفق المعدن في حوض اللحام وإنتاج لحام أضيق وعالي الجودة. باستخدام كربيدات السيليكون المضمنة في أسطح البوليمر ، يكون الليزر قادرًا على إذابة المادة ، تاركًا خط رابطة غير مرئي تقريبًا.
مظاهرة لحام بالليزر
يمكن مقارنة الليزر بأشعة الشمس من أجل اللحام. يمكن تركيز شعاع الليزر وتوجيهه. عدسات ومرايا بصرية خاصة. يمكن أن تعمل على مسافة كبيرة من الشغل. عند استخدام شعاع الليزر للحام الكهرومغناطيسي. يسقط الإشعاع على سطح المعدن الأساسي مع هذا. تركيز الطاقة بحيث تذوب درجة حرارة السطح. البخار ويذوب المعدن أدناه. كان أحد الأسئلة الأصلية المتعلقة باستخدام الليزر هو إمكانية الانعكاس. المعدن بحيث ينعكس الشعاع بدلاً من تسخين القاعدة. فلز.
يتم وضع قضيب الياقوت داخل مصباح حلزوني من الزينون النبضي 2 ، يعمل بالنبضات الجهد العاليمن بطارية ذات سعة كهربائية إلى بطارية مشحونة بجهد يصل إلى عدة آلاف من الفولتات. عند تفريغها من خلال المصباح ، تنتج مكثفات البطارية مئات الآلاف من الجول من الطاقة. مدة الفلاش ، وطاقة المصباح تتجاوز 107 وات. المصباح مصدر إشعاع مثير. يتم إنشاء الانعكاس السكاني للمستويات في الياقوت باستخدام ثلاثة مستويات للطاقة من ذرات الكروم.
ومع ذلك ، فقد وجد أنه عندما يرتفع المعدن إليه. نقطة الانصهار ، وظروف السطح لها تأثير ضئيل. المسافة من التجويف البصري إلى المعدن الأساسي صغيرة. تأثير على الليزر. شعاع الليزر متماسك ومتشعب بشدة. القليل. يمكن التركيز على المساحة المناسبة عند العمل بها. نفس القدر من الطاقة سواء كانت قريبة أو بعيدة.
أثناء اللحام بالليزر ، يكتسب المعدن المنصهر طابعًا شعاعيًا. تكوين مماثل لحام القوس الحراري. ومع ذلك ، عندما ترتفع كثافة الطاقة فوق مستوى عتبة معين ، يحدث فتح. كما هو الحال مع لحام قوس البلازما. يوفر هذا نسبة عالية من العمق إلى العرض. في بعض التطبيقات ، يتم استخدام غاز خامل. درع المعدن المنصهر من الغلاف الجوي. يمكن للأبخرة المعدنية التي يمكن أن تحدث تدمير غاز التدريع وتكوين البلازما. منطقة ذات كثافة إشعاع عالية فوق سطح المعدن مباشرة.
ذرات الكروم ، التي تمتص الإشعاع بطول موجي 560 نانومتر ، الواردة في الطيف مصباح زينون، يمر من مستوى الأرض إلى مستوى متحمس روبي لامتصاص الإشعاع من مصباح به
تؤدي الأطوال الموجية الأخرى إلى تسخينها. للحماية من التدمير الحراري ، يتم تبريد الياقوت بالنيتروجين السائل.
تمتص البلازما الطاقة من شعاع الليزر ويمكنها بالفعل منع الشعاع و. تقليل الذوبان. استخدام نفاث غاز خامل موجه على طول السطح المعدني. يزيل تراكم البلازما ويحمي السطح منها. الغلاف الجوي. خصائص اللحام لشعاع الليزر والإلكترون. مشابه. تركيز الطاقة لكلا الشعاعين متشابه. علاوة على ذلك ، تبلغ كثافة طاقة الليزر 106 واط. لكل سنتيمتر مربع. فقط كثافة الطاقة لشعاع الإلكترون. اكثر قليلا. يُقارن هذا بكثافة حالية تبلغ 104 واط لكل سنتيمتر مربع فقط للحام القوسي.
عمر ذرات الكروم عند مستوى متحمس قصير. بالنسبة للانتقال من المستوى إلى المستوى الرئيسي ، فهو كذلك ، وبالنسبة للانتقال فهو أقل من c. لذلك ، فإن معظم الذرات المتحمسة للمستوى تقوم بالانتقال إلى المستوى الثاني المثير
عمر ذرة الكروم عند مستوى طويل نسبيًا ، في حدود s. هذا المستوى غير مستقر: إذا كانت قوة المصباح الكهربائي عالية بما يكفي ، فسيكون عدد السكان في المستوى الثابت أكبر من عدد السكان على مستوى الأرض. عندما يتم الوصول إلى انعكاس السكان للمستويات ، تصبح بلورة الياقوت وسطًا نشطًا.
لحام شعاع الليزر له فرق كبير في درجة الحرارة. بين المعدن المنصهر والمعدن الأساسي المجاور مباشرة للحام. تكون معدلات التدفئة والتبريد أعلى بكثير عند اللحام بشعاع الليزر. من اللحام بالقوس ، والمناطق المصابة بالحرارة أصغر بكثير. يمكن أن تؤدي معدلات التبريد السريع إلى مشاكل مثل التكسير في نسبة عالية من الكربون. أصبح.
يشير إلى العمل التجريبي مع عملية لحام شعاع الليزر. أن العوامل العادية تتحكم في اللحام. يحدث الاختراق الأقصى عندما تتركز الحزمة تحت السطح بقليل. يكون الاختراق أقل عندما تركز الحزمة على السطح أو في عمق السطح. مع زيادة القوة ، يزداد عمق الاختراق.
تسمى عملية نقل الذرات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة بالضخ. وفقًا لذلك ، يُطلق على مصباح الفلاش زينون المستخدم لهذا الغرض مصباح المضخة.
يكفي لذرة كروم واحدة أن تقوم بانتقال تلقائي من المستوى غير المستقر إلى المستوى الرئيسي مع انبعاث فوتون بتردد يتوافق مع طول موجة الضوء الأحمر البالغ 694.3 نانومتر ، حيث ينشأ سيل من الفوتونات ، بسبب الانبعاث المستحث لذرات الكروم في حالة الانبثاث. إذا كان اتجاه هروب الفوتون الأساسي متعامدًا على مستوى مرايا الرنان ، فإن الإشعاع أحادي اللون والمتماسك والموجه بشدة بطول موجي 694.3 نانومتر يهرب من المرآة شبه الشفافة للرنان.
يتم تنفيذه بمستويات طاقة منخفضة ، مما يشكل كتلة لحام عريضة وصغيرة. التسخين المباشر: يتم تحديد التدفق الحراري من خلال التوصيل الحراري الكلاسيكي من مصدر حرارة السطح. يمتص الحبر طاقة شعاع الليزر التي يتم توصيلها إلى سمك محدود من المواد المحيطة لتشكيل طبقة بينية منصهرة والتي تتصلب كمفصل ملحوم. يمكن إجراء اللحامات التناكبية عن طريق توجيه الطاقة إلى خط الوصلة بزاوية من خلال المادة الموجودة على جانب واحد من المفصل ، أو من طرف واحد إذا كانت المادة شديدة النفاذية.
- يتم اللحام بصهر أجزاء من المادة الأساسية.
- يتم وضع الحبر الماص على سطح المفصل.
يتم عرض العمليات التي تحدث في بلورة الياقوت بشكل تخطيطي في الشكل الخامس من إدراج اللون.
تم تصوير بلورة الياقوت على هذا الملحق كمستطيل ؛ الفقس على اليسار يشير إلى مرآة. يشير التظليل المتناثر على اليمين إلى مرآة شفافة جزئيًا ، وهي أيضًا نافذة إخراج شعاع الليزر. لا تظهر ذرات الشبكة البلورية من الياقوت في الشكل ؛ الدوائر تشير إلى ذرات الكروم الموزعة عشوائياً داخل البلورة.
في هذا النوع من اللحام ، يشكل ضوء الليزر خيطًا من مادة متبخرة ، يُعرف باسم "ثقب المفتاح" ، والذي يمتد إلى المادة ويسمح بالتغذية الفعالة أشعة الليزرفي المادة. لا يعتمد التطبيق المباشر للطاقة على المادة على الموصلية لتحقيق الاختراق ، لذا فهو يقلل الحرارة في المادة ويقلل المنطقة المعرضة للحرارة.
ينشئ الليزر ثقبًا مغلقًا بمادة منصهرة خلف الليزر. النتيجة تسمى ثقب المفتاح. تم استخدام شعاع الليزر في اللحام. الكربون الصلب عالية القوة منخفضة سبائك الصلب الألومنيوم الفولاذ المقاوم للصدأ التيتانيوم. تتشابه اللحامات بالليزر المصنوعة في هذه المواد في الجودة مع اللحامات. المواد التي تحتوي على شعاع إلكتروني.
قبل التعرض للضوء ، تكون جميع ذرات الكروم في البلورة في الحالة الأرضية ، ويشار إليها بدوائر ضوئية (انظر الشكل V ، على إدراج اللون). تحت تأثير فوتونات الضوء ذات الترددات المختلفة المنبعثة من مصباح المضخة ، تنتقل معظم ذرات الكروم إلى حالة مثارة غير مستقرة. يشار إلى ذرات الكروم المثارة بدوائر مظلمة (انظر الشكل V ، ب على اللون الداخلي).
مخطط اللحام بالليزر القوسي
لحام المعادن المتباينة. لا مواد مالئة مطلوبة. لا تشطيب إضافي مطلوب. دقيق للغاية. ينتج لحامات عميقة وضيقة تشوه منخفض في اللحامات لحامات عالية الجودة مكونات رفيعة صغيرة ملحومة لا تلامس المواد.
- يعمل مع المعادن عالية السبائك دون صعوبة.
- يمكن استخدامها في الهواء الطلق.
- يمكن نقلها عبر مسافات طويلة مع الحد الأدنى من فقدان الطاقة.
- منطقة ذات تأثير حراري محدود.
- ناتج حراري إجمالي منخفض.
- يمكن أن تسبب معدلات التبريد السريع تكسيرًا في بعض المعادن.
- ارتفاع تكاليف رأس المال للمعدات.
- تتلف الأسطح الضوئية لليزر بسهولة.
- تكاليف تشغيل عالية.
تبعث ذرة الكروم المثارة فوتونًا ضوئيًا عند الانتقال إلى الحالة الأرضية. جميع الوجهات لـ انبعاث عفويالفوتونات محتملة بشكل متساوٍ ، وبالتالي ، في البداية ، تترك معظم الفوتونات المنبعثة البلورة ، وتطير منها في اتجاهات مختلفة. فقط الفوتونات التي تطير على طول المحور
لا يمكن لقضيب الياقوت أن يتركه بسرعة ، ويعاني من انعكاسات متعددة من المرايا في نهايات الكريستال (انظر الشكل V ، ج على إدراج اللون). تحلق هذه الفوتونات بالقرب من ذرات الكروم المُثارة ، وتسبب انبعاثًا محفزًا لنفس الفوتونات التي تطير في نفس الاتجاه. تتطور هذه العملية مثل الانهيار الجليدي ، وفي فترة زمنية قصيرة تشارك معظم ذرات الكروم المثارة فيها: شعاع قوي من الضوء المتماسك يهرب عبر مرآة شفافة جزئيًا على الطرف الأيمن من البلورة (انظر الشكل V ، د على الملصق الملون).
يحدث الانسداد فقط للأقواس ذات التيار المنخفض وبالتالي نفاث الكاثود البطيء للتيارات الأقل من 80 أمبير. يوجد القوس على نفس الجانب من قطعة العمل مثل الليزر ، مما يسمح بضعف سرعة اللحام لزيادة متواضعة في التكلفة الرأسمالية.
إذا تم استخدام حزمتين من أشعة الليزر في وقت واحد ، فمن الممكن التحكم في هندسة اللحام وشكل اللحام. يمكن بعد ذلك تثبيت ثقب المفتاح ، مما يتسبب في تقليل الموجات على حوض اللحام وتحسين الاختراق وشكل الخرزة.
في هذه العملية ، يقوم شعاع الليزر بإذابة الحشو ، مما يؤدي إلى ترطيب حواف الوصلة دون إذابة المادة الأساسية. هناك العديد من الجامعات التي تقدم شهادات اللحام بالليزر ، مثل جامعة ويسكونسن ماديسون. في هذه الحالة ، يتم تقديم شهادتين.
يسمى وضع التشغيل الموصوف لليزر وضع التشغيل الحر. يبدأ التشغيل الحر بعد وميض مصباح المضخة ويستمر حوالي 1 مللي ثانية. في هذا الوضع ، تم الحصول على قيم قياسية للطاقة الإشعاعية ، لتصل إلى 1000 J لكل نبضة بقوة حوالي W.
كفاءة ليزر الياقوت منخفضة: حوالي 1٪ فقط. هذه الكفاءة المنخفضة ترجع إلى العديد من الأسباب. أهمها ما يلي: لا يتم تحويل كل الطاقة الكهربائية المخزنة في المكثف إلى طاقة ضوئية ؛ يمتص الياقوت جزءًا فقط من التدفق الضوئي لمصباح المضخة.
نقترح مراجعة دورات التدريب على اللحام في منطقتك مثل. كلية آن أرونديل فيريس المجتمعية بولاية أوهايو. . يتعلق هذا الاختراع بتوليد وتضخيم واستخدام الموجات الكهرومغناطيسية في الأشعة تحت الحمراء والمرئية و. جزء من الأشعة فوق البنفسجية من الطيف ، وبشكل أكثر تحديدًا أشعة الليزر وأنظمة الليزر. الليزر ، وهو اختصار لتضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع ، هو جهاز قادر على توليد أو تضخيم الضوء المتماسك.
مبدأ التشغيل مشابه لمبدأ مازر وبالتالي يشار إليه أيضًا باسم مازر بصري. لقد بُذِلت جهود كبيرة "في مجالات الإلكترونيات والفيزياء في محاولات لتوليد أو تضخيم ضوء متماسك". وهكذا ، كما هو الحال مع ترددات الراديو أو الميكروويف ، يمكن تركيز كمية كبيرة من الطاقة عند أو بالقرب من تردد واحد واستخدامها في تقنيات مشابهة لتلك المطبقة على الترددات الراديوية. لا يمكن أن تكون الطرق التقليدية لتوليد أو تضخيم الموجات الكهرومغناطيسية ، بما في ذلك تقنيات المايزر الميكروي ، مفيدة للترددات الضوئية لأن مثل هذه الطرق تتطلب مكونات مثل تجاويف المايزر لدعم اهتزازات الموجة ، والتي يجب أن يكون لها أبعاد فيزيائية بترتيب الطول الموجي.
تم إنشاء أحد أول مولدات الضوء المتماسكة التي تعمل وفقًا لمخطط من ثلاثة مستويات بجسم صلب كوسيط تضخيم نشط في عام 1960. روبي هو العنصر النشط. هذا أكسيد يتم فيه استبدال بعض الذرات. المادة الفعالة في الياقوت هي أيونات الكروم. يعتمد لون الياقوت على محتوى الكروم. عادة الكروم في ياقوت. يتم أخذ طول قضيب الياقوت في حدود سم ، انظر القطر (الشكل 7.)
من الواضح أن مثل هذه المكونات لا يمكن إنتاجها أو استخدامها بشكل مفيد في الترددات الضوئية حيث تكون الأطوال الموجية من أجل الأبعاد الذرية. عند محاولة استخدام التجاويف التي لها أبعاد تتوافق مع عدد كبير من الأطوال الموجية ، يتم دعم العديد من الأنماط ، ويتدهور التماسك ، ويتطلب الأمر مصادر طاقة ضخ كبيرة غير مجدية.
تعتبر أجهزة حالة الغاز المقترحة هذه ذات أهمية كبيرة لنماذجه النظرية وتمثل تقدمًا أكاديميًا مهمًا ، ومع ذلك لم يتم إثبات أنها لا توفر أي جيل أو تضخيم للضوء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن هيكل أنظمة الغاز معقد ويتطلب صيانة ضغوط البخار ودرجات الحرارة الحرجة. الشوائب في الغاز مشكلة أخرى خطيرة للغاية. المسافة بين الذرات للغاز تحد بشدة من كفاءة الاقتران بين الانبعاث المحفز والموجة المتماسكة التي تنتشر عبر الوسط.
تخطيطي لليزر الياقوت.
يتم ضخ الياقوت بواسطة مصباح زينون يعمل في الوضع النبضي. بالنسبة إلى المصباح ، يستهلك المصباح عدة آلاف من الجول من الطاقة. ينقل الإشعاع القوي من مصباح الزينون الأيونات من الحالة إلى نطاق عريض (الشكل 8).
من هذا المستوى ، ينتقلون تلقائيًا وغير إشعاعي إلى الحالة 2. عمر هذا المستوى طويل. هذا هو المستوى غير المستقر. يتراكم هنا عدد كبير من الذرات. تبين أن المستوى 2 مأهول بشكل عكسي مقارنة بالمستوى 1. يتم تعزيز حدوث انعكاس المستويين 2 و 1 من خلال الاحتمال المنخفض للانتقالات التلقائية للأيونات من المستوى 2 إلى المستوى 1. ويكفي لأحد أيونات الكروم أن انتقل من الحالة 2 إلى الحالة 1 ، وتبدأ عملية تشبه الانهيار الجليدي لتوليد الليزر. الطول الموجي لشعاع الليزر لياقوت هو 694.3 نانومتر. يمكن زيادة تأثير تضخيم الضوء المستند إلى التحولات المستحثة عن طريق تمرير الضوء بشكل متكرر لتضخيمه من خلال نفس الطبقة المتوسطة للكسب. للقيام بذلك ، تصنع نهايات الياقوت معكوسة. لنفترض أن فوتونًا يتحرك بالتوازي مع محور البلورة. إنه يؤدي إلى انهيار جليدي من الفوتونات التي تطير في نفس الاتجاه. سيمر جزء من هذا الانهيار جزئيًا عبر المرآة الشفافة ، وسينعكس جزء منه وسينمو في الوسط النشط. عندما يصل الانهيار الجليدي للفوتونات إلى المرآة المعتمة ، سينعكس ، وسيتحرك مرة أخرى مثل الفوتون الأصلي ، ناقلاً جميع الذرات الجديدة من إلى. المسافة بين المرايا. سيتم تضخيم الطول الموجي الذي يتم استيفاء الشرط من أجله ، حيث يكون عددًا صحيحًا ، هو المسار الذي تمر به الموجة بين انعكاسين. ثم تكون الموجات المنعكسة والمتحركة في نفس المرحلة ، وعند إضافتها ، سيزداد اتساع الموجة الناتجة بشكل حاد. سيتم إطفاء الأطوال الموجية المتبقية التي لا تفي بالشرط. الموجات غير الموازية للمحور البلوري ستخرج من الوجوه الجانبية. يصبح التدفق أحادي اللون موجهًا بدقة. عندما تصل قوة الحزمة ، فإنها تنفجر من خلال مرآة شفافة.
بالإضافة إلى ذلك ، وتيرة العملية من أي معين ليزر غازيمكن ضبطها بشكل فعال فقط من خلال تأثيرات Stark أو Zeeman ، والتي يمكن أن توفر فقط نطاق ضبط من حوالي 5 إلى 10 دورات في الثانية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تصميم الخلية الغازية مهم للغاية حيث يجب أن تكون الألواح الطرفية عاكسة للغاية ومتوازية تمامًا من أجل تحقيق العديد من الانعكاسات المطلوبة بسبب المواد الغازية منخفضة الكثافة.
الهدف الآخر هو توفير ليزر مستقر ميكانيكيًا وغير حرج. الهدف الآخر هو إنشاء ليزر يعمل في درجة حرارة الغرفة أو درجات الحرارة شديدة البرودة لمزيد من البساطة ومرونة أكبر في معايير التصميم.
