برشکاری با لیزر

برشکاری فلزات با ليزر
مقدمه
ب.دون شك ليزر يكي از برجسته‌ترين ابزار علمي و فني قرن بيستم بشمار مي‌آيد
پيشرفت سريع تكنولوژي ليزر از سال ۱۹۶۰ ميلادي ، هنگامي كه اولين ليزر با موفقيت تهيه شد ، شروع گرديد . ليزر امروزه در زمينه‌هاي گوناگون از قبيل بيولوژي ، پزشكي ، مدارهاي كامپيوتر ، ارتباطات ، سيستم‌هاي اداري ، صنعت ، اندازه‌گيري در زمينه‌هاي مختلف و … بكار برده مي‌شود . ليزر يك منبع نور خاص است و بطور كلي با نور لامپهاي معمولي ، چراغ برق ، نور فلورسانت و غيره تفاوت فاحش دارد و در مقايسه با ساير منابع نور : در رده‌اي با مشخصات فوق‌العاده نوري قرار دارد . اين مطلب با عنوان اينكه نور ليزر از همدوستي (coherence) فوق‌العاده برخوردار است ، بيان مي‌شود .

ليزر را مي‌توان در مقايسه با ساير مولد‌هاي نوري كه فقط نور را منتشر مي‌كنند ، يك فرستنده نوري پنداشت . تا قبل از ظهور ليزر محدوده فركانس امواج راديوئي و محدوده نوري از نقطه‌ نظر همدوستي با يكديگر اختلاف داشتند . در فيزيك راديوئي بطور گسترده‌اي امواج همدوس مورد استفاده قرار مي‌گيرند و اين در حالي است كه امواج نوري (اپتيكي) غير همدوس نيز در اختيار است . در گذشته كتب درسي تنها مكاني بود كه امواج ليزري مورد بحث قرار مي‌گرفت . اين امواج هنگامي واقعيت پيدا كردند كه ليزر اختراع گرديد .
دانش مربوط به ليزر در حقيقت علم تابش نور همدوس (coherence radiation) است گرچه اين رشته از دانش فيزيك در حدود ۲۰سال است ظهور نمود و در حال تكامل است . معذالك نمودهاي نوظهور آن در معرض كاربردهاي جالب قرار گرفته‌اند .

آنچه در اين تحقيق مورد بحث قرار مي‌گيرد كاربردهاي ليزر و ليزر به عنوان سلاح مخرب و نحوه مقابله با سلاحهاي ليزري و قوانين بين‌الملل در مورد اين تكنولوژي برتر مي‌باشد .

بسوي ليزر
Light amptificationaly stimnlatcd emission of radiation
فكر ساختن وسيله‌اي كه نور همدوس توليد كند ، مدتها دانشمندان قرن حاضر را به خود مشغول داشته بود . در سال ۱۹۸۵ فيزيكدان مشهور آمريكايي چالز تاونز راه اين كار را پيدا كرد . دو سال بعد دانشمند ديگر آمريكايي ، تئودور مايمن به نظريه تاونز جامه عمل پوشاند و اولين ليزر را با بلوري از ياقوت مصنوعي ساخت اين دو بعداً به دريافت جايزه نوبل نايل آمدند . يك ليزر ياقوتي ساده از سه بخش تشكيل مي‌شود : استوانه‌اي از ياقوت مصنوعي ، يك چشمه نور ـ مثلاً يك لامپ گزنون كه مانند لامپ نئون كار مي‌كند . ( گزنون و زنون هر دو از گازهاي بي‌اثرند يعني اتمهايشان با اتمهاي ديگر مولكول نمي‌سازد . ) ـ و يك بازتابنده كه نور را از لامپ گزنون به ياقوت هدايت مي‌كند

استوانه ياقوتي ، بخش اصلي دستگاه است . قطر آن در حدود ۷ ميليمتر و طولش ۳٫۵ تا ۵ cm است . دو قاعده استوانه صيقل خورده و نقره اندود شده است تا آينه كاملي باشد . قاعده ديگر نيز نقره اندود است ولي نه كاملاً به طوري كه مي‌تواند قسمتي از نور را از خود عبور دهد .

ياقوت بلور اكسيد آلومينيوم است كه در آن تعداد نسبتاً كمي اتم كروم معلق است . اتمهاي كروم از طريق گسيل القايي ، كوانتوم نور توليد مي‌كنند ، اتمهاي اكسيژن و آلومينيم كه بقيه بلور را تشكيل مي‌دهند فقط اتمهاي كروم را در جايشان نگه مي‌دارند. اتمهاي كروم نسبتاً بزرگ است و تعداد زيادي الكترون در مدارهايشان دارد . در اين جا فقط الكتروني مورد توجه ماست كه بيش از ديگران برانگيخته مي‌شود .

لازم به ذكر است واژه ليزر از حروف اول (( تقويت نور بوسيله گسيل برانگيخته تابش )) در زبان انگليسي گرفته شده كه آن را مي‌توان توسعه “maser” تقويت ميكروويو بوسيله گسيل برانگيخته تابش در محدوده فوتوني طيف امواج الكترومغناطيسي دانست .
در سال ۱۹۱۷ اينشتين براي اولين بار وجود دو فرايند براي گسيل تابش را بصورت زير پيشگويي كرد .

۱ . گسيل خودبخود spantaneous
2 . گسيل برانگيخته stimulated

دانشمنداني همانند townes و schawlow در امريكا و basov و prochror از روسيه قديم امكان استفاده از روش دوم (گسيل برانگيخته) را براي يك طراحي نور همدوس كشف كردند . در سال ۱۹۵۸ ميلادي مي‌من ( muiman ) اولين ليزر ياقوت سرخ ruby را به نمايش گذاشت . در سال ۱۹۶۰ ميلادي علي ج.ان در امريكا اولين ليزر گازي He_Ne را ساخت و از آن به بعد ليزرهاي گوناگون بمانند گازي ، مايعات ، مواد شيميايي ، جامدات و تهيه رساناها با قابليت‌هاي متفاوت و ويژگيهاي گوناگون براي كاربردهاي مختلف ساخته و بكار گرفته شد .
اجزاي اصلي در يك ليزر :

محيط فعال (active medium) : محيط فعال مجموعه‌اي از اتم‌ها و مولكول‌ها ، با يونها در حالت جامد ، مايع يا گازي است كه همانند تقويت‌كننده عمل مي‌كند .
منبع تحريك :وسيله‌اي براي ايجاد شرايط لازم جهت گسيل ليزري كه اين شرايط اساسي را وارونگي جمعيت (inrerted population) مي‌نامند و ممكن است منبع تحريك نوراني و يا الكتريكي و … باشد . مثلاً در ياقوت قرمز اين منبع از يك لامپ فلاش و در ليزر He – Ne پتانسيل الكتريكي در حدود چند هزار ولت است . اگر در محيط فعال چگونگي تقويت يا تضعيف را بررسي كنيم خواهيم ديد كه شدت تحريك I با وارونگي جمعيت وابستگي كمي دارند .
اصول كار ليزر

محيط فعال و عناصر ديگر در داخل مشدد نوري قرار دارند . مشدد محور نور در ليزر را تعيين و نور ساطع شده در امتداد محور تابش مي‌كند . بايد توجه داشت كه يك ليزر مي‌تواند نور را در يك يا دو امتداد مخالف در امتداد محور نوري ساطع كند . ماشه تحريك يك ليزر بوسيله سيستم پمپاز شروع بكار مي‌نمايد . كار اين سيستم تحريكي عناصر فعال است كه در اثر آن جمعيت وارونه (inrerted population) سطوح تابش‌كننده ايجاد مي‌گردد . مشدد نور (همراه با عناصر) اضافي عمل گزينش را بر روي حالات فوتوني تدارك مي‌بينند . در نتيجه ، يك تابش فوق‌العاده همدوس موسوم به تابش ليزر در امتداد محور حاصل مي‌شود .

محيط‌هاي فعال و روش‌هاي تحريك :
مواد فعال زير در ليزرها بكار برده مي‌شوند :
گازها و يا مخلوطي از گازها (ليزرهاي گازي(

بلورها و شيشه‌هاي ممزوج با يونهاي مخصوص (ليزرهاي جامد(
مايعات (ليزرهاي مايع(

نيمه‌هادي‌ها (ليزرهاي نيمه‌هادي(
كاربردهاي ليزر :
در نظر اول فهم اين نكته مشكل است كه چرا با نور ليزر مي‌توان يك تيغه را سوراخ كرد ولي با نور معمولي ، مثلاً نور يك لامپ الكتريكي ـ هر قدر هم قوي باشد اين كار ميسر نيست . اين سئوال سه جواب دارد :

اولاً نور لامپ ناهمدوس است يعني فوتونهاي لامپ همفاز نيستند و با مختصري اختلاف زماني به هدف مي‌رسند ، در حالي كه فوتونهاي تابه ليزري ، همه دقيقاً با هم حركت مي‌كنند و درست در يك نقطه به هدف مي‌رسند . دليل دوم اين كه نور از چشمه‌هاي ديگر كوبنده‌تر است ، اين است كه تابه نور معمولي فقط از يك طول موج معين تشكيل شده است بلكه شامل طيف نسبتاً وسيعي از طول موج‌هاست . اين مطلب ، دليل سوم را نيز در بر مي‌گيرد : نور معمولي بر خلاف نور ليزر به شكل تابه‌اي باريك و موازي توليد نمي‌شود ، بلكه راستاهاي مختلف را اختيار مي‌كند .

نور ليزر براي روشنايي :
ليزرهاي حالت جامد و ليزرهاي تزريقي درخشهاي كوتاه بسيار روشني توليد مي‌كند كه براي عكسبرداري بسيار سريع ، ايده‌آل است . ما در عصري هستيم كه سالانه ميليونها پوند صرف ساختن هوانوردهاي سريع ـ اعم از موشك‌هاي بالستيكي ، قاره‌پيما يا هواپيما مي‌شود . بايد دانست كه سرعتهاي زياد چه بر سر اجسام متحرك مي‌آيد و يكي از بهترين راههاي اين كار عكسبرداري از جسم در حال حركت است . سرعت بعضي از پرتابه‌ها بقدري زياد است كه اغلب چندين كيلومتر در ثانيه كه حتي عكسي كه به كمك سريعترين فلاشهاي

متداول از آنها گرفته مي‌شود ، چيزي جز تصويري محو نيست . از آنجايي كه حتي سريعترين پرتابه‌ها هم در اين مدت فاصله بسيار كمي را خواهند پيمود ، عكسي كه با درخشش ليزري از اجسام تيز پرواز گرفته مي‌شود ، واضح و دقيق خواهد بود . ارتش آمريكا سرگرم آزمايش با تلويزيون ليزري براي استفاده در گشتهاي شبانه مخفي با هواپيماست و طراحان نظامي درصدد ساختن كلاهك بمب‌هايي هستند كه هدف را با استفاده از پرتو ليزري نامرئي مادون قرمز پيدا كنند .

 

استفاده از ليزر در فاصله‌يابي :
يافتن فاصله هدف مورد نظر از مشكلات دائمي توپچيها و ضدهوايي‌ها بوده است . فاصله‌ياب ليزري ، اساساً از يك ليزر ، يك منبع توان ، يك سلول فتوالكتريك و يك كامپيوتر رقمي كوچك تشكيل مي‌شود . پرتويي كه ليزر مي‌فرستد ، پس از برخورد به هدف بازتابيده مي‌شود و وارد سلول فتوالكتريك مي‌گردد . از روي زمان رفت‌وبرگشت فاصله هدف ، توسط كامپيوتر محاسبه و بر حسب هر واحدي كه بخواهد ثبت مي‌شود .

نوعي فاصله‌ياب ليزري كه براي ناتو ساخته شده ، به اندازه يك تفنگ نسبتاً بزرگي است كه منبع توان و كامپيوتر آن را مي‌توان در بسته‌اي روي پشت حمل كرد . فاصله‌يابهاي ليزري تا مسافت ۱۱ km را با دقتي حدود ۵/۴ متر تعيين كرده‌اند .
استفاده از ليزر در هوانوردي و دريانوردي :

يكي از بديعيترين وسايل ليزري ، ژيروسكوپ ليزري است . ژيروسكوپ معمولي اساساً چرخ دواري است كه بسرعت مي‌چرخد . به دليل اين چرخش ، محور چرخ همواره در يك صفحه باقي مي‌ماند . محور ژيروسكوپ چرخنده هميشه در يك راستا باقي مي‌ماند و تغيير مسير كشتي تأثيري بر آن ندارد . اين محور ، كار يك ((خط مبنا)) را انجام مي‌دهد كه تغييرات جهت كشتي را از روي آن مي‌توان تشخيص داد . سفينه‌هاي فضايي كه غالباً بي‌سرنشينند تنها به كمك ژيروسكوپ مسير خود را حفظ مي‌كنند . اين ژيروسكوپ متشكل است از يك ليزر گازي مثلاً ليزر هليوم ، نئون كه از هر دو انتهايش نور همدوس خارج مي‌شود . با نصب اين ژيروسكوپ به سفينه فضايي ، انحراف سفينه از مسير ، قابل تشخيص است .
استفاده از ليزر در پزشكي :

ليزر بعنوان يك منبع قوي انرژي ، در پزشكي نيز بكار گرفته شده است بخصوصدر امريكا كه زادگاه ليزر بود و هنوز هم موطن آن است . به عقيده برخي جراحان ، ليزر براي بريدن اعضايي كه رگهاي خوني بسيار پيچيده دارد ـ مانند مغز ـ فوق‌العاده مناسب است. تابه ليزر در حين قطع‌كردن رگهاي خوني ، با سوزاندن، دهانه آنها را مي‌بندند . برخي از چشم‌پزشكان ليزر را براي جوش‌دادن جداشدگي شبكيه چشم ، مفيد يافته‌اند .

گسترش تكنولوژي ليزر در دهه گذشته در تمامي شاخه‌هاي زندگي رشد فزاينده‌اي داشته است به گونه‌اي كه امروزه ليزر جزء لاينفك زندگي انسان محسوب مي‌شود يكي از شاخه‌هائي كه ليزر از ابتداي اختراع آن بيش از ديگر زمينه‌هاي كاربردي مورد توجه محققين و متخصصين قرار گرفت ، كاربرد صنعتي ليزر بوده است .