مقدمه
ماشينكاري ليزر بر اساس اصولي است كه اخيرا كشف شده‌اند ليزر يك نام اختصاري به معني تقويت نو با انتشار بر انگيخته تابش است. فرآيند به برخورد يك اشعه نور تكرنگ همفاز جهت دار و شديد به قطعه كاري كه ماده به وسيله تبخير از آن خارج مي‌شود بستگي دارد. توضيح پديده اتمي كه در ضميمه ارائه شده مبناي مفيدي براي فراگيري اثرات ليزر است.

شناولا و تانز در سال ۱۹۵۸ براي اولين بار ليزر را مطرح كردند. آنها يك تداخل سنج فابري- پرت كه مثل يك جعبه تشديد عمل مي‌كرد در نظر گرفتند. هماطور كه در شكل ۱۰۵ مشخص است اين دستگاه اساسا از دو آينده نيمه نقره اندود موازي و تخت تشكيل شده كه در بين آنها يك شعاع نور تكرنگ چندين با بازتابش مي‌شود. فضاي بين آينده‌ها به يك ميحط تقويت كننده، ملكولهاي گاز بر انگيخته شده تا سطوح بالاتري انرژي، پر مي‌شود. ماكنيزم تقويت در قسمت ۳۰۵و ۴۰۵ بحث خواهد شد.

نور پس از بازتابش به وسيله آينه‌ها درون گاز برانگيخته درون گاز بر انگيخته، در جهت موازي به محور تداخل سنج منتشر شده و به اين ترتيب نور تقويت مي‌شود. البته به شرط اينكه در بازتابشهاي فلز آن تغيير نكند. رشد موج نور در محيط با موج رشد يابنده W1 كه در شكل ۱٫۵ از آينده M1 به سمت راست حركت مي‌كند نشان داده مي‌شود. پس از بازتابش از آينه M2 يك موج رشد يابنده ديگر M2 كه در جهت عكس حركت مي‌كند ايجاد مي‌شود. آينه M2 نيز کمي جابه جا مي‌شود. بنابراين اشعه نوري که از آن منتشر مي‌گردد تحت زاويه نسبت به محور واگرا است.

(۱٫۵)
قطر آينه است. مثلا اگر يا ۲۲s قوس خواهد بود.يعني نور انتشاري کاملا همراستا است. و اگرايي اشعه را مي‌توان با استفاده از عدسيهاي مناسب کنترل کرد. مي‌توان قطر آن را روي سطوح گسترده تري متمرکز کرد. مثلا ليزر ياقوت (قسمت ۵٫۵٫۴) با لامپ فلاش برانگيخته شده، ۱kj انرژي الکتريکي را در ۱ms منتشر مي‌کند. اشعه ليزري با انرزي ۳j در۶۹۳۴A با سطح مقطع ۵mm واگرايي ۱۰-۳rad توليد شده است. اين اشعه در حالت متمرکز شدت توان ۱MWcm-2 را ايجاد مي‌کند. حداکثر همسويي يا همدوسي فضايي مجموعه اشعه باپراش آينه‌هاي مورد نظر شاولاو وتانز توجه بيشتري را جلب کرده است. براي دستيابي به اشعه نور کاملا همراستا پديده‌هاي فيزيک و مرتبط به انتشار تابش بررسي شدند. ابتدا پديده معروف نشر خود به خود بررسي مي‌شود.

نشر خود به خود تابش
هنگامي که يک اتم در حالت انرژي برانگيخته E1 به سطح انرژي پايين تر E1 مي‌افتد يک کوانتم تابش با فرکانس vij منتشر مي‌کند
E1- E1=hvij
H ثابت پلانک است.
مي توان اين اتم را با دريافت تابشي با فرکانس يکسان تحريک کرد تا اين تابش را منتشر کند. پديده تحريک (بر انگيختگي) کمتر از انتشار خود به خود شناخته شده است. با توجه به ارتباط زياد آن با ليزر بايد به اين پدريده توجه ويژه اي داشت.

انتشار القايي
نرخ پرشهاي تابش القايي منتاسب با شدت انرژي تابشي uvij و اختلاف جمعيت (تعداد بر واحد حجم) اتمها بين حالتهاي بالاتر و پايين تر است. تابش القايي و تابش تحريک کننده داراي مشخصات قطبي و سمتي يکساني هستند
اين فرآيند پايه پديده ليزري است. از کارهاي اين اشتاين بر روي واکنش ماده وتابش (به ضميمه مراجعه کنيد) مي‌توان اطلاعات بيشتري کسب کرد. او نشان داد که تعريف درست اين واکنش نيازمند بررسي شرايط القاء يک اتم براگيخته به وسيله تابش براي نشر فرتون، که باعث پايين آمدن سطح انرژي آن اتم مي‌شود، است.

يک سيستم اتمي کمي شده که داراي سطوح، ….۱٫۲٫۳ و انرژي اين سطوحٍٍE3.2 E.E1 است در نظر بگيريد. تعداد اتمها در واحد حجم (جمعيت) در اين سطوح …..N1 N2 N3 است. اگر سيستم اتمي يا تابش گرمايي در دماي T در تعادل باشد آنگاه جمعيتهاي نسبي در هر دو سطح، مثلا ۱و ۲، با معادله يولتزمن تعريف مي‌شود:
(۳٫۵)

K ثابت بولتزمن است.
اگر آنگاه
اتم با انتشار يک فرتون از سطح ۲ به سطح ۱ افت مي‌کند. اگر A21 احتمال انتقال از سطح ۲ به سطح ۱ در واحد زمان انتشار القايي باشد. آنگاه تعداد افتهاي خود به خود در هر ثاينه N2 A21 خواهد بود. علاوه بر اين پرشهاي خود به خود، انتقالهاي برانگيخته و القايي نيز اتفاق مي‌فتد. سرعت کلي اين انتقالهاي القايي بين سطح ۲ و ۱ با شدت انرژي uv تابش با فرکانس v متناسب است:
(۴٫۵)

H ثابت پلانک است.

فرض کنيم B21 و B12 ثابتهاي تناسب براي انتشار القايي هستند. تعداد انتقالهاي القايي يا انتشارها در جهت پايين در ثانيه عبارت است از N2 B21 uv
به طور مشابه تعداد انتقالهاي القايي (جذب) در جهت بالا در ثانيه عبارت است از:
(۶٫۵) N1 B21 uv
ثابتهاي تناسب Aو B ضرايب اين اشتاين ناميده مي‌شوند.
در معادله نرخ خالص انتقالها در جهت پايين و بالا برابر هستند. بنابراين:
(۷٫۵)
اين معادله را مي‌توان به صورت زير نوشت:

از معادله ۳٫۵ داريم:

براي اينکه معادله با قانون تابش پلانک (رابطه زير):

موافقت داشته باشد بايد روابط زير حاکم باشند:

هنگامي که اتمها با تابش گرمايي در تعادل هستند. نسبت سرعتهاي انتشار القايي و خود به خود با معادله زير به دست مي‌آيد.:
سرعت القايي
با قرار دادن مقادير h و k و براي منابع نوري معمولي که دماي T حدود ۱۰۰۰k است سرعت انتشار القايي در قسمت قابل رويت طيف بسيار کوچک است. يعني در اين منابع بيشتر تابش بر اساس انتقالها و کنشهاي خود به خود منتشر مي‌شود و از آنجا که اين کار به صورت نامنظم انجام مي‌گردد بنابراين منابع تابش قابل رويت ناهمدوس هستند. در مقايسه در ليزر شدت تابش به صورتي است که انتقالهاي القايي کاملا غالب بوده و تابش انتشاري بسيار همدوس است.

همچنين تابش طيفي ليزر در فرکانس کاري آن بسيار بيشتر از نور معمولي است.براي دستيابي به اين اثر ليزرها شرايط جديدي که وارنگي جمعيت ناميده مي‌شود مورد نياز است.
محيط نوري که شامل اتمهايي در سطوح انرژي مختلف …..E1 E2 E3 بوده و است در نظر بگيريد . سرعتهاي انتشار القايي وجذب مربوط به اين دو سطح متناسب است با N2B21 و N1 B12 از آنجا که B21=B12 است اگر باشد. آنگاه سرعت انتقال القايي در جهت پايين بيش از سرعت انتقال در جهت بالا است. يعني در صورتيکه جمعيت حالت بالاتر بيش از جمعيت حالت پايين تر باشد. اين حالت وارونگي جمعيت ناميده شده و به طور مشخص با توزيع تعادل گرمايي بولتزمن مخالف است. (با معادله ۳٫۵ مقايسه کنيد)

اگر وارونگي جمعيت و جود داشته باشد مي‌توان افزايش شدت اشعه نور را در حين عبور از محيط نشان داد. يعني به علت اينکه دريافت بر اثر انتشار القايي بيشتر از دست دادن انرژي بر اثر جذب است اشعه تقويت ميشود تابش القايي هم جهت با اشعه اوليه منتشر مي‌شود. اين دو رابطه فازي مشخص دارند. يعني تابشهاي اولهي والقايي همدوس هستند.
روشهاي متعددي براي به دست آوردن وارونگي جمعيت وجود دارد:
(الف) پمپاژ نوري (مثل ليزر ياقوت)

يک منبع نور خارجي براي توليد جمعيت زياد سطح انرژي خاص در محيط ليزر، با جذب نوري انتخابي، به کار مي‌رود. اين نوع تحريک نوري در ليزرهاي حالت جامد مثل ليزر ياقوت به کار مي‌رود.
(ب) تحريک مستقيم الکترون (مثل ليزر آرگون)
در ليزرهاي يون گاز (مثل آرگون) براي ايجاد وارنگي جمعيت از تحرک مستقيم الکترون تخليه گازي استفاده مي‌شود. ميحط ليزر جريان تخليه را حمل مي‌کند. در شرايط مناسب فشار و جريان، الکتروهاي در تخليه اتمهاي فعال را مستقيما تحريک کرده و جمعيت بيشتري را در سطوح مشخص (نسبت به سطوح پايين تر)

(ج) برخوردهاي غير الاسيتک اتم- اتم (مثل ليزر هليم – نئون)
دراين حالت ترکيبي از گازها، مثلا دو نوع مختلف A.B، با حالت برانگيخته A و B يکسان (يا تقريبا يکسان) به کار مي‌روند. ممکن است انتقال برانگيختگي بين دو اتم به صورت زير انجام شود:

اگر حالت برانگيخته يکي از اتمها، مثلاA0، شبه پايدار باشد آنگاه گاز B در ميحط به صورت خروجي تحريک عمل مي‌کند. در نتيجه جمعيت حالت برانگيخته اتم B از سطوح پايين تري که اتم B بر اثر تابش به آنها افت مي‌کند بسيار بيشتر است.
اين حالت در ليزر هليم – نئون به وجود مي‌آيد. يک اتم برانگيخته هليم. يک اتم نئون را تحريم کرده وي سپس انتقال ليزر مي‌فتد.

نوسان ليزر
محيط تقويت کننده ليزر بين دو آينه که در دو سر يک لامپ ثابت شده‌اند قرار دارد. اگر وارونگي جمعيت در محيط کافي باشد تابش الکترومغناطيسي به وجود آمده و به صورت يک موج پايدار بين دو آينه به کار گرفته مي‌شود. يکي از آينه‌ها کمي متحرک است. يکي از آينه‌ها کمي متحرک است. هنگامي که قدرت تابش به حد کافي بالا مي‌رود اشعه از اين آينه به صورت اشعه ليزر خارج مي‌شود.
براي ماشينکاري انواع مختلف ليزر مورد توجه هستند. به طور مشخص ليزرهاي حالت جامد و گاز با ارزش مي‌باشند.

ليزر گاز
در سرهاي لامپ ليزر پنجره‌هاي بروستر بسيار شفاف قرار دارند که به وسيله آنها ليزر خروجي به صورت خطي قطبي مي‌شود. نوسان ليزر در قطبش دلخواه ايجاد شده و بر قطبشهاي ديگر (متعامد) غالب مي‌گردد.منابع متعددي براي تحريک الکتريکي وجود دارند. از جمله تخليه جريانهاي مستقيم و متناوب تخليه جريان متناوب بسيار ساده است. منبع انرژي يک مبدل بالاي معمولي است که به آن الکترودهاي سرد درون لامپ متصل هستند. در آزمايشگاه تلفن بل، بنت و‌هاريوت براي ساخت ليزر هليم- نئون، اولين گاز، از تخليه فرکانس بالاي بدون الکترود استفاده کردند. در بسياري از ليزرهاي توان بالا به ويژه زماني که وارونگي جمعيت پايدار نمي ماند از پالسهاي ولتاژ بالا استفاده مي‌شود.

ليزر هليم- نئون
سطوح انرژي براي اين ليزر گازي معمولي نشان داده مي‌شود. اتمهاي هليم به برخورد اکترونها در تخليه برانگيخته مي‌شوند. به علت اينکه از نظر نوري انتقال به سطوح پايين تر مجاز نيست جمعيت حالتهاي شبه پايدار هليم که با ۱s 3s مشخص مي‌شوند. افزايش مي‌يابد. همانطور که مشاهده مي‌شود سطوح ۲s و ۳s نئون نزديک سطوح شبه پايدار هليم هستند.
بنابر اين در هنگام برخورد يک اتم شبه پايدار هليم با اتم نئون تحريک نشده احتمال انتقال انرژي زياد است. اين انتقال به صورت زير بيان مي‌شود:

اگر شرايط تخليه مناسب باشد، فشار کل بادي حدود ۱Torrو نسبت هليم به نئون حدود ۷:۱ ,وارونگي جمعيت سطوح Ne(2s) Ne(3s) اتفاق مي‌افتد.
عمل اصلي ليزر درسيستم هليم- نئون به انتقالهاي زير در اتم نئون بستگي دارد:

اعداد داخل پرانتز طول موج ليزر است.

ليزر دي اکسيد کربن
با کشف ليزر co2:N2:He در دهه ۱۹۶۰، توليد سطوح انرژي پيوسته بسيار بالا با توان خروجي چند ميلي وات تا چند صد وات امکان پذير شد. طبق نمودار سطح انرژي در انتقال ليزر دو سطح انرژي ارتعاشي (۰۰۰۱٫۱۰۰۰) ملکولهاي دي اکسيد کربن اتفاق مي‌افتد. اختلاف بين اين دو سطح طول موج خروجي را ايجاد مي‌کند. بررسيهاي دقيق روشن کرده که ملکولهاي نيتروژن در تخليه به سطح ارتعاشي v=1) ) برانگيخته مي‌شوند. اين سطح co2 0001 بسيار نزديک است. اين برانگيختگي در N2 به سطح بالاتر ليزر co2 منتقل شده و باعث ايجاد ملکولهاي اضافي مي‌شود. اين جمعيت

اضافي شرط لازم براي عمل تابش ليزر است. هليم در تخليه به حفظ وارونگي کمک کرده و همچنين رسانش گرما به ديواره‌هاي را افزايش ميدهدپس از تابش ليزر در طول موج مولکول co2 به سطح ۰۱۱۰ افت کرده و سپس به سطح پايه مي‌رسد اجزاء اصلي در توليد اقتصادي ليزرهاي co2:N2:He را نشان مي‌دهد. يک ماشين ابزار ليزر co2 صنعتي را نشان مي‌دهد. جدول ۱٫۵ بعضي خواص ليزرهاي گاز که در ماشينکاري مورد توجه هستند ارائه مي‌کند.

جدول ۱٫۵ انواع ليزرهاي گاز (داده‌هاي فاولژ، ۱۹۷۵)
گاز با ترکيب گازي اجزاء فعال طول موج اصلي ليزر( )
اطلاعات ديگر
HeNe Ne 0.6328.1.15.3.39 موج پيوسته (cw)
َAr َAr+ 0.5765.0.4880.05145 Cw يا ضربه اي (p)
Co2-N2-He co2 10.6 ضربه اي و cw ، توان
بالا، بازده بالا

ليزرهاي حالت جامد با پمپاژ نوري
اتمهاي فعال محيط ليزر در يک ماده جامد، معمولا ميله کريستالي يا شيشه اي با سرهاي موازي و تخت که پوليش و سنگ زني آينه اي شده‌اند قرار دارند. براي ايجاد حفره نوري لازم ممکن است دو سر ميله پوشش شوند همچنين مي‌توان از آينه‌هاي خارجي استفاده کرد.
لامپهاي فلاش گزنون و تخليه جيوه فشار بالا منابع نور خارجي معمولي هستند که در پمپاژ نوري اتمهاي فعال به کار مي‌روند. يک طرح عمومي ليزرهاي حالت جامد را نشان مي‌دهد. در ميله ليزر با سرهاي پوشش دار داخل داخل يک لامپ فلاش حلزوني قرار گرفته است. در لامپ فلاش شکل مستقيم دارد.ليزر ياقوت نمونه اي از اين ليزرها است. جزء اصلي اين ليزرميله اي است که از اکسيد آلومينيم کريستالي مصنوعي (Al2o2) بهسازي شده با ۰٫۰۵% وزني اکسيد کرم (Cr2o3) ساخته

ميشود يونهاي گرک (Cr+++) به جاي آلومينيم داخل شبکه کريستالي مي‌نشينند و در نتيجه ماده صورتي رنگ مي‌شود کريستالهاي ياقوت را مي‌توان در طول ۳۰۰mm به قطر ۲۵mm رشد داد. ماده به دست آمده سخت و بادوام بوده و کيفيت نوري خوبي دارد، رسانايي گرمايي اين ماده زياد است وميله ليزر به راحتي خنک مي‌شود. (اين موضوع براي حفظ تابش ليزر لازم است) توليد ليزر با جذب نور پمپ شده توسط کرم (يونهاي Cr+++) و بالا رفتن سطح انرژي آنها از سطح پايه تا بالاتر از سطح ليزر (سطح سه در انجام مي‌شود. افت غير تابشي سريع تا سطح دو ليزر به وجود مي‌آيد

. اگر يونهاي اضافه در سطح بالاتر وجود داشته باشند تابش ليزر تا سطح پايه اتقاق مي‌افتد. براي انجام اين کار باديد بيش از ۵۰% يونهاي سطح پابه برانگيخته شوند تا وارنگي جمعيت نسبت به سطح پايه اتفاق بيافتد. عمل تابش ليزر سه سطحي نيازمند پمپاژ بالا است که معمولا با عمل ضربه اي ايجاد مي‌شود. است. طول موج خورجي وتوان معمولي ليزر ياقوت به ترتيب ۰٫۶۹۴۳ و ۴۰۰j هستند.
بعضي ليزرهاي حالت جامد در سيستم چهار سطحي عمل مي‌کنند. در اين حالت يونهاي س

طح پايه با پمپاژ نور به سطح ۴ برانگيخته مي‌شوند سپس به سطح بالاتر ليزر (سطح سه) افت مي‌کنند. اگر بين سطوح دو و سه وارونگي جمعيت بين سطوح دو و سه بر خلاف سيستم سه سطحي که بيش از ۵۰% يونهاي بايد برانگيخته شوند. در اين روش فقط درصد کمي از يونها بايد برانگيخته شوند. در نتيجه در سيستم چهار سطحي پمپاژ کمتر و شرايط آغاز ليزر راحتتر خواهد بود. يون Nd3+ يکي از اجزاء معروف گروه چهاز سطحي است که در ليزرYAG Y3Al5o12) کريستالي بهسازي شده با Nd3+) يک عضو کليدي است. جدول ۲۰۵ برخي خواص فيزيکي اصلي و کارآيي ليزرهاي حالت جامد را نشان مي‌دهد.

جدول ۲٫۵ خواص ليزرهاي حالت جامد (طبق ويور، ۱۹۷۱)
جنس (يون فعال) طول موج خروجي
حالت عمليات خروجي (j)
ياقوت (Cr3+) 0.6943 ضربه اي ۵۰۰
YAG(Nd3+) 1.06 پيوسته ۱۱۰۰w

ضربه اي
شيشه (Nd3+) 1.06 تبديل Q 2*107w 5000j
ضربه اي

مشخصات اشعه ليزري
از بحث بالا نتيجه مي‌شود که ليزر و نور معمولي در موارد زير اختلاف دارند:
۱٫ پروفيل فضايي،
۲٫ واگرايي اشعه،
۳٫ کانون (تمرکز)،

۴٫ رفتار زماني،
۵٫ درخشندگي،
۶٫ توان،
در ماشينکازي با ليزر موارد ۱٫۲٫۳٫۶ موثرترين هستند.