دانشنامه

طرز کار لیزر

لیزر چیست؟

  • اجزاء و طرز کار لیزر

    چهار عنصر اصلی برای تولید نور همدوس توسط تابش القایی در اجزا لیزر موردنیاز است که شامل آیینه نیمه شفاف،آیینه بازتاب کننده کامل، محیط فعال و مکانیزم تولید نور لیزر است.

    لیزر منبع نوری است که خواص یکتایی و منحصر به فرد را به نمایش می‌گذارد و در زمینه جوشکاری، نقشه بر داری، پزشکی، ارتباطات ، دفاع ملی و نیز در زمینه های مختلف تحقیقات علمی‌کاربرد دارد. امروزه انواع گوناگون لیزر به صورت تجاری در دسترس است و در اندازه های متفاوتی یافت می‌شود به طوری که بعضی از آنها می‌توانند در نوک انگشت جای بگیرند و بعضی دیگر یک ساختمان بزرگ را پرمی‌کنند با وجود این تمام این لیزرها دارای خواص مشترکی هستند.

    برای شناخت لیزر لازم به توضیح عواملی چند می‌باشد. از جمله این عوامل محیط فعال لیزری است. محیط فعال لیزر می‌تواند اتم، مولکول و یا یون باشد. بعضی از مولکولهای سبک نیز قادر به اجرای عمل لیزر هستند. در مورد یون اتمی‌می‌توان از محیط فعال آرگون یونی و یا مولکول یونی نیتروژن نام برد.

    مولکولهای سنگین مثل رودامین ها، لیزر های رنگی را تشکیل می‌دهند و نیز می‌توانیم با وارد کردن ناخالصی ها در یک محیط خاص، محیط های فعال به صورت جامد را به وجود بیاوریم، مانند یاقوت که از حضور ناخالصی کروم یونیده در داخل اکسید آلومینیم تشکیل شده است و یا لیزرحالت جامد دیگر معروف به YAG:Nd. محیط فعال لیزر می‌تواند با استفاده از نیمه رساناها حاصل شده باشد مانند GaAs. در مثال های بالا اگر حرکت الکترون را در نظر بگیریم، از اتم به سمت مولکولهای سبک و سنگین و بالاخره به سوی نیمرساناها ، گویی که گسترش حرکت الکترون مرتبا افزایش می‌یابد ولی در تمامی‌آنها الکترون به هسته (و یا هسته ها) مقید هستند. حال می‌توانیم این قید را هم کنار بگذاریم، در این صورت الکترون به صورت آزاد خواهیم داشت یعنی به هیچ وجه مقید به هسته ای نیستند، در اینجاست که از لیزرهای الکترون آزاد صحبت می‌شود.

    بنابراین، دراولین قدم شناخت لیزر محیط فعال می‌باشد که این محیط به صورت اتم، مولکول (و یایون اتم و مولکول) است. محیط فعال را ازنظر ماهیت فیزیکی می‌توان در فازهای گاز، مایع، جامد و نیمه رسانا نیز تقسیم بندی کرد.

  • محیط فعال

    محیط فعال، همانطور که به آن اشاره شد مجموعه ای از اتم ها یا مولکولهاست که می‌توانند به حالتی باتجمع یا جمعیت وارون، یعنی وضعیتی که اتمها یا مولکولها ی در حالت برانگیخته نسبت به اتمها ی حالت پایه هستند، برانگیخته شوند. دو حالتیکه برای گذار از یک حالت بالاتر به یک حالت پایین تر در اجرا ی عمل تقویت برگزیده می‌شوند ، یعنی دو حالتی که درواقع در عمل لیزری شرکت دارند باید دارای خواص معینی باشند. اولین مشخصه آن است که اتم ها باید برای زمان نسبتا طولانی در تراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون های تابشی القایی از تعداد فوتون های تابشی خودبخودی بیشتر شود. دومین مشخصه وجود یک روش موثر پمپاژ اتمهاست تا جمعیت تراز انرژی بالایی که در حالت عادی بسیار کمتر از جمعیت تراز پایه است، افزایش یابد و پدیده وارونی جمعیت رخ دهد. افزایش جمعیت تراز پایینی به بیش از جمعیت حالت انرژی بالایی باعث منفی شدن وارونی جمعیت شده و ازتقویت نور توسط تابش القایی جلوگیری می‌کند. به بیان دیگر، با رفتن اتم ها از تراز انرژی بالایی به تراز انرژی پایینی فوتون های بیشتری توسط تابش خودبخودی از دست می‌روند. که جهت گیری آنها کاتوره ای است و موج های وابسته به آنها هم فاز نیستند.

  • خواص نور لیزر

    نور لیزر، با نور بیشتر منابع نوری معمولی مثل لامپ های ملتهب ،لامپ های مهتابی و لامپ های قوس الکتریکی باشدت بالا، تفاوت دارد. برای درک خواص یکتای نور لیزرمی‌توان آن رابا نور منبع های دیگر مقایسه کرد. حضور این تفاوت باعث شده است که به نور لیزر دارای ویژگی خاصی باشد و کاربردهای متنوع پیدا کرده باشد.این خواص عبارتند از:

    1- همدوسی، نور لیزر دارای همدوسی زمانی و قضایی است.

    2- جهتمندی ، نور لیزردارای واگرایی بسیارکمی‌است.

    3- تکفامی‌، گرچه نور لیزر تکفام و یا تک فرکانس کامل نیست ، ولی پهنای طیف خروجی لیزر می‌تواند کاملا باریک باشد، مثلا چند MHZ همه نورها از امواج روانی تشکیل شده است که در فضا پیش می‌روند. رنگ نور لیزر توسط طول موج آن تعیین می‌شود که در شکل زیر نشان داده شده است.طول موج نور لیزر و یا فرکانس آن به نوع محیط فعال و نیز نوع تشدید گر بکار رفته بستگی دارد.

    4- درخشایی، به علت واگرایی کم لیزر، نور لیزر دارای درخشایی بسیار بالایی است.

  • یک تاریخچه نه چندان مرتبط

    دردوران تمدن یونان-روم تقریبا ازقرن ششم قبل ازمیلاد تاقرن دوم میلادی،لیزر به خوبی شناخته شده و مشهوربود. لیزر گیاهی خودروبود که درناحیه وسیعی در اطراف سیرن (لیبی امروز) می‌رویید و به علت خواص اعجازگرش آن را هدیه ای از جانب خدا می‌دانستند. این گیاه برای درمان بسیاری ازبیماریها از ذات الریه گرفته تا بسیاری ازبیماری های واگیر دار به کار می‌رفت و پادزهر مؤثری بود برای مارزدگی و نیش پیکان های زهرآلود دشمن به شمار می‌رفت. جالبتر آنکه این گیاه اعجازآمیز به دلیل دارا بودن طعم لذیذ، به عنوان یک چاشنی عالی در بهترین آشپزی ها استفاده می‌شد. این گیاه آن چنان پرارزش بود که منبع اصلی سعادت سیرینها به حساب می‌آمد و به یونان و روم صادر می‌شد. درمدت استیلای رومیها تنها خراجی که سیرنیها به روم می‌دادند این گیاه بود که همراه با شمشهای طلا درخزانه ها نگهداری می‌شد. شاید بهترین گواه ارزش لیزر درآن روزگار نقشی مشهور است که برجامانده از دوران پادشاهی آرکسیلائواست که اکنون در موزۀ سیرن است و باربر آن رادرحال بارکردن لیزر درکشتی تحت سرپرستی پادشاه آرکسیلائو نشان می‌دهد. هم یونانیها و هم رومیها بسیارکوشیدند که بتوانند لیزر رادر نقاط مختلف آپولیا وآیونا (درقسمت جنوبی ایتالیا) به کشت بنشانند. نتیجه آن شد که لیزر بیشتر و بیشتر کمیاب شد و به نظر می‌رسد که در حوالی قرن دوم میلادی کاملا از بین رفت. ازآن زمان تا به حال علی رغم کوششهای بسیار کسی موفق نشد که لیزر را در صحراهای جنوبی سیرن پیداکند و بدین ترتیب لیزر به صورت گنجینه گمشدۀ تمدن یونان – روم درآمد.

  • لیزر چیست؟

    لیزر تکنولوژی ای است که توسط تقویب اپتیکی بر پایه تابش گسیل برانگیختگی (ترجمه فارسی عبارت انگلیسی Light Amplification by Stimulated Emission Radiation)، نور تولید می‌کند. حروف واژه لیزر(LASER) به ترتیب حرف اول کلمه های Light (نور)، Amplification (تقویت)، Stimulated (القایی) ، Emission (گسیل)، Radiation (تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می‌باشد.

    ساده ترین ساختار تولید لیزر شامل دو آینه است که به صورت موازی روبروی هم قرار گرفته اند به گونه ای که یک نوسان ساز را تشکیل می‌دهند، با ایجاد یک محیط فعال بین آینه که روند تابش و بازتابش بین آن دو را تقویت کند عمل لیزش اتفاق می‌افتد.

    نور لیزر از موج هایی تشکیل شده که همگی هم فازند و طول موج یکسان دارند، در حالی که نور عادی شامل طول موج های مختلف است و موج های مختلف با یکدیگراختلاف فاز دارند.

    در لیزر که به آن میزر نیز گفته می‌شود، اتم ها یا مولکولها طوری برانگیخته می‌شوند که بیشتر آن ها در تراز انرژی بالاتر قرار دارند و تعداد کمتری در تراز انرژی پایین تر قرارمی‌گیرند. به این وضعیت ، جمعیت وارون می‌گویند. فرآیند افزایش انرژی برای ایجاد جمعیت وارون ، پمپاژ (یا دمش) نامیده می‌شود. به محض اینکه اتم ها یا مولکولها در این حالت بر انگیخته قرار بگیرند، به راحتی تابش می‌کنند. اگر فوتونی که بسامد آن متناظر با اختلاف انرژی این حالت برانگیخته و حالت پایه است به اتم برانگیخته ای برخورد کند، تابشی القایی در اتم برانگیخته به صورت فوتونی که هم بسامد ،هم فاز و هم جهت با فوتون برخورد کننده است، ایجاد می‌شود. فوتون برخورد کننده و فوتون حاصل از گسیل القایی می‌توانند هریک به یک اتم برانگیخته دیگری برخوردکنند و تابش های القایی بیشتری ایجاد کنند، که همگی هم بسامد و هم فاز هستند. این روند یک عمل ناگهانی از تابش همدوس در یک واکنش زنجیره ای سریع حاصل می‌کند و تمامی‌اتم ها به صورت زنجیره ای تخلیه می‌شوند (به حالت پایه بر می‌گردند). معمولا لیزر را طوری می‌سازند که نور گسیل شده بین دو انتهای یک کاواک تشدیدی که به آن تشدید گر می‌گویند به صورت بازتابی رفت و برگشت کند تا بالاخره باریکه نور بسیار کانونی شده و با شدت زیاد از یک انتها ی یک کاواک تشدیدی که به صورت جزیی بازتاب کننده است، خارج شود. اگر اتم ها پس از تخلیه مجدد به حالت برانگیخته دمیده شوند پرتو پیوسته ای از نور همدوس تولید می‌شود.

     

     

  • ماهیت لیزر

    نخستین بار طرح اولیه لیزر (میزر) را انیشتین داد. کار لیزر به این گونه‌است که با تابش یک فوتون به یک ذره (اتم یا مولکول یا یون) برانگیخته، یک فوتون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوتون با هم، هم فرکانس هستند. با ادامه این روند شمار فوتون‌ها افزایش می‌یابد که می‌توانند باریکه‌ای از فوتون‌ها را به وجود بیاورند.

     

    لیزر از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر، آن را از نورهای ایجاد شده از دیگر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر، به خواص ویژه آن پی برده شد که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده در علوم گوناگون به ویژه صنعت و پزشکی ایجاد کرده‌است. پیشرفت دانش بدون تکنولوژی لیزر امکان‌پذیر نیست.

     

    شاید مهم‌ترین بخش فیزیک اتمی، بحث فیزیک لیزر باشد. با دادن انرژی به الکترون‌های یک اتم می‌توان آن‌ها را به مدارهای بالاتر برد. اما این خانه جدید برای الکترون‌ها جایگاه چندان پایداری نیست و الکترون‌ها ترجیح می‌دهند با پس دادن انرژی به مدار اصلی خود برگردند. این انرژی به صورت یک فوتون با فرکانس مشخص آزاد می‌شود. یعنی یک واحد انرژی. نور از همین فوتون‌ها ساخته می‌شود. پس اگر با تعداد زیادی از اتم‌ها هم‌زمان این کار را انجام دهیم، می‌توانیم پرتو نوری تک فرکانس ایجاد کنیم. علاوه بر اینکه با روش‌ها و دقت‌هایی می‌توان پرتوهای هم فاز تولید کرد. این پدیده اساس تولید پرتوهای لیزر است. ویژگی‌های منحصربفرد لیزر آن را از نورهای دیگر متمایز می‌سازد که در هیچ منبع نور دیگری یافت نمی‌شود. لیزر چهار ویژگی دارد: هم دوسی، تک رنگی، واگرایی کم و موازی بودن پرتو

     

     

لیزر دی‌اکسیدکربن

انواع لیزر

  • تئوری لیزر دی‌اکسید کربن

    لیزر دی‌اکسیدکربن از مهمترین لیزرها در نوع خود است و از نظر کاربردهای فنی می‌توان آنرا در زمره مهمترین لیزرها قرار داد. این لیزر با کارآیی بالای (تا 30%) و توان بسیار زیاد و توان خروجی پیوسته حدود چندین کیلومتر است ساخته شده است. کاربردهایی از قبیل جوشکاری و برشکاری استیل ، الگوبری ، نظامی و جوش هسته‌ای برای لیزر ممکن است.

    انتقالات لیزری این لیزر از سایر لیزرهایی که تا کنون بررسی شد متفاوت است، چرا که ترازهای انرژی از ترازهای مجزای ارتعاشی و چرخشی مولکول CO2 حاصل می‌شود. ارتعاشات مولکول CO2 اصولا با سه نوع یا مد متقارن ، خمشی و غیر متقارن نامگذاری می‌شود. هر یک از این ارتعاشات کوانتیزه شده است، بدین معنی که انرژی مولکول وقتی در یکی از این حالتهای انرژی قرار دارد با جمع چندگانه بعضی از مقادیر اصولی بدست می‌آید. می‌توانیم حالت خاص مولکول را با بیان اعداد کوانتومی نشان دهیم. بطور کلی با توجه به سه حالت یا مد به سه سری از این اعداد نیاز داریم، اعداد با توجه به ترتیب و با توجه به نامگذاری بالا قرار داده می‌شوند. بدین طریق (0 و 3 و 0) به حالتی اشاره دارد که مولکول در حالت ارتعاش در مد خمشی و با سه واحد انرژی ارتعاشی است. علاوه بر ارتعاش کردن ، کل مولکول می‌تواند حول مرکز جرم چرخش نماید. ولی مقادیر انرژی چرخشی بسیار کوچکتر از بسته‌های انرژی ارتعاشی است و نتیجه اینکه ترازهای انرژی چرخشی بسیار کوچکتر از بسته‌های انرژی ارتعاشی است و نتیجه اینکه ترازهای انرژی ارتعاشی به تعدادی ترازهای چرخشی بسیار نزدیک بهم که با اعداد کوانتومی g نامگذاری می‌شود تبدیل می‌شود.

  • مکانیزم لیرز دی‌اکسید کربن

    همانند لیزر He - Ne تحریک با دو مرحله انجام می‌گیرد، ولی در اینجا ازت جای هلیوم را می‌گیرد. اولین ترازهای ارتعاشی (001) مولکول CO2 است. ترازهای ارتعاشی (001) آغازگر تعداد زیادی از خطوط لیزری بین 9.2 و 10.8 میکرون می‌باشند. که قویترین آنها طول موج 10.6 میکرون است. اولین حالت تحریکی ازت تقریبا حدود 3.0 الکترون ولت بالاتر از حالت پایه قرار دارد که این مقدار برای He در لیزر هلیوم - نئون 20 الکترون ولت، بود. الکترونها با انرژی 5.0 الکترون ولت در تخلیه الکتریکی نسبت به الکترونهای با انرژی 20 الکترون ولت بیشتر وجود دارند.

    افزایش ماکزیمم توان خروجی ، جریان عرضی و سریع گاز ممکن خواهد بود. تخلیه الکتریکی را نیز می‌توان به صورت عرضی اعمال کرد (هم جهت با جریان گاز) ، همانطوری که در شکل نشان داده شده است. این طرح ، امکان توان تا حدود دهها کیلو وات و به صورت مداوم را ممکن می‌سازد، خروجیهای بیشتر نیز امکان دارد. لاکن ابعاد بزرگ لیزر و نتایج تغذیه مورد نیاز آن ، کاربری آن را در صنعت با مشکل همراه می‌سازد. لذا چنین لیزرهای پرقدرتی برای صنعت طراحی نمی‌شود، گر چه استفاده از آنها در کاربردهای خاصی مهم می‌باشد.

     

     

  • مشکلات لیزر دی‌اکسید کربن

    مشکلی که برای این لیزرها مشخصا برای لیزر دی‌اکسید کربن وجود دارد. این است که در جریان تخلیه الکتریکی مولکولهای CO2 به CO تبدیل می شوند. این واکنش خیلی سریع است و اگر تمهیداتی به کار گرفته شود عمل لیزر پس از چند دقیقه متوقف می شود. یکی از راهها این است که هیدروژن یا بخار آب به مخلوط گاز اضافه کنیم تا با ترکیب مجدد با CO یا CO2 تبدیل شود.

    سرد کردن گاز یکی دیگر از مشکلاتی است که می‌توان خروجی لیزر را به 100 وات محدود می‌کند. طرحهای لوله بسته خیلی مرسوم نیستند، ولی در طرح موجبر بکار گرفته می‌شوند. در موجبرها ابعاد داخلی لوله کوچک هستند. (حدود میلیمتر) و موجبر دی الکتریک را بوجود می‌آورند. کیفیت پرتوهای خروجی نسبتا زیاد با توجه به قطره‌های کوچک لوله بدست می‌آید. تحریک توسط تخلیه الکتریکی و یا میدان RF قوی که به داخل ماده موجبر هدایت می‌شود انجام می‌گردد. در طرح RF لازم نیست هیچگونه فلزی داخل موجبر قرار گیرد.

     

    رفع مشکل لیزر دی‌اکسید کربن

    در شکل تجزیه CO2 و سرد کردن را می‌توان با حرکت گاز در سرتاسر لوله لیزر بر طرف نمود. در طرحی ساده‌تر جریان گاز تخلیه الکتریکی هر دو در سرتاسر محور لوله لیزر انجام می‌شود. اگر اقدامی برای تبدیل مجدد گاز نشود باید گاز بطور مداوم به بیرون جریان یابد. ولی از آنجایی که فشارهای گاز مصرف شده به بیرون و یا برای ترکیب مجدد گاز بکار گرفته می‌شود. توان خروجی این لیزرها که به صورت داخلی خطی با افزایش طول لیزر افزایش می‌یابد. حدود 60 وات به ازاء هر متر است، ولی برای توانهای خروجی بیشتر از چندین کیلو وات بطول بسیار زیادی نیاز است. افزایش ماکزیمم توان خروجی با جریان عرضی و سریع گاز ممکن خواهد بود. تخلیه الکتریکی را نیز می‌توان به صورت عرضی اعمال نمود.

  • انواع لیزر و ویژگی آن

    لیزرها را می‌توان به روش های مختلفی دسته بندی کرد:

    لیزر های گازی: برای گازهابه طورکلی پهن شدگی ترازهای انرژی نسبتاً کوچک است (درمرتبۀ چندجیگا-هرتزیاکمتر) چون سازوکارهای پهن شدگی خط ضعیفتر ازجامدات است. لیزرهای گازی معمولا باابزار الکتریکی بر انگیخته می‌شوند،یعنی؛ دمش باعبور جریان به اندازۀ کافی (dcیاتپی) ازگاز انجام می‌شود

     

    لیزرهای گازی یونی:دریک لیزرهای گازیونی ،هنگام تخلیه،تراز بالایی لیزربا دوبرخوردمتوالی باالکترون انبوه می‌شود.اولین برخورد اتم خنثی رایونیزه می‌کند،دومین برخورداین یون را برمی‌انگیزد.

     

    لیزر یاقوت: این نوع لیزرنخستین لیزری بود که به کار انداخته شده و هنوز نیز مورد استفاده است. یاقوت، که متجاوز از صدها سال به عنوان سنگ طبیعی پربها شناخته شده است.

     

    لیزر حات جامد: عبارت لیزرحالت جامد معمولا به لیزر هایی گفته می‌شود که درمحیط فعالشان بلورعایق یا شیشه ای وجود دارد.لیزرهای نیم رسانا دریک بخش جداگانه موردبررسی قرار می‌گیرند چه برای دمش وبرای عمل لیزر ساز وکاره کاملا متفاوت اند.درلیزرهای حالت جامدغالباًیونهای ناخالصی داخل شده به بلوریونی به عنوان مادۀ فعال به کار می‌روند.

  • اندازه گیری و بازرسی

    خصوصیات جهتمندی درخشایی و تكفامی‌لیزر باعث كاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی كنترل ابزار ماشینی شده است. یكی از معمولترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور كردن است. برای اینكه یك خط مرجع مستقیم برای هم محور كردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پلها و یا تونلها داشته باشیم استفاده از جهتمندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند كلیماتور و تلسكوپ را گرفته است. معمولا از یك لیزر هلیم - نئون با توان كم استفاده می‌شود و هم محور كردن عموما به كمك آشكارسازهای حالت جامد به شكل ربع دایره ای انجام می‌شود. محل برخورد باریكه لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می‌شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یك اندازه گیری الكتریكی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست.

    از لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد

    برای مسافتهای كوتاه تا 50 متر روشهای تداخل سنجی به كار گرفته می‌شوند كه در آن ها از یك لیزر هلیم - نئون پایدار شده فركانسی به عنوان منبع نور استفاده می‌شود. برای مسافتهای متوسط تا حدود 1 كیلومتر روشهای تله متری شامل مدوله سازی دامنه به كار گرفته می‌شود. برای مسافت های طولانی تر می‌توان زمان در راه بودن تپ نوری را كه از لیزر گسیل شده است و از جسمی‌بازتابیده می‌شود اندازه گیری كرد.

    برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می‌شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریكه لیزر مدوله می‌شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریكه گسیل شده و بازتابیده معین می‌شود. باز هم دقت یك در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه كشی استفاده می‌شود. برای فواصل طولانی تر از 1 كیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یك تپ كوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2 انجام می‌گیرد. این كاربردها اغلب اهمیت نظامی‌دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد كاربردهای غیر نظامی‌مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود 20 سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذكر است.

    كاربرد مصرفی دیگر و یا به عبارت بهتر كاربرد مصرفی واقعی عبارت از دیسك ویدئویی و دیسك صوتی است. یك دیسك ویدئو حامل یك برنامه ویدئویی ضبط شده است كه می‌توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسك ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یك سابنده روی آن ضبط می‌كنند كه این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می‌شود. یك روش معمول ضبط شامل برشهای شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها 4/1 طول موج لیزری است كه از آن در فرایند خواندن استفاده می‌شود. در موقع خواندن باریكه لیزر طوری كانونی می‌شود كه فقط بر روی یك شیار بیفتد. هنگامی‌كه شیار در مسیر لكه باریكه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن كاهش پیدا می‌كند. به عكس نبودن شیار باعث یك بازتاب قوی می‌شود. بدین طریق می‌توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی‌ضبط كرد.

    كاربرد دیگر لیزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوری در كامپیوترهاست لطف ای حافظه نوری هم در توان دسترسی به چگالی اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تكنیك ضبط عبارت است از ایجاد سوراخ های كوچكی در یك ماده مات یا نوعی تغییر خصوصیت عبور و بازتاب ماده زیر لایه كه با استفاده از لیزرهای با توان كافی حاصل می‌شود. و حتی می‌تواند فیلم عكاسی باشد. اما هیچ یك از این زیر لایه ها را نمی‌توان پاك كرد. حلقه های قابل پاك كردن بر اساس گرما مغناطیسی فروالكتریك و فوتوكرومیك ساخته شده اند. همچنین حافظه های نوری با استفاده از تكنیك تمام نگاری نیز طراحی شده اند. نتیجتا اگر چه از لحاظ فنی امكان ساخت حافظه های نوری به وجود آمده است ولی ارزش اقتصادی آن ها هنوز جای بحث دارد.

    آخرین كاربردی كه در این بخش اشاره می‌كنیم گرافیك لیزری است. در این تكنیك ابتدا باریكه لیزر بوسیله یك سیستم مناسب روبشگر بر روی یك صفحه حساس به نور كانونی می‌شود و در حالی كه شدت لیزر به طور همزمان با روبش از نظر دامنه مدوله می‌شود به طوری كه بتوان آن را بوسیله كامپیوتر تولید كرد.(مانند سیستم های چاپ كامپیوتری بدون تماس) و یا آنها را به صورت سیگنال الكتریكی از یك ایستگاه دور دریافت كرد(مانند پست تصویری). در مورد اخیر می‌توان سیگنال را به وسیله یك یك سیستم خواننده مناسب با كمك لیزر تولید كرد. وسیله خواندن در ایستگاه دور شامل لیزر با توان كم است كه باریكه كانونی شده آن صفحه ای راكه باید خوانده شود می‌روبد. یك آشكارساز نوری باریكه پراكنده از نواحی تاریك و روشن روی صفحه را كنترل می‌كند و آن را به سیگنال الكتریكی تبدیل می‌كند. سیستم های لیزری رونوشت اكنون به طور وسیعی توسط بسیاری از ناشران روزنامه ها برای انتقال رونوشت صفحات روزنامه به كار برده می‌شود.

  • کاربرد صنعتی / برش لیزری

    برش لیزری فناوری است که در آن از اشعه لیزر برای برش اجسام استفاده می‌شود؛ و نوعاً از این فناوری در زمینه صنعت استفاده می‌شود. برش لیزری توسط استعمال اشعه لیزر از یک خروجی قوی لیزر روی اجسامی‌که می‌خواهند بریده شوند انجام می‌شود. قسمتی از جسم مورد نظر که بریده می‌شود یا آب می‌شود یا می‌سوزد یا تصعید می‌شود و توسط فشار گاز از روی جسم پاک می‌شود. و سر انجام سطح بریده شده با کیفیت خیلی عالی بریده می‌شود.

    لیزر انواع مختلفی مانند لیزر گازی، لیزر شیمیایی، لیزر رادیواکتیو، لیزر جامد، لیزر فیبری و ... دارد، اما در لیزر صنعتی تنها از دو نوع آن یعنی لیزر گازی و جامد استفاده می‌شود. لیزر های صنعتی جامد و گازی نیز هر کدام به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند، مثلاً در میان انواع لیزر های صنعتی گازی، لیزر صنعتی CO2 بیشترین کاربرد را داشته و از آن برای برش و حکاکی انواع مواد مختلف مانند چوب، پلکسی گلاس، شیشه، پارچه و ... استفاده می‌شود و محبوب ترین لیزر در صنعت است.

    لیزر صنعتی جامد نیز بیشتر لیزر یاگ است که برای حکاکی و برش فلزات از آن استفاده می‌شود.

    دستگاه لیزر CNC که از این تکنولوژی استفاده می‌کنند را می‌توان به دو بخش دستگاه لیزر فلزات و دستگاه لیزر غیر فلزات تقسیم کرد. این دستگاه ها با هدایت کامپیوتری و توسط لیزری که از آنها متساطع می‌شود عملیات مختلفی مانند برش لیزری، حک لیزری و ... را انجام می‌دهند. این دستگاه ها مزایای زیادی دارند، مثلاً سرعت بسیار بالایی دارند و با توجه به هدایت شدن توسط کامپیوتر، خروجی های کاملاً یکسانی دارند. لیزر صنعتی در صنایع مختلفی مانند صنایع نظامی، ساختمانی، هوافضا، پزشکی، آزمایشگاهی و پژوهشی، ارتباطاتی، فیزیک، شیمی‌و ... کاربرد دارد.

     

     

روش های خم کاری

شکل دهی به روش خم کاری

  • روش های خم کاری

    به طور کلی قطعاتی که دچار فرایند خم کاری می شوند،‌ قابل تجزیه یکی از انوع خم کاری V شکل خم کاری گونیایی و خم کاری U شکل (ناودانی) خواهند بود.

     

    خم کاری V شکل

    جهت انجام این فرایند نیازمند استفاده از یک سنبه و ماتریس از جنس فولاد آب داده می باشیم. سر سنبه و فرورفتگی ماتریس به شکل V می باشد. ماتریس روی پایه ای با ارتفاع معین قرار می گیرد تا بتواند در مقابل نیروی خم کاری تحمل داشته باشد. اتصال ماتریس و پایه معمولاً توسط چهار پیچ و دو پین صورت می گیرد. از مزایای خم کاری V شکل می توان به ساده بودن قالب و انجام خم کاری هایی در محدوده ی زاویه صفر تا 90 درجه اشاره کرد. جهت رسیدن به شعاع معین لازم است که شعاع سنبه و ماتریس درست انتخاب شوند. امروزه جهت رسیدن به شعاع معین و افزایش سرعت خم کاری از تجهیزات کمکی مانند غلتک نیز استفاده می کنند.

     

    خم کاری گونیایی

    هدف از انجام این فرایند ایجاد خم با زاویه 90 درجه است و در آن یک جفت سنبه-ماتریس استفاده می شود. ماتریس به مانند خم کاری V شکل می تواند روی یک پایه سوار شود. برای کنترل فرایند خم کاری از یک فشار انداز که به عنوان حمایت کننده ورق نیز کار می کند استفاده می شود. قطعه ی مورد نظر به گونه ای درون ماتریس قرار می گیرد که بازوی بلندتر آن روی فشارانداز باشد. پایین آمدن سنبه باعث می شود که قطعه به فشار انداز بچسبد و به همراه آن درون ماتریس فرو برود و در نتیجه آن بازوی کوچکتر جسم عمود بر بازوی بزرگ تر خواهد شد.

     

    خم کاری U شکل

    قالب خم کاری U شکل مشابه خم کاری گونیایی ساخته می شود. با این تفاوت که دو علم خم کاری گونیایی روی ورق انجام می شود و از هر دو طرف خم،‌ نیرویی برابر و در جهت مخالف سنبه وارد می شود. از مزایای این فرایند می توان به ایجاد هم زمان دو خم 90 درجه ای و دقت زیاد آن اشاره کرد. از محدودیت های آن باز شدن دهانه ی خم ناشی از برگشت فنری می باشد.

  • مقادیر صحیح خم در ورق کاری

    خم کردن عملی است که درآن قسمتی از مواد را با حفظ سطح مقطع شان تا حد امکان با رساندن حرارت و بدون آن از مسیر اصلی خارج کرده و به مسیر دلخواهی آورد. در خمکاری ورق های فلزی اگر ضخامت ورق مساوی یا کم تر از 1.5mm باشد نیازی به محاسبه قطر یا شعاع متوسط نیست و محاسبه گسترده قوس ها با توجه به همان اندازه موجود در نقشه انجام می شود.

    در صورتی که ضخامت ورق از 1.5mm بیش تر باش، با توجه به شعاع خمش و زاویه خمکاری می بایست ابتدا قطر متوسط را محاسبه کرده و طول گسترش قوس ها را به دست آورد. طراحی مکانیکی بایستی مطابق با واقعیت باشد. برای اینکه خمکاری در نقشه گسترده پس از اجرا اندازه های درست بدهد نیاز به مقادیر تجربی نیز داریم.

    Bend allowance with a K-Factor is calculated as follows

    BA=pi(R + KT) A/180

    BA = bend allowance

    R = inside bend radius

    K = K-Factor, which is t / T

    T = material thickness

    t = distance from inside face to neutral sheet

    A = bend angle in degrees - the angle through which the material is bent

  • مشکلات پیش آمده در خمکاری

    شرکتهای صنعتی و معماری با استخدام نیرو های مجرب در زمینه طراحی اقدام به طراحی تجهیزات و قطعات مورد نیاز خود در زمینه شیت متال می نمایند که این طرح ها در بسیاری موارد بسیار هوشمندانه و دقیق بوده و در صورت اجرا می تواند هدف مورد نظر ایشان را برآورده سازد. اما در بسیاری از موارد در هنگام ساخت و اجرا با مشکلاتی از قبیل عدم تطابق ابعادی و همچنین عدم اجرایی بودن قطعات طراحی شده با امکانات موجود مواجه شده که میتواند دردسر ساز بوده و موجب به تاخیر افتادن پروژه ها شود.

     

    برخی از مشکلات فوق به شرح زیر می باشد:

    پس از خمکاری ورقها اندازه نهایی از اندازه نقشه کوچکتر یا بزرگتر شده باشد

    فواصل و لقی های مورد نظر برآورده نشده باشد

    لبه خمها به اندازه کافی تیز یا گرد و مطابق با نظر طراح نباشد

    لبه های خم شده در طرح در عمل قابل ساخت نباشد

    اندازه لبه های خم شده به قدری کم یا زیاد باشد که نتوان آنرا با امکانات موجود ایجاد کرد

     

    در موارد فوق مشکلات به وجود آمده ناشی از موارد زیر می باشد:

     

    عدم آشنایی طراحان با نحوه خمکاری ورقها

    عدم آگاهی از میزان کشش ورقها در حین عملیات ورق کاری

    عدم آشنایی با سنبه و ماتریس قابل استفاده برای ورقها با ضخامتهای مختلف

    عدم آگاهی از محدودیت دستگاها

    عدم آگاهی از حداقل و حداکثر شعاع خم برای ضخامتهای مختلف

  • خم کاری

    شکل دهی ورق در صنعت قطعه سازی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. بسیاری از قطعات مصرفی از سینی های غذا خوری تا پنل های جداسازی دیوارهای صنعتی به کمک روش شکل دادن ورق که یکی از روشهای شکل دهی حالت جامد فلزات می باشد ,تولید می شوند. در حقیقت شکل دادن ورق روشی برای تبدیل ورقهای تخت فلزی به شکل مورد نظر بدون شکست یا نازک شدن موضعی شدید ورق است. از جمله فرایند های شکل دهی ورق می توان به خم کاری اشاره کرد. خم کاری فرایندی است که در اغلب روش های شکل دادن وجود دارد. از جمله کاربردهای این فرایند، ‌ایجاد انحنا در یک ورق و یا تبدیل آن به ناودانی های با مقطع U ،V  و در مواردی شکل های حلقوی می باشد.

    خم کاری به عمل وارد کردن گشتاورهای خمشی به صفحه یا ورق اطلاق می شود که توسط آن قسمت مستقیمی از جسم به طول خمیده تبدیل می شود.در یک عمل خم کاری مشخص،‌ شعاع خم (r) نمی تواند از حد خاصی کمتر باشد زیرا که فلز روی سطح خارجی خم که تنش کششی به وجود می آید ترک خواهد خورد. معمولاً حداقل شعاع خم بر حسب ضخامت ورق تعریف می شود. آزمایش های تجربی نشان داده اند که اگر شعاع خم سه برابر ضخامت ورق باشد،‌خطر ترک خوردگی وجود ندارد. در فرایند خم کاری به حداقل شعاع خم اصطلاحا حد شکل دادن می گویند. این شعاع برای فلزات مختلف بسیار متفاوت است و افزایش کار مکانیکی باعث افزایش آن می شود. در مورد فلزات بسیار نرم، ‌شعاع خم حداقل می تواند صفر باشد و این گونه فلزات را می توان روی خودشان تا کرد. اما به منظور جلوگیری از صدمه به تجهیزات خم کاری (سنبه و قالب) استفاده از شعاع خم کمتر از 8/0میلی متر توصیه نمی شود. شعاع خم ورق هایی از جنس آلیاژهای با استحکام بالا می تواند حداقل 5 برابر ضخامت ورق باشد.

    در انواع کارهای ورقکاری به موارد زیادی برخورد می‌کنیم که برای تأمین فرم مورد نظر، افزایش مقاومت در مقابل خمش، جلوگیری از آسیب به دست، ایجاد اتصال و غیره نیاز به خمکاری وجود دارد. وسایل و ماشین آلاتی که برای این منظور بکار می‌روند متنوع بوده و با هر کدام خم‌های معینی را می‌توان بوجود آورد.

  • خمکاری دستی

    این دستگاه برای خم‌های گوشه دار و آنهائی که دارای انحناء محدودی می‌باشند بکار می رود. این دستگاه دارای پایه‌ای است که فک زیرین بر روی آن سوار شده است. فک روئی بکمک مکانیزم پیچ و مهره قابل حرکت بوده و بوسیله آن می‌توان ورق را بین دو فک محکم نمود. فک دیگری بنام فک خم کننده وجود دارد که حول محوری بصورت شعاعی قابل حرکت بوده و بوسیله آن می‌توان ورقی را که قبلاً بین فکهای بالایی و پایینی محکم شده است خم نمود. برای خنثی کردن نیروی وزن فک خم کننده، معمولاً در انتهای محور آن وزنه‌ای قرار دارد که به آن وزنه تعادل می‌گویند. در لبه فکهای سه گانه مذکور معمولاً تیغه‌هایی از جنس فولاد نصب گردیده است که قابل تعویض بوده و با تعویض آنها می‌توان خمهای مختلفی را بوجود آورد.

     

    ظرفیت خم‌کاری در دستگاه خم‌کن دستی : با این نوع ماشین خمکن می‌توان ورقهای آهنی و فولاد کم کربن را تا ضخامت ۳ میلیمتر , ورقهای آلومینیوم و آلیاژهای آن را تا ضخامت ۶ میلیمتر و همچنین ورقهای مس و برنج را تا ضخامت ۵ میلیمتر خمکاری کرد.

  • خم کاری دقیق

    خم‌کاری فلزات به روش کنترل عددي با کامپيوتر يا CNC، يک فرایند ساخت است که با استفاده از دستگاه‌هاي پرس برک CNC انجام مي‌گيرد. اين دستگاه‌ها می‌توانند عمليات خم‌کاری را روي ورق‌هاي فلزي به ضخامت تنها چند میلی‌متر تا قطعاتي به طول ده‌ها متر بر روي بزرگ‌ترین ماشین‌آلات صنعتي، انجام دهند. دستگاه پرس برک CNC به دو صورت است. يکي مجهز به يک صفحه تحتاني ثابت و يک ابزار V شکل نصب شده در جايگاه مخصوص است و يک ميله در بالاي آن که تحت نيروي زياد همراه با تيغه V شکل حرکت مي‌کند. به اين نوع دستگاه، اصطلاحاً داون فرمينگ گفته مي‌شود. در مقابل، نوع ديگر دستگاه با عنوان آپ فرمينگ وجود دارد که در آن قطعه پاييني متحرک، و ميله بالايي ثابت است. ورق فلزي حاصل از هر دو اين روش‌ها کاملاً يکسان است و در هیچ‌کدام از اين دو روش، محدوديتي از نظر طرح و نوع قطعه‌اي که کار مي‌شود وجود ندارد.

    دستگاه برس برک با استفاده از ابزار پیمایش خودکار CNC، خدمات فرم‌دهی و خم دقیقی را عرضه می‌کند. دستگاه‌های پرس برک CNC برای شکل‌دهی دقیق طیف وسیعی از ورقه‌های فلزی در جنس، ابعاد و ضخامت‌های گوناگون مورد استفاده قرار می‌گیرد. فرآیندهای فرم‌دهی پرس برک قابلیت حجم تولید بالا با کمترین نیاز به پرداخت‌کاری ثانویه را دارند.

    دامنه استانداردی از قالب‌ها و پانچ‌های V شکل و کانال شکل برای تولید قطعات دارای شکل‌های متمایز، مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین برای تولید قطعات شکل‌دهی شده منحصربه‌فرد از قالب‌های سفارشی استفاده می‌شود. با استفاده از قابلیت‌های ابزارکاری استاندارد و همچنین سفارشی می‌توان قطعات را به شکل‌های مربعی، مستطیلی، گرد و شکل‌های پیچیده دیگری درآورد.

BYSTRONIC

TECHNOLOGY

In the early 1980s, Bystronic Maschinen AG engineers began developing a laser cutting system, and in 1984, the Bylas was launched. Only two years later, Bystronic developed their first waterjet cutting system: Byjet. In 1997, Bystronic took over the pressbrakes division of the Swiss Hämmerle AG, thus entering the bending market

www.bystronic.com

تکنولوژی بایسترونیک سوییس

در اوایل 1980، بایسترونیک شروع به توسعه سیستم برش لیزر کرد و اولین نمونـه با عنـوان Bylas راه انـدازی شد. تنها دو سـال بعد، بایسترونیک اولین سیستم برش واترجت خود را با نام تجــاری  Byjet معرفی کرد و در 1997 شاخه پرس بریک را با عنوان هملـر برای ورود به بازار خمکاری ایجاد کرد.