لیزر صنعتی چیست و چه کاربردی دارد؟

بررسی لیزر صنعتی

لیزر تکنولوژی‌ای 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 کلمه‌های Light (نور)، Amplification (تقویت)، Stimulated (القایی)، Emission (گسیل)، Radiation (تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می‌باشد. ساده‌ترین ساختار تولید لیزر شامل دو آینه است که به صورت موازی روبروی هم قرار گرفته اند به گونه‌ای 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 موج‌هایی تشکیل شده که همگی هم فازند و طول موج یکسان دارند، در حالی که نور عادی شامل طول موج‌های مختلف است و موج‌های مختلف با یکدیگراختلاف فاز دارند. در لیزر، اتم‌ها یا مولکول ها طوری برانگیخته می‌شوند که بیشتر آن‌ها در تراز انرژی بالاتر قرار دارند و تعداد کمتری در تراز انرژی پایین‌تر قرارمی‌گیرند. به این وضعیت، جمعیت وارون می‌گویند. فرآیند افزایش انرژی برای ایجاد جمعیت وارون، پمپاژ (یا دمش) نامیده می‌شود. به محض اینکه اتم‌ها 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 برانگیخته‌ای 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 تابش‌های القایی بیشتری ایجاد کنند، که همگی هم بسامد و هم فاز هستند.

این روند یک عمل ناگهانی از تابش همدوس در یک واکنش زنجیره‌ای سریع حاصل می‌کند و تمامی‌اتم‌ها به صورت زنجیره‌ای 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 اتم‌ها پس از تخلیه مجدد به حالت برانگیخته دمیده شوند پرتو پیوسته‌ای از نور همدوس تولید می‌شود.

انواع لیزر صنعتی

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. لیزر‌های صنعتی جامد و گازی نیز هر کدام به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند، مثلاً در میان انواع لیزر‌های 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 محبوب‌ترین 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 دستگاه‌ها با هدایت کامپیوتری و توسط لیزری که از آنها متساطع می‌شود عملیات مختلفی مانند برش لیزری، حک لیزری و … را انجام می‌دهند. این دستگاه‌ها مزایای زیادی دارند، مثلاً سرعت بسیار بالایی دارند و با توجه به هدایت شدن توسط کامپیوتر، خروجی‌های کاملاً یکسانی دارند. لیزر صنعتی در صنایع مختلفی مانند صنایع نظامی، ساختمانی، هوافضا، پزشکی، آزمایشگاهی و پژوهشی، ارتباطاتی، فیزیک، شیمی‌ و … کاربرد دارد. لیزرها را می‌توان به روش‌های مختلفی دسته بندی کرد:

لیزر‌های گازی

برای گازها به طورکلی پهن شدگی ترازهای انرژی نسبتاً کوچک است (در مرتبۀ چندجیگا-هرتز یا کمتر) چون سازوکارهای پهن شدگی خط ضعیفتر ازجامدات است. لیزرهای گازی معمولا با ابزار الکتریکی بر انگیخته می‌شوند، یعنی؛ دمش باعبور جریان به اندازۀ کافی (dc یا تپی) از گاز انجام می‌شود.

لیزرهای گازی یونی

در یک لیزرهای گاز یونی ،هنگام تخلیه،تراز بالایی لیزر با دو برخورد متوالی با الکترون انبوه می‌شود. اولین برخورد اتم خنثی رایونیزه می‌کند،دومین برخورداین یون را برمی‌انگیزد.

لیزر یاقوت

این نوع لیزر نخستین 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 حالت جامد

عبارت لیزرحالت جامد معمولا به لیزر‌هایی گفته می‌شود که در محیط فعالشان بلور عایق یا شیشه‌ای وجود دارد. لیزرهای نیم رسانا دریک بخش جداگانه موردبررسی قرار می‌گیرند چه برای دمش وبرای عمل لیزر ساز وکاره کاملا متفاوت اند. در لیزرهای حالت جامد غالباً یون های ناخالصی داخل شده به بلوریونی به عنوان مادۀ فعال به کار می‌روند.

جدول مقایسه لیزر فایبر و لیزر CO2

اگرچه انواع مختلفی از لیزرها وجود دارد، اما دو نوع فایبر (Fiber) و CO2 در صنعت بیشترین کاربرد را دارند. انتخاب بین این دو به نوع ماده، ضخامت و کاربرد مورد نظر شما بستگی دارد.

کاربردهای لیزر در صنعت

قدرت و دقت لیزر صنعتی، آن را به یک ابزار همه‌کاره در خطوط تولید مدرن تبدیل کرده است. در ادامه به مهم‌ترین کاربردهای آن می‌پردازیم.

برش لیزری

برش لیزر یکی از اصلی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین کاربردهای لیزر در صنعت است که امکان ایجاد پیچیده‌ترین الگوها و طرح‌ها را با سرعتی بسیار بالا و بدون هیچ‌گونه تماس فیزیکی با قطعه کار فراهم می‌کند. این فناوری با دقت بی‌نظیر خود قادر است قطعات را با تلرانس‌های بسیار بسته برش دهد و لبه‌هایی کاملاً تمیز و صاف به‌وجود آورد، به‌گونه‌ای که نیاز به پرداخت‌کاری یا ماشین‌کاری ثانویه از بین می‌رود. انعطاف‌پذیری بالای برش لیزری، امکان اجرا از ساده‌ترین اشکال هندسی تا پیچیده‌ترین طرح‌ها را فراهم کرده و با عرض برش بسیار کم (Kerf)، ضایعات مواد را به حداقل می‌رساند؛ زیرا قطعات را می‌توان با فاصله‌ای بسیار کم در کنار یکدیگر چید و بهره‌وری استفاده از متریال را افزایش داد.

حکاکی لیزری

در این فرآیند، لیزر لایه نازکی از سطح ماده را بخار می‌کند تا یک طرح دائمی مانند لوگو، شماره سریال، بارکد یا هر نوع نقش دیگری را ایجاد کند. این کاربرد در صنایع تبلیغات، قطعه‌سازی و برندینگ بسیار محبوب است.

جوشکاری لیزری

جوش لیزری با تمرکز حرارت در یک نقطه بسیار کوچک، دو قطعه را با ایجاد یک جوش عمیق، باریک و بسیار مستحکم به هم متصل می‌کند. این روش به دلیل منطقه تأثیر حرارتی (HAZ) کوچک، کمترین اعوجاج و تغییر شکل را در قطعه کار ایجاد می‌کند و برای قطعات حساس ایده‌آل است.

اجزا و سیستم 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 زمینه‌های مختلف تحقیقات علمی‌کاربرد دارد. امروزه انواع گوناگون لیزر به صورت تجاری در دسترس است و در اندازه‌های 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 رودامین‌ها، لیزر‌های رنگی را تشکیل می‌دهند و نیز می‌توانیم با وارد کردن ناخالصی‌ها در یک محیط خاص، محیط‌های 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 مثال‌های 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 تمامی‌ آنها 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 هسته‌ای 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 مجموعه‌ای از اتم‌ها یا مولکول هاست که می‌توانند به حالتی باتجمع یا جمعیت وارون، یعنی وضعیتی که اتمها یا مولکولها ی در حالت برانگیخته نسبت به اتم های حالت پایه هستند، برانگیخته شوند. دو حالتیکه برای گذار از یک حالت بالاتر به یک حالت پایین‌تر 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 اتم‌ها باید برای زمان نسبتا طولانی در تراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون‌های تابشی القایی از تعداد فوتون‌های تابشی خودبخودی بیشتر شود.

دومین مشخصه وجود یک روش موثر پمپاژ اتم هاست 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 اتم‌ها از تراز انرژی بالایی به تراز انرژی پایینی فوتون‌های بیشتری توسط تابش خودبخودی از دست می‌روند. که جهت گیری آنها کاتوره‌ای است و موج‌های وابسته به آنها هم فاز نیستند.

خواص نور لیزر

محیط فعال، همانطور که به آن اشاره شد مجموعه‌ای از اتم‌ها یا مولکول هاست 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 پایین‌تر 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 اتم‌ها باید برای زمان نسبتا طولانی در تراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون‌های تابشی القایی از تعداد فوتون‌های 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 اتم‌ها از تراز انرژی بالایی به تراز انرژی پایینی فوتون‌های بیشتری توسط تابش خودبخودی از دست می‌روند. که جهت گیری آنها کاتوره‌ای است و موج‌های وابسته به آنها هم فاز نیستند.

جمع بندی

همانطور که اشاره کردیم لیزر می تواند کمک های بسیاری را به ما در صنعت انجام دهد یکی از این کارها می توان با استفاده از لیزر در برش اشاره کرد. استفاده از لیزر در برش یک تکنولوژی به نسب جدید محسوب می شود و می توان مجموعه شیت لیزر را یکی ازپیشرو ها در این صنعت دانست که با ارائه خدماتی مانند : برش لیزر فایبر ، برش لیزر آهن ، برش لیزر ورق مس، برش لیزر ورق آلومینیوم ، برش لیزر ورق استیل، خدمات برش لیزر برنج ، ساخت باکس فلزی و … توانسته سهم زیادی از بازار برش لیزر ایران را بگیرد.

اگر به دنبال خدمات برش لیزر استیل در تهران هستید، همین الان می‌توانید از تخصص ما بهره‌مند شوید. تیم متخصص ما در شیت لیزر با بهره‌گیری از دانش فنی و پیشرفته‌ترین دستگاه‌های برش لیزر فایبر، آماده است تا به شما در دستیابی به نتایجی بی‌نقص کمک کند.