لیزر یکی از فناوری هایی است که در دهه های اخیر پیشرفت های زیادی در زمینه های علم، پزشکی، صنعت و ارتباطات داشته است. این فناوری که با تولید نورپردازی و چراغ های تک خانواده توانسته کاربردهای متنوع و خلاقانه ای ارائه دهد، به ویژه به دلیل دقت بالا و قابلیت برش، چسباندن، اندازه گیری و عیب یابی مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به مبانی لیزر، انواع مختلف، کاربردهای مختلف و مزایا و محدودیت های استفاده از لیزر در صنایع مختلف می پردازیم.
1. مفاهیم و اصول عملیات لیزر
کلمه "لیزر" مخفف "تقویت نور توسط تابش" است. این پدیده بر اساس اصول فیزیک کوانتومی است که در آن اتم ها یا مولکول ها دارای حالت های انرژی بالا هستند و به حالت پایدار باز می گردند که انرژی خود را از دست می دهند. لیزر در زمینه لیزر موهای زائد کاربرد دارد.
در فرآیند تولید لیزر، دو اصل اصلی تحریک انتشار و جفت نور نقش مهمی دارند:
گسیل تحریک شده: وقتی یک اتم یا مولکول برانگیخته می شود، می تواند با از دست دادن انرژی و آزاد کردن فوتون به حالت ثابت بازگردد. این فوتون به سایر فوتون های محفظه لیزر اضافه می شود و انرژی آن را افزایش می دهد.
- یکنواختی و تک رنگ: پرتو لیزر یکنواخت است. این بدان معناست که تمام فوتون ها فاز و فرکانس یکسانی دارند. این خاصیت باعث می شود پرتو لیزر بسیار تیز و قدرتمند باشد و مسیر طولانی را بدون انحراف طی کند.
https://ensafnews.com/562156/%d9%84%db%8c%d8%b2%d8%b1-%d9%88-%da%a9%d8%a7%d8%b1%d8%a8%d8%b1%d8%af%d9%87%d8%a7%db%8c-%d8%a2%d9%86/
2. قطعات اصلی دستگاه لیزر
دستگاه لیزر از اجزای مختلفی تشکیل شده است که با هم کار می کنند تا یک پرتو نور با ویژگی های خاص تولید کنند. اجزاء عبارتند از:
- محیط فعال: این محیط حاوی اتم ها یا مولکول هایی است که می توانند برانگیخته شوند. محیط فعال می تواند جامد، مایع، گاز یا نیمه هادی باشد و نوع آن نوع لیزر را تعیین می کند.
- منبع انرژی (پمپ): منبع انرژی اتم های سایت فعال را به حالت های انرژی بالاتر منتقل می کند. این انرژی به الکتریسیته تبدیل می شود، می توان آن را با لامپ یا وسایل دیگر تهیه کرد.
- آینه ها: در دو سر دوربین لیزری آینه هایی وجود دارد که یکی از آنها به طور کامل و دیگری تا حدی منعکس می شود. این آینه ها نور را با بازتاب های متعدد تقویت می کنند و تنها بخشی از نور را مانند پرتو لیزر از دستگاه خارج می کنند.
https://ensafnews.com/562001/%d9%87%d9%85%d9%87-%da%86%db%8c%d8%b2-%d8%af%d8%b1-%d9%85%d9%88%d8%b1%d8%af-%d9%81%db%8c%d8%b4%db%8c%d8%a7%d9%84-%d9%88-%d9%be%d8%a7%da%a9%d8%b3%d8%a7%d8%b2%db%8c-%d9%be%d9%88%d8%b3%d8%aa/3. انواع لیزر
با توجه به محیط فعال و نوع پمپ، لیزرها به چند دسته تقسیم می شوند که هر کدام دارای خواص ویژه و مناسب برای کاربردهای مختلف می باشند.
الف) لیزر حالت جامد
این نوع لیزرها از یک محیط بسیار فعال استفاده می کنند. محبوب‌ترین نمونه‌های لیزر حالت جامد، لیزر یاقوت و لیزر روغنی nd: هستند.
لیزر روبی: اولین لیزری بود که از انار مصنوعی به عنوان یک محیط فعال استفاده می‌کرد و اغلب در کاربردهای علمی و تحقیقاتی استفاده می‌شد.
- لیزر nd:yag: این لیزر پرکاربرد در صنعت پزشکی و برش و جوشکاری فلزات است. nd:yag قادر به تولید نور مادون قرمز با طول موج 1064 نانومتر است و بسیار کارآمد است.
ب) لیزر گازی
در این لیزرها از گازهایی مانند هلیوم-نئون (he-ne)، دی اکسید کربن (co2) و آرگون به عنوان محیط فعال استفاده می شود.
- لیزر He-ne: این لیزر به طور معمول برای تولید نور قرمز با طول موج 632.8 نانومتر استفاده می شود و در ابزار اندازه گیری، نشانگرها و آزمایش های علمی استفاده می شود.
لیزر CO2: لیزر دی اکسید کربن یکی از لیزرهای قدرتمند و کارآمد است که در صنایع مختلف از جمله برش و جوشکاری فلزات و همچنین کارهای پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد.
ج) لیزر نیمه هادی (دیود).
لیزرهای نیمه هادی از LED ها به عنوان محیط فعال استفاده می کنند و یکی از رایج ترین انواع لیزرها هستند. این لیزرها به دلیل اندازه کوچک، مصرف برق کم و عمر طولانی در دستگاه های الکترونیکی، ارتباطات فیبر نوری، چاپگرهای لیزری و نمایشگرهای نوری کاربرد دارند. بهترین لیزر برای رفع موهای زائد، لیزر تیتانیوم است.
د) لیزر فیبر
لیزرهای فیبر از فیبرهای نوری خاصی استفاده می کنند که دارای محیط فعال هستند. این لیزرها به دلیل پایداری بالا و کیفیت پرتو خوب در صنایع ارتباطات و برش فلز کاربرد دارند.
4. تجهیزات و صنعت لیزر
لیزرها به دلیل دقت، کارایی و قدرت بالا کاربردهای زیادی در صنایع مختلف دارند. در زیر به برخی از این موارد استفاده می شود:
الف) برش و جوشکاری فلزات
لیزرهای صنعتی به ویژه لیزرهای co2 و nd:yag به دلیل قدرت بالا برای برش و جوشکاری فلزات استفاده می شود. این روش برش دقت بالایی دارد و با سرعت بالا بدون ایجاد تغییرات دمایی قابل توجه در مواد قابل انجام است.
ب) طراحی و برچسب گذاری
لیزر در حکاکی و علامت گذاری فلزات، پلاستیک و شیشه بسیار موثر بوده و به لطف دقت بالای خود امکان حکاکی متن، تصاویر و کدهای QR را می دهد. این نوع حکاکی به دلیل عدم تماس مستقیم با سطح و دقت جزئیات در صنایع مختلف به ویژه الکترونیک و خودروسازی کاربرد فراوانی دارد.
ج) صنعت پزشکی و درمانی
لیزر در زمینه پزشکی اهمیت ویژه ای دارد و در درمان های مختلفی از جمله جراحی، دندانپزشکی و درمان های زیبایی استفاده می شود. در جراحی، لیزرها به دلیل توانایی آنها در برش دقیق و ایجاد حداقل آسیب به بافت های اطراف استفاده می شود. همچنین در زمینه درمان های زیبایی از لیزر برای رفع موهای زائد، کاهش لک های پوستی و درمان آکنه استفاده می شود.
د) سمت فیبروپتیلین
سیستم های ارتباطی فیبر نوری از دیودها و لیزرهای فیبر به عنوان منبع نور استفاده می کنند این لیزرها به دلیل پهنای باند بالا و قابلیت انتقال داده با سرعت بالا، امکان انتقال اطلاعات در فواصل طولانی را با دقت و کیفیت بالا ارائه می کنند.
ه) صنعت الکترونیک
در صنعت الکترونیک از لیزر برای تولید نیمه هادی ها و چاپگرهای لیزری استفاده می شود. چاپگرهای لیزری از لیزر برای ایجاد تصاویر و متن با وضوح بالا استفاده می کنند. علاوه بر این، در تولید تراشه های الکترونیکی از لیزر برای برش و حکاکی دقیق استفاده می شود.
5. مزایا و محدودیت های لیزر
لیزرها با توجه به ویژگی های خاص خود دارای مزایا و محدودیت های مختلفی هستند که با آنها سروکار دارند.
مزایای لیزر
- دقت بالا نور لیزر بسیار منسجم است و این ویژگی به آن اجازه می دهد تا به نقطه ای با دقت بالا فوکوس شود و برش های دقیقی انجام دهد.
- سرعت و کارایی: لیزرها می توانند فرآیندهای مختلفی را با سرعت و کارایی بسیار بالا انجام دهند که باعث افزایش بهره وری و کاهش هزینه های تولید می شود.
- عدم نیاز به تماس مستقیم: لیزر برای برش، جوش یا حکاکی نیازی به تماس مستقیم با سطح ندارد، بنابراین از سایش و آسیب فیزیکی جلوگیری می کند.
- طیف وسیعی از کاربردها: از برش و حکاکی فلز گرفته تا جراحی و ارتباط، لیزرها طیف وسیعی از کاربردها را پوشش می دهند که آنها را به ابزاری پرکاربرد تبدیل می کند.
اندازه گیری لیزری
- هزینه بالا: هزینه خرید و نگهداری دستگاه لیزر در اکثر موارد بالاست و ممکن است برای یک کسب و کار کوچک به صرفه نباشد.
- حساسیت به شرایط محیطی: برخی از لیزرها به شرایط محیطی مانند دما و رطوبت حساس هستند و برای عملکرد بهینه نیاز به شرایط خاصی دارند.
- خطرات ایمنی: استفاده از لیزرهای پرقدرت بدون رعایت اصول ایمنی می تواند به چشم و پوست آسیب برساند. در نتیجه استفاده از لیزر در محیط های صنعتی و پزشکی نیاز به تجهیزات حفاظتی و آموزش خاصی دارد.
حرف آخر
لیزرها با استفاده از خواص نوری منحصر به فرد خود به یکی از فناوری های اصلی در بسیاری از صنایع در دهه های اخیر تبدیل شده اند. از کاربردهای پزشکی و درمانی گرفته تا صنایع پیشرفته و ارتباطات، لیزرها به دلیل دقت، کارایی و سرعت بالا جایگاه ویژه ای در فرآیندهای صنعتی و علمی به خود اختصاص داده اند. با پیشرفت روزافزون در زمینه فیزیک نوری و توسعه لیزرهای جدید و پرکاربرد، امیدواریم این فناوری همچنان به گسترش و بهبود کاربرد خود ادامه دهد و نقش بسیار مهمی در زندگی و صنعت در آینده ایفا کند.