لیزر و کاربردهای آن

لیزر یکی از مهم ترین فناوری های در حال توسعه در حوزه های علم، پزشکی، صنعت و ارتباطات در دهه های اخیر است. این فناوری که با تولید نور منسجم و تک پرتو توانسته کاربردهای متنوع و پیشرفته ای را ارائه دهد، به دلیل دقت و قدرت بالا، عمدتاً در برش، جوش، اندازه گیری و عیب یابی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله به بررسی اصول اولیه لیزر، انواع مختلف، کاربردهای مختلف و مزایا و محدودیت های استفاده از لیزر در صنایع مختلف می پردازیم.

1. مفهوم و اصول عملکرد لیزر

اصطلاح "لیزر" کوتاه شده برای "تقویت نور با انتشار تحریک شده تابش" است. جایی که یک اتم یا مولکول به حالت انرژی بالاتر برانگیخته می شود. سپس انرژی خود را از دست می دهد و به حالت پایدار باز می گردد. لیزر در زمینه آموزش جراحی لیزر موهای زائد کاربرد دارد.

دو مفهوم اصلی انتشار تحریک شده و پیوستگی نور نقش کلیدی در فرآیند تولید لیزر دارند:

آزاد شدن انرژی: هنگامی که یک اتم یا مولکول برانگیخته می شود، می تواند با از دست دادن انرژی و آزاد کردن فوتون به حالت استراحت خود بازگردد. این فوتون به فوتون های دیگر محفظه لیزر اضافه می شود و انرژی می افزاید.

- پیوستگی و یکنواختی: نور لیزر منسجم است. این بدان معناست که تمام فوتون ها فاز و فرکانس یکسانی دارند. این ویژگی باعث می شود نور لیزر بسیار تیز و قدرتمند باشد و مسافت های 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. اجزای اصلی دستگاه لیزر

دستگاه لیزر از قسمت های زیادی تشکیل شده است که با هم کار می کنند تا نوری با خواص خاص تولید کنند. این بخشها عبارتند از:

- محیط فعال: این محیط حاوی اتم ها یا مولکول هایی است که می توانند برانگیخته شوند. اپراتور می تواند جامد، مایع، گاز یا نیمه هادی باشد و نوع آن تعیین کننده نوع لیزر است.

- منبع انرژی (پمپ): منبع انرژی اتم های محیط فعال را به حالت های انرژی بالاتر منتقل می کند. این انرژی را می توان با برق گرفتگی، لامپ یا روش های دیگر تامین کرد.

- آینه ها: در دو سر محفظه لیزر آینه هایی وجود دارد که یکی از آنها کاملا بازتابنده و دیگری تا حدی بازتابنده است. این آینه ها نور را از طریق بازتاب مکرر تقویت می کنند و تنها بخشی از نور را به عنوان پرتو لیزر از دستگاه خارج می کنند.

3. آن لیزر است

لیزرها بسته به محیط فعال و نوع پمپ به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که هر کدام دارای ویژگی های خاصی بوده و برای کاربردهای متفاوتی مناسب می باشند.

الف) بزرگراه های دولتی

این نوع لیزر از یک محیط فعال جامد استفاده می کند. شناخته‌شده‌ترین نمونه‌های لیزرهای حالت جامد، لیزر روبی و لیزر nd:yag هستند.

- لیزر یاقوت: اولین لیزری که از یاقوت مصنوعی به عنوان یک محیط فعال استفاده کرد و معمولاً در کاربردهای علمی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار گرفت.
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/

- لیزر nd:yag: لیزری است که به طور گسترده در صنعت پزشکی و در بخش برش و جوشکاری فلزات استفاده می شود. nd:yag توانایی تولید نور مادون قرمز با طول موج 1064 نانومتر را دارد و بازده بالایی دارد.

ب) لیزرهای گازی

گازهایی مانند هلیوم-نئون (he-ne)، دی اکسید کربن (co2) و آرگون به عنوان محیط فعال در این لیزرها استفاده می شود.

- لیزر He-ne: این لیزر معمولاً برای تولید نور قرمز با طول موج 632.8 نانومتر استفاده می شود و در وسایل اندازه گیری، نشانگرها و آزمایش های علمی کاربرد دارد.

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 جراحی های پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد.

ج) لیزر برای نیمه هادی (دیود).

لیزرهای نیمه هادی از دیودهای ساطع کننده نور 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 تجهیزات الکترونیکی، ارتباطات فیبر نوری، چاپگرهای لیزری و نمایشگرهای نوری کاربرد دارند. بهترین لیزر برای رفع موهای زائد، لیزر تیتانیوم است.

د) پرتوهای لیزر

لیزرهای فیبر از فیبرهای نوری خاصی به عنوان رسانه استفاده می کنند. این لیزرها به دلیل پایداری بالا و کیفیت پرتو خوب در صنایع ارتباطی و برش فلز کاربرد دارند.

4. کاربردهای لیزر در صنعت

لیزرها به دلیل دقت، کارایی و کارایی بالا کاربردهای مختلفی در صنایع مختلف دارند. برخی از این کاربردها در زیر ذکر شده است:

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 تغییر حرارتی در مواد قابل انجام است.

ب) حکاکی و برندسازی

لیزرها برای حکاکی و علامت گذاری فلزات، پلاستیک و شیشه بسیار کارآمد هستند و به دلیل دقت بالایی که دارند، قابلیت ضبط متن، تصاویر و کدهای QR را ارائه می دهند. این نوع ضبط به دلیل عدم تماس مستقیم با مکان و دقت جزئیات در صنایع مختلف به ویژه الکترونیک و خودروسازی کاربرد فراوانی دارد.

ج) صنایع پزشکی و پزشکی

لیزر در پزشکی مهم است و در درمان های مختلفی از جمله جراحی، دندانپزشکی و درمان های زیبایی استفاده می شود. در جراحی، لیزرها به دلیل توانایی برش دقیق و با حداقل آسیب به بافت اطراف استفاده می شوند. همچنین در درمان های زیبایی، از لیزر برای از بین بردن موهای زائد، کوچک کردن لکه های پوستی و درمان آکنه استفاده می شود.

د) ارتباطات فیبر نوری

لیزرهای دیود و فیبر به عنوان منبع نور در سیستم های ارتباطی فیبر نوری استفاده می شوند. این لیزرها به دلیل پهنای باند بالا و قابلیت ارسال اطلاعات با سرعت بالا، امکان انتقال اطلاعات را با دقت و کیفیت بالا در فواصل دور فراهم می کنند.

ه) صنعت الکترونیک

در صنعت الکترونیک از لیزر برای ساخت نیمه هادی ها و چاپگرهای لیزری استفاده می شود. چاپگرهای لیزری از لیزر برای ایجاد تصاویر و متن با کیفیت بالا استفاده می کنند. لیزر همچنین برای برش و علامت گذاری دقیق در تولید تراشه های الکترونیکی استفاده می شود.

5 مزایا و محدودیت های لیزر

لیزر به دلیل خواص ویژه ای که دارد دارای مزایا و محدودیت های مختلفی است که به آنها اشاره می شود.

مزایای لیزر

- دقت بالا: نور لیزر بسیار منسجم است و این ویژگی به آن اجازه می دهد تا بر روی نقطه ای با دقت بالا تمرکز کند و برش های دقیقی انجام دهد.

- سرعت و کارایی: لیزرها می توانند فرآیندهای مختلفی را با سرعت و کارایی بالا انجام دهند و باعث افزایش بهره وری و کاهش هزینه های تولید شوند.

- عدم نیاز به تماس مستقیم: عدم نیاز به تماس مستقیم با سطح جهت برش لیزری، جوشکاری یا حکاکی، مورد استفاده قرار می گیرد و از آسیب فیزیکی جلوگیری می کند.

- تعدد عملکرد: از برش و رنگ آمیزی فلز گرفته تا جراحی و ارتباط، لیزرها طیف وسیعی از وظایف را پوشش می دهند که آنها را به ابزاری پرکاربرد تبدیل کرده است.

من لیزر هستم

- هزینه بالا: هزینه خرید و نگهداری دستگاه های لیزر در اکثر موارد بالا بوده و ممکن است برای مشاغل 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 منجر به آسیب چشم و پوست شود. بنابراین استفاده از لیزر در محیط های صنعتی و پزشکی نیازمند تجهیزات حفاظتی و آموزش های تخصصی است.

حرف آخر

لیزر با استفاده از خواص نوری منحصر به فرد خود، به یکی از فناوری های اساسی در بسیاری از صنایع در دهه های اخیر تبدیل شده است. از کاربردهای پزشکی و درمانی گرفته تا صنایع پیشرفته و ارتباطات، لیزر به دلیل دقت، کارایی و سرعت بالا جایگاه ویژه ای در فرآیندهای صنعتی و علمی دارد. با پیشرفت روزافزون در زمینه فیزیک نوری و توسعه لیزرهای جدید و پرکاربرد، انتظار می رود این فناوری همچنان به گسترش و بهبود کاربردهای خود ادامه دهد و نقش مهمی در زندگی و صنعت در آینده ایفا کند.