اجزای اصلی در یك لیزر :
محیط فعال (active medium) : محیط فعال مجموعه‌ای از اتم‌ها و مولكول‌ها ، با یونها در حالت جامد ، مایع یا گازی است كه همانند تقویت‌كننده عمل می‌كند .
منبع تحریك : وسیله‌ای برای ایجاد شرایط لازم جهت گسیل لیزری كه این شرایط اساسی را وارونگی جمعیت (inrerted population) می‌نامند و ممكن است منبع تحریك نورانی و یا الكتریكی و … باشد . مثلاً در یاقوت قرمز این منبع از یك لامپ فلاش و در لیزر He – Ne پتانسیل الكتریكی در حدود چند هزار ولت است . اگر در محیط فعال چگونگی تقویت یا تضعیف را بررسی كنیم خواهیم دید كه شدت تحریك I با وارونگی جمعیت وابستگی كمی دارند .
اصول كار لیزر
محیط فعال و عناصر دیگر در داخل مشدد نوری قرار دارند . مشدد محور نور در لیزر را تعیین و نور ساطع شده در امتداد محور تابش می‌كند . باید توجه داشت كه یك لیزر می‌تواند نور را در یك یا دو امتداد مخالف در امتداد محور نوری ساطع كند . ماشه تحریك یك لیزر بوسیله سیستم پمپاز شروع بكار می‌نماید . كار این سیستم تحریكی عناصر فعال است كه در اثر آن جمعیت وارونه (inrerted population) سطوح تابش‌كننده ایجاد می‌گردد . مشدد نور (همراه با عناصر) اضافی عمل گزینش را بر روی حالات فوتونی تدارك می‌بینند . در نتیجه ، یك تابش فوق‌العاده همدوس موسوم به تابش لیزر در امتداد محور حاصل می‌شود .
مواد فعال زیر در لیزرها بكار برده می‌شوند :
گازها و یا مخلوطی از گازها (لیزرهای گازی)
بلورها و شیشه‌های ممزوج با یونهای مخصوص (لیزرهای جامد)
مایعات (لیزرهای مایع)
نیمه‌هادی‌ها (لیزرهای نیمه‌هادی)
كاربردهای لیزر :
در نظر اول فهم این نكته مشكل است كه چرا با نور لیزر میتوان یك تیغه را سوراخ كرد ولی با نور معمولی ، مثلاً نور یك لامپ الكتریكی ـ هر قدر هم قوی باشد این كار میسر نیست . این سئوال سه جواب دارد :
اولاً نور لامپ نا همدوس است یعنی فوتونهای لامپ هم فاز نیستند و با مختصری اختلاف زمانی به هدف می‌رسند ، در حالی كه فوتون های تابه لیزری ، همه دقیقاً با هم حركت می‌كنند و درست در یك نقطه به هدف می‌رسند . دلیل دوم این كه نور از چشمه‌های دیگر كوبنده‌تر است ، این است كه تابه نور معمولی فقط از یك طول موج معین تشكیل شده است بلكه شامل طیف نسبتاً وسیعی از طول موج هاست . این مطلب ، دلیل سوم را نیز در بر می‌گیرد : نور معمولی بر خلاف نور لیزر به شكل تابه‌ای باریك و موازی تولید نمی‌شود ، بلكه راستاهای مختلف را اختیار می‌كند .
نور لیزر برای روشنایی :
لیزرهای حالت جامد و لیزرهای تزریقی درخش های كوتاه بسیار روشنی تولید می‌كند كه برای عكسبرداری بسیار سریع ، ایده‌آل است . ما در عصری هستیم كه سالانه میلیون ها پوند صرف ساختن هوانوردهای سریع ـ اعم از موشك‌های بالستیكی ، قاره‌پیما یا هواپیما می‌شود . باید دانست كه سرعتهای زیاد چه بر سر اجسام متحرك می‌آید و یكی از بهترین راههای این كار عكس برداری از جسم در حال حركت است . سرعت بعضی از پرتابه‌ها بقدری زیاد است كه اغلب چندین كیلومتر در ثانیه كه حتی عكسی كه به كمك سریعترین فلاش های متداول از آنها گرفته می‌شود ، چیزی جز تصویری محو نیست . از آنجایی كه حتی سریعترین پرتابه‌ها هم در این مدت فاصله بسیار كمی را خواهند پیمود ، عكسی كه با درخشش لیزری از اجسام تیز پرواز گرفته می‌شود ، واضح و دقیق خواهد بود . ارتش آمریكا سرگرم آزمایش با تلویزیون لیزری برای استفاده در گشت های شبانه مخفی با هواپیماست و طراحان نظامی درصدد ساختن كلاهك بمب‌هایی هستند كه هدف را با استفاده از پرتو لیزری نامرئی مادون قرمز پیدا كنند .
استفاده از لیزر در فاصله‌یابی :
یافتن فاصله هدف مورد نظر از مشكلات دائمی توپچی ها و ضدهوایی‌ها بوده است . فاصله‌یاب لیزری ، اساساً از یك لیزر ، یك منبع توان ، یك سلول فتوالكتریك و یك كامپیوتر رقمی كوچك تشكیل می‌شود . پرتویی كه لیزر می‌فرستد ، پس از برخورد به هدف بازتابیده می‌شود و وارد سلول فتوالكتریك می‌گردد . از روی زمان رفت‌وبرگشت فاصله هدف ، توسط كامپیوتر محاسبه و بر حسب هر واحدی كه بخواهد ثبت می‌شود .
نوعی فاصله‌یاب لیزری كه برای ناتو ساخته شده ، به اندازه یك تفنگ نسبتاً بزرگی است كه منبع توان و كامپیوتر آن را میتوان در بسته‌ای روی پشت حمل كرد . فاصله‌یابهای لیزری تا مسافت 11 km را با دقتی حدود 5/4 متر تعیین كرده‌اند .
استفاده از لیزر در هوانوردی و دریانوردی :
یكی از بدیعی ترین وسایل لیزری ، ژیروسكوپ لیزری است . ژیروسكوپ معمولی اساساً چرخ دواری است كه بسرعت می‌چرخد . به دلیل این چرخش ، محور چرخ همواره در یك صفحه باقی می‌ماند . محور ژیروسكوپ چرخنده همیشه در یك راستا باقی می‌ماند و تغییر مسیر كشتی تأثیری بر آن ندارد . این محور ، كار یك ((خط مبنا)) را انجام می‌دهد كه تغییرات جهت كشتی را از روی آن میتوان تشخیص داد . سفینه‌های فضایی كه غالباً بی‌سرنشینند تنها به كمك ژیروسكوپ مسیر خود را حفظ می‌كنند . این ژیروسكوپ متشكل است از یك لیزر گازی مثلاً لیزر هلیوم ، نئون كه از هر دو انتهایش نور همدوس خارج می‌شود . با نصب این ژیروسكوپ به سفینه فضایی ، انحراف سفینه از مسیر ، قابل تشخیص است .
استفاده از لیزر در پزشكی :
لیزر بعنوان یك منبع قوی انرژی ، در پزشكی نیز بكار گرفته شده است بخصوص در امریكا كه زادگاه لیزر بود و هنوز هم موطن آن است . به عقیده برخی جراحان ، لیزر برای بریدن اعضایی كه رگهای خونی بسیار پیچیده دارد ـ مانند مغز ـ فوق‌العاده مناسب است. تابه لیزر در حین قطع‌كردن رگهای خونی ، با سوزاندن، دهانه آنها را می‌بندند . برخی از چشم‌پزشكان لیزر را برای جوش‌دادن جداشدگی شبكیه چشم ، مفید یافته‌اند .
كاربرد لیزری در نوسازی صنعت :
گسترش تكنولوژی لیزر در دهه گذشته در تمامی شاخه‌های زندگی رشد فزاینده‌ای داشته است به گونه‌ای كه امروزه لیزر جزء لاینفك زندگی انسان محسوب می‌شود یكی از شاخه‌هائی كه لیزر از ابتدای اختراع آن بیش از دیگر زمینه‌های كاربردی مورد توجه محققین و متخصصین قرار گرفت ، كاربرد صنعتی لیزر بوده است .
برشكاری توسط لیزر از همان روزهای آغازین تولد لیزر مورد توجه بسیاری از علاقه‌مندان و صنعت گران كه به آینده درخشان كار خود امید داشتند قرار داشت . پرتو لیزر با توجه به ویژگی های منحصر خود كه شامل تك‌رنگی ، همدوسی ، شدت بالا و واگرائی كم است نشان داد كه با بكارگیری آن میتوان نه تنها به گسترش حوزه صنعت بلكه به تحول كیفی محصولات آن امید فراوانی پیدا نمود . بدنبال ساخت اولین لیزر گازكربنیك در سال 1964 این امكان فراهم‌شد كه بتوان با حداقل امكانات لیزرهای پرقدرتی در ناحیه حرارتی مادون قرمز ، همان منطقه‌ای كه موردنیاز صنعت است تهیه و به بازار عرضه نمود . اینك وسیله‌ای پا به عرصه وجود گذاشته بود كه امكان فراهم‌نمودن یك منبع حرارتی قابل كنترل و در عین حال بسیار باریك به راحتی در دسترس كاربران قرار می‌گرفت . با یك نگاه گذرا اما عمیق به نقش لیزر در صنعت میتوان به این نكته واقف شد كه لیزر تحولی بی‌سابقه در این عرصه ایجاد كرده است كه دامنه رشد آن هر روزه گسترش می‌یابد . امروزه اگر شاهد محصولاتی باشیم كه به جهت كیفی و مرغوبیت در كمترین زمان به بازار عرضه می‌شوند ، متوجه نقش و اهمیت لیزر در صنعت خواهیم بود .اثربخشی لیزر در تمامی زیرشاخه‌های صنعت امری محسوس و غیرقابل انكار است . برای مثال برشكاری، سخت‌كاری ، سوراخكاری ، علامت‌زنی ، بیشترین كاربردها را در خانواده صنعت عهدا‌دار بوده است . آمارها نشان می‌دهد بیش از 85% فعالیت‌های صنعتی در همین موارد خلاصه می‌شود .
امروزه بكارگیری لیزر در شاخه‌های مورد اشاره بالا امری طبیعی ، روتین و با یك سابقه 20 ساله مملو از تحقیقات و تجربیات فراوان است .
در خصوص برشكاری این امكان فراهم می‌شود كه پرتوی لیزر توسط یك عدسی بر روی قطعه كار متمركز شده بطوریكه در زمانی نزریك به یك‌هزارم ثانیه درجه حرارتی بیش از 4000 درجه سانتی‌گراد بر روی قطعه‌كار (فلز) ایجاد می‌كند .
نتیجه این عمل ذوب‌شدن لحظه‌ای فلز در یك باریكه‌ای به قطر 1/0 میلی‌متر است . اینك با حركت‌دادن 2 آینه كه نقش هدایت پرتو لیزر بر روی عدسی مورد‌نظر را دارد این امكان فرهم می‌شود كه پرتو لیزر در جهت x و yحركت نموده و براحتی هر شكلی را كه مایل باشیم بر روی قطعه كار ایجاد نماییم . از دیگر مزایای بكارگیری لیزر در برشكاری میتوان به : افزایش سرعت كار ، دقت بالا ، كمترین خسارت حرارتی به قطعه‌كار اشاره كرد . در زمینه جوشكاری نیز بكارگیری لیزر مزایای قابل‌ملاحظه‌ای را در صنعت بدنبال داشته است .
در نگاه اول جوش كاری با لیزر به نظر می‌رسد كه قادر است براحتی و در كمترین زمان ممكن نه تنها فلزات را در ابعاد و اندازه‌های مختلف به یكدیگر جوش دهد بلكه با این تكنیك این امكان فراهم شده است كه فلزات غیرهمنام نیز به یكدیگر جوش داده شوند . لیزر در كنار یك CNC یك سیستم كامل لیزر جوش را ایجاد می‌كند كه با كمك آن صنعت گران قادرند با سرعت زیاد ، دقت بالا و حداقل هزینه مصرفی از قابلیت‌های آن استفاده نمایند . یكی از شاخه‌های صنعت كه در دو دهه اخیر مورد توجه و بسط فراوان قرار گرفته است پدیده بهینه‌سازی و بكارگیری مواد با آلیاژهای مختلف با طول‌عمر بالاست . هر قطعه مكانیكی بعد از یك دوره مشخص بر اثر صدمات مختلف از رده خارج شده و باید قطعه‌های نو جایگزین آن شود . قطعاتی مانند مته‌ها ، توربین‌ها ، تیغه اره‌ها و سیلندرها دچار بیشترین ساییدگی و پوسیدگی هستند لذا بیش از عناصر تشكیل‌دهنده مورد توجه قرار گرفته‌اند .
امروزه با كمك لیزر میتوان عمل سخت‌كاری بر روی لایه‌های سطحی فلزات انجام داد . به گونه‌ای كه طول‌عمر آنها به میزان قابل‌توجه‌ای افزایش پیدا كند . این عمل نه تنها صرفه‌جویی فراوانی را به‌همراه دارد بلكه در حداقل زمان ممكن صورت می‌پذیرد . امروزه عمل سخت‌كاری با دیگر روش‌ها نیز صورت می‌پذیرد اما عملاً هیچ یك از آنها نتوانسته جایگزین خوبی برای لیزر باشد .علامت‌زنی بر روی قطعات مختلف با مواد مختلف از نكات حائز اهمیت حوزه صنعت به شمار می‌رود بسیاری از تولیدكنندگان مایلند جهت جلوگیری از سوءاستفاده محصولات تقلبی به گونه‌ای محصولات اصلی را از نمونه تقلبی متمایز نمایند . حك‌كردن علامت و یا یك آرم مشخص با دقت بالا یك راه حل خوبی به‌نظر می‌رسد كه سالیان سال مورد استفاده قرار گرفته است . به همین خاطر با متمركز كردن پرتو لیزر در ابعادی حدود 50 میكرون با كمك 2 اسكنر مكانیكی میتوان هر شكل دلخواهی را در اندازه‌های مختلف بر روی محصولات حك نمود .
سرعت حكاكی به قدری بالاست كه این فرایند ظرف چند ثانیه به اتمام خواهد رسید . امروزه حك‌نمودن 300 حرف در یك ثانیه توسط لیزر امری عادی به نظر می‌رسد . از آنجا كه تمامی كنترل و هدایت این فرایند توسط كامپیوتر صورت می‌گیرد ، كاربران با حداقل مهارت قادر به انجام آن خواهند بود . حكاكی با لیزر هیچگونه محدودیتی جدی به جهت نوع جنس فراهم نخواهد كرد. دستگاههای حكاكی لیزری با قیمت‌های نازلی قابل تهیه از سازندگان آن می‌باشند یكی از كاربردهای پرطرفدار لیزر در صنعت در امر سوراخكاری می‌باشد . ایجاد نمودن سوراخهای بزرگ و ریز بر روی موادی مانند چوب ، فلز امری عادی بنظر می‌رسد . اما همین كه مایل باشیم این عمل را در ابعاد چند میكرون و بر روی موادی مانند سرامیكها ، شیشه و پلاستیك انجام دهیم خود پی می‌بریم كه اگر نگوییم غیرممكن ، بسیار مشكل خواهد بود . اما امروزه به كمك لیزر این عمل در كمتر از ثانیه و با آهنگ بالا قابل اجرا و تكرارپذیر است . و این همان چیزی است كه صنعتگران سالیان سال بدنبال آن بوده‌اند . امید است در آینده‌ای نه‌چندان دور شاهد بكارگیری این فناوری جدید در عرصه صنعت بوده و با این كار بر دامنه فعالیت‌های لیزر ، این نور شگفت‌انگیز بیافزاییم .
.