لیزرهای توان بالا
لیزرهایی که توان های نوری خیلی بالایی را تابش می کنند.
لیزرهای توان بالا

تعریف: لیزرهایی که توان های نوری خیلی بالایی را تابش می کنند.
لیزرهایی با توان خروجی بالا که برای کاربردهایی خاص لازم است:
  • فرآوری مواد (جوشکاری، برش کاری، سوراخکاری، لحیم کاری، بهبود سطوح و حکاکی)
  • نمایشگرهای لیزری با ابعاد بزرگ
  • حسگرهای راه دور (مانند لیدار(
  • کاربردهای پزشکی (مانند جراحی)
  • کاربردهای نظامی (سلاحهای ضد موشک)
  • علوم پایه (شتاب دهنده ذرات)
  • هم جوشی هسته ای با لیزر (مانند پروژه NIF)
فرآوری مواد با لیزرهای پرتوان بعد از ارتباطات دومین بخش بزرگ از کاربردهای لیزر در کل جهان است.
در حال حاضر یک تعریف مشخص پذیرفته شده به عنوان توان بالا وجود ندارد؛ در فرآوری لیزری مواد معمولاً این مفهوم به معنای چندین کیلووات یا حداقل چند صدوات است، در حالیکه در مورد نمایشگرهای لیزری چند ده وات به عنوان توان بالا در نظر گرفته می شود. در بعضی از حوزه ها، این برچسب به تولید یک توان خروجی بالاتر نسبت به دیگر لیزرها با همان تکنولوژی اطلاق می شود. به عنوان نمونه، بعضی از لیزرهای نشانگر توان بالا چند صد میلی وات تابش می کنند در حالیکه لیزرهای نشانگر معمولی در حد چند میلی وات هستند.
جنبه‌های دیگری در مورد لیزرهای پالسی وجود دارد. به عنوان مثال قله توان می تواند به همان اندازه برای لیزرهای Q-switch مهم باشد که توان خروجی متوسط مهم است. با توجه به نرخ تکرار پالس و عرض پالس، قله توان ممکن است برای یک لیزر با توان خروجی متوسط خیلی بالا باشد. معمولاً از یک لیزر توان بالا توان متوسط بالا و نه فقط قله توان بالا انتظار می رود.
  • چالش های فنی
تولید توان های بالای نوری در لیزر با یک سری چالش همراه است:
  • نیاز به یک یا چند منبع دمش بسیار قوی است. در حالی که دمش لامپی تنها روش دمش امکان‌ پذیر برای بیشتر لیزرهای حالت جامد است، دمش با لیزرهای دیودی توان بالا (بارهای لیزر دیود یا استک های دیودی) به طور گسترده ای در حال افزایش است. لیزرهای دمش دیودی بیشترین توان خروجی را در حالت موج پیوسته ارائه می کنند. برای انرژی های پالسی خیلی بالا (ده ها ژول) دمش لامپی هنوز عملی تر است.
  • حداقل برای حالت موج پیوسته با کارکرد زمان بالا، بازده بالا یک فاکتور مهم است. متأسفانه چالش های فنی مختلف (مانند اثرات گرمایی) امکان دسترسی به بازدهی خوب در توان های خیلی بالا را با مشکل روبه رو کرده است.
  • حتی در محیط فعال با بازدهی متوسط، سهم بزرگی از توان دمش به گرما تبدیل می شود که اثرات جانبی تخریبی دارد. در بدترین حالت تنشهای القایی حرارتی منجر به شکست کریستال لیزر می شود. لیزرهای حالت جامد همچنین یک حالت لنزی حرارتی قوی دارند که رسیدن به کیفیت اشعه بالا را سخت می کند. در لیزرهای با خروجی قطبیده، تلفات واقطبیدگی معمولاً بازدهی را به خطر می‌ اندازند. بنابراین خروج موثر گرمای تولید شده و مدیریت حرارت مسائل بسیار مهمی هستند که برای مقابله با انواع مختلف اثرات حرارتی لازم و ضروری است.
  • در لیزرهای Q-switch بخصوص شدت های نوری خیلی بالا ایجاد می‌شوند که می تواند منجر به آسیب های لیزری قطعات نوری (مانند آینه های لیزر) شود. حتی اگر شدت های نوری زیر آستانه تخریب همه عناصر نوری باشد، ذرات غبار ریز می توانند باعث تحریک پدیده تخریب شوند. بنابراین لازم است که چیدمان لیزر بسیار تمیز نگاه داشته شود. این عمل با کار کردن در محفظه های بسته که در اتاقهای تمیز قرار دارند می تواند صورت پذیرد. علاوه بر این ممکن است در بعضی موارد لازم باشد که از قطعات نوری دقیق با آستانه تخریب نوری بالا استفاده شود.
  • انواع مختلف اثرات غیرخطی مخصوصاً در لیزرهای فیبر توان بالا ممکن است مشاهده شود. مانند پراکندگی رامان، پراکندگی بریلوئن و اختلاط چهار موجی.
  • مشددهای لیزری با محدوده های مدی مؤثر بزرگ به طور معمول حساسیت بالایی به ناترازی و ارتعاش اجزای نوری دارند. بنابراین کارکرد سلب، بدون تعمیر و ثابت بودن نقطه ای اشعه از چالش هایی است که باید به آن دست یافت.
  • انواع لیزرهای پرتوان
چندین گونه از انواع لیزرهای توان بالا وجود دارد:
  • بارها و استک های توان بالای دیودی که در بالا اشاره شدند به عنوان منابع دمش برای لیزرهای حالت جامد هستند. این منابع امکان تولید چندین کیلووات توان خروجی البته با کیفیت اشعه پایین را دارند. برای بعضی از کاربردها که کیفیت اشعه مهم نیست، استفاده مستقیم از دیودهای لیزری توان بالا گزینه مناسبی است. این کاربردها شامل جوشکاری، لحیم کاری و پوشش کاری و عملیات حرارتی سطح هستند. این لیزرها از نظر قیاسی ساده، منسجم، اقتصادی و از نظر انرژی بهینه هستند.
  • انواع مختلفی از لیزرهای دمش لامپی و دمش دیودی حالت جامد وجود دارند. لیزرهای میله ‌ای را می توان برای چندین کیلووات توان خروجی بهینه سازی کرد اما دستیابی به کیفیت اشعه محدود شده با پراش تنها تا چند صد وات (با تأثیرات مشخص) امکان پذیر است. لیزرهای لوحه ای (صفحه ای) را می توان برای ده ها کیلوات یا حتی بیشتر با کیفیت اشعه نسبتاً بالا توسعه داد. لیزرهای دیسک نازک به راحتی می توانند صدها وات با کیفیت اشعه محدود شده توسط پراش تولید کنند و می توانند حتی به سطوح توانی بالای 10 کیلووات برسند. بازدهی توان معمولاً در حد متوسط و خوب است.
  • لیزرها و تقویت کننده‌ های فیبر توان بالا حداکثر می ‌توانند چند کیلووات  توان تولید کنند و اشعه ای محدود شده با پراش و بازدهی توان بالا دارند. با نیازمندیهای کیفیت اشعه معمول حتی میتوان به توانهای بالا نیز دست یافت. به طور سخت گیرانه، چنین دستگاه های فیبری معمولاً لیزر نیستند اما MOPA یا تقویت کنندة توان نوسانگر اصلی به حساب می ‌آیند.
  • بعضی از لیزرهای گازی مانند CO2 و لیزرهای اگزایمر برای توانهای خروجی صدها تا هزار وات مناسب هستند. این لیزرها به طور معمول در ناحیه ای متفاوت از لیزرهای حالت جامد کار می کنند؛ مثلاً در محدوده فرابنفش یا مادون قرمز متوسط.
  • لیزرهای شیمیایی هستند که توان خروجی آنها به چندین کیلووات یا حتی مگاوات می رسد که کاربردهای تخریبی دارند.
شاید به صورت تئوری اما نه چندان عملی، جالب توجه ترین لیزرهای توان بالای مفهومی، لیزرهایی با تابش بالانس شده باشند. در این لیزرها گرما تولید شده در محیط فعال با خنک سازی نوری برطرف می‌شود.
یک مسئله مهم در توسعه لیزرها در آینده افزایش توان براساس معماریهای توان-افزالیزر (power-scalable) است. این مسئله حتی نه تنها برای لیزرهایی با قابلیت افزایش توان بلکه برای درک خواص افزایشی اجزای مختلف یا روشها می تواند کمک کننده باشد.
  • مسائل ایمنی
استفاده از لیزرهای توان بالا مسائل مهمی در مورد ایمنی لیزر ایجاد می کند:
  • در این لیزرها توانهای خروجی خیلی بالاتر از آن است که هر چشمی بتواند تحمل کند، به طوری که باید از رسیدن حتی کوچک ترین بازتابش ها به چشم جلوگیری شود. حتی استفاده از عینک های لیزر با جذب بالا نیز نمی تواند کافی باشد زیرا چنین شیشه هایی به اندازه کافی قوی نیستند تا حتی لحظه ای در برابر چنان شدت های بالای نوری مقاومت کنند.
  • پوست و لباسهای کارگران در چنین محیط های که توانهای نوری برای برش فلزات کافی است، در معرض خطر هستند.
  • اشعه های لیزر توان بالا می توانند موادی مانند پلاستیک ها یا چوب را آتش بزنند. حفاظت در برابر آتش سوزی یکی از مسائل مهم است. همچنین تشکیل دودهای سمی باید مورد توجه باشد و این دودها باید به خوبی از محوطه خارج شوند.
  • انواع مختلفی از خطرات وجود دارد که مستقیماً به اشعه های لیزر برنمیگردند. مخصوصاً منابع تغذیة الکتریکی توان بالا معمولاً دارای ولتاژهای بالا هستند که باعث ایجاد شوک الکتریکی می شوند. کابلهای توان اگر آسیب ببینند می توانند خطرناک باشند.
یک اصل ایمنی مهم در محیط لیزرهای توان بالا احاطه کردن لیزر و چیدمان در یک محفظه مناسب است. همچنین کل منطقه ای که اشعه لیزر می تواند وجود داشته باشد باید محافظت شود. قفلهای داخلی می توانند از کارکرد یک لیزر زمانی که افراد در منطقه خطر هستند جلوگیری کنند.


   |    1397/4/5