مخلوط های گازی لیزری

واژه لیزر بر گرفته از عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) LASER) به معنای تقویت نور به روش گسیل القایی تابش است. پرتوهای نوری قدرتمند با طول موج مشخص در دستگاه های لیزر تولید شده و قادر به جابجایی در فواصل بلند می باشند و باعث بالابردن دما در نقاط هدف خود می شوند.
لیزرها در بسیاری از کاربردهای پردازش مواد مانند برش لیزری ، جوشکاری لیزری و آماده سازی سطوح فلزی و غیر فلزی استفاده می شوند که در این موارد استفاده از لیزرهای گازی و لیزرهای حالت جامد رایج تر است.
لیزرهای گازی مانند کربن دی اکسید یا لیزر اگزایمر، جهت تولید پرتوی لیزری خود نیازمند یک مخلوط گازی می باشند که این مخلوط ها بسته به نوع دستگاه لیزر متفاوت خواهند بود.

گازهای مخصوص لیزرهای اگزایمر (Excimer)

مخلوطی از گازهای نادر برای ایجاد پرتوهای نور لیزرهای اگزایمر مورد استفاده قرار می گیرند و طول موج پرتوها وابسته به نوع گازهای نادر یا هالوژنیست که در مخلوط وجود دارد. برای مثال ترکیبی از کریپتون و فلوئورین (Kr – F) نوری با طول موج 248نانومتر از خود ساطع می کند. از انواع دیگر گازهایی که مورد استفاده در این لیزرهاست زنون-کلوراین (Xe - Cl) است که طول موج منتشر شده از آن 308نانومتر می باشد. گازهای نادر شامل آرگون، هلیم ، کریپتون ، زنون ، نئون و .. می باشند.

گازهای مخصوص لیزرهای کربن دی اکسید (CO2 Lasers)

لیزرهای گازی کربن دی اکسید پرکاربردترین لیزرها برای مصارف برش کاری فلزات هستند که گاز CO2 در آن نقش ماده ی فعال را دارد. اساس کار این دستگاه ها به این صورت است که با برانگیختگی مولکول ماده فعال توسط یک فرآیند تخلیه الکتریکی به سطوح انرژی بالا و برگشت آنها به سطح انرژی پایین تر، پرتوی نور مادون قرمز با طول موج 10.6 میکرومتر تابش می شود.
پس از برگشت به سطح انرژی پایین تر ، مولکول های CO2 در برخورد با مولکول های گازهای دیگر به پایین ترین سطح انرژی خود برمیگردند که به این حالت مرحله relaxation می گویند.
لیزر CO2 را می توان فقط با استفاده از گاز خالص CO2 راه اندازی نمود . اما جهت ایجاد توان مورد نیاز برای عملیات برش و یا جوش لیزری ، لازم است مخلوطی از نیتروژن و هلیوم به کربن دی اکسید افزوده شود.
نقش نیتروژن
برانگیختگی گاز نیتروژن به اولین سطح انرژی آن نسبتا راحت تر از برانگیختگی کربن دی اکسید به بالاترین سطح انرژی‌اش است و همچنین اولین سطح انرژی گاز نیتروژن با بالاترین سطح انرژی کربن دی اکسید برابر است ، بنابراین گاز نیترژن برانگیخته شده می تواند با برخورد با مولکول های CO2 انرژی خود را به CO2 منتقل نموده و آن را به بالاترین سطح انرژی خود برساند. بنابراین افزودن نیتروژن به گاز لیزر توان بالاتری را برای دستگاه در پی دارد.
نقش هلیم
نقش اولیه هلیم در مخلوط گازی لیزر، کمک به مولکولهای کربن دی اکسید در مرحله ی Relaxation و آمادگی برای برانگیختگی مجدد است. اتم های هلیم در برخورد با مولکول های کربن دی اکسید که در سطح انرژی پایین قرار دارند ، انرژی آن ها را گرفته و باعث انتقال مولکول های CO2 به پایین ترین سطح انرژی خود می شود، در نتیجه لیزر به قدرت بالاتری دست خواهد یافت.
هلیوم به علت دارا بودن بالاترین ضریب هدایت گرمایی در بین تمام گازها ، می تواند به هدایت گرما از محفظه تخلیه الکتریکی کمک کند و بازده فرایند برانگیختگی را افزایش دهد.
ترکیبات دیگر گاز لیزر
همانطور که در بالا گفته شد، گازهای لیزر کربن دی اکسید همیشه شامل هلیوم ، نیتروژن ، کربن دی اکسید به عنوان اجزای اصلی می باشند. اما در گاز بعضی دستگاه ها ممکن است مقادیر کمی از کربن منواکسید، اکسیژن، هیدروژن ، و یا زنون افزوده شود.
کربن منواکسید و اکسیژن ، تجزیه ی کربن دی اکسید در اثر تخلیه الکتریکی را کاهش داده و توان خروجی بالاتری را حاصل می شود.
هیدروژن نیز تاثیر مشابهی دارد و می تواند تخلیه الکتریکی یکنواخت تری را در رزوناتور ایجاد نماید. همچنین بازده و توان خروجی می تواند با افزودن کمی زنون بهبود یابد.
خلوص گازهای لیزر
خلوص مخلوطهای گازی لیزری برای دستیابی به بهترین کارایی ، بازده و بازگشت سرمایه بسیار حائز اهمیت و بحرانی می باشد.
لذا توجه به این نکته مهم است که گازهای لیزر با خلوص بالا توسط اپراتور و خطوط انتقال گاز مناسب به درستی از سیلندرهای گاز به رزوناتور حمل شوند.
ناخالصی های مشخصی که در مخلوط های گازی لیزری می توانند عملکرد لیزر را تحت تاثیر قرار دهند به شرح زیر می باشند:
- یون های منفی مانند NO2- ، H- یا OH- موجب ناپایداری تخلیه الکتریکی خواهند شد.
- ذرات گرد و غبار و هیدروکربن های حاصل از تجزیه در بخارات روغن باعث تشکیل رسوبات روی آینه های دستگاه شده و انعکاس آنها را تحت تاثیر قرار می دهد.
به طور کلی تمام ناخالصی های گاز می توانند قدرت لیزر را کاهش دهند. برخی با جذب تابش ها علاوه بر اینکه طول موج را کاهش می دهند، خودشان تجزیه شده و با اجزای ضروری حاضر در گاز واکنش می دهند یا برخی از دیگر ناخالصی ها ممکن است در برخورد با مولکول های برانگیخته CO2 انرژی آنها را بدون انتشار نور بگیرند.
- به طور کلی ناخالصی های بحرانی که باید حضور آن ها در گاز کنترل شود شامل هیدروکربن ها ، اکسیژن و بخار آب می باشد.

فرافن گاز تهران قادر به ساخت و ارائه انواع گازهای خالص و مخلوط های گازی لیزر خلوص بالا ، با ترکیبات مختلف با توجه به درخواست و نیاز مشتریان در سیلندرهای 2 تا 50 لیتری می باشد.