تحقیق مقاله روش های ماشین کاری نوین ( لیزر )

مقدمه

ماشینکاری لیزر بر اساس اصولی است که اخیرا کشف شده‌اند لیزر یک نام اختصاری به معنی تقویت نو با انتشار بر انگیخته تابش است. فرآیند به برخورد یک اشعه نور تکرنگ همفاز جهت دار و شدید به قطعه کاری که ماده به وسیله تبخیر از آن خارج می‌شود بستگی دارد. توضیح پدیده اتمی که در ضمیمه ارائه شده مبنای مفیدی برای فراگیری اثرات لیزر است. شناولا و تانز در سال 1958 برای اولین بار لیزر را مطرح کردند. آنها یک تداخل سنج فابری- پرت که مثل یک جعبه تشدید عمل می‌کرد در نظر گرفتند. هماطور که در شکل 105 مشخص است این دستگاه اساسا از دو آینده نیمه نقره اندود موازی و تخت تشکیل شده که در بین آنها یک شعاع نور تکرنگ چندین با بازتابش می‌شود. فضای بین آینده‌ها به یک میحط تقویت کننده، ملکولهای گاز بر انگیخته شده تا سطوح بالاتری انرژی، پر می‌شود. ماکنیزم تقویت در قسمت 305و 405 بحث خواهد شد.

نور پس از بازتابش به وسیله آینه‌ها درون گاز برانگیخته درون گاز بر انگیخته، در جهت موازی به محور تداخل سنج منتشر شده و به این ترتیب نور تقویت می‌شود. البته به شرط اینکه در بازتابش های فلز آن تغییر نکند. رشد موج نور در محیط با موج رشد یابنده W1 که در شکل 1.5 از آینده M1 به سمت راست حرکت می‌کند نشان داده می‌شود. پس از بازتابش از آینه M2 یک موج رشد یابنده دیگر M2 که در جهت عکس حرکت می‌کند ایجاد می‌شود. آینه M2 نیز کمی جابه جا می‌شود. بنابراین اشعه نوری که از آن منتشر می‌گردد تحت زاویه  نسبت به محور واگرا است.

                                  (1.5)

قطر آینه است. مثلا اگر  یا 22s قوس خواهد بود.یعنی نور انتشاری کاملا همراستا است. و اگرایی اشعه را می‌توان با استفاده از عدسیهای مناسب کنترل کرد. می‌توان قطر آن را روی سطوح گسترده تری متمرکز کرد. مثلا لیزر یاقوت (قسمت 5.5.4) با لامپ فلاش برانگیخته شده، 1kj انرژی الکتریکی را در 1ms منتشر می‌کند. اشعه لیزری با انرزی 3j در6934A با سطح مقطع 5mm واگرایی 10-3rad تولید شده است. این اشعه در حالت متمرکز شدت توان 1MWcm-2 را ایجاد می‌کند. حداکثر همسویی یا همدوسی فضایی مجموعه اشعه باپراش آینه‌های مورد نظر شاولاو وتانز توجه بیشتری را جلب کرده است. برای دستیابی به اشعه نور کاملا همراستا پدیده‌های فیزیک و مرتبط به انتشار تابش بررسی شدند. ابتدا پدیده معروف نشر خود به خود بررسی می‌شود.

نشر خود به خود تابش

هنگامی که یک اتم در حالت انرژی برانگیخته E1 به سطح انرژی پایین تر E1 می‌افتد یک کوانتم تابش با فرکانس vij منتشر می‌کند

E1- E1=hvij

H ثابت پلانک است.

می توان این اتم را با دریافت تابشی با فرکانس یکسان تحریک کرد تا این تابش را منتشر کند. پدیده تحریک (بر انگیختگی) کمتر از انتشار خود به خود شناخته شده است. با توجه به ارتباط زیاد آن با لیزر باید به این پدریده توجه ویژه ای داشت.

انتشار القایی

نرخ پرشهای تابش القایی منتاسب با شدت انرژی تابشی uvij و اختلاف جمعیت (تعداد بر واحد حجم) اتمها بین حالتهای بالاتر و پایین تر است. تابش القایی و تابش تحریک کننده دارای مشخصات قطبی و سمتی یکسانی هستند

این فرآیند پایه پدیده لیزری است. از کارهای این اشتاین بر روی واکنش ماده وتابش (به ضمیمه مراجعه کنید) می‌توان اطلاعات بیشتری کسب کرد. او نشان داد که تعریف درست این واکنش نیازمند بررسی شرایط القاء یک اتم براگیخته به وسیله تابش برای نشر فرتون، که باعث پایین آمدن سطح انرژی آن اتم می‌شود، است.

یک سیستم اتمی کمی شده که دارای سطوح، ....1.2.3 و انرژی این سطوحٍٍE3.2 E.E1 است در نظر بگیرید. تعداد اتمها در واحد حجم (جمعیت) در این سطوح .....N1 N2 N3 است. اگر سیستم اتمی یا تابش گرمایی در دمای T در تعادل باشد آنگاه جمعیتهای نسبی در هر دو سطح، مثلا 1و 2، با معادله یولتزمن تعریف می‌شود:

                                  (3.5)

K ثابت بولتزمن است.

اگر آنگاه

اتم با انتشار یک فرتون از سطح 2 به سطح  1 افت می‌کند. اگر A21 احتمال انتقال از سطح 2 به سطح 1 در واحد زمان انتشار القایی باشد. آنگاه تعداد افتهای خود به خود در هر ثاینه N2 A21 خواهد بود. علاوه بر این پرشهای خود به خود، انتقالهای برانگیخته و القایی نیز اتفاق می‌فتد. سرعت کلی این انتقالهای القایی بین سطح 2 و 1 با شدت انرژی uv تابش با فرکانس v متناسب است:

(4.5)

H ثابت پلانک است.

فرض کنیم B21 و B12 ثابتهای تناسب برای انتشار القایی هستند. تعداد انتقالهای القایی یا انتشارها در جهت پایین در ثانیه عبارت است از N2 B21 uv

به طور مشابه تعداد انتقالهای القایی (جذب) در جهت بالا در ثانیه عبارت است از:

(6.5) N1 B21 uv

ثابتهای تناسب Aو B ضرایب این اشتاین نامیده می‌شوند.

در معادله نرخ خالص انتقالها در جهت پایین و بالا برابر هستند. بنابراین:

                (7.5)

این معادله را می‌توان به صورت زیر نوشت:

از معادله 3.5 داریم:

برای اینکه معادله با قانون تابش پلانک (رابطه زیر):

موافقت داشته باشد باید روابط زیر حاکم باشند:

هنگامی که اتمها با تابش گرمایی در تعادل هستند. نسبت سرعتهای انتشار القایی و خود به خود با معادله زیر به دست می‌آید.:

سرعت القایی

با قرار دادن مقادیر h و k و برای منابع نوری معمولی که دمای T حدود 1000k است سرعت انتشار القایی در قسمت قابل رویت طیف بسیار کوچک است. یعنی در این منابع بیشتر تابش بر اساس انتقالها و کنشهای خود به خود منتشر می‌شود و از آنجا که این کار به صورت نامنظم انجام می‌گردد بنابراین منابع تابش قابل رویت ناهمدوس هستند. در مقایسه در لیزر شدت تابش به صورتی است که انتقالهای القایی کاملا غالب بوده و تابش انتشاری بسیار همدوس است. همچنین تابش طیفی لیزر در فرکانس کاری آن بسیار بیشتر از نور معمولی است.برای دستیابی به این اثر لیزرها شرایط جدیدی که وارنگی جمعیت نامیده می‌شود مورد نیاز است.

محیط نوری که شامل اتمهایی در سطوح انرژی مختلف .....E1 E2 E3 بوده و  است در نظر بگیرید . سرعتهای انتشار القایی وجذب مربوط به این دو سطح متناسب است با N2B21 و N1 B12 از آنجا که B21=B12 است اگر  باشد. آنگاه سرعت انتقال القایی در جهت پایین بیش از سرعت انتقال در جهت بالا است. یعنی در صورتیکه جمعیت حالت بالاتر بیش از جمعیت حالت پایین تر باشد. این حالت وارونگی جمعیت نامیده شده و به طور مشخص با توزیع تعادل گرمایی بولتزمن مخالف است. (با معادله 3.5 مقایسه کنید)

اگر وارونگی جمعیت و جود داشته باشد می‌توان افزایش شدت اشعه نور را در حین عبور از محیط نشان داد. یعنی به علت اینکه دریافت بر اثر انتشار القایی بیشتر از دست دادن انرژی بر اثر جذب است اشعه تقویت میشود تابش القایی هم جهت با اشعه اولیه منتشر می‌شود. این دو رابطه فازی مشخص دارند. یعنی تابشهای اولهی والقایی همدوس هستند.

روشهای متعددی برای به دست آوردن وارونگی جمعیت وجود دارد:

(الف) پمپاژ نوری (مثل لیزر یاقوت)

یک منبع نور خارجی برای تولید جمعیت زیاد سطح انرژی خاص در محیط لیزر، با جذب نوری انتخابی، به کار می‌رود. این نوع تحریک نوری در لیزرهای حالت جامد مثل لیزر یاقوت به کار می‌رود.

(ب) تحریک مستقیم الکترون (مثل لیزر آرگون)

در لیزرهای یون گاز (مثل آرگون) برای ایجاد وارنگی جمعیت از تحرک مستقیم الکترون تخلیه گازی استفاده می‌شود. میحط لیزر جریان تخلیه را حمل می‌کند. در شرایط مناسب فشار و جریان، الکتروهای در تخلیه اتمهای فعال را مستقیما تحریک کرده و جمعیت بیشتری را در سطوح مشخص (نسبت به سطوح پایین تر)

(ج) برخوردهای غیر الاسیتک اتم- اتم (مثل لیزر هلیم – نئون)

دراین حالت ترکیبی از گازها، مثلا دو نوع مختلف A.B، با حالت برانگیخته A و B یکسان (یا تقریبا یکسان) به کار می‌روند. ممکن است انتقال برانگیختگی بین دو اتم به صورت زیر انجام شود:

اگر حالت برانگیخته یکی از اتمها، مثلاA0، شبه پایدار باشد آنگاه گاز B در میحط به صورت خروجی تحریک عمل می‌کند. در نتیجه جمعیت حالت برانگیخته اتم B از سطوح پایین تری که اتم B بر اثر تابش به آنها افت می‌کند بسیار بیشتر است.

این حالت در لیزر هلیم – نئون به وجود می‌آید. یک اتم برانگیخته هلیم. یک اتم نئون را تحریم کرده وی سپس انتقال لیزر می‌فتد.

نوسان لیزر

محیط تقویت کننده لیزر بین دو آینه که در دو سر یک لامپ ثابت شده‌اند قرار دارد. اگر وارونگی جمعیت در محیط کافی باشد تابش الکترومغناطیسی به وجود آمده و به صورت یک موج پایدار بین دو آینه به کار گرفته می‌شود. یکی از آینه‌ها کمی متحرک است. یکی از آینه‌ها کمی متحرک است. هنگامی که قدرت تابش به حد کافی بالا می‌رود اشعه از این آینه به صورت اشعه لیزر خارج می‌شود.

انواع  لیزر

برای ماشینکاری انواع مختلف لیزر مورد توجه هستند. به طور مشخص لیزرهای حالت جامد و گاز با ارزش می‌باشند.

لیزر گاز

در سرهای لامپ لیزر پنجره‌های بروستر بسیار شفاف قرار دارند که به وسیله آنها لیزر خروجی به صورت خطی قطبی می‌شود. نوسان لیزر در قطبش دلخواه ایجاد شده و بر قطبشهای دیگر (متعامد) غالب می‌گردد.منابع متعددی برای تحریک الکتریکی وجود دارند. از جمله تخلیه جریانهای مستقیم و متناوب تخلیه جریان متناوب بسیار ساده است. منبع انرژی یک مبدل بالای معمولی است که به آن الکترودهای سرد درون لامپ متصل هستند. در آزمایشگاه تلفن بل، بنت و‌هاریوت برای ساخت لیزر هلیم- نئون، اولین گاز، از تخلیه فرکانس بالای بدون الکترود استفاده کردند. در بسیاری از لیزرهای توان بالا به ویژه زمانی که وارونگی جمعیت پایدار نمی ماند از پالسهای ولتاژ بالا استفاده می‌شود.

لیزر هلیم- نئون

سطوح انرژی برای این لیزر گازی معمولی نشان داده می‌شود. اتمهای هلیم به برخورد اکترونها در تخلیه برانگیخته می‌شوند. به علت اینکه از نظر نوری انتقال به سطوح پایین تر مجاز نیست جمعیت حالتهای شبه پایدار هلیم که با 1s 3s مشخص می‌شوند. افزایش می‌یابد. همانطور که مشاهده می‌شود سطوح 2s و 3s نئون نزدیک سطوح شبه پایدار هلیم هستند.

بنابر این در هنگام برخورد یک اتم شبه پایدار هلیم با اتم نئون تحریک نشده احتمال انتقال انرژی زیاد است. این انتقال به صورت زیر بیان می‌شود:

اگر شرایط تخلیه مناسب باشد، فشار کل بادی حدود 1Torrو نسبت هلیم به نئون حدود 7:1 ,وارونگی جمعیت سطوح Ne(2s) Ne(3s) اتفاق می‌افتد.

عمل اصلی لیزر درسیستم هلیم- نئون به انتقالهای زیر در اتم نئون بستگی دارد:

اعداد داخل پرانتز طول موج لیزر است.

لیزر دی اکسید کربن

با کشف لیزر co2:N2:He در دهه 1960، تولید سطوح انرژی پیوسته بسیار بالا با توان خروجی چند میلی وات تا چند صد وات امکان پذیر شد. طبق نمودار سطح انرژی در انتقال لیزر دو سطح انرژی ارتعاشی (0001.1000) ملکولهای دی اکسید کربن اتفاق می‌افتد. اختلاف بین این دو سطح طول موج خروجی  را ایجاد می‌کند. بررسیهای دقیق روشن کرده که ملکولهای نیتروژن در تخلیه به سطح ارتعاشی v=1) ) برانگیخته می‌شوند. این سطح co2 0001 بسیار نزدیک است. این برانگیختگی در N2 به سطح بالاتر لیزر co2 منتقل شده و باعث ایجاد ملکولهای اضافی می‌شود. این جمعیت اضافی شرط لازم برای عمل تابش لیزر است. هلیم در تخلیه به حفظ وارونگی کمک کرده و همچنین رسانش گرما به دیواره‌های را افزایش میدهدپس از تابش لیزر در طول موج  مولکول co2 به سطح 0110 افت کرده و سپس به سطح پایه می‌رسد اجزاء اصلی در تولید اقتصادی لیزرهای co2:N2:He را نشان می‌دهد. یک ماشین ابزار لیزر co2 صنعتی را نشان می‌دهد. جدول 1.5 بعضی خواص لیزرهای گاز که در ماشینکاری مورد توجه هستند ارائه می‌کند.

جدول 1.5 انواع لیزرهای گاز (داده‌های فاولژ، 1975)

(جدول در فایل اصلی موجو.د است)

 لیزرهای حالت جامد با پمپاژ نوری

اتمهای فعال محیط لیزر در یک ماده جامد، معمولا میله کریستالی یا شیشه ای با سرهای موازی و تخت که پولیش و سنگ زنی آینه ای شده‌اند قرار دارند. برای ایجاد حفره نوری لازم ممکن است دو سر میله پوشش شوند همچنین می‌توان از آینه‌های خارجی استفاده کرد.

لامپهای فلاش گزنون و تخلیه جیوه فشار بالا منابع نور خارجی معمولی هستند که در پمپاژ نوری اتمهای فعال به کار می‌روند. یک طرح عمومی لیزرهای حالت جامد را نشان می‌دهد. در میله لیزر با سرهای پوشش دار داخل داخل یک لامپ فلاش حلزونی قرار گرفته است. در لامپ فلاش شکل مستقیم دارد.لیزر یاقوت نمونه ای از این لیزرها است. جزء اصلی این لیزرمیله ای است که از اکسید آلومینیم کریستالی مصنوعی (Al2o2) بهسازی شده با 0.05% وزنی اکسید کرم (Cr2o3) ساخته میشود یونهای گرک (Cr+++) به جای آلومینیم داخل شبکه کریستالی می‌نشینند و در نتیجه ماده صورتی رنگ می‌شود کریستالهای یاقوت را می‌توان در طول 300mm به قطر 25mm رشد داد. ماده به دست آمده سخت و بادوام بوده و کیفیت نوری خوبی دارد، رسانایی گرمایی این ماده زیاد است ومیله لیزر به راحتی خنک می‌شود. (این موضوع برای حفظ تابش لیزر لازم است) تولید لیزر با جذب نور پمپ شده توسط کرم (یونهای Cr+++) و بالا رفتن سطح انرژی آنها از سطح پایه تا بالاتر از سطح لیزر (سطح سه در انجام می‌شود. افت غیر تابشی سریع تا سطح دو لیزر به وجود می‌آید . اگر یونهای اضافه در سطح بالاتر وجود داشته باشند تابش لیزر تا سطح پایه اتقاق می‌افتد. برای انجام این کار بادید بیش از 50% یونهای سطح پابه برانگیخته شوند تا وارنگی جمعیت نسبت به سطح پایه اتفاق بیافتد. عمل تابش لیزر سه سطحی نیازمند پمپاژ بالا است که معمولا با عمل ضربه ای ایجاد می‌شود. است. طول موج خورجی وتوان معمولی لیزر یاقوت به ترتیب 0.6943 و 400j هستند.

بعضی لیزرهای حالت جامد در سیستم چهار سطحی عمل می‌کنند. در این حالت یونهای سطح پایه با پمپاژ نور به سطح 4 برانگیخته می‌شوند سپس به سطح بالاتر لیزر (سطح سه) افت می‌کنند. اگر بین سطوح دو و سه وارونگی جمعیت بین سطوح دو و سه بر خلاف سیستم سه سطحی که بیش از 50% یونهای باید برانگیخته شوند. در این روش فقط درصد کمی از یونها باید برانگیخته شوند. در نتیجه در سیستم چهار سطحی پمپاژ کمتر و شرایط آغاز لیزر راحتتر خواهد بود. یون Nd3+ یکی از اجزاء معروف گروه چهاز سطحی است که در لیزرYAG Y3Al5o12) کریستالی بهسازی شده با Nd3+) یک عضو کلیدی است. جدول 205 برخی خواص فیزیکی اصلی و کارآیی لیزرهای حالت جامد را نشان می‌دهد.