مقاله جوشکاری با لیزر

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

  مقاله جوشکاری با لیزر دارای ۵۹ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد مقاله جوشکاری با لیزر  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی مقاله جوشکاری با لیزر،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن مقاله جوشکاری با لیزر :

جوشکاری با لیزر

سوالاتی که اغلب درباره لیزر عنوان میشود؟

۱) لیزرها
لیزرها دستگاههایی هستند که تابش همدوس یا تقویت تابش در بسامدهایی در ناحیه مادون قرمز، مریی یا فرابنفش طیف موج الکترومغناطیسی را ایجاد میکنند.
۲) مولفه های اساسی یک لیزر
مولفه های اساسی یک لیزر به قرار زیر است :

الف) محیط فعال شامل مجموعه مناسبی از اتمها، مولکولها، یونها و یا نیمرساناها.
ب ) فرآیند دمش که قادر است این اتمها و یا مولکولها را به ترازهای با انرژی بالاتر تحریک سازد.
ج ) عناصر بازخور مناسب که به باریکه تابش اجازه میدهد که در محیط فعال نوسان کند (به این امر نوسان لیزر میگویند) و یا آنکه باریکه از محیط فعال یک بار بگذرد (که به آن تقویت تک عبور میگویند) و ممکن است تعداد عبورها زیادتر شده به آن تقویت دو عبور، سه عبور و ; میگویند. عناصر بازخور در واقع از دو آینه تشکیل شده است. یک آینه (آینه انتهایی) تمام بازتابنده است و آینه دیگر نیمهشفاف است. با رفت و بازگشت باریکه بین دو آینه، هر بار عمل تقویت برای باریکه حاصل شده و هنگامی که بهره سیستم از کل تلفات بیشتر گردد، عمل لیزر آغاز میشود و خروجی لیزر را از طرف آینه نیمهشفاف دریافت میدارند.

۳) تاریخچه لیزر
لیزرها بر اساس اصل کلی که در بسامدهای میکروموج اختراع گردیده بود و به آن میزر (تقویت میکروموج توسط گسیل تابش القایی) گفته میشد، کار میکنند. وقتی طول موج نوسان به ناحیه بسامدهای اپتیکی میرسد، طبیعتاً به آن لیزر (تقویت نور توسط گسیل تابش القایی) گفته میشود.
اختراع اولین لیزر به سال ۱۹۶۰ توسط تئودور مایمن بازمیگردد و آن یک لیزر یاقوت است که با لامپ درخش فعال میشود. جالب است بدانیم که امروزه لیزرهای حالت جامد (نظیر یاقوت، نئودیمیوم یاگ) نیز کم و بیش به صورت همان تکنیک قدیمی خود کار میکنند. روش دمیدن محیط فعال از طریق اپتیکی است. البته حضور لیزرهای نیمرسانا و تابش انها در ناحیه جذب شدید بلورهای لیزر، تکنولوژی بسیار جدید امروزی را که دمش لیزرهای حالت جامد توسط لیزرهای نیمرساناست متحول ساخته است. این لیزرها که با باریکه لیزرهای نیمرسانا دمیده میشوند، بسیار کوچک و قابل حمل و کم مصرف و با بازدهی بالایی هستند. حتی در این خصوص پا فراتر گذاشته شده است و لیزرهای پرقدرت که در حجم کوچک ساخته میشوند قادر به تولید باریکههای پرتوان برای مصارف صنعتی میباشند.

برندگان جایزه نوبل در زمینه لیزر
دانشمندان بسیار زیادی در چند دهه گذشته در اهداف مرتبط با فیزیک که به نحوی با لیزر سر و کار پیدا میکند موفق به دریافت جایزه نوبل شدهاند. در اینجا اسامی چند دانشمند که مستقیماً در ارتباط با لیزر جوایز نوبل را دریافت کردهاند را ذکر خواهیم نمود.
– چارلز اچ تاونز به خاطر اختراع میزر آمونیاک (۱۹۶۴).
– نیکلا جی باسوف، و الکساندر پروکرف برای سهم خود در میزرها و لیزرها (۱۹۶۴).
– دنیس گابور ، برای ارائه تصاویر سه بعدی (هولوگرافی) (۱۹۷۱).

– نیکلاس بلومبرگن و آرتورشالو برای سهم آنها در میزر سه ترازی، اپتیک غیرخطی و اسپکتروسکپی لیزری (۱۹۸۱).
– احمد ذویل (که دانشمند مصری است) برای کاربرد لیزر در شیمی (۱۹۹۹).
از سایر فعالیتهای اساسی در زمینه لیزر میتوان از اختراع پرفسور علی جوان، دانشمند ایرانی به خاطر اولین لیزر گازی هلیوم نئون و سی.ک.ان پاتل (دانشمند هندی) برای اختراع لیزر CO2 نام برد.

با وجودی که از اختراع لیزر بیش از ۴۰ سال (و نزدیک به نیم قرن) میگذرد، لیزرها به صورت ابزارهایی کاملاً توسعه یافته برای تولید باریکه نور همدوس درآمدهاند. گسترش کاربردهای آن بسیار وسیع بوده و در تمام شئون زندگی بشری، از جراحیهای ظریف گرفته تا صنعت، مسائل دفاعی و حتی خرید از فروشگاهها قابلیت خودرا نشان دادهاند. بنابراین میتوان ادعا کرد که کاربردهای آن در آینده وسیعتر شده و جایگاه لیزر و اهمیت آندر اجتماع و زندگی انسانها روز به روز ملموستر خواهد شد.

۴) مفاهیم اساسی لیزر
لیزرها بر اساس برهمکنش تابش و ماده فعال میشوند. این برهمکنش شامل گسیل خود به خود، گسیل القایی و جذب میباشد.
گسیل خود به خود فرض کنیم توانسته باشیم اتمهای زیادی را به تراز بالاتر اتم و یا مولکول با تحریک خارجی (که به آن دمش گفته میشود) فرستاده باشیم. تعداد این اتمها یا مولکولها در واحد حجم در تراز بالاتر را با N2 نمایش میدهیم. این اتم یا مولکول به صورت خود به خود به تراز پایینتر فرومیافتد و اگر این فروافت توام با گسیل موج الکترومغناطیسی باشد به آن فروافت تابشی یا گسیل خودبه خود میگویند. اتم و یا مولکول هرگاه به طریق دیگری مثلاً در برخورد با گاز در محیط به تراز پایینتر فروافتد و همراه با تابش نباشد به آن فروافت غیرتابشی میگویند.

گسیل القایی
علاوه بر فروافت به طریق گسیل خود به خود، اتم و یا مولکول در تراز بالاتر میتواند در اثر برهمکنش با یک میدان تابش خارجی به تراز پایینتر فروافتد در این صورت دو فوتون به وجود میآید، فوتون القاء شونده و فوتون القاء کننده. هر دو فوتون در یک جهت گسیل میشوند و همفاز و با یک قطبش هستند (فاز و قطبش فوتون القاء شونده در همان فاز و قطبش فوتون القاء کننده است). این اساس تقویت نوری را فراهم میسازد و اساس لیزر مبتنی بر همین اصول تقویت نور میباشد.
جذب هنگامی که در یک سیستم اتمی که اتمها در تراز پایینتر (تراز پایه) هستند موج الکترومغناطیسی اعمال گردد به نحوی که فرکانس موج فرودی درست در همان فرکانس گذار اتمی باشد، در این صورت به سادگی موج الکترومغناطیسی فرودی بر اتم یا مولکول، جذب اتم و یا مولکول شده و آن را به تراز بالاتر ارتقاء میدهد. به این فرآیند جذب گفته میشود.

۴-۱) جمعیت معکوس
در یک اتم فرض کنید، تراز انرژی و جمعیت تراز پایین (N1 و E1) و تراز انرژی و جمعیت تراز بالاتر (N2 و E2) باشد. در حالت عادی توزیع بولتزمن برای اتم یا مولکول برقرار است، لذا همواره چون E1 > E2 است، خواهیم داشت N2 > N1 ، بنابراین اختلاف N2 – N = N1 همواره مثبت است و تابش فرودی جذب اتم یا مولکول میشود. اگر شرایطی غیرعادی حاصل آید به نحوی که N1 > N2 گردد، با جذب منفی و یا بهره سر و کار داریم. به این عمل که توسط دمش حاصل میشود و جمعیت تراز بالاتر بیشتر از تراز پایینتر به وجود میآید، ایجاد جمعیت معکوس میگویند و هرگز در شرایط ترازمندی گرمایی حاصل نمیشود.

۴-۲) چگونگی ایجاد جمعیت معکوس
روشهای مختلفی جهت ایجاد جمعیت معکوس وجود دارد که بسته به محیط فعال از این روشها جهت ایجاد جمعیت معکوس استفاده میکنند به عملی که انجام میشود تا جمعیت معکوس حاصل شود دمش (پمپاژ) گفته میشود. روشهای پمپاژ به قرار زیر است. دمش الکتریکی، دمش نوری، دمش شیمیایی، دمش گرمایی.

۵) انواع لیزرها
۵-۱) لیزرهای حالت جامد

سه موضوع اساسی برای ایجاد بهره در لیزرهای حالت جامد عبارتند از :
محیط میزبان ، یونهای فعال در داخل محیط میزبان ، منابع نوری برای دمش مواد تشکیل دهنده محیط میزبان محیط میزبان به دو دسته بلوری و شیشهای تقسیم میشوند. محیط میزبان میباید از نظر اپتیکی، مکانیکی و خواص گرمایی شرایط عمل کرد لیزری را متحمل شوند. محیطهای میزبان بلوری که پس از اختراع اولین لیزر یاقوت مورد بررسی و مطالعه و کاربرد قرار گرفتهاند عبارتند از:

سافایر، Al2O3 گارانتها، ایتریوم، آلومینیوم گارنت Y3Al5O12 که با YAG نشان میدهند.
گادولنیوم، گالیوم گارنت Gd3Ga5O12 که با GGG نشان میدهند. گادولنیوم اسکاندیوم آلومینیوم گارنت Gd3Sc2Al3O12 که با GSAG نشان میدهند. آلومینیت، ایتریوم اورتوآلومینیت (Y AlO3)، که با YAlO یا YAP نشان میدهند. فسفاتها و سیلیکاتها، کلسیم فلوروفسفات یا Ga5+ (PO4 +)3 F نام معدنی فلوراپاتیت (FAP) سیلیکات اکسی پاتیت یا Ga La SOAP تنگستیتها، مولیبدیتها، وانادیتها و بریلیتها فلورایدها، سرامیکها، شیشهها، یونهای فعال :
«یونهای خاکی نادر»

نئودیمیوم Nd+3 خط Nd:YAG در = ۱۰۶ m
اربیوم Er+3 خط Er:YAG در ~ ۲۹ m
هولومیوم Ho+3 خط Ho:YAG در ~ ۲ m
تالیوم Tm+3 خط Tm:YAM در ~ ۲ m
«یونهای آکتاناید»
یاقوت Cr+3 : Al2O3
الکساندریت Cr+3 : BeAl2O4
تایتانیوم سافیر Ti+3 : Al2O3

۵-۱-۱ لیزرهای حالت جامد کوکپذیر (قابل تنظیم طول موج)
گسیل لیزری در لیزرهای حالت جامد کوکپذیر وقتی جفتشدگی گسیل القائی و گسیل کوانتایی ارتعاشی (فونون) در بلور حاصل میشود اتفاق میافتد. آنها عبارتند از :

الکساندریت :
BeAl2O4 در گستره ۷۰۰-۸۰۰ nm
Cr : GSGG) Cr:Gd Sc Ga-Garnet در (۱۰۰-۹۰۰ nm)
Cr:KZn F3 (در ۱۸۵-۸۶۵ nm)
۵-۱-۲ سیستمهای دمش نوری در لیزرهای حالت جامد

در گذشته لامپهای هالوژن-تنگستن برای دمش موج پیوسته Nd:YAG به کار میرفته است.
لامپهای درخش (لامپ فلاش) برای لیزرهای پالسی به کار میرود که از یک لوله کوارتز با دو الکترود انتهایی (گاز داخلی Xe) تشکیل شده است. امروزه از لیزرهای نیمرسانا برای دمش لیزرهای حالت جامد مخصوصاً Nd:YAG استفاده میشود. از نظر طیفی بهترین بازدهی انتقال انرژی نوری از تشعشع منبع دمش به محیط جامد وقتی است که ناحیه طیفی بیشینه تشعشع لامپ تحریک با نواحی جذب شدید در محیط فعال جامد منطبق باشد.

۵-۲ لیزرهای رزینهای (مایع رنگین)

لیزرهای رزینهای به آن دسته از موادآلی گفته میشود که در حلالهای مناسب حل شده جهت محیط فعال مورد استفاده قرار میگیرند. دمش این رنگها از طریق نوری است که با استفاده از لامپ فلاش و یا یک لیزر مناسب میباشد. این مواد قادراند بسته به نوع رنگ به کاررفته از ناحیه فرابنفش تا نزدیک مادون قرمز نوسان قابل تنظیم طولموجی داشته باشند. لذا از زمره لیزرهای کوکپذیر هستند و دارای کاربردهای وسیع در طیفنگاری میباشند. برای دمش این لیزرها، اگر به صورت پالسی مد نظر باشد از لیزرهای نیتروژن، اگزایمر، بخار مس استفاده میشود. هارمونیکهای مراتب بالای لیزرNd:YAG در طولموجهای ۵۳۲، ۳۵۳ و ۲۶۶ نانومتر برای دمش رنگهای آلی نیز مناسب و مقرون به صرفه اقتصادی است. برای نوسان موج پیوسته از لیزر آرگون یونی میتوان استفاده نمود.

۵-۳ لیزرهای گازی
نظر به این که گازها به عنوان محیط فعال نسبت به محیط های فعال حالت جامد از چگالی پایینتری برخوردار هستند. بنابراین باید انتظار داشت که لیزرهای گازی نسبتا بزرگ و حجیم باشند. گازها در لیزرهای گازی توسط برخورد الکترونی و یا باریکه الکترونی تحریک میشوند و لذا دمش آنها از نوع دمش الکتریکی است.

تحریک برخورد الکترونی
تحریک مناسب در گازها در فرآیندهای برخورد الکترونی رخ میدهد. تحریک تراز بالایی لیزر یا به صورت برخورد مستقیم الکترون مثلا در لیزر آرگون خنثی است. طبق سازوکار Ar + e -> Ar* + e که *Ar نشان دهنده تراز تحریکی اتم آرگون است، یا انتقال انرژی توسط گازی از نوع دیگر (مثل لیزر He-Ne) صورت میگیرد که He نقش دهنده انرژی به اتم نئون را داراست و عمل لیزر روی گذارهای اتم Ne تحقق مییابد.

He* + Ne -> Ne* + He
*He و *Ne نشان دهنده اتم He و Ne در حالت تحریکی است.
۵-۳-۱ لیزر آرگون یونی (Ar II)

لیزر آرگون یونی یکی از لیزرهای مهم گازی است که تحریک توسط برخورد الکترونی در اتم Ar صورت میگیرد. از سایر لیزرها یونی گازهای نادر میتوان از لیزرهای یونی کریپتون، زینون و نئون نام برد. برخی از خطوط مهم و توانهای نوعی خطوط نوسانی در زیر آورده شده اند.

لیزرهای یونی پالسی
Ar (II) (nm 488 ، nm 496 توان حدود ۱۰ وات ؛ nm 496 ، nm 502 و nm 514)
Ne (III) (nm 473 ، توان ۴۰۰ وات)
Xe (IV) (nm 364 ، توان ۳۶۰۰ وات ، nm 430 ، توان ۱۰۰۰ وات)
لیزرهای یونی موج پیوسته
Ar (II) (nm 0/488 ، nm 5/514 توان حدود W 1)
Kr (II) (nm 1/647 ، توان ۴/۰ وات ، nm 4/676 ، nm 5/752 ، nm 7/350 ، توان ۵ وات)
۵-۳-۲ لیزر He-Ne

یکی از متداولترین لیزرهای گازی است. محیط فعال اختلاطی از گاز هلیوم و نئون است که نسبت آنها تقریبا ۵:۱ تا ۲۰:۱ میباشد. این اختلاط گاز در لوله شیشهای به قطر چند میلیمتر و به طول ۰/۱ تا ۱ متر در فشار حدودا mmHg 10 و با تحریک توسط ولتاژ بالا چند کیلو ولت قادر است عمل لیزر روی ترازهای نئون را حاصل کند. (۳/۳۹m ، ۱/۱۵ mm ، ۶۳۲/۸ m و ۵/۵۴۳nm )

۵-۳-۳ لیزر بخار مس
لیزر بخار مس یکی از لیزرهای مهم و پرقدرت به حساب میآید. برای آن که جمعیت کافی از اتمهای مس حاصل شود نیاز به آن است که دمای محیط به ۱۴۰۰ْC تا ۱۵۰۰ْC برسد . این امر در تیوبهای خاص از آلومینا و با رگبار بسیار بالا (kHz 5~ ) برای گرم شدن تیوب لیزر و بخار شدن فلز مس توسط سوئیچهای تایروترون حاصل میشود. قطر لوله ها بین ۱۰ تا ۸۰ میلیمتر است. همچنین برای دریافت قدرت مناسب از لیزر نیاز به استفاده از گاز نئون در فشار ۵۰-۲۵ میلیمتر جیوه میباشد.

عمل لیزر در دو طول موج nm 578 و nm 510 تحقق مییابد، هر دو گذار به تراز نیمهپایدار منجر میشود و عمل لیزر تنها در مدتی کوتاه قبل از نابودشدن جمعیت معکوس حاصل میشود. توان متوسط در رگبار kHz 5~ ، W 40-10 است، برای توانهای بالاتر نیاز به آن است که سیستم به صورت نوسانگر-تقویتکننده عمل کند. بازدهی کلی سیستم نسبتا بالا (تا ۲%) میرسد، بنابراین اگر توانهای کمی مورد نیاز باشد سیستم لیزر میتواند توسط هوا خنک شود. در غیر این صورت در توانهای بالا، به سرد کردن لیزر توسط جریان آب سرد نیاز میباشد.

۵-۳-۴ لیزر گازکربنیک (لیزر CO2)
لیزر گازکربنیک تاکنون مهمترین لیزر در رده خود به شمار میرود و از نقطهنظر کاربردهای تکنولوژیکی این لیزر از مهمترین لیزرها محسوب میشود. با در نظر گرفتن بازدهی (۳۰%~) و خروجی پرتوان، توانهای موج پیوسته این لیزر به دهها کیلووات میرسد، بنابراین کاربردهایی نظیر جوشکاری، برش فلزات و اجرای نقوش فلزی و کاربردهای نظامی این لیزر میسر شده است. گذار لیزری در این لیزر با لیزرهای یونی یا اتمی متفاوت است، چه ترازهای انرژی مرتبط با حالتهای کوانتومی مدهای ارتعاشی و چرخشی مولکول CO2 میباشد. در مورد مدهای ارتعاشی، سه نوع مد ارتعاشی غیرمتقارن، متقارن و خمشی در گذارهای لیزر درگیر میباشند. عمل لیزری در نواحی بین دو طول موج ۹/۴و ۱۰/۶ میکرومتر است که در ناحیه فروسرخ طیف واقع میشود. این لیزر با ساختارهای متفاوت تکنیکی ساخته میشود که عبارتند از : لیزر پالسی فشار اتمسفری (TEA)، محفظه بسته، جریان گازی و دینامیک گازی.

۵-۳-۵ لیزر نیتروژن (N2)
گذارهای لیزری در لیزر نیتروژن بین ترازهای انرژی الکترونی مولکول N2 صورت میگیرد که منجر به خروجی در ناحیه فرابنفش (۳۳۷/۱nm) میشود. این لیزر در نوع پالسی فعال است و پهنای زمانی آن کوتاه و به حدود چند نانو ثانیه میرسد. دمش الکتریکی این لیزر میباید بسیار سریع و در زمانهای حدود مقیاس پهنای پالس تحقق یابد. این لیزرها در رده لیزرهای خودپایانیابنده قرار میگیرند.

۵-۳-۶ لیزرهای اگزایمر
واژه «اگزایمر» از بهم بستن واژه excited dimer یا دوتایی تحریک شده ساخته شده است و مفهوم آن است که انرژی الکترونی مولکول دو اتمی در حالت تحریک شده به صورت پایدارو در حالت پایه به صورت دافعه است. هالایدهای گاز نادر نظیر ArF ، KrF و XeCl نمونه هایی از این نوع لیزر هستند. تخلیه الکتریکی و باریکه های الکترونی را میتوان برای تحریک اختلاطهای گازی از نوع گازهای نادر و مولکولهایی نظیر F2 یا HCl برای حصول عمل لیزر در لیزرهای اگزیمر به کار برد. عمل دمش این لیزرها به گونهای شبیه به لیزرهای N2 میباشد لیکن برای تحریک نیاز به آن است که قبل از تخلیه الکتریکی اصلی توسط فوتونهایUV و یا پرتو x محیط توسط یک پیشیونش برای تخلیه یکنواخت الکتریکی آماده شود. بعضی از لیزرهای اگزایمر نظیر XeF و KrF کاملا کارآمد بوده و قادرند توانهای خروجی تا J1 و با توان متوسط W 200 را حاصل سازند.

۵-۴ لیزرهای شیمیایی
ترکیبات شیمیایی دارای این توانایی هستند که مقادیر زیادی از انرژی که ممکن است بخشی را در واکنشهای شیمیایی گرمازا از دست بدهند، در خود ذخیره نمایند. به این ترتیب آنها نمونه های جالب توجهی جهت تبدیل انرژی شیمیایی به تابش نوری همدوس به شمار میآیند. لیزرهای شیمیایی که امروزه با آن سر و کار داریم مرتبط با گذارهای حالتهای ارتعاشی مولکولهایی نظیر HF ، CO و امثالهم میباشند. حد پایین گذار لیزری آنها در طول موج m2~ میباشد. مثال خاصی از این لیزرها، انواع لیزرهای HF و DF میباشند که قدرتهای بسیار بالایی از آنها به دست آمده است. واکنشهای مرتبط به قرار زیر هستند :
F + H2 -> HF * + H
F + D2 -> DF * + D

با وجودی که واکنشهای بالا نمونه های تحریکی را که با علامت ستاره نشان دادیم حاصل میکنند، لیکن تجزیه هیدرژن و فلئور میباید از مولکولهای اولیه H2 و F2 حاصل شود. واکنشهای مرتبط در این نوع لیزرها به صورت زنجیرهای است، به این معنا که وقتی واکنش رخ داد مراکز فعال لیزری را میباید خودشان حاصل کنند و این متضمن تزریق پیوسته مولکول H2 و F2 به سیستم است مثلادر ادامه واکنش بالا برای H رها شده، داریم :

H + F2 -> HF * + F
و برای F رها شده، واکنش خواهد شد
F + H2 -> HF * + H

۵-۵ لیزرهای نیمرسانا
یکی از پراستفاده ترین لیزرها، لیزرهای نیمرسانا میباشد که در حجم زیاد ساخته میشوند و دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند. امروزه آنها را حتی به عنوان علامت دهنده نور موازی در دست مردم عادی میبینیم و یا در هنگام خرید از فروشگاه های بزرگ قیمت اجناس را فروشنده توسط دستگاهی که به لیزر نیمرسانا مجهز است تعیین کرده در کار مشتری سرعت قابل ملاحظهای میبخشد. لیزرهای نیمرسانا با استفاده از پرش الکترون بین نیمرساناهایی که شامل نوعهای مختلف و ترازهای ناخالصی کنترل شده میباشد کار میکنند. مهمترین مواد نیمرسانا شامل مواد دوتاییها نظیر نیمرسانای V-III مثل GaAs ، InSb با مواد سهتاییها نظیر AlxGa1-xAs (که x فاکتور کوچکتر از واحد است) یا مواد چهارتاییها مثل I مقاله جوشکاری با لیزرGa1-xAlyP1-y میباشند. مهمترین پارامتر که از یک سیستم نیمرسانا به سیستم دیگر تغییر میکند، گاف انرژی است. این گاف فاصله انرژی Eg بین بالاترین نوار پرشده از الکترون و یا پایین نوار انرژی خالی از الکترون است. طول موج منتسب به این گاف انرژی از =Ch/Eg به دست میآید. لیزرهای نیمرسانای امروزی چنان ساخته میشوند که جریان الکتریکی را به ناحیهای خاص در قطعه محدود سازند.

این هندسه ساخت به طرق : هدایت شده بهره، هدایت شده ضریب شکست و امثالهم میباشد. ساخت ردّه جدیدی از لیزرهای نیمرسانا به گونهای است که باریکه لیزر در جهت عمود بر ویفر گسیل میشود که به آن «لیزر گسیل سطحی» میگویند. نوع دیگرکه نوع «لیزر گسیل سطحی جفت شده توری» نامیده میشود. به گونهای است که توان خروجی بالا و واگرایی پایین را به دست میدهد. برای قدرتهای بالاتر ردیفهای دایودی اختراع شده که از تعداد لیزرهای زیادی نزدیک به یکدیگر شکل گرفته است.

از لیزرهای جدید دیگر نیمرسانا، لیزرهای چاه کوانتومی هستند که محیط فعال آن با لایه بسیار نازک (مثلا nm 20) از دو طرف توسط GaAlAs محدود شده است. اگر لیزر تنها یک چنین لایه ای داشته باشد به آن تک چاه کوانتومی گفته میشود (SQW) و اگر از چند لایه با تناوبی از GaAs و GaAlAs شکل گرفته باشد به آن لیزر چاه کوانتومی چندتایی (MQW) میگویند.

۵-۶ لیزرهای الکترون آزاد
طرز عمل لیزرهای الکترون آزاد کاملا با سایر لیزرهایی که از آنها نام برده شده است متفاوتست. چشمه اصلی انرژی در این نوع لیزرها باریکه نسبیتی الکترون است. تحت بعضی شرایط این الکترونها قادرند مقداری از انرژی خود را به صورت باریکهای از فوتون در همان مسیر الکترونهای سریع رها سازند. به این منظور باریکه الکترون سرعت یافته را از مغناطیسهای تناوب یافته که به آن ویگلر (جنبانده) گفته میشود عبور میدهند. با عبور الکترونها از ویگلر آنها شروع به نوسانهای عرضی میکنند. نتیجه امر در این نوسانها تشعشع موج الکترومغناطیسی است که طول موج آن در جهت تشعشع از =w/22 به دست میآید. wتناوب ویگلر و نسبت انرژی الکترون به انرژی الکترون در حالت سکون است.

بنابراین با تغییر wو یا میتوان گستره وسیعی از فرکانسهای لیزر را حاصل کرد، یعنی این لیزرها کوکپذیر هستند. ضمنا سیستمهای لیزرهای الکترون آزاد به علت استفاده از شتابدهنده، دستگاههای عظیمی به شمار میآیند یعنی در واقع برای راهاندازی آن نیاز به تجهیزات شتابدهنده الکترون میباشد.
بنابراین آنها دستگاههایی نیستند که در مقطع فعلی از زمان به صورت کوچک و مستقل بتوان در آزمایشگاههای متداول تحقیقاتی از آنها استفاده کرد.

««جوشکاری با قوس پلاسما»»

درجوشکاری با قوس پلاسما‌ , قوسی تولید می شود که بسیار بلندتر , داغتر و قابل کنترل تر ازقوس ایجاد شده در جوشکاری تیگ است. هرگاه شدت جریان کم باشد ـ کمتر از ۱۰۰آمپر ـ می توان جوشکاری موسوم به جوشکاری با قوس سوزنی انجام داد. از این قوس بلند و سوزن مانند برای اتصال قطعات بسیار نازک فلز , به ضخامت ۰۲/۰ تا mm3استفاده میکنند. درجوشکاری با قوس پلاسما از شدت جریانهای بیشتر هم می توان استفاده کرد.

اگرچه با افزایش شدت جریان قوس پهنتر می شود ,می توان با استفاده از شدت جریان تا ۴۰۰آمپر ورق های تا ضخامت mm25 رابا کیفیت مطلوب جوشکاری کرد. درجوشکاری با قوس پلاسما,نفوذ به دو روش انجام می شود: روش ذوبی و روش سوراخ کلیدی. در روش ذوبی از قوس پلاسما برای جوشکاری متعارف دستی و ماشینی , به روش ذوبی , استفاده می شود. مزیت عمده آن بر جوشکاری تیگ , کنترل بهتر متصدی روی فاصله مشعل تا قطعه کار و حذف احتمال آلودگی الکترود تنگستنی است.
زیرا در این روش الکترود تنگستنی در داخل مشعل محافظت می شود. با استفاده از این روش می توان جوشهای لب به لب باریک و مرغوب , روی ورقهایی با ضخامت ۳ملیمتر ایجاد کرد.

درروش سوراخ کلیدی قوس باریک و بلند ایجاد می شود که بطور کامل در قطعه نفوذ می کند و سوراخ کلیدی در وسط حوضچه جوش به وجود می آورد. اگر درز جوش لب به لب و کاملاً جفت سازی شده باشد, به فلز پر کننده نیاز نیست. با پیشروی مشعل, حوضچه مذاب در جلو قوس تشکیل می شود, در جلو قوس تشکیل میشود , دور قوس می پیچد و بالا می آید تا مهره جوش کوچکی در پشت آن تشکیل دهد. در هر بار عبور , خط جوش کاملی در هر دو سطح زیر و روی قطعه ایجاد می شود. نفوذ کامل در قطعه و حرکت فلز مذاب سبب جدا شدن ناخالصیها وگازها از خط جوش , پیش از انجماد آن می شود. در نتیجه می توان خط جوشی با بالاترین کیفیت ممکن ایجاد کرد. جوشکاری سوراخ کلیدی را می توان روی فلزهایی تا ضخامت ۶میلیمترانجام داد.

««وسایل مورد نیاز در جوش پلاسما:»»
۱ مشعل ۲ یک واحد کنترل کننده ۳ ژنراتور با فرکانس زیاد ۴یک دستگاه واتر پمپ ۵منبع جریان ۶رکتی فایر که ظرفیت آن حدود ۵۰۰آمپر و با جریان DCSP برای جوشکاری اکثر فلزات و فولادهای ضد زنگ بکار می رود
انتخاب نوع گاز به نوع روش مورد استفاده ـ ذوبی یا سوراخ کلیدی ـ و نوع فلز جوشکاری بستگی دارد. مثلا ً برای جوشکاری فولاد ـ کربنی, کم آلیاژ یا زنگ نزن ـ وآلومنیم به روش سوراخ کلیدی یا ذوبی از گاز آرگون استفاده میکنند. در هنگام استفاده از روش ذوبی, اگر ضخامت فلز از ۴۵میلیمتر بیشتر باشد مخلوط ۷۵درصدهلیم و ۲۵درصد آرگون را به کار می برند. برای جوشکاری فلزات واکنش پذیری مانند تیتانیم, اگر ضخامت فلز از ۶میلیمتر کمتر است از گاز آرگون استفاده کنید. در سایر کاربردها مخلوط هلیم و آرگون را به کار ببرید؛ در روش سوراخ کلیدی ۵۰ تا ۷۵ درصد هلیم و در روش ذوبی ۷۵ درصد هلیم مصرف کنید.

««مزیت جوشکاری با قوس پلاسما:»»
۱تمرکز زیاد انرژی ۲ ثبات زیاد قوس ۳سرعت فوق العاده ۴انتالپی زیاد

««برشکاری با قوس پلاسما»»

در برشکاری با قوس پلاسما از قوسی پرسرعت و بسیار محدوداستفاده می شود که مشابه روش جوشکاری سوراخ کلیدی , در فلز نفوذ می کند . برای ذوب کردن فلز از ولتاژی تا ۵۰۰۰۰ ولت استفاده می شود. برای بیرون راندن فلز مذاب از راه برش, از هوای فشرده حاصل از یک کمپرسور یا مخلوط گاز محافظ بی اثر استفاده می کنند. چون در این فرایند قوس بسیار باریک, ستون مانند و مستقیم است, پهنای راه برش بسیار کم خواهدبود. به دلیل تمیز بودن عملیات برشکاری, به تمیز کاری سطوح بریده شده نیازی نیست. با استفاده از دستگاه برشکاری قوس پلاسما می توان فلزاتی تا ضخامت ۱۵۰میلیمتر را, بسته به نوع فلز و شدت جریان قوس, برشکاری کرد.

دربرشکاری با قوس پلاسما می توان از گاز نیتروژن, به منزله گاز محافظ, استفاده کرد. استفاده از گاز محافظ فقط برای ایجاد برشهای بسیار تمیز و فارغ از اکسایش به کار می رود؛ در سایر موارد می توان از هوای فشرده استفاده کرد زیرا ارزانتر است. هوای فشرده و پر سرعت, درهنگام بیرون آمدن از شیپوره سر و صدای زیادی ایجاد می کند و به همین سبب می توان از مصرف آن چشمپوشی کرد. صدای خروج هوای فشرده, شبیه صدای تفنگ بادی است که از فاصله کم شنیده شود.

مشعل برشکاری با پلاسما برای کار در کارگاههای ساخت اتاق اتومبیل عالی است زیرا بدون توجه به رنگ, آستر, بطانه کاری بدنه و کثیف بودن, می توان برشکاری کند. در این روش به تمیز کاری قبلی نیازی نیست. چون در این روش برای برش فلز به فرایند اکسایش تکیه نمی شود, برای برشکاری فولاد پراستحکام و کم آلیاژ که در ساخت بدنه اتومبیلهای جدید به کار می رود از این روش در برشکاری فولاد زنگ نزن , و فلزات غیر آهنی از قبیل آلومینیم, مس و برنج نیز استفاده می شود.

مزیت بزرگ برشکاری با قوس پلاسما سرعت برش در این روش تا ۲۰برابر روش برشکاری با اکسی استیلن است. در حال حاضر واحدهای سیار برشکاری با قوس پلاسما , دارای منبع تغذیه, منبع گاز و مشعل ساخته شده اند که می توان آنها را به پریز برق تک فاز V220 وصل کرد و به کار انداخت.

«« جوشکاری لیزری »»
دستگاه اشعه لیزری دارای طول موجهای یکسان ,موج نوسان ندارد و بصورت آرام می باشد و روی یک سطح خیلی کوچک متمرکز می گردد. لیزرهای جوشکاری اغلب به عنوان محیط موثر از یک مونو کریستال استفاده می کنند .
انرژی نورانی تحریک کننده بوسیله یک لامپ فلاش محتوی گاز اگزنول که مونو کریستال را احاطه کرده است تشکیل می گردد و در داخل دستگاه دو آینه نیمه انعکاسی بطور موازی قرار دارند و به دسته های اشعه فرصت می دهند که خارج شوند. گاهی اوقات بجای آینه یک منشور قرار داده می شود و اغلب اوقات منشور دنباله همان مونوکریستال تشکیل می شود.در اثر لامپ فلاش در محفظه یک ضربان نوری بوجود می آید که زمان آن برحسب انرژی مصرفی می باشد.

«« نکات مورد نظر در جوشکاری لیزری »»
۱شدت حرارت بالا از انواج نورانی لیزر بدست می آید.
۲هنگام تبدیل اشعه لیزر به صورت نور می تواند از دو محیطی مانند هوا خلاء , گازهای خنثی.
۳نیاز به تماس میکانیکی با قطعه کار مانند روشهای دیگرندارد و از طرفی قطعه مورد نظر برای جوشکاری نیاز به قابلیت هدایت الکتریکی ندارد.
۴هنگام متمرکز شدن اشعه لیزری که یک سیستم ساده است می توان آنرا به سهولت خم ـ مستقیم و بصورت انعکاسی در آورد.

۵جوشکاری لیزری بوسیله انرژی ماکزیمم و مینیموم تعشعشعی آن و مدت ضربان و تعداد متوسط این ضربه ها و نیز قدرت بزرگنمایی مشخص می شود.
وقتی یک اشعه LAZARروی یک سطح فلزی برخورد می کند درجه حرارت آن سطح را تقریبا ً بطور آنی اقزایش می دهد و حرارت سریعا ً به داخل فلز منتقل میشود جوشکاری لیزر بر اساس شدت تابش دسته های نورانی می باشد که از کریستال خارج می شوند و با برخورد آن به قطعه کار تمرکز این پرتوها دو قطعه به همدیگر پیوند می خورند. مقدار حجم فلز بستگی به شدت و انرژی دارد که بوسیله ستون لیزر منتقل می گردد.

سرعت عمل جوشکاری و ضخامت فلز جوش دادنی بستگی به سرعت حرارت دارد که با فلز تماس پیدا میکند. مقدار انرژی که برای عمل جوشکاری لازم است مستقیما ً به حجم فلز بستگی دارد که بایستی به نقطه ذوب برسد از طریق جوش لیزری می توان اجسام مختلفی را بهم جوش داد مانند اجسام غیر هم جنس فلزات نیکل , مس تانتالم ـ فولاد ضد زنگ ـ آلومنیم ـ