سبد خرید شما خالی است.
پیش از هر چیز باید گفت لیزرهای فایبر (Fiber Lasers) به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های لیزری، در دهه‌های اخیر تحول عظیمی در صنایع مختلف ایجاد کرده‌اند. این لیزرها به‌دلیل ویژگی‌هایی مانند بازدهی بالا، کیفیت پرتو عالی، و طراحی فشرده، در حوزه‌هایی چون مخابرات، پزشکی، و پردازش مواد کاربرد گسترده‌ای یافته‌اند. در مقاله پیش رو، به‌صورت گام‌به‌گام، نحوه عملکرد دستگاه لیزر فایبر ، از منبع تولید تا خروجی نهایی، بررسی می‌شود.
۱. ساختار کلی لیزر فایبر
لیزر از مدل فایبر نوعی لیزر حالت جامد است که در آن، محیط تقویت‌کننده نوری یک فیبر نوری دوپ‌شده با عناصر خاکی کمیاب مانند ایتربیوم (Yb³⁺)، اربیوم (Er³⁺)، تولیوم (Tm³⁺) یا هولمیوم (Ho³⁺) است. فیبر نوری به‌عنوان محیط فعال عمل می‌کند و نور لیزر را تولید و تقویت می‌نماید.
۲. تولید نور اولیه (Seed Laser)
فرآیند تولید نور لیزر در لیزرهای فایبر با یک منبع نور اولیه آغاز می‌شود که به آن “Seed Laser” یا لیزر اولیه گفته می‌شود. قطعه ذکر شده معمولاً یک دیود لیزری با توان پایین است که نوری با ویژگی‌های زیر تولید می‌کند:
- تک‌طولی موج بودن (Single Mode)
- پهنای باند باریک
- پایداری فرکانسی بالا
این نور اولیه به‌عنوان سیگنال ورودی به تقویت‌کننده فیبری وارد می‌شود.
۳. تقویت نور در فیبر دوپ‌شده
۳.۱. فیبر دوپ‌شده با عناصر خاکی کمیاب
همانطور که مشخص است فیبر نوری مورد استفاده در لیزرهای فایبر با یون‌های عناصر خاکی کمیاب دوپ می‌شود. انتخاب نوع یون دوپ‌کننده به طول موج مورد نظر بستگی دارد. به‌عنوان مثال:
- ایتربیوم (Yb³⁺): برای تولید لیزر در محدوده ۱۰۳۰ تا ۱۱۰۰ نانومتر
- اربیوم (Er³⁺): برای تولید لیزر در محدوده ۱۵۵۰ نانومتر
- تولیوم (Tm³⁺): برای تولید لیزر در محدوده ۱۹۰۰ تا ۲۰۰۰ نانومتر
همچنین این یون‌ها با جذب انرژی از منبع پمپ، به حالت برانگیخته می‌روند و سپس با بازگشت به حالت پایه، فوتون‌هایی با طول موج مشخص ساطع می‌کنند.
۳.۲. پمپینگ فیبر
جهت برانگیختن یون‌های دوپ‌شده، از منابع پمپ نوری استفاده می‌شود. دیودهای لیزری با توان بالا قطعاتی هستند که نور را در محدوده طول موج جذب یون‌ها تولید می‌کنند. روش‌های پمپینگ شامل:
- پمپینگ محوری (End Pumping): نور پمپ از انتهای فیبر وارد می‌شود.
- پمپینگ جانبی (Side Pumping): نور پمپ از اطراف فیبر وارد می‌شود.
در لیزرهای فایبر با توان بالا، از فیبرهای دوپوش (Double-Clad Fibers) استفاده می‌شود که امکان پمپینگ با توان بالا را فراهم می‌کنند.
۴. تشکیل کاواک لیزری
باید توجه داشت برای ایجاد لیزر، نیاز به یک کاواک نوری است که بازخورد نوری فراهم کند. در لیزرهای فایبر، این کاواک معمولاً با استفاده از شبکه‌های براگ فیبری (Fiber Bragg Gratings – FBG) درون فیبر تشکیل می‌شود. این شبکه‌ها به‌عنوان آینههای بازتابنده عمل می‌کنند و نور را در طول موج خاصی بازتاب می‌دهند، که منجر به تقویت نور در آن طول موج می‌شود.
۵. استخراج نور لیزر
پس از تقویت نور در کاواک، بخشی از آن از طریق یکی از آینه‌ها (معمولاً با بازتاب کمتر) به‌عنوان خروجی لیزر استخراج می‌شود. این نور خروجی دارای ویژگی‌های زیر است:
- توان بالا
- پهنای باند باریک
- پایداری فرکانسی
- کیفیت پرتو بالا (Beam Quality)
۶. تکنیک‌های مدولاسیون و پالسی
برای تولید پالس‌های نوری با ویژگی‌های خاص، از تکنیک‌های مدولاسیون مانند Q-Switching و Mode-Locking استفاده می‌شود:
- Q-Switching: تولید پالس‌های نوری با انرژی بالا و مدت زمان کوتاه (نانوثانیه)
- Mode-Locking: تولید پالس‌های فوق‌کوتاه با مدت زمان در حد فمتوثانیه
این تکنیک‌ها با استفاده از عناصر نوری خاص در کاواک لیزر پیاده‌سازی می‌شوند.
۷. مزایای لیزرهای فایبر
دستگاه های فایبر نسبت به سایر انواع لیزرها مزایای متعددی دارند:
- بازدهی بالا: بازدهی تبدیل انرژی الکتریکی به نوری بالا
- کیفیت پرتو عالی: پرتو با کیفیت بالا و قابلیت تمرکز دقیق
- طراحی فشرده: اندازه کوچک و قابلیت انعطاف‌پذیری در طراحی
- پایداری حرارتی: مدیریت حرارتی مؤثر به‌دلیل نسبت سطح به حجم بالا
- عمر طولانی: عمر عملیاتی طولانی به‌دلیل استفاده از دیودهای پمپ با عمر بالا
۸. کاربردهای لیزرهای فایبر
- صنعت: برش، جوشکاری، حکاکی و مارک‌زنی
- پزشکی: جراحی‌های دقیق، درمان‌های پوستی
- مخابرات: انتقال داده با سرعت بالا در فیبرهای نوری
- تحقیقات علمی: تجربیات اپتیکی و فیزیکی پیشرفته
۹. ساختار دقیق فیبر نوری دوپ‌شده
فیبر نوری در لیزر فایبر به‌صورت خاصی طراحی می‌شود تا امکان انتقال نور پمپ و تقویت لیزر را فراهم کند. این فیبرها معمولاً از سه لایه تشکیل می‌شوند:
- هسته (Core): بخش مرکزی فیبر که با یون‌های فعال دوپ شده است و در آن تقویت لیزر انجام می‌شود.
- پوشش داخلی (Inner Cladding): ناحیه‌ای با ضریب شکست کمتر از هسته که نور پمپ را هدایت می‌کند.
- پوشش بیرونی (Outer Cladding): لایه‌ای محافظ برای حفظ ساختار مکانیکی فیبر و کنترل نور.
در طراحی “Double-Clad Fiber”، نور پمپ در پوشش داخلی منتشر می‌شود و به‌طور مکرر از سطح مشترک پوشش و هسته بازتاب می‌یابد تا انرژی آن جذب شود. باید توجه داشت این طراحی بهره‌وری جذب پمپ را به‌شدت افزایش می‌دهد و امکان پمپینگ با توان‌های بالا را فراهم می‌سازد.
۱۰. طراحی مدارات الکترونیکی کنترل
طرز کار لیزر فایبر تنها به ساختار اپتیکی وابسته نیست. بخش الکترونیکی دستگاه نقش حیاتی در تنظیم پارامترهای کاری دارد. مدارات کنترلی وظیفه دارند:
- کنترل جریان و ولتاژ دیودهای پمپ
- پایش دما و کنترل سیستم خنک‌کننده
- تنظیم فرکانس، توان خروجی و مدولاسیون
- حفاظت در برابر نوسانات برق یا گرم شدن بیش از حد
شایان ذکر است مادربرد های لیزری اغلب با استفاده از پردازنده‌های DSP یا میکروکنترلرهای صنعتی طراحی می‌شوند و امکان ارتباط با کاربر از طریق پنل کنترل یا نرم‌افزار رایانه‌ای مثل EZCAD و LIGHTBURN فراهم می‌شود.
۱۱. سیستم خنک‌کننده
به‌دلیل بازدهی بالا، اما همچنان قابل توجه نبودن بازدهی ۱۰۰٪، مقدار مشخصی از انرژی به‌صورت گرما در سیستم تولید می‌شود. اگر این گرما به‌درستی دفع نشود، باعث آسیب به اجزای فیبر، دیودهای پمپ و کیفیت پرتو می‌شود. روش‌های رایج برای خنک‌کاری:
- خنک‌کاری با هوا: برای لیزرهای کوچک‌تر با توان کمتر از ۲۰ وات
- خنک‌کاری با آب (Water Cooling): برای توان‌های بالا، با استفاده از مدار بسته یا خنک‌کننده صنعتی (چیلر)
- خنک‌کاری ترکیبی: در برخی طراحی‌ها برای افزایش راندمان دفع حرارت
سیستم خنک‌کاری علاوه بر تبادل حرارت، نقش کلیدی در پایداری طولانی‌مدت و عمر مفید دستگاه دارد.
۱۲. مدیریت پرتو خروجی و فیلترهای نوری
نحوه عملکرد دستگاه لیزر فایبر نیازمند مدیریت دقیق است. فیلترها و لنزهای اپتیکی برای موارد زیر استفاده می‌شوند:
- فیلترهای اپتیکی: حذف طول موج‌های ناخواسته یا تنظیم طیف خروجی
- لنزهای فوکوس: تمرکز پرتو در نقطه‌ای خاص برای حکاکی یا برش دقیق
- کولیماتور: تبدیل پرتو واگرا به پرتو موازی برای مسافت‌های طولانی‌تر
- ایزولاتور نوری: جلوگیری از بازتاب نور به منبع، که می‌تواند به سیستم آسیب بزند
این اجزا معمولاً در ماژول خروجی لیزر یا در سر اپتیکی قرار می‌گیرند که به دستگاه اسکنر گالوو متصل می‌شود.
۱۳. تحلیل دقیق کیفیت پرتو (Beam Quality)
یکی از مهم‌ترین شاخص‌های عملکرد لیزر، کیفیت پرتو یا مقدار M² (Beam Parameter Product) است. عدد M² نشان‌دهنده انحراف پرتو از ایده‌آل گوسین است:
- M² = 1 برای پرتو ایده‌آل (تک‌مد عرضی TEM00)
- M² > 1 برای پرتوهایی با مدهای بالاتر
از آنجایی که در نحوه عملکرد دستگاه لیزر فایبر لازم است این مورد را مطرح کنیم نوع تک‌مدی لیزر های فایبر می‌توانند به M² بسیار نزدیک به ۱ دست یابند. این موضوع باعث:
- توانایی تمرکز بسیار بالا
- دقت زیاد در برش و حکاکی
- کاهش انرژی هدررفته
۱۴. تفاوت لیزر فایبر با سایر لیزرها
ویژگی
طول موج
1060 نانومتر
10600 نانومتر
1064 نانو متر
محیط فعال
فیبر نوری دوپ شده
گاز CO2
کریستال ND:YAG
راندمان
بالا (تا45 درصد)
پایین (10درصد)
متوسط (20درصد)
اندازه
کوچک و فشرده
بزرگ
متوسط
نگهداری
کم نیاز
زیاد
متوسط
به‌دلیل هزینه نگهداری پایین، بازدهی بالا، و کیفیت پرتو مناسب، لیزر های فایبر در حال جایگزینی سایر انواع لیزر در بسیاری از صنایع است.
۱۵. آینده فناوری لیزر فایبر
تحقیقات اخیر در زمینه لیزرهای فایبر به‌سمت موارد زیر متمرکز است:
- افزایش توان خروجی بدون تخریب فیبر
- پالس‌های فوق‌کوتاه در فمتوثانیه
- مدل‌های کامپکت برای کاربردهای قابل‌حمل
- ادغام با هوش مصنوعی برای تنظیم خودکار پارامترها
نتیجه‌گیری
در نهایت با بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته در طراحی و ساخت لیزرهای فایبر ، این نوع از لیزر ها توانسته‌اند به‌عنوان یکی از مؤثرترین ابزارهای لیزری در صنایع مختلف مطرح شوند.
نحوه عملکرد دستگاه لیزر فایبر، از منبع تولید تا خروجی نهایی، شامل مراحل دقیق و علمی است که در این مقاله به‌تفصیل بررسی شد. با توجه به مزایای متعدد و کاربردهای گسترده، انتظار می‌رود لیزرهای فایبر در آینده نقش پررنگ‌تری در فناوری‌های نوین ایفا کنند.
نحوه عملکرد دستگاه لیزر فایبر | از تولید نور تا خروجی دقیق
در آموزش ,
5 ماه پیش
پیش از هر چیز باید گفت لیزرهای فایبر (Fiber Lasers) به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین فناوری‌های لیزری، در دهه‌های اخیر تحول عظیمی در صنایع مختلف ایجاد کرده‌اند. این لیزرها به‌دلیل ویژگی‌هایی […]