جوشکاری با لیزر

جوشکاری با لیزر

جوشكاري و برشكاري با استفاده از اشعه ليزر از روشهاي نوين جوشكاري بوده كه در دههاي اخير مورد توجه صنعت قرار گرفته و امروزه به خاطر كيفيت ، سرعت و قابليت كنترل آن به طور وسيعي در صنعت از آن استفاده مي شود .به وسيله متمركز كردن اشعه ليزر روي فلز يك حوضچه مذاب تشكيل شده و عمليات جوشكاري انجام مي شود .
اصول كار و انواع ليزرهاي مورد استفاده در جوشكاري :
به طور عمده از دو نوع ليزر در جوشكاري و برشكاري استفاده مي شود : ليزرهاي جامد مثل Ruby و ND:YAG و ليزرهاي گاز مثل ليزر CO2 . در زير اصول كار ليزر Ruby كه از آن بيشتر در جوشكاري استفاده مي شود توضيح داده مي شود . اين سيستم ليزر از يك كريستال استوانه اي شكل Ruby (Ruby يك نوع اكسيد آلومينيوم است كه ذرات كرم در آن پخش شده اند . ) تشكيل شده است . دو سر آن كاملا صيقلي و آينه اي شده و در يك سر آن يك سوراخ ريز براي خروج اشعه ليزر وجود دارد . در اطراف اين كريستال لامپ گزنون قرار دارد كه لامپ فوق براي كار در سرعت حدود 1000 فلاش در ثانيه طراحي شده است . لامپ گزنون با استفاده از يك خازن كه حدود 1000 بار در ثانيه شارژ و تخليه شده فلاش مي زند و هنگامي كه كريستال Ruby تحت تاثير اين فلاش ها قرار بگيرد اتمهاي كرم داخل شبكه كريستالي تحريك شده و در اثر اين تحريك امواج نور از خود سطع مي كنند و با باز تابش اين اشعه ها در سطوح صيقلي و تقويت آنها اشعه ليزر شكل مي گيرد . اشعه ليزر شكل گرفته از سوراخ ريز خارج شده و سپس به وسيله يك عدسي بر روي قطعه كار متمركز شده كه بر اثر برخورد انرژي بسيار زيادي در سطح كوچكي آزاد مي كند كه باعث ذوب و بخار شدن قطعه و انجام عمل ذوب مي شود .
محدوديت ليزر Ruby پيوسته نبودن اشعه آن است در حاليكه انرژي خروجي ان بيشتر از ليزر هاي گاز مانند ليزر CO2 است كه در آنها اشعه حاصله پيوسته است، از ليزر CO2 بيشتر به منظور برش استفاده مي شود و از ليزر ND:YAG بيشتر براي جوشكاري آلومينيوم استفاده ميشود .
از انجا كه در اين روش مقدار اعظمي از انرژي مصرف شده به گرما تبديل مي شود اين سيستم بايد به يك سيستم خنك كننده مجهز باشد .
در جوشكاري ليزر دو روش عمده براي جوشكاري وجود دارد : يكي حركت دادن سريع قطعه زير اشعه است تا كه يك جوش پيوسته شكل بگيرد و ديگري كه مرسوم تر است جوش دادن باچند سري پرتاب اشعه است .
در جوشكاري ليزر تمامي عمليات ذوب و انجماد در چند ميكروثانيه انجام مي گيرد و به خاطر كوتاه بودن اين زمان هيچ واكنشي بين فلز مذاب و اتمسفر انجام نخواهد شد و از اين رو گاز محافظ لازم ندارد .
طراحي اتصال در جوشكاري ليزر : بهترين طرح اتصال براي اين نوع جوشكاري طرح اتصال لب به لب مي باشد و با توجه به محدوديت ضخامت در آن مي توان ازطرح اتصال هاي T يا اتصال گوشه نيز استفاده نمود .
مزاياي جوشكاري ليزر :
- حوضچه مذاب مي تواند داخل يك محيط شفاف ايجاد شود ( باعكس روشهاي معمولي كه هميشه حوضچه مذاب در سطح خارجي آنها ايجاد مي شود ) .
- محدوده بسيار وسيعي از مواد را مانند آلياژها با نقاط ذوب فوق العاده بالا ، مواد غير همجنس و ... را ميتوان به يكديگر جوش داد .
- در اين روش ميتوان مكان هاي غير قابل دسترسي را جوشكاري نمود .
- از آنجا كه هيچ الكترودي براي اين منظور استفاده نمي شود نيازي به جريانهاي بالا براي جوشكاري نيست .
- اشعه ليزر نياز به هيچگونه گاز محافظ يا محيط خلايي براي عملكرد ندارد .
- به خاطر تمركز بالاي اشعه منطقه HAZ بسيار باريكي در جوش تشكيل ميشود .
- جوشكاري ليزر نسبت به ساير روشهاي جوشكاري تميز تر است .
محدوديت ها و معايب جوشكاري ليزر :
سيستم هاي جوشكاري ليزرنسبت به ساير دستگاههاي سنتي جوشكاري بسيار گران هستند و در ضمن ليزرهايي مانند Ruby به خاطر پالسي بودن اكثر آنها از سرعت پيشروي كمي برخوردارند ( 25 تا 250 ميليمتر در دقيقه ) . همچنين اين نوع جوشكاري درراي محدوديت عمق نيز مي باشد .
موارد استفاده اشعه ليزر :
از اشعه ليزر هم به منظور برش و هم به منظور جوشكاري استفاده مي شود . اين نوع جوشكاري در اتصال قطعات بسيار كوچك الكترونيكي و در ساير ميكرو اتصال ها كاربرد دارد . از اشعه ليزر ميتوان در جوش دادن آلياژها و سوپر الياژها با نقطه ذوب بالا و براي جوش دادن فلزات غير همجنس استفاده نمود . به طور كلي اين روش جوشكاري براي استفاده هاي دقيق و حساس استفاده ميشود . از اين روش ميتوان در صنعت اتومبيل و مونتاژآن براي جوش دادن درزهاي بلند استفاده نمود.

منبع : انجمن مهندسي ساخت و توليد ايران

خواص نور لیزر و کاربردهای آن

از نخستین روزهای بررسی  تکنولوژی لیزر ، پی برده شد که نور لیزر خواص مشخصه ای دارد که آن را از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می کند. در این بخش ، به چگونگی ظهور این خواص از ماهیت فرایند لیزر می پردازیم و به اختصار مثالهایی را از چگونگی استفاده از آنها برای کاربردهای ویژه لیزر ، در نظر می گیریم. واضح است که چنین مباحثی باید بسیار گزینشی باشد و مثالهای ارائه شده در اینجا بیشتر برای نشان دادن تنوع و گوناگونی کاربردهای لیزر انتخاب شده اند تا هر دلیل دیگری.
از آنجا که نشر القایی ،‌فوتونهایی را با راستای انتشار دقیقاً یکسان تولید می کند، استفاده از پیکربندی آینه انتهایی به تقویت گزینشی باریکه محوری که تنها قطری در حدود m m  1 دارد منجر می شود. بدین ترتیب لیزر ، باریکه ای نازک و اساساً موازی از نور را که معمولاً دارای توزیع گاوسی از شدت است ، از آینه خروجی به بیرون نشر می کند.
 زاویه واگرایی باریکه مقداری در حدودm radian  1 است که در فاصله یک کیلومتری ، تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن می کند، لیزرهای اکسی پلکس واگرایی باریکه کمتر از 200 میکرورادیان دارند. هرچند که میزان واگرایی باریکه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجی تعیین می شود ،‌ولی با ابزار اپتیکی مناسب می توان همین واگرایی اندک را به مقدار زیادی تصحیح کرد. به عنوان مثالی از اینکه باریکه لیزر تا چه حد قابل موازی سازی است، به این مطلب توجه کنید که می توان بازتابش نور لیزر را از روی بازتابنده هایی که فضانوردان طی ماموریت فضایی آپولو در سطح کره ماه کار گذاشتند، در زمین مشاهده کرد.
 همراستا سازی نوری یکی از کاربردهای بسیار برجسته موازی سازی و پهنای باریکه نازک لیزرها در صنعت سازه و نظارت بر آلودگی اتمسفر مورد استفاده قرارمی گیرد . در مورد اخیر، با بهره گیری از پهنای باریکه نازک لیزر است که امکان نظارت بر گازهای خروجی از دودکش کارخانه ها ، با تجزیه و تحلیل نور پراکنده ، از روی سطح زمین امکان پذیر می شود.

شدت:

شدت زیاد، خاصیتی است که بیش از سایر موارد همراه نور لیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدتهای شناخته شده روی زمین را ایجاد می کنند. از آنجا که لیزر باریکه ای موازی از نور را نه در تمام جهتها ، بلکه در راستای مشخصی نشر میکند، مناسبترین معیار شدت، تابیدگی است . از آنجا که انرژی در واحد زمان برابر توان است، داریم:
                                        سطح / توان I =  تابیدگی
با این حال در استفاده از این معادله باید تاکید کرد که منظور از «توان» ، توان خروجی لیزر است و نه توان ورودی آن.برای بررسی درست تابیدگی یک نوع لیزر، می توان به این نکته توجه کرد که شدت میانگین آفتاب روی سطح زمین به اندازه یک کیلووات بر متر مربع یعنی m W  10 است.
ابتدا یک لیزر قدرتمند  آرگون را که توانی در حدود W    10 در طول موج nm 488 نشر می کند، در نظر می گیریم. با فرض سطح مقطعی برابر mm 1 برای باریکه ،‌این مقدار باعث ایجاد تابیدگی              mW 10  = ( m 10 )/ (W 10) می شود . در واقع با متمرکز کردن باریکه تا رسیدن به حد پراش ناشی از ابزار اپتیکی متمرکز کننده ، می توان تابیدگی را افزایش داد. از این جنبه نیز نور لیزر به طور مشخصی خواص غیر عادی را نشان می دهد، به گونه ای که با متمرکز کردن آن می توان به شدتهایی دست یافت که از شدت خود منبع فراتر می رود.معمولاً امکان چنین چیزی برای منابع معمولی نور وجود ندارد. به عنوان یک اصل کلی ، حداقل شعاع باریکه متمرکز شده قابل قیاس با طول موج است، بنابراین در مثال فوق ، سطح مقطع m 10  غیر واقعی نیست و باعث ایجاد شدت متمرکز شده ای برابرmW10 می شود.
با این حال، در لیزرها که ابتدا انرژی را در اثر وارونگی جمعیت ذخیره می کنند و سپس آن را از طریق نشر یک تپ نور رها می کنند، یافتن بیشترین شدتهای خروجی نامنتظره نیست. اگر چه باید به یاد داشت که شدت پیک تنها برای زمان بسیار کوتاهی قابل حصول است.
 برای مثال یک لیزر یاقوت سوییچ شده مناسب که تپهای ns 25 (s 10  =   ns1 ) در طول موج nm 694 نشر می کند ، می تواند در هر تپ ، خروجی پیکی برابر GW 1 با باریکه پهنی به سطح مقطع mm 500 ایجاد کند. بدین ترتیب تابیدگی میانگین هر تپ تقریباً برابر W m 10 × 2 است که با تمرکز مناسب می توان دست کم آن را به اندازه 10 برابر افزایش داد. باید توجه کرد که در تمام این محاسبات تقریبی ، به طور ضمنی تصور شده است که درطول دوام هر تپ، مقدار شدت ثابت است. حال آنکه در حقیقت ، در ابتدا یک صعود و در انتها یک واپاشی مشخص وجود دارد، به بیان دیگر یک نیمرخ زمانی هموار در آنجا هست. از آنجا که شدت پیک حاصل از یک لیزر تپی به طور وارون با مدت تپ متناسب است، روشهای گوناگونی برای کاستن ازطول تپ وجود دارد تا شدت آن افزایش یابد.
اکنون به چند کاربرد لیزر بر اساس شدتهای زیاد، نگاهی کوتاه می اندازیم. یک مثال بسیار واضح در صنعت، همان برش و جوشکاری با لیزر است. در چنین مقاصدی به ویژه لیزرهای پرتوان کربن دیوکسید Nd:YAG و که تابش زیر قرمز دارند، مناسب اند. چنین لیزرهایی تقریباً هر نوع ماده ای را می توانند ببرند، هر چند در برخی موارد مانند چوب یا کاغذ برای جلوگیری از سوختگی باید فواره ای از گاز بی اثر به کار برده شود، از سوی دیگر، فواره اکسیژن باعث تسهیل برش فولاد می شود. برای مثال یک لیزر متمرکز در گستره mW 10 می تواند mm 3 فولاد را در تقریباً s  1، یا mm 3 چرم را درs  10، ببرد. کاربردهایی از این نوع را می توان در صنایع زیادی از هوافضا تا نساجی ، پیدا کرد و تنها در آمریکا، چند هزار سیستم لیزر برای این هدف به کار می روند.
یکی از نوید بخش ترین کاربردهای پزشکی در جراحی چشم است که تا کنون برای این منظور چندین روش بالینی به خوبی ارائه شده است. مثلاً، پارگی شبکیه را که باعث کوری موضعی می شود، می توان با« جوشکاری نقطه ای » توسط تپهای پرشدت نور حاصل از لیزر آرگون، با بافت نگه دارنده آن ( یعنی کورویید ) متصل کرد. مزایای بسیار زیادی برای استفاده از لیزر در چنین جراحیهایی وجود دارد ، روش لیزری تخریبی نیست و نیازی به بیهوشی نداردو با توجه به مدت کوتاه تپها ، نیازی به بی حرکت کردن طولانی چشم وطی درمان احساس نمی شود.

همدوسی:
همدوسی خاصیتی است که به بهترین وجه نور لیزر را از سایر انواع نور متمایز می کند و بازهم این خاصیت ، نتنجه ماهیت فرایند نشر القایی است. اغلب، نور حاصل از منابع معمول گرمایی که توسط نشر خودبه خودی کار می کنند، به نور آشفته موسوم است، معمولاً در این موارد، هیچ همبستگی بین فاز فوتونهای گوناگون وجود ندارد و در اثر تداخلهای اساساً تصادفی بین آنها، افت و خیز محسوسی در شدت پدید می آید. در مقابل در لیزر، فوتونهایی که توسط محیط برانگیخته لیزر نشر می شوند، با سایر فوتونهای موجود در حفره، همفازند. مقیاس زمانی که طی آن همبستگی فاز برقرار می ماند، به عنوان زمان همدوسی شناخته می شود و از رابطه زیر به دست می آید:
                                                                                    tc  = 1/  u                  
که در آن u پهنای خط نشر است. طول همدوسی مستقیماً با این عامل ارتباط دارد.
                                                                                 tc = ctc
بنابراین ، دو نقطه در طول باریکه لیزر به فاصله ای کمتر از طول همدوسی، باید فاز مرتبطی داشته باشند. طول همدوسی یک مد خروجی حاصل از یک لیزر گازی ممکن است m  100 باشد، ولی این مقدار برای یک لیزر نیم رسانا ، تقریباً mm 1 است. اندازه گیری طول یا زمان همدوسی یک لیزر با طیف بینی افت و خیز شدت ، انجام می شود و وسیله مناسبی برای تعیین پهنای خط نشر فراهم می کند.
همان طور که در دو نمودار شکل 1. 11 نشان داده شده است، تابش آشفته و همدوس آمار فوتونی کاملاً متفاوتی دارند. این نمودار نشان دهنده توزیع احتمال یافتن N  فوتون در حجمی است که در یک متوسط زمانی، تعداد میانگین M را در خود دارد. نور آشفته در توزیع بوز ـ اینشتین صدق می کند:
                                         آشفته                  M/(M+1) = PN                                          
حال آنکه نور همدوس معمولاً در توزیع پواسون صدق می کند:
                                    همدوس Me / N = PN
هر چند اگر این دو نور، تابیدگی میانگین یکسانی داشته باشند (با  I V/hc u M  =  به M  ارتباط پیدا می کند )، بیشتر فرایندهای شامل برهم کنش نور و ماده نمی توانند تمایزی بین آنها قائل شوند، ولی در فرایندهای چند فوتونی چنین نخواهد بود.
بر خلاف انتظار، کاربردهای اندکی برای همدوسی لیزر وجود دارد، مهمترین کاربرد آن به اصطلاح، تمام نگاری است، که روشی برای تهیه تصاویر سه بعدی به شمار میرود. این فرایند شامل تهیه یک نوع تصویر ویژه ، به نام تمام نگاشت روی صفحه ای حاوی امولسیون مناسب عکاسی است بر خلاف بیشتر انواع متداول تصاویر عکاسی تمام نگاشت حاوی اطلاعاتی نه تنها پیرامون شدت بلکه در مورد فاز نور بازتابیده از موضوع نیز هست واضح است که با منبع نور آشفته نمی توان به چنین تصویری دست یافت. نورپردازی عکس، تصویر سه بعدی واقعی را بازسازی می کند. در حال حاضر یکی از مشکلات اصلی آن است که تنها امکان تهیه  تمام نگاشتهای تکفام وحود دارد، زیرا اگر برای تهیه تصویر اصلی از  گستره ای از طول موجها استفاده شود، اطلاعات مربوط به فاز از بین می رود، هر چند اکنون به راحتی می توان تمام نگاشت را در نور سفید به وضوح مشاهده کرد، ولی رنگهای این تصاویر تنها در اثر  تداخل به وجود می آیند و رنگهای اصلی جسم نیستند.

تکفامی:
آخرین مشخصه بارز نور لیزر و خاصیتی که بیشترین ارتباط را با کاربردهای شیمیایی دارد. تکفامی اساسی آن است. این خاصیت از آن حقیقت منشا می گیرد که تمام فوتونها در اثر گذار بین دو تراز انرژی اتمی یا مولکولی مشابه، نشر می شوند و بنابراین تقریباً‌ فرکانسهای دقیقاً یکسانی دارند. با وجود  این، همواره گستره کوچکی از توزیع فرکانسها وجود داردکه ممکن است چندین فرکانس یا طول موج گسسته را در بر گیرد و باعث برقراری شرط موج ایستا شود.
نتیجه آن است که تعداد کمی از فرکانسها با فواصل اندک از یکدیگر، ممکن است در عمل لیزر حضور داشته باشند، به طوری که برای رسیدن به تکفامی بهینه، باید وسیله اضافی دیگری را برای گزینش فرکانس در لیزر تعبیه کرد. معمولاً برای این کار از یک سنجه استفاده می شود که عنصری اپتیکی است که درون حفره لیزر قرار می گیرد و به گونه ای تنظیم می شود که تنها یک طول موج معین بتواند بین    دو آینه انتهایی، به طور نامتناهی به جلو و عقب حرکت کند. در لیزرهایی با خروجی پیوسته، تهیه پهنای خط نشر به کوچکی cm 1 ، کاری بسیار ساده است و در لیزرهای با فرکانس تثبیت شده، پهنای خط میتواند چهار تا پنج توان ده کوچکتر داشته باشد. عامل کیفیت Q   که برابر با نسبت فرکانس نشر شده u به پهنای خط Du است، یکی از عاملهای مهمی است که لیزر را توصیف می کند.
Q = u/Du              
بدین ترتیب، مقدار عامل Q به سادگی می تواند به بزرگی 10 باشد و این مقدار به وضوح از اهمیت زیادی در طیف بینی تفکیک بالا برخوردار است. اغلب متخصصان طیف بینی ترجیح می دهند که پهنای خط را بر حسب واحدهای طول موج یا عدد موج بیان کنند، که مورد آخر نشان دهنده تعداد طول موجهای تابش در واحد طول معمولاً‌ در سانتی متر، است (u=1/l) . روابط سودمند بین بزرگی پرامترهای مربوط به پهنای خط به قرار زیر است:
                  Dl=l/Q                                          
Du=Dl/l             
جداسازی ایزوتوپ زمینه مهم دیگری برای کاربرد فن تکفامی زیاد منبع لیزر است. از آنجا که مولکولهایی که از نظر محتوای ایزوتوپی با هم متفاوت اند، معمولا فرکانسهای جذب اندک متفاوتی دارند، با استفاده از لیزری با پهنای خط بسیار باریک، به طور گزینشی می توان مخلوطی از مواد را برانگیخت و سپس با وسایل دیگری جدا کرد. تمایل زیاد به استفاده از این کاربرد در صنایع هسته ای نامنتظره نیست.

منبع : سایت  http://www.prin.ir

فیبر نوری

تاريخچه
بعد از اختراع ليزر در سال 1960 میلادی، ایده بکارگیری فيبر نوری برای انتقال اطلاعات شکل گرفت .خبر ساخت اولين فيبر نوری در سال 1966 همزمان در انگليس و فرانسه با تضعيفی برابر با اعلام شد که عملا درانتقال اطلاعات مخابراتی قابل استفاده نبود تا اينکه در سال 1976 با کوشش فراوان محققين تلفات فيبر نوری توليدی شدیدا کاهش داده شد و به مقدار رسيد که قابل ملاحظه با سيم های کوکسيکال مورد استفاده در شبکه مخابرات بود.

در ایران در اوايل دهه 60 ، فعاليت های تحقيقاتی در زمينه فيبر نوری در مرکز تحقيقات منجر به تاسيس مجتمع توليد فيبر نوری در پونک تهران گرديدو عملا در سال 1373 توليد فيبرنوری با ظرفيت 50.000 کيلومتر در سل در ایران آغاز شد.فعالیت استفاده از کابل های نوری در ديگر شهرهای بزرگ ايران شروع شد تا در آينده نزدیک از طريق يک شبکه ملی مخابرات نوری به هم متصل شوند.

چگونگي
می دانيم هر گاه نور از محيط اول به محيط دوم که غليظتر است وارد شود دچار شکست ميشود.واگر نور از محيط غليظ با بيش از زاويه حد به سطح آن برخورد کندسطح ماده همانند يک آينه تخت عمل می کند و نور بازتابش می کند.

از اين خاصيت در فيبرهای نوری استفاده شده است. فيبرنوری يک موجبر استوانه ای از جنس شيشه (يا پلاستيک) که دو ناحيه مغزی وغلاف با ضريب شکست متفاوت ودولايه پوششی اوليه وثانويه پلاستيکی تشکيل شده است . بر اساس قانون اسنل برای انتشار نور در فيبر نوری شرط : می بايست برقرار باشد که به ترتيب ضريب شکست های مغزی و غلاف هستند . انتشار نور تحت تاثير عواملی ذاتی و اکتسابی ذچار تضعيف می شود. اين عوامل عمدتا ناشی از جذب ماورای بنفش ، جذب مادون قرمز ،پراکندگی رايلی، خمش و فشارهای مکانيکی بر آنها هستند . منحنی تغييرات تضعيف برحسب طول موج در شکل زير نشا ن داده شده است.

فيبرهای نوری نسل سوم
طراحان فیبرهای نسل سوم ، فیبرهایی را مد نظر داشتند که دارای حداقل تلفات و پاشندگی باشند. برای دستیابی به این نوع فیبرها، محققین از حداقل تلفات در طول موج 55/1 میکرون و از حداقل پاشندگی در طول موج 3/1 میکرون بهره جستند و فیبری را طراحی کردند که دارای ساختار نسبتا پیچیده تری بود. در عمل با تغییراتی در پروفایل ضریب شکست فیبرهای تک مد از نسل دوم ، که حداقل پاشندگی ان در محدوده 3/1 میکرون قرار داشت ، به محدوده 55/1 میکرون انتقال داده شد و بدین ترتیب فیبر نوری با ماهیت متفاوتی موسوم به فیبر دی.اس.اف ساخته شد.

نکته قابل ذکر اين است که مشخصات يک محيط (ماده) را با پنج عامل &(سيکما)،u(ميو)، 'u(ميو پريم)،E(اپسيلن)و'E(اپسيلن پريم) تعريف ميکنند.حال فيبر نوری را با يک Eی يعنی از جنسی می سازند تا نور با هر زاويه ای هم که به سطح مقطع آن برخورد کرد از آن خارج نشود و در طول فيبر حرکت کند.فرايند انتقال سيگنال بدين صورت است که يک سيگنال را توسط چند عمل مدولاسيون به فرکانس ۶۴kHzمی رسانند سپس توسط ليزر آن را به فرکانس نور تبديل و به داخل فيبر می تابانند.چون فر کانس نور در حد گيگابايت است يک پهنای باند فوق العاده زياد برای انتقال سيگنال در اختيار ما قرار می دهد وهمچنين با مالتی پلکس کردن سيگنالها ميتوان ۱۹۲۰ کانال را همزمان از داخل فيبر عبور داد.اين خاصيت باعث شده تا ارتباط بين دو مرکز مخابرات تنها با يک رشته فيبر بر قرار شود.اتلاف توان سيگنال در ۱ کيلومتر از فيبر نوری در فرکانس ۴۰۰ گيگا هرتز ۱۰dB است در مقايسه با کابل هم محور به قطر ۱ سانتی متر که در فرکانس ۱۰۰ کيلو هرتز ،۱dBو در فرکانس ۳مگاهرتز dB ۱/ ۵ اتلاف دارد .اين اتلاف کم کم فيبرها باعث شده تا در ميان راه ازrepeater کمتری استفاده شود و از هزينه ها کاسته شود.همچنين ارزان بودن فيبر وخواصی همچون ضد آب بودن آن باعث شده تا از فيبر روز به روز به طور گسترده تری استفاده شود.تنها ايرادی که به فيبر وارد است اينست که به راحتی سيمها نميتوان آنها را پيچ وخم داد زيرا زاويه تابش نور در داخل آن تغيير ميکند و باعث می شود نور از سطح آن خارج شودو اينکه اتصال دو رشته فيبر نيز احتياج به دقت ولوازم خاص خود را دارد.

انواع فيبر نوری:

1 -(single mode fiber)ـsmf:قطر هسته ۹ ميکرون و طول موج ۳/۱ ميکرومتر:

 

2 -(multi mode fiber)ـmmf:خود بر دو نوع است:

 

الف:multi mode stop index:زاويه شکست در سراسر کابل يکسان است ودارای پهنای باند ۲۰ تا ۳۰ مگاهرتز است.

ب:multi mode graded index:سرعت انتشار نور در اين کابل در جايی که شکست نور تحت زاويه کمتری صورت می گيرد نسبت به جايی که تحت زاويه بزرگتری صورت می گيرد،بيشتر است.پهنای باند آن ۱۰۰مگا هرتز تا ۱ گيگا هرتز است.

فن آوری ساخت فيبرهای نوری
برای تولید فیبر نوری ، ابتدا ساختار آن در یک میله شیشه ای موسوم به پیش سازه از جنس سیلیکا ایجادمی گردد و سپس در یک فرایند جداگانه این میله کشیده شده تبدیل به فیبرمی گردد . از سال 1970 روش های متعددی برای ساخت انواع پیش سازه ها به کار رفته است که اغلب آنها بر مبنای رسوب دهی لایه های شیشه ای در اخل یک لوله به عنوان پایه قرار دارند .

روشهای ساخت پيش سازه
روش های فرایند فاز بخار برای ساخت پيش سازه فیبرنوری را می توان به سه دسته تقسیم کرد :
- رسوب دهی داخلی در فاز بخار
- رسوب دهی بیرونی در فاز بخار
- رسوب دهی محوری در فاز بخار


موادلازم در فرايند ساخت پيش سازه
- تتراکلريد سیلسکون :این ماده برای تا مین لایه های شیشه ای در فرایند مورد نیاز است .
- تتراکلريد ژرمانیوم : این ماده برای افزایش ضریب شکست شیشه در ناحیه مغزی پیش سازه استفاده می شود .
- اکسی کلريد فسفریل: برای کاهش دمای واکنش در حین ساخت پیش سازه ، این مواد وارد واکنش می شود .
- گازفلوئور : برای کاهش ضریب شکست شیشه در ناحیه غلاف استفاده می شود .
- گاز هليم : برای نفوذ حرارتی و حباب زدایی در حین واکنش شیمیایی در داخل لوله مورد استفاده قرار می گیرد.
-گاز کلر: برای آب زدایی محیط داخل لوله قبل از شروع واکنش اصلی مورد نیاز است .

مراحل ساخت
+ مراحل سیقل حرارتی: بعد از نصب لوله با عبور گاز های کلر و اکسیژن ، در درجه حرارت بالاتر از 1800 درجه سلسیوس لوله صیقل داده می شود تا بخار اب موجود در جدار داخلی لوله از ان خارج شود.
+ مرحله اچینگ: در این مرحله با عبور گازهای کلر، اکسیژن و فرئون لایه سطحی جدار داخلی لوله پایه خورده می شود تا ناهمواری ها و ترک های سطحی بر روی جدار داخلی لوله از بین بروند .
+ لایه نشانی ناحیه غلاف : در مرحله لایه نشانی غلاف ، ماده تترا کلرید سیلیسیوم و اکسی کلرید فسفریل به حالت بخار به همراه گاز های هلیم و فرئون وارد لوله شیشه ای می شوند ودر حالتی که مشعل اکسی هیدروژن با سرعت تقریبی 120 تا 200 میلی متر در دقیقه در طول لوله حرکت می کند و دمایی بالاتر از 1900 درجه سلسیوس ایجاد می کند ، واکنش های شیمیایی زیر ب دست می آیند.

ذرات شیشه ای حاصل از واکنش های فوق به علت پدیده ترموفرسیس کمی جلوتر از ناحیه داغ پرتاب شده وبر روی جداره داخلی رسوب می کنند و با رسیدن مشعل به این ذرات رسوبی حرارت کافی به آنها اعمال می شود به طوری که تمامی ذرات رسوبی شفاف می گردند و به جدار داخلی لوله چسبیده ویکنواخت می شوند.بدین ترتیب لایه های یشه ای مطابق با طراحی با ترکیب در داخل لوله ایجاد می گردد و در نهایت ناحیه غلاف را تشکیل می دهد.

مزاياي فيبر نوري
1- انتقال اطلاعات در فيبر نوري بسيار بالا و در حد سرعت نور مي باشد
2- فيبر هاي نوري از عوامل طبيعي كمتر تاثير مي پذيرند بدين صورت كه ميدان هاي مغناطيسي و يا الكتريكي شديد بر آن هيچ تاثيري نمي گذارد
3- به دليل عدم تاثير پذيري عواملي چون ميدان هاي مغناطيسي مي توان آن را در كنار كابلهاي فشار قوي استفاده كرد
4- توليد آن مقرون به صرفه است به طوري كه حتي از كابلهاي مسي كه هم اكنون براي انتقال اطلاعات استفاده مي شود مقرون به صرفه تر مي باشد
5- به دليل تضعيف بسيار كم شعاع نوري در فيبر نوري نيار به تقويت كننده هاي بين راهي در مسافت هاي طولاني بسيار كمتر از كابلهاي كواكسيال مي باشد

معايب فيبر نوري
1- از فيبر نوري فقط مي توان براي انتقال اطلاعات آن هم به صورت شعاع هاي نوري استفاده كرد و نمي توان براي انتقال الكتريسيته استفاده نمود
2- اتصال دو فيبر نوري به يكديگر بسيار مشكل و وقت گير مي باشد و نياز به دانش فني خاص خود را دارد
3- نمي توان چند شعاع نوري را به طور همزمان انتقال داد .

 

مرجع سایت :    http://blog.robot.ir/mollasadra

مقدمه ای بر لیزر

مقدمه ای بر لیزر

ليزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است.
اولين ليزر جهان توسط تئودور مایمن اختراع گرذيد و از ياقوت در ان استفاده شده بود در سال ۱۹۶۲ پرو فسورعلی جوان اولين ليزر گازی را به جهانيان معرفی نمود وبعدها نوع سوم وچهارم
ليزرها که ليزرهای مايع ونيمه رسانا بودند اختراع شدند.در سال ۱۹۶۷ فرانسویان توسط اشعه لیزر ایستگاههای زمینی شان دو ماهواره خود را در فضا تعقیب کردند بدین ترتیب لیزر بسیار کار بردی به نظر امد.
نوری که توسط ليزر گسيل می گردد در يک سو وبسيار پر انرژی و درخشنده است که قدرت نفوذ بالايی نیز دارد بطوريکه در الماس فرو ميرود . امروزه استفاده از ليزر در صنعت بعنوان جوش اورنده فلزات و بعنوان چا قوی جراحی بدون درد در پزشکی بسيار متداول است.
لیزرها سه قسمت اصلی دارند:
۱-پمپ انر ژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپ اپتیکی یا شیمیا یی و یاحتی یک لیزر دیگر باشد
۲- ماد پایه وفعال که نام گذاری لیزر بواسطه ماده فعال صو رت می گیرد
۳- مشدد کننده اپتیکی : شامل دو اینه بازتابنده کلی و جزئی می باشد
طرز کار یک لیزر یاقوتی:
پمپ انرژی در این لیزر از نوع اپتیکی میباشد ویک لامپ مارپیچی تخليه است(flash tube) که بدور کریستال یاقوت مدادی شکلی پیچیده شده(ruby) کريستال ياقوت نا خالص است و ماده فعال ان اکسید برم و ماده پایه ان اکسید الو مینم است.
بعد از فعال شدن این پمپ انرژی کریستال یا قوت نور باران می شودو بعصی از اتمها رادر اثرجذب القایی-stimulated absorptionبرانگیخته کرده وبه ترازهای بالاتر می برد.

پدیده جذب القایی: اتم برانگیخته = اتم+فوتون

با ادامه تشعشع پمپ تعداد اتمهای برانگیخته بیشتر از اتمهای با انرژی کم میشود به اصطلاح وارونی جمعیت رخ می دهد طبق قانون جذب و صدور انرژی پلانک اتمهای برانگیخته توان نگهداری انرژی زیادتر را نداشته وبه تراز با انرژی کم بر میگردند وانر ژی اصافی را به صورت فوتون ازاد می کنند که به این فرایند گسیل خودبخودی گفته می شودولی از انجایی که پمپ اپتیکی
مرتب به اتمها فوتون می تاباند پدیده دیگریزودتر اتفاق می افتد که به ان گسیل القایی-stimulated emission گفته می شود همانطور که در شکل انیمیشین زیر می بینید وقتی یک فوتون به اتم برانگیخته بتابد ان را تحریک کرده وزودتر به حالت پایه خود بر می گرداند.

گسیل القایی: اتم+دو فوتون = اتم برانگیخته+ فوتون

این فوتونها دوباره بعضی از اتمها را بر انگیخته میکنند و واکنش زنجیر وار تکرار می شود.
بخشی از نور ها درون کریستال به حرکت در می ایند که توسط مشددهای اپتیکی درون کریستال برگرداننده می شوند واین نورها در همان راستای نور اولیه هستد بتدرج با افزایش شدت نور لحظه ای می رسد که نور لیزر از جفتگر خروجی با روشنایی زیاد بطور مستقیم خارج می شود .

ماهيت ذره ای بودن نور :

اسحاق نيوتن در سال ۱۶۷۲نظريه ذره ای بودن نور را ارائه داد وی معتقد بود که يک منبع نور ذرات نور را با سرعت ثابت روی خط راست گسيل می کند وهنگامی که اين ذرات به شبکيه چشم برخورد نمايند چشم قادر به ديدن خواهد بود وی برای اثبات نظريه خود ازمايش اتاق تاريک را انجام داد بعدها انيشتين نيز با ازمايش اثر فتوالکتريک ومعرفی فوتون بعنوان ذرات نور مهر تاييدی بر نظريه ذره ای نيوتن زد

نظريه موجی نور:

کريستيان هويگنس فيزيکدان هلندی ماهيت نور را موجی دانست وپخش وبازتابش نور نور وشکست نور را نشانه موجی بودن نور می دانست.سپس توماس يانگ با استفاده ازمايش پراش نور در شکاف مصاعف توانست طول موج نور را اندازه گيری نمايدوبين ترتيب ماهيت موجی نور نيز اثبات گرديد.

جنس امواج نور:

امواج نور از نوع امواج الکترو مغناطيسی است که برای انتشار احتياج به محيط مادی ندارد يک موج الکتر مغناطيسی ترکيبی است از دو ميدان عمود برهم الکتريکی  و مغناطيسی که در شکل زير به ترتيب با موجهای زرد رنگ و ابی رنگ نشان داده شده است

خواص امواج الکترو مغناطيسی نور:

۱- نوردر خلاء دارای سرعت ثابت ۳۰۰۰۰۰کيلومتر برساعت هستند که بالاترين سرعت است

۲- نورهای مختلف  دارای طول موجهای مختلف وشدت نور متفاوت هستند

۳-سرعت نور درمحيط های شفاف مختلف تغيير ميکند

طيف الکترومغناطيسی نور سفيد:

همانطور که در شکل زير ديده می شود نور قرمز دارای بيشترين طول موج۷۰۰نانومتر ونور بنفش دارای کمترين طول موج ۴۰۰ نانومتر می باشند

=c / f

 

همانطور که در فرمول فوق می بينيد هر چقدر طول موج کمتر  بسامد يا فرکانس بيشتر است وطبق فرمول  انرژی فوتونهای نور انيشتين  E=nhf انرژی نيز بيشتر خواهد شد به همين علت پرتوهای نوری بنفش پر انرژی تر از پرتوهای نور قرمز هستند   (n=تعداد فوتونهاو h=ثابت پلانک هست)