کاربردهای لیزر

کاربردهای لیزر

اسلاید 1: به نام خدا

اسلاید 2: Life is like riding a bicycle, to keep your balance, you must keep moving!زندگی مثل دوچرخه سواری است. اگر حرکت نکنی، تعادلت را از دست می دهی!

اسلاید 3: کاربرد های لیزرشبنم ندری فردمریم خاتمی

اسلاید 4: تاریخچه کاربرد صنعتی کاربرد پزشکی کاربرد نظامی

اسلاید 5: تاریخچهواژه لیزر، راس کلمه‌های عبارتLASER:Light Amplification by Stimulated Emission of Radiationبه معنی «تقویت نور به روش گسیل القایی تابش» است. مبانی نظری لیزر را آلبرت اینشتین در سال 1916 میلادی طی مقاله‌ای مطرح کرد، ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعت و فناوری امکان ساخت اولین لیزر را فراهم کند. در سال 1953چارلز تاونز، میزر(تقویت کننده ی موج میکروویو) را اختراع کرد.

اسلاید 6: تاونز، نام میزر را که ازابتدای نام حروف MASER:Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation تشکیل شده بود برای آن برگزید. اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکول های آمونیاک ساخته شد. تاونز می‌خواست آزمایشات خود را حول جایگزینی نور مرئی به جای مادون قرمز ادامه دهد و هم‌ زمان این امر بین آزمایشگاه‌های مختلف در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد. عبارت لیزر در همان زمان در مقاله‌ای از گوردون هولد، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و در سال 1960 اولین لیزر(که لیزر پالسی یاقوت بود) و با موفقیت کار کرد توسط تئودور میمن ساخته شد.اولین لیزرگازی(هلیوم- نئون که لیزری پیوسته کار بود) در سال 1961 توسط علی جوان ساخته شد.

اسلاید 7: Theodore Maiman Ali Javan

اسلاید 8: کاربردهای صنعتیکاربرد لیزر در جداسازی ایزوتوپ ها ایجاد گداخت هسته ای بوسیله ی لیزر فلزکاری با لیزر جوشکاری با لیزر سخت سازی برش با لیزر سوراخ کاری و مصارف دیگر

اسلاید 9: کاربرد لیزر در جداسازی ایزوتوپ هااهمیت ایزوتوپ ها: کاربرد آنها در پزشکی، صنعت، نظامی و مسائل علمی جداسازی اورانیوم 235 از 238 : روش متداول: استفاده از اختلافی که در خواص فیزیکی- جرم - این دو ایزوتوپ وجود دارد. مثل روش پخش گازی، روش مرکز گريزی گازی، تقطیر چندگانه و جداسازی الکترومغناطیسی.

اسلاید 10: با استفاده از لیزر: ایزوتوپ ها ی مختلف يك اتم يا مولكول از نظر ترازهای انرژی اندکی با هم تفاوت دارند ولذا طیف جذبی آنها نیز قدری متفاوت خواهد بود. بنابراين ایزوتوپ های مختلف در فرکانس های متفاوتی تابش موج الکترومغناطیسی را جذب می کنند. در نتیجه، تابشی با فرکانس بخصوص می تواند به صورت انتخابی ایزوتوپ مورد نظر را به ترازهای انرژی بالاتر برانگیزد و در عین حال سایر ایزوتوپ ها را دست نخورده باقی بگذارد. اگر خطوط دوایزوتوپ برهم منطبق شوند،جداسازی امکان پذیر نیست. خطوط طیفی نمونه ها در فاز گازی کمترین پهنا را دارند.

اسلاید 11: روش های مختلف جداسازی: فوتویونش دو مرحله ای اتم تجزیه ی فوتونی دو مرحله ای پیش تجزیه ی فوتونی واکنش شیمیایی مولکول های برانگیخته تجزیه ی فوتونی چند مرحله ای در طول موج در ناحیه ی فروسرخ

اسلاید 12: ایجاد گداخت هسته ای بوسیله ی لیزر رآکتورهای شکافت: شکسته شدن اورانیوم برای رهاشدن انرژی هسته ای رآکتورهای گداخت: فشردن عناصر سبک -دوتریوم و تریتیوم- برای ایجاد انرژی (مستلزم ایجاد دمایی بیش از 100 میلیون کلوین) D + T  4He + n + Energy برای آنکه بتوان دمای محفظه های- ساچمه ی میکرونی- حاوی ایزوتوپ های فوق را بالا برد از لیزرهای پرقدرت استفاده می شود. ليزرهای مورد استفاده: ليزر شيشه: Nd ، ليزر 2CO .

اسلاید 13:

اسلاید 14: فلزکاری با لیزر اثر تابش لیزری روی مواد باریکه لیزر را می توان توسط یک سیستم نوری به قطر حدود μm 100-10 روی ماده متمرکز کرد. که باعث ایجاد شدت بسیار بالای نوری در نقطه ی کوچکی روی ماده خواهد شد. مثلا اگر لیزر پیوسته کاری به توان kW 1 در نقطه ای به قطر μm 100 کانونی شود، شدت درنقطه ی کانونی شده 2cm/W 107 می شود. اگر شدت باریکه ی نوری 2cm/W 105 باشد جسم جامد شروع به ذوب شدن می کند. با جذب بیشتر انرژی در ماده مرز بین مذاب و جامد به تدریج به درون ماده نفوذ می کند. سطح مذاب نیز افزایش یافته بدین ترتیب انتقال گرما از طریق هدایت گرمایی به لایه های عمیق تر ماده شدت می یابد تا بالا خره به حالت پایا نزدیک شود.

اسلاید 15: اگر شدت باريكه را بيشتر انتخاب كنيم، ماده به نقطه ی جوش می رسد و تبخير صورت می گيرد، ماده ی تبخير شده روی سطح حفره هايی را بوجود می آورد و با افزايش تبخير حفره ها به روزنه های بزرگتری تبديل می شوند. لیزرهایی که غالبا برای فلزکاری به کار برده می شوند: 2CO ،Nd:YAG ، لیزر یاقوت ، لیزرهای اگزایمرکاربردهای فلزکاری: سوراخ کاری، برش، لحیم کاری، حکاکی، سخت سازیكاربرد ليزر درسایرمواد: سرامیک، عایق ها، فیبرها، شیشه، الماس، پارچه، کاغذ و....

اسلاید 16: جوشکاری با لیزرجوشکاری های معمولی: جوشکاری با قوس الکتریکی، مقاومتی، باریکه ی الکترونی

اسلاید 17: جوشکاری لیزری جوشکاری توسط پرتو لیزر در تولیدات صنعتی به شکل روزافزونی در حال گسترش است و دامنه ی استفاده آن از میکرو الکترونیک تا کشتی سازی گسترده شده است. جوشکاری لیزری بدون تماس اجرا می شود پس هیچ ناخالصی به محل جوش وارد نخواهد شد. برخلاف جوشکاری با باریکه ی الکترونی که در خلا اجرا می شود، جوشکاری لیزری را می توان در هوا انجام داد. جوش دادن نقاط غیر قابل دسترس را امکان پذیر می سازد. بسیار سریع است و در امتداد خطی که منظورجوشکاری آن است، ذوب شدگی بسیار دقیقی را می توان ایجاد کرد. نقاط گرما دیده بسیار کوچک است و این ویژگی، جوشکاری در نزدیکی مولفه های حساس به گرما(مثل الكترونيك ميكرونی) را میسر می سازد.

اسلاید 18: تكنيک های جوشكاری جوش نقطه ای: با لیزرهای تپی قدرت متوسط حالت جامد. (برای جوشکاری دقیق در نقاطی که به گرما حساس اند: اتصال سیم های مسی به همدیگر، اتصال قطعات میکروالکترونی)جوش درزی: با لیزرهای پرقدرت-با توان چند صد وات- موج پیوسته و تپی تکرارپذیر Nd: YAG و 2CO. (برای اتصال استیل به اره ی فلزبر، اتصال پره های توربین گازی) کاربرد ها:بستن در قوطی کنسرو، اتصال ورقه های تیتانیوم و آلومنیوم، اتصال خطوط لوله به همدیگر، جوشکاری بدنهٔ اتومبیلها، قسمت‌های حمل و نقل، مبادله کننده‌های حرارتی.

اسلاید 19: سخت سازی با لیزر باریکه ی لیزر با توان زیاد در برخورد با سطوح موجب گرم شدن سریع سطوح می شود. با حرکت دادن باریکه به نقطه ی دیگری از سطح، نقطه ای که گرما دیده است به سرعت سرد می شود.برای سخت کردن نقاطی از سطح که آسیب پذیر هستند. مثلا در صنایع خودروسازی: سخت کردن پیستون، سوپاپ ها، دنده ها و...ليزربرای تشکیل آلیاژ سطحی: پودر آلیاژ روی سطح فلز نشانده می شود. وقتی باریکه ی لیزر سطح را گرم می کند، پودر وسطح قطعه ذوب شده و مخلوط می شوند. لیزر 2CO موج پیوسته با توان kW 1

اسلاید 20: برش با لیزر مواد متنوعی را می توان با لیزر برش داد: پارچه، کاغذ، چوب، شیشه، سرامیک، ورقه ها ی فلزی. برش لیزری بسیار دقیق و ظریف است و سرعت بالایی هم دارد. تغییر شکل مکانیکی و صدمه دیدگی حرارتی در قطعه، مینیموم است. برش را می توان در 2 یا 3 بعد اجرا کرد. توان مورد نیاز به نوع ماده بستگی دارد.

اسلاید 21:

اسلاید 22: سوراخ کاری با لیزرچون از ابزار مکانیکی مثل مته استفاده نمی شود، نگرانی کند شدن مته یا شکستن آن وجود ندارد. با قطرهای کوچک می توان عمق سوراخ بلندی را ایجاد کرد. سرعت بسیار زیادی دارد.لیزر2CO برای سوراخ کاری فلزی و غیرفلزی(شیشه، پلاستیک، سرامیک) لیزرNd: YAG فقط بوسیله ی فلزات به خوبی جذب می شود و به دلیل توان محدودش، در کارهایی که نیازمند دقت بالا و کمترین آسیب حرارتی مواد هستند کاربرد دارد: جوشکاری اجزای میکرو الکترونی و سوراخ کردن مواد سختی مثل الماس و یاقوت

اسلاید 23:

اسلاید 24: مصارف دیگرلیزرهای نیم‌هادی بطورگسترده ای برای ضبط و بازخوانی اطلاعات در لوح فشرده (CD , DVD) مورد استفاده قرار می‌گیرند.هنگام ضبط دیسک فشرده صوتی هر صدا به یک کد دیجیتال تبدیل می شود. این کد توسط لیزر به صورت میلیون ها حفره میکروسکوپی روی دیسک فشرده حک می شود. وقتی دیسک باز نواخته می شود یک پرتو لیزر در داخل دستگاه روی دیسک حرکت می کند. یک آشکارساز که با سیستم مربوط است، پالس هایی را که نماینده الگوی حفره های حک شده بر روی دیسک است ایجاد می کند. مدارهای الکترونیکی دستگاه دیسک این پالس ها را به نسخه ای از موسیقی اصلی تبدیل می کند.

اسلاید 25: در فروشگاه ها : از لیزرهای کم توان برای خواندن کد میله ای(بار کد) روی کالاها استفاده می شوند. این کد از یک سری خطوط سیاه با ضخامت متغیر تشکیل می شود. نواحی سیاه پرتو لیزر را جذب و نواحی سفید آن را منعکس می کنند. جلوه های ویژه در کنسرت های موسیقی پرینترهای لیزری پویینترهای لیزری برای نوشتن زیرنویس فیلم ها روی پرده ی سینما لیزر برای ترازکردن های خطی در کارهای ساختمانی انواع مختلفی از روش های تداخل سنجی

اسلاید 26: هولوگرافیانبرک نوری لیدار، بررسی آلودگی های جوی در نجوم به عنوان لیزر های راهنمای مکان ستارگان ارتباطات نوری(از طریق فیبر نوری یا ارتباطات فضایی)

اسلاید 27: لیزر در پزشکی جراحی چشم پزشکی بیماری های دهان و دندان درماتولوژی بیماری های عضلانی و اورتوپدی حوزه ی عصبی بیماری های عروقی گوش و حلق و بینی

اسلاید 28: جراحی در سال 1964 اولین لیزر با کاربرد چاقوی جراحی ساخته شد. در جراحی ها اکثرا از لیزر 2CO استفاده می شود. باریکه ی فروسرخ لیزر 2CO بوسیله ی مولکول های آب موجود در بافت جذب می شود و موجب تبخیر سریع این مولکول ها و در نتیجه برش بافت می شود. لیزر به عنوان چاقوی جراحی نه تنها عمل برش را انجام می دهد بلکه موجب جوش خوردن رگ های بریده شده هم می شود. برای کنترل خونریزی (با سوزاندن موضعی رگ های خونی درحین عمل جراحی). بنابراین از لیزر درجراحی هایی که بیمار دارای انعقاد خونی ضعیفی است استفاده می شود.چون جراحی با لیزربدون تماس است کاملا استرلیزه خواهد بود.جراحی با لیزر تپی بدون درد انجام می گیرد.

اسلاید 29: امروزه لیزر در درمان برخی سرطانها نیز استفاده می‌شود.در تبخیر غده های بدخیم : با انتخاب مناسب طول موج لیزر، تبخیر فقط شامل نقاطی می شود که هدف، از بین بردن آنهاست. و بافت های سالم ،مصون نگه داشته می شوند(به علت ضریب جذب متفاوت بافت های سالم و ناسالم). امکان عمل در نواحی غیر قابل دسترس. بنابراین عملا هر ناحیه از بدن را که با یک  دستگاه نوری مناسب( مثلا عدسی ها و آینه ها) قابل مشاهده باشد می توان به وسیله لیزر جراحی  کرد.و فواید دیگری مثل: دقت در محدودۀ جراحی، کاهش زمان بهبودی، کاهش مصرف دارو، کنترل دقیق در اعمال جراحی. اما در مقابل این برتریها باید اشکالات زیر را هم در نظر داشت :الف)هزینه زیاد و پیچیدگی دستگاه جراحی لیزریب) سرعت کمتر چاقوی لیزری

اسلاید 30: چشم پزشکی در این مورد اغلب از لیزرهای +Ar ، +Kr یا لیزرهای رزینه ای استفاده می شود. نور سبز لیزر+Ar قادر است در بیماری های ته چشمی(جدا شدن شبکیه و یا خون ریزی داخل چشمی) به کار آید. نور پس از آنکه از عدسی چشم و زجاجیه عبور کرد(بدون آنکه در این نواحی جذب شود) روی سلول خونی شبکیه متمرکز می شود. به دلیل ضریب جذب بالای نواحی خونریزی شده در طول موج سبز لیزر+Ar، اثر حرارتی نور لیزر باعث اتصال مجدد شبکیه و یا سوزاندن رگ های خونریزی شده خواهد شد. این عمل با تپ های s0.01 انجام می شود و به علت کوتاهی زمان تپ دردی به همراه ندارد.

اسلاید 31: برای بیماری آب سیاه نیز از لیزر Nd:YAG استفاده می شود. دراین بیماری فشارمایع داخل چشم افزایش می یابد و برای عمل جراحی کافی است که با لیزر سوراخی به قطر 50 میکرون درعنبیه ایجاد کرد. از لیزرهای اگزایمر در برش قرنیه و برای درمان نزدیک بینی استفاده شده است. با این برش بسیار دقیق و ظریف قوه ی بینایی شخص تصحیح خواهد شد.

اسلاید 32: دندان پزشکی لیزر He-Ne یکی از کاربردهای جدید لیزر در دندانپزشکی تشخیص پوسیدگی های پنهان دندان است.دربسیاری از درمان های دندان پزشكی، لیزر با كاهش تعداد باكتریها در حفره ی دهان و كنترل خونریزی با دخالت بر انعقاد، سبب كاهش درد می گردد. این امر موجب می شود كه ضرورت استفاده از تزریق بی حسی كاهش یابد. همچنین لیزر مرحله ترمیم را تسریع کرده و از التهاب بعد از عمل می كاهد.

اسلاید 33: درماتولوژی درمان سوختگی ها، زخم های مقاوم به درمان، آکنه، اگزما، برداشتن ماه گرفتگی و خالکوبی، اقدامات پیشگیرانه مثل جلوگیری از پیر شدن پوست توسط لیزر امکان پذیر است.

اسلاید 34: بیماریهای عضلانی، اسکلتی و اورتوپدی: در درمان کشیدگی های تاندونی، رفع اختلالات موجود در اتصالات عضلانی و کمر دردها. در حوزه عصبی: درمان سردردها و میگرن. بیماریهای عروقی: درمان واریس های وریدی، ضایعات عروقی حاصل از بدو تولد. گوش و حلق و بینی : استفاده از لیزر در این شاخه از جراحی جذابیت خاصی دارد. زیرا با اعضایی مانند نای، حلق و گوش میانی سروکار دارد که به علت عدم دسترسی به آن ها جراحی معمولی مشکل است. شکستن سنگ کلیه، سوزاندن زخم های معده یا اثنی عشر با هدایت نور لیزر Nd: YAG توسط تار نوری به نواحی داخلی بدن. (آندوسکوپی)

اسلاید 35: کاربرد های نظامی فاصله یاب های لیزری علامت گذارهای لیزری سلاح های هدایت انرژی

اسلاید 36: فاصله یاب های لیزریفاصله یاب لیزری مبتنی برهمان اصولی است که در رادارهای معمولی از آنها استفاده می شود. یک تپ کوتاه لیزری(معمولا با زمان 10 تا 20 نانوثانیه) به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراکنده برگشتی بوسیله یک دریافت کننده مناسب نوری که شامل آشکارساز نوری است ثبت می شود. فاصله مورد نظر با اندازه گیری زمان پرواز این تپ لیزری به دست می اید.

اسلاید 37: چندین نوع از فاصله یاب های لیزری با بردهایی تا حدود km15 مورد استفاده اند: الف) فاصله یاب های دستی برای استفاده ی سرباز پیاده ب) سیستم های فاصله یاب برای استفاده در تانک ها ج) سیستم های فاصله یاب مناسب برای دفاع ضدهوایی

اسلاید 38: با فرستادن پرتوی لیزر به ماه و انعکاس آن توسط آینه نصب‌شده روی ماه توسط سفینه آپولو ، می‌توان فاصله ی دقیق زمین تا ماه رااندازه گرفت.

اسلاید 39: اولین لیزرهای که در فاصله یابی از آنها استفاده شد لیزرهای یاقوتی با سوئیچ Q بودند. امروزه فاصله یاب های لیزری اغلب بر اساس لیزرهای نئودمیم با سوئیچ Q طراحی شده اند. گرچه لیزرهای 2CO نوع TEA در بعضی موارد(مثل فاصله یاب تانک ها) جایگزین جالبی برای لیزرهای نئودمیم است. مزایای اصلی فاصله یاب لیزری: الف) وزن، قیمت و پیچیدگی آن به مراتب کمتر از رادارهای معمولی است. ب) توانایی اندازه گیری فاصله حتی برای هنگامی که هدف درحال پرواز در ارتفاع بسیار کمی ازسطح زمین و یا دریا باشد. اشکال عمده این نوع رادار در این است که باریکه لیزر در شرایط نامناسب رویت به شدت در جو تضعیف می شود .

اسلاید 40: علامت گذارهای لیزری لیزری که در یک مکان قرار گرفته است هدف را روشن می سازد. به خاطر روشنایی شدید نور هنگامی که هدف بوسیله یک صافی نوری با نوار باریک مشاهده شود به صورت یک نقطه روشن به نظر خواهد رسید. سلاح که ممکن است بمب، موشک، یا اسلحه منفجر شونده دیگری باشد بوسیله یک حسگر مناسب مجهز شده است. این حسگرمی تواند یک عدسی باشد که تصویر هدف را به یک آشکارساز نوری ربع دایره ای که سیستم فرمان حرکت سلاح را کنترل می کند انتقال می دهد و بنابراین می تواند آن را به سمت هدف هدایت کند. به این ترتیب هدف گیری با دقت بسیار زیاد امکان پذیر است.

اسلاید 41: دقت هدف گیری حدود 1متراز یک فاصله 10 کیلومتری است. معمولا لیزر از نوع Nd:YAG می باشد. در حالی که لیزرهای 2CO به خاطر پیچیدگی آشکارسازهای نوری(که مستلزم استفاده در دماهای سرمازایی است) نامناسب اند. علامت گذاری ممکن است از هواپیما، هلیکوپتر ویا از زمین انجام شود.

اسلاید 42: سلاح های هدایت انرژی اکنون کوشش قابل ملاحظه ای هم در آمریکا و هم در روسیه برای ساخت لیزرهایی که به عنوان سلاح های هدایت انرژی به کار می روند اختصاص یافته است. در مورد سیستم های قوی لیزری مورد نظر با توان در حدود مگا وات(حداقل برای چند ده ثانیه) یک سیستم نوری باریکه لیزر را به هدف(هواپیما، ماهواره یا موشک) هدایت می کند تا خسارت غیر قابل جبرانی به وسایل حسگر آن وارد کند و یا اینکه چنان آسیبی به سطح آن وارد کند که نهایتا در اثر تنش های پروازی دچار صدمه شود. اطلاعات موجود در این زمینه ها به علت سری بودن آن ها اغلب ناقص و پراکنده اند. مناسب ترین لیزرها برای اینگونه کاربرد ها احتمالا لیزرهای شیمیایی اند(DF یا HF). لیزرهای شیمیایی به ویژه برای سیستم های مستقر در فضا جالب اند زیرا توسط آن ها می توان انرژی لازم را به صورت انرژی ذخیره فشرده به شکل انرژی شیمیایی ترکیب های مناسب تامین کرد.

اسلاید 43: منابع Wikipedia.orgCorbis bioelec-society.com irbme.ir …لیزر و کاربردهای آن، اکبر حریری اصول لیزر، اوراسیو سوولتو، ترجمه ی اکبر حریری لیزر، اصول و کاربردها، ویلسون، ترجمه ی دکتر عباس بهجت اپتیک، پدروتی

اسلاید 44: با تشکر از: جناب آقای دکتر درودی جناب آقای رمضانی