لیزرهای بر پایه ی محیط بهره حالت جامد معمولا بلورها یا شیشه های آلاییده با یون هستند. لیزرهای حالت جامد لیزرهایی هستند که محیط بهره آنها موادی مثل شیشه ها یا بلورهایی است که با یون های خاکی نادر یا یونهای فلزی واسط(transition metal) آلاییده شده اند یا لیزرهای نیمه هادی هستند.( اگرچه لیزرهای نیمه هادی در اصل دارای اجزای حالت جامدی است، ولی اغلب زیرمجموعه ی لیزرهای حالت جامد نمی شوند).

آشنایی با لیزر

امتیاز کاربران

ستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعالستاره فعال
 

 لیزر منبع نوری است که در بسیاری آزمایشهای اپتیکی مورد استفاده قرار می گیرد. لیزرهای متنوعی تولید شده اند و برخی از آنها در اختیار عموم هم قرار گرفته است و در بازار عمومی عرضه می شود. لیزر پوینتر از آن جمله است. لیزرهای حالت جامدی که یون در آن آلاییده شده است ( بعضی مواقع همچنین به لیزرهای عایق دوپ شده نیز نامیده می شوند)، می توانند در قالب لیزرهای حجمی (Bulk lasers)، لیزرهای فیبری یا دیگر لیزرهای موجبر ساخته شوند. لیزرهای حالت جامد می توانند توان های خروجی بین چند میلی وات و ( در انواع توان بالا) چندین کیلو وات تولید کنند.

 دمش اپتیکی و ذخیره سازی انرژی 

دمش بیشتر لیزرهای حالت جامد با فلش لامپ ها یا لامپ های قوسی و به صورت اپتیکی صورت می‌گیرد. این چنین منابع دمش  نسبتا ارزان قیمت هستند و می توانند توان های خیلی بالایی را فراهم آورند. گرچه آنها دارای بازده توان نسبتا پایین، طول عمر متوسط و اثرات دمایی زیادی مثل عدسی سازی گرمایی در محیط بهره هستند. برمبنای چنین دلایلی، لیزرهای دیودی اکثرا برای دمش لیزرهای حالت جامد استفاده می شوند. این چنین لیزرهای حالت جامد دمش دیودی ( لیزرهای DPSS، همچنین معروف به لیزرهای تماما حالت جامد) مزایای زیادی مثل چیدمان جمع و جور، طول عمر بالا و کیفیت باریکه ی خیلی خوب در اغلب آن ها، دارند. بنابراین بازارهای آن ها به شدت فزاینده‌ای رو به گسترش است.

گذارهای لیزری بلورها یا شیشه های آلاییده با خاک های نادر یا فلزات واسطه معمولا گذارهای مجاز خیلی ضعیف هستند. به عبارت دیگر، گذارهایی با قدرت نوسان خیلی کم که منجر به طول عمر گسیل تراز بالای طولانی می شود( دارای طول عمر تراز بالای میکروثانیه یا میلی ثانیه می باشند). به عنوان مثال، یک بلور لیزر که تحت دمش با توان 10وات است و طول عمر تراز بالایی 1 میلی ثانیه دارد می تواند انرژی در حدود 10 میلی ژول ذخیره کند. اگرچه ذخیره انرژی برای تولید پالس نانوثانیه مفید است ولی همچنین در لیزرهای موج پیوسته زمانی که منبع دمش روشن می شود می تواند منجر به پدیده غیر مطلوب اسپایک(spiking phenomena) شود.

 

تولید پالس

طول عمر بالای تراز بالایی لیزر، لیزرهای حالت جامد را برای Q سوئیچ مناسب می سازد: بلور لیزر می تواند به راحتی یک مقدار از انرژی را که در موقع پالس نانوثانیه آزاد می کند را ذخیره کند و این منجر به بیشینه توان با چندین مرتبه بالاتر از توان میانگین بدست آمده می شود. بنابراین لیزرهای حجیم می توانند به پالس هایی با انرژی میلی ژول و بیشینة توان مگاوات برسند.

در عملکرد قفل مدی، لیزرهای حالت جامد می توانند پالس های فوق کوتاه با پهنای اندازه گیری شده ی پیکوثانیه یا فمتوثانیه( کمترین 5 فمتوثانیه، بدست آمده از لیزر تیتانیوم سافایر) تولید کنند. در مورد قفل مدی انفعالی اگر با محاسبات مناسب Q سویچ های ناپایدار حذف نشوند آنها تمایل به ناپایداری Q سویچ دارند.

کوک پذیری طول موجی 

در مورد قابلیت کوک پذیری طول موج، انواع دیگر لیزرهای حالت جامد موجود است. اکثر بلورهای لیزری که دارای آلایش عناصر خاکی کمیاب هستند، مانند Nd:YAG،Nd:YVO4 پهنای باند نسبتا باریکی در حدود 1 نانومتر یا کمتر دارند، بنابراین کوک پذیری تنها در بازه ی نسبتا محدودی امکان پذیر است. به بیان دیگر، محدودة کوک پذیری ده ها نانومتر و بیشتر با شیشه های دارای آلایش عناصر خاکی کمیاب و به خصوص بلورهای دارای آلایش فلزات واسطه مثل یاقوت تیتانیوم(Ti:sapphire) ، Cr:LiSAF وCr:ZnSe( لیزرهای ارتعاشی) امکان پذیر است.

انواع لیزرهای حالت جامد

نمونه‌هایی از انواع مختلف لیزرهای حالت جامد عبارت است از:

• لیزرهای کوچک دمش دیودی Nd:YAG(لیزرهای YAG) یا لیزهای Nd:YVO4( لیزرهای وانادات) غالبا با خروجی توان بین چندین میلی وات ( برای چیدمان های خیلی کوچک) و چندین وات، کار می کنند. نوع Q سوییچ شدة‌ آنها، پالس هایی با پهنای چندین نانوثانیه، انرژی پالس میکروژول و بیشینة توان چندین کیلو وات تولید می کند.

• عملکرد تک فرکانسی، معمولا در لیزرهای حلقه ای یکجهته(unidirectional ring lasers) ( به عبارت دیگر نوسانگرهای حلقه ای غیر تخت NPROS) یا لیزرهای میکروچیپ که امکان کار در پهنای باند خیلی کوچک و در ناحیه کمتر از کیلو هرتز را فراهم می کنند.

• لیزرهای بزرگتر در چیدمان های دمش از کنار یا دمش از انتها که دارای هندسه لیزرهای میله‌ای، لیزرهای تیغه‌ای یا لیزهای دیسک نازک هستند برای توان های خروجی تا چندین کیلو وات مناسب هستند. بخصوص لیزرهای دیسک نازک که ارائه دهنده کیفیت باریکة بسیار خوب و همچنین بازده توان بالا هستند.

• لیزرهای Nd:YAG به صورت Q سوییچ هنوز در انواع دمش لامپی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد. دمش پالسی منجر به پالس های با انرژی بالا می شود گرچه توان میانگین خروجی اغلب آنها متوسط است( به عبارت دیگر چند وات است). قیمت یک چنین لیزرهای دمش لامپی از انواع دمش دیودی با توان مشابه کمتر است.

• لیزرهای فیبری یک نوع خاص از لیزرهای حالت جامد هستند که دارای میانگین توان خروجی بالا، کیفیت باریکه ی خوب و کوک پذیری طول موجی وسیع هستند.


نکاتی درباره لیزر سبز و پایه:

لیزری که برای آزمایشهای عمومی توصیه می شود باید کم خطر و با نور کافی برای دیدن باریکه لیزر باشد ولی لیزر سبز بخصوص در توان بالا خطرناک محسوب می شود و نیاز به دقت در استفاده است. لیزر برای آنکه از یک وسیله بازی به وسیله آزمایشگاهی تبدیل شود باید روی پایه مناسب نصب شود.

معرفی لیزر و پایه موجود:

لیزر موجود از نوع لیزر حالت جامد است که با لیزر دیودی پمپ می شود و طول موج آن با روشهای غیر خطی نصف شده است و 532 نانومتر است. این لیزر به صورت پوینتر با باتری است و عدسی آن قابل تغییر نیست. لیزر روی پایه ای برای ثابت کردن قرار گرفته است که قابلیت تنظیم ندارد و لیزر را در ارتفاع ثابت می تاباند.

 ملاحظات استفاده:

  • از آنجا که نگاه کردن به تابش این نوع لیزر می تواند به چشم آسیب برساند، در بکارگیری این لیزر دقت کنید و مطمئن باشید که با اصول ایمنی لیزر آشنا هستید.
  • قطعه را در معرض نور مستقیم خورشید و گرمای بیش از حد قرار ندهید.
  • به قطعه فشار نیاورید و به آن ضربه نزنید.
  • پایه لیزر دارای یک آهنربا است در صورت داشتن هرگونه ملاحظه ای دقت فرمایید.
  • اگر لیزر مدتی انبار شده باشد و خصوصا اگر دمای انبار پایین باشد نیاز به زمان برای رسیدن نور به تعادل دارد.
  • نمونه آزمایشهایی که از این قطعه استفاده می کند:
  • در بسیاری آزمایشهای اپتیکی از لیزر بخاطر جهت مندی باریکه آن استفاده می شود. از لیزر سبز بخصوص برای تحریک فلورسانس استفاده می شود.

 


 

فاصله یاب لیزری چیست؟

دانستن فاصله دقیق هدف برای انجام عملیات بر روی آن بسیار ضروری است و باعث افزایش دقت در هدف گیری می‌شود. تکنیک های اندازه‌گیری فاصله برای مشخص کردن مکان، اندازه یا نحوه حرکت هدف بکار می‌روند. تکنیکهای اندازه گیری سه بعدی می‌تواند برای شناسائی هدف، جهت‌گیری آن در فضا و یا محاسبه تعداد اشیاء به کار می‌رود.

روشهای اندازه‌گیری بدون تماس با شیئ عبارتند از آکوستیکی، التراسونیکی، RF، اپتیکی (که شامل روشهای متعددی مانندTOF  میباشد) در تمام این روشها اصل پایه آن است که یک سیگنال به طرف هدف رفته و بعد از بازگشت با استفاده از خصوصیات پرتوی بازتاب فاصله محاسبه شود. در حال حاضر از لیزرهای دیودی و حالت جامد برای این منظور استفاده می‌شود که بدلیل کوچک و سبک بودن بسیار مناسب هستند.

برای استفاده از لیزر بعنوان سیستم فاصله یاب مشخصه‌های تکفام بودن، واگرائی کم ، پالسهای کوتاه، شدت بالا (درخشندگی) دارای اهمیت خاصی هستند که در ذیل تاثیر هر کدام از آنها بر عملکرد سیستم توضیح داده می‌شود.

در ابتدا نحوه عملکرد سیستم را شرح می‌دهیم:

یک فاصله یاب از 4 بخش تشکیل شده است: چشمه لیزری (فرستنده)، قسمت جمع‌آوری نور برگشتی (گیرنده)، زمان‌سنج و سیستم پردازنده و نمایشگر، سیستم هدف گیری (دوربین و پایه).

یک پرتوی پالس موازی شده از لیزر به سمت هدف ارسال می‌شود هنگام ارسال پرتو قسمتی از آن به یک فوتو دیود برخورد کرده و تبدیل به یک پالس جریان شده که این پالس می‌تواند یک شمارنده زمان الکترونیکی را راه اندازی نماید. یکی از خصوصیات شمارنده زمان این است که می‌تواند شمارش را به محض رسیدن پالس خاتمه دهد بدون توجه به دامنه پالس ورودی، .شمارنده زمان می‌تواند دیجیتال باشد (TDC) مانند یک نوسانگر کوارتز یا آنالوگ (TAC) مانند یک خازن با مقاومت ثابت اما دقت شمارنده های دیجیتالی بیشتر است.

سپس پرتوهای بازتابیده شده از هدف توسط ادوات اپتیکی مناسب جمع آوری می‌شود بدلیل آنکه این پالسهای برگشتی بسیار ضعیف هستند توسط یک  PMT یا چند فوتو دیود (بدلیل آنکه از PMT ارزانتر و کم حجم تر هستند)  تقویت شده و جریان حاصل به شمارنده زمان الکترونیکی ارسال می‌شود که باعث اتمام شمارش می‌شود.

 در نهایت مدت زمان اندازه گیری شده به یک پردازنده منتقل شده و حاصلضرب نصف زمان اندازه گیری شده در سرعت نور را بعنوان فاصله تا هدف بر روی نمایشگر نشان می‌دهد. بدلیل ضعیف بودن پرتوهای برگشتی میبایست حتما از فیلترهای مناسب جهت حذف پرتوهای مزاحم و نویز های محیطی استفاده نمود.

 پارامترهای کارائی دستگاه:

معمولا خطاهای اندازه گیری بدلیل تغییر در شکل پالس و دامنه ویا بدلیل تاخیرات اپتیکی و الکتریکی سیگنالها اتفاق می‌افتد نویزها می‌توانند باعث این تغییرات شوند. منابع ایجاد نویزها می‌تواند منبع تغذیه لیزر، جریان فوتو دیود، نویزهای کوانتومی، نویزهای بوجود آمده بدلیل تقویت آبشاری الکترونها در تقویت کننده ها و در آخر نویزهای محیطی باشند.

  1. رزولوشن: کمترین تغییر فاصله قابل اندازه گیری که به فاکتورهائی مانند وضوح اپتیکی یا پهنای عقربه نمایشگر (نمایشگرهای عقربه ای) یا تعداد اعداد قابل نمایش در سیستم دیجیتالی و دقت شمارنده و غیره بستگی دارد.
  2. تکرار پذیری: خطای تصادفی اندازه گیری در چندین اندازه گیری برای یک فاصله ثابت.
  3. خطای پیمایش: خطائی که بدلیل تفاوت فاصله های مختلف در اندازه گیری ، جنس هدف و... بوجود می آید.
  4. غیر خطی بودن: خطائی که بدلیل انحراف از خط راست (خط واصل بین اندازه گیرنده و هدف که بر روی زمین قرار گیرد یا بعبارتی فاصله طولی بدون در نظر گرفتن ارتفاع هدف ) در هدف گیری بوجود می‌آید.
  5. صحت: صحت اندازه گیری در برگیرندة تمام خطاهای آماری و غیر آماری مانند کالیبراسیون ،شرایط آب و هوائی مانند رطوبت و دما و ... است.
  6. اما تاثیر هر کدام از ویژگیهای پرتو بر روی عملکرد سیستم بشرح ذیل است:
  7. تکفامی: از آنجا که پرتوهای برگشتی بسیار ضعیف هستند ممکن است پرتوهای موجود در فضا باعث اختلال در محاسبه دقیق فاصله شوند لذا باید از فیلترهای مناسب استفاده کرد تا فقط به پرتوی لیزر اجازه تقویت داده شود در نتیجه بدلیل تکفام بودن می‌توان فیلتری انتخاب کرد که پهنای طیفی عبور آن بسیار نازک باشد تا شدت حاصل از طول موجهای محیطی نسبت به طول موج لیزر به شدت کاهش یابد.
  8. واگرائی کم: برای مشخص کردن فاصله دقیق هدف باید مطمئن باشیم که پرتوهای گردآوری شده حتما از هدف بازتاب شده اند نه از موانع دیگر این مستلزم آنست که پرتو دقیقا بر روی هدف تابانده شود و تا حد امکان قطر لکه در آن فاصله آن قدر بزرگ نباشد که در مسیر به موانع برخورده و باز گردد.
  9. شدت بالا: برای اندازه گیری اهداف در فاصله زیاد باید شدت پرتو به حدی باشد که نور بازگشتی بتواند توسط قسمت جمع آوری کننده تقویت شود.
  10. پهنای پالس: پهنای زمانی زیاد می‌تواند با تاثیر گذاشتن بر شمارنده زمان باعث خطا در مقدار اندازه گیری شود (البته سرعت فوتو دیود یا دقت شمارنده زمان هم تاثیر گذار است).

در حال حاضر از لیزرهای پالسی Nd:YAG با پهنای پالس حدود 5 تا 15 نانومتر با انرزیهای تا 1 ژول برای اهداف دور (تا حدود30 کیلومتر و خطای 1 متر) استفاده میشود.(Newcon-optik) برای فواصل نزدیکتر بیشتر از لیزرهای QCW نیمه هادی استفاده می‌شود.