Mini Ensiklopediya: Lazer Qaynaq Prinsipi və Proses Tətbiqləri
Enerji Səviyyələri
Maddə atomlardan, atomlar isə nüvə və elektronlardan ibarətdir. Elektronlar nüvə ətrafında fırlanır. Atomdakı elektronların enerjisi təsadüfi deyil.
Mikroskopik dünyanı təsvir edən kvant mexanikası bizə elektronların sabit enerji səviyyələrini tutduğunu deyir. Müxtəlif enerji səviyyələri fərqli elektron enerjilərinə uyğun gəlir: nüvədən daha uzaqdakı orbitlər daha yüksək enerjiyə malikdir.
Bundan əlavə, hər orbit maksimum sayda elektron saxlaya bilər. Məsələn, ən aşağı orbit (nüvəyə ən yaxın) 2 elektrona qədər, daha yüksək orbitlər isə 8 elektrona qədər və s. saxlaya bilər.
Keçid
Elektronlar enerjini udmaq və ya buraxmaqla bir enerji səviyyəsindən digərinə keçə bilərlər.
Məsələn, elektron bir fotonu udduqda, daha aşağı enerji səviyyəsindən daha yüksək səviyyəyə keçə bilər. Eynilə, daha yüksək enerji səviyyəsində olan elektron bir foton yaymaqla daha aşağı səviyyəyə enə bilər.
Bu proseslərdə udulmuş və ya yayılan fotonun enerjisi həmişə iki səviyyə arasındakı enerji fərqinə bərabərdir. Foton enerjisi işığın dalğa uzunluğunu təyin etdiyindən, udulmuş və ya yayılan işığın rəngi sabit olur.
Lazer Generasiyası Prinsipi
Stimullaşdırılmış Absorbsiya
Stimullaşdırılmış udma, aşağı enerjili vəziyyətdə olan atomlar xarici şüalanmanı udub yüksək enerjili vəziyyətə keçdikdə baş verir. Elektronlar fotonları udmaqla aşağı enerji səviyyələrindən yüksək enerji səviyyələrinə keçə bilirlər.
Stimullaşdırılmış Emissiya
Stimullaşdırılmış emissiya, fotonun "stimullaşdırılması" və ya "induksiyası" altında yüksək enerji səviyyəsində olan elektronların aşağı enerji səviyyəsinə keçməsi və düşən fotonla eyni tezlikdə bir foton yayması deməkdir.
Stimullaşdırılmış emissiyanın əsas xüsusiyyəti, yaradılan fotonun orijinal fotonla eyni olmasıdır: eyni tezlik, eyni istiqamət və tamamilə fərqləndirilməzdir. Bu şəkildə, bir foton bir stimullaşdırılmış emissiya prosesi vasitəsilə iki eyni fotona çevrilir. Bu o deməkdir ki, işığın güclənməsi və ya gücləndirilməsi - lazer generasiyasının əsas prinsipi.
Spontan Emissiya
Spontan emissiya, yüksək enerji səviyyəsində olan elektronların xarici təsir olmadan daha aşağı səviyyəyə düşməsi və keçid zamanı işıq (elektromaqnit şüalanması) yayması zamanı baş verir. Foton enerjisi iki səviyyə arasındakı enerji fərqi olan E=E2−E1-dir.
Lazer Enerjisi üçün Şərtlər
Lazer Qazanc Orta
Lazer generasiyası üçün qaz, maye, bərk və ya yarımkeçirici ola bilən uyğun bir gücləndirici mühit tələb olunur. Əsas məsələ, lazer çıxışı üçün zəruri şərt olan mühitdə populyasiya inversiyasına nail olmaqdır. Metastabil enerji səviyyələri populyasiya inversiyası üçün çox faydalıdır.
Nasos mənbəyi
Populyasiya inversiyasına nail olmaq üçün atom sistemi yuxarı enerji səviyyəsindəki hissəciklərin sayını artırmaq üçün həyəcanlanmalıdır.
Ümumi metodlara aşağıdakılar daxildir:
- Elektrik nasosu: yüksək kinetik enerjili elektronlardan istifadə edərək qaz boşalması
- Optik nasos: impulslu işıq mənbələri ilə şüalanma
- Termal nasos, kimyəvi nasos və s.
Bu üsullar ümumilikdə nasoslama adlanır. Sabit lazer çıxışı üçün aşağı səviyyədə olduğundan daha çox hissəciyi yuxarı səviyyədə saxlamaq üçün davamlı nasoslama tələb olunur.
Rezonator
Uyğun bir gücləndirmə mühiti və nasos mənbəyi ilə populyasiya inversiyasına nail olmaq olar, lakin stimullaşdırılmış emissiya intensivliyi praktik istifadə üçün çox zəifdir. Əlavə gücləndirmə tələb olunur ki, bu da optik rezonator tərəfindən təmin edilir.
Optik rezonator lazerin hər iki ucuna paralel yerləşdirilən iki yüksək əks etdirici güzgüdən ibarətdir:
- Tam bir əks etdirmə güzgüsü
- Bir qismən əks olunma və qismən ötürmə güzgüsü
Tam əks etdirmə güzgüsü bütün düşən işığı orijinal yolu boyunca geri əks etdirir. Qismən əks etdirmə güzgüsü müəyyən bir enerji həddindən aşağı fotonları mühitə geri əks etdirir, həddindən yuxarı fotonlar isə gücləndirilmiş lazer işığı kimi ötürülür.
İşıq rezonatorda irəli-geri titrəyir, stimullaşdırılmış emissiyanın zəncirvari reaksiyasını tetikler və uçqun kimi güclənərək yüksək intensivlikli lazer çıxışı yaradır.
Nasos lampası nədir?
Ksenon lampası, adətən düz boru formasında olan inert qaz boşaltma lampasıdır. O, ümumiyyətlə elektrodlardan, kvars borusu və doldurulmuş ksenon (Xe) qazından ibarətdir.
Elektrodlar yüksək ərimə nöqtəsinə, yüksək elektron emissiya səmərəliliyinə və aşağı püskürməyə malik metaldan hazırlanır. Lampa borusu ksenon qazı ilə doldurulmuş yüksək möhkəmliyə, yüksək temperatura davamlı, yüksək keçiriciliyə malik kvars şüşəsindən hazırlanır.
Nd:YAG lazer çubuğu nədir?
Nd:YAG (Neodimiumla zənginləşdirilmiş İtrium Alüminium Qranatı) ən çox istifadə edilən bərk lazer materialıdır.
YAG yüksək sərtliyə, əla optik keyfiyyətə və yüksək istilik keçiriciliyinə malik kub kristaldır. Üçvalentli neodim ionları kristal qəfəsində bəzi üçvalentli ittrium ionlarını əvəz edir, buna görə də neodim ilə aşqarlanmış ittrium alüminium qranatı adlanır.
Lazerin xüsusiyyətləri
Yaxşı Uyğunluq
Adi mənbələrdən gələn işıq istiqamət, faza və zaman baxımından xaotikdir və hətta linza ilə belə tək bir nöqtəyə fokuslana bilməz.
Lazer işığı yüksək dərəcədə koherentdir: təmiz bir tezlikə malikdir, mükəmməl fazada eyni istiqamətdə yayılır və yüksək konsentrasiyalı enerjiyə malik kiçik bir nöqtəyə fokuslana bilər.
Əla istiqamətləndirmə
Lazer, demək olar ki, paralel şüa kimi davranaraq, digər işıq mənbələrindən daha yaxşı istiqamətə malikdir. Hətta Aya yönəldildikdə belə (təxminən 384.000 km uzaqlıqda), ləkənin diametri cəmi 2 km-dir.
Yaxşı Monoxromatiklik
Stimullaşdırılmış emissiyadan yaranan lazer işığı olduqca dar tezlik diapazonuna malikdir. Sadə dillə desək, lazer əla monoxromatikliyə malikdir — onun "rəngi" son dərəcə safdır. Monoxromatiklik lazer emalı tətbiqləri üçün çox vacibdir.
Yüksək Parlaqlıq
Lazer qaynağı lazer şüalarının əla istiqamətliliyindən və yüksək güc sıxlığından istifadə edir. Lazer optik sistem vasitəsilə kiçik bir sahəyə fokuslanır və çox qısa müddətdə yüksək konsentrasiyalı istilik mənbəyi əmələ gətirir, materialı əridir və sabit qaynaq ləkələri və tikişlər əmələ gətirir.
Lazer Qaynaqının Üstünlükləri
Digər qaynaq üsulları ilə müqayisədə lazer qaynağı aşağıdakıları təklif edir:
- Yüksək enerji konsentrasiyası, yüksək qaynaq səmərəliliyi, yüksək dəqiqlik və qaynaqların böyük dərinlik-en nisbəti.
- Aşağı istilik girişi, kiçik istilik təsir zonası, minimal qalıq gərginlik və deformasiya.
- Təmassız qaynaq, çevik fiber-optik ötürmə, yaxşı əlçatanlıq və yüksək avtomatlaşdırma.
- Xammal qənaət edən çevik birləşmə dizaynı.
- Dəqiq idarə olunan enerji, sabit qaynaq nəticələri və əla qaynaq görünüşü.
Metal Materiallar üçün Lazer Qaynaq Prosesləri
Paslanmayan Polad
- Yaxşı nəticələr adi kvadrat dalğalı impulslarla əldə edilə bilər.
- Qaynaq ləkələrini metal olmayan materiallardan uzaq tutmaq üçün birləşmələr dizayn edin.
- Möhkəmlik və görünüş üçün kifayət qədər qaynaq sahəsi və iş parçasının qalınlığını ehtiyatda saxlayın.
- Qaynaq zamanı iş parçasının təmizliyini və quru mühiti təmin edin.
Alüminium ərintiləri
- Yüksək əks etdirmə qabiliyyəti yüksək lazer pik gücü tələb edir.
- İmpulslu ləkə qaynağı zamanı çatlamağa meyllidir, bu da möhkəmliyi azaldır.
- Materialın tərkibi sıçramaya səbəb ola bilər; yüksək keyfiyyətli xammaldan istifadə edin.
- Böyük ləkə ölçüsü və uzun impuls eni ilə daha yaxşı nəticələr.
Mis və mis ərintiləri
- Alüminiumdan daha yüksək əks etdirmə qabiliyyəti; daha da yüksək lazer pik gücü tələb edir.
- Lazer başlığı müəyyən bir bucaq altında əyilməlidir.
- Mis ərintilərinin (mis, kupronikel və s.) ərinti elementlərinə görə qaynaqlanması daha çətindir; diqqətlə parametr seçimi tələb olunur.
Lazer Qaynaq və Həllərdə Ümumi Qüsurlar
Yanlış parametrlər və ya düzgün işləməmə tez-tez qaynaq qüsurlarına səbəb olur, o cümlədən:
- Səthə sıçrama
- Daxili qaynaq məsaməsi
- Qaynaq çatları
- Qaynaq deformasiyası
Qaynaq sıçratması
Sıçrama əsasən həddindən artıq yüksək lazer güc sıxlığından qaynaqlanır: iş parçası qısa müddət ərzində çox enerji udur və bu da materialın şiddətli buxarlanmasına və ərimiş hovuz reaksiyasına səbəb olur.
Sıçrama görünüşü, montaj dəqiqliyini və qaynaq möhkəmliyini zədələyir.
Səbəblər
- Həddindən artıq yüksək lazer pik gücü.
- Xüsusilə yüksək əks etdiriciliyə malik materiallar üçün uyğun olmayan qaynaq dalğa forması.
- Yerli yüksək enerji udulmasına səbəb olan materialın ayrılması.
- İş parçasının səthində çirklənmə və ya qeyri-metal çirklər.
- İş parçaları arasında və ya altında əriyən, qaynaq zamanı qaz əmələ gətirən aşağı ərimə temperaturlu maddələr.
- Qazın genişlənməsinə və sıçramasına səbəb olan qapalı boşluqlu konstruksiyalar.
Həllər
- Parametrləri optimallaşdırın: pik gücünü azaldın və ya sünbül dalğa formalarından istifadə edin.
- Keyfiyyətli, yüksək keyfiyyətli xammaldan istifadə edin.
- Yağ və çirkləri təmizləmək üçün qaynaqdan əvvəl təmizlənməni gücləndirin.
- Qaynaq strukturunun dizaynını optimallaşdırın.
Daxili məsaməlilik
Məsaməlilik lazer qaynaqında ən çox yayılmış qüsurdur. Sürətli istilik dövrü və qısa ərimiş hovuz ömrü qazın çıxmasının qarşısını alır və məsamələrin əmələ gəlməsinə səbəb olur.
Ümumi növləri: hidrogen məsamələri, karbonmonoksit məsamələri və açar dəliyinin çökməsi məsamələri.
Qaynaq Çatları
Çatlar qaynaq möhkəmliyini və xidmət müddətini ciddi şəkildə azaldır. Lazer qaynağının sürətli qızması və soyudulması çatlama riskini artırır.
Lazer qaynaq çatlarının əksəriyyəti alüminium ərintilərində və yüksək karbonlu/yüksək ərintili poladlarda geniş yayılmış isti çatlardır.
Qarşısının alınması
- Kövrək materiallar üçün çatlamanı azaltmaq üçün əvvəlcədən qızdırma və yavaş soyutma dalğa formaları əlavə edin.
- Qaynaq gərginliyini azaltmaq üçün birləşmə dizaynını optimallaşdırın.
- Ekvivalent performansla daha az çatlama meyli olan materialları seçin.
Qaynaq Deformasiyası
Deformasiya tez-tez nazik təbəqələrdə, geniş sahəli iş parçalarında və ya çoxnöqtəli qaynaqda baş verir ki, bu da montaj və performansa təsir göstərir. Bu, qeyri-bərabər istilik girişi və qeyri-sabit istilik genişlənməsi/büzülməsi nəticəsində yaranır.
Həllər
- İstilik girişini azaltmaq üçün parametrləri optimallaşdırın: impuls genişliyini azaldarkən pik gücünü artırın.
- Vahid vaxt başına istiliyi azaltmaq üçün qaynaq sürətini və impuls tezliyini azaldın.
- Vahid isitməni təmin etmək üçün qaynaq ardıcıllığını optimallaşdırın.
Yayımlanma vaxtı: 25 Fevral 2026
