الليزر في الهندسة الميكانيكية واستخداماته

الليزر

يستخدم الليزر في العديد من التطبيقات الصناعية مثل “المعالجة الحرارية”(heat treatment). يسمى تسخين وتبريد مادة في ظل ظروف خاضعة للرقابة من أجل الحصول على الخصائص الميكانيكية والفيزيائية المطلوبة بالمعالجة الحرارية. سنتطرق فی هذه المقاله علی أنواع هذه الطرق ولکن قبل هذه لنقي نظرة علی ماهیة اللیزر تاریخه بشکل عام.

ماهو اللیزر؟

الليزر هو جهاز يصدر الضوء عن طريق تضخيم الضوء ، ويتم ذلك من خلال عملية الانبعاث الذاتي للإشعاع الكهرومغناطيسي.

كلمة “ليزر”(بلانکلیزیه: Laser) تعني “تضخيم الضوء بطريقة الانبعاث المستحث للإشعاع”(amplification of light by the method of induced emission of radiation).

الليزر هو جهاز يصدر الضوء على شكل حزم متوازية رفيعة جدًا ذات طول موجي معين. يتكون هذا الجهاز من مواد تجميع أو تنشيط الضوء الموجودة داخل غرفة تكثيف الضوء. تعمل هذه المادة على تضخيم شعاع الضوء الناتج عن مصدر طاقة خارجي (سواء كهرباء أو ضوء).

وظيفة الليزر هي إثارة فوتون واحد في جسيم (ذرة أو جزيء أو أيون)، وإطلاق فوتون آخر، وهو بنفس تردد الفوتونين. مع استمرار هذه العملية، يزداد عدد الفوتونات التي يمكن أن تنتج حزمة من الفوتونات.

لا يختلف الليزر في طبيعته عن الضوء العادي، والخصائص الفيزيائية لليزر تميزه عن الضوء المتولد من مصادر أخرى. منذ الأيام الأولى لتكنولوجيا الليزر، تم إدراك أن خصائصه الخاصة خلقت أساسًا كبيرًا للتطبيقات الواسعة لهذه الظاهرة في مختلف العلوم، وخاصة الصناعة والطب. تقدم المعرفة غير ممكن بدون تقنية الليزر.

تاریخه العام

اقترح ويبر وجوردون وزيجر وباسو وتانز وبروخورو استخدام الانبعاث الاستقرائي من نظام السكان المقلوب لتضخيم الموجات الدقيقة بشكل مستقل. تم إجراء أول استخدام عملي لمكبرات الصوت هذه من قبل مجموعة الأردن وزيجر وتاونز في جامعة كاليفورنيا. اختارت المجموعة اسم Maser ، والذي يرمز إلى “تضخيم الميكروويف عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع”«Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation».

قدم ألبرت أينشتاين الأسس النظرية لليزر في ورقة بحثية في عام 1916، لكن الأمر استغرق سنوات عديدة نسبيًا للصناعة والتكنولوجيا لصنع أول ليزر. اخترع تشارلز تاونز مازر(مضخم الميكروويف) في عام 1953 وأراد مواصلة تجاربه حول استبدال الضوء المرئي بضوء الأشعة تحت الحمراء، وفي الوقت نفسه كان هذا يعتبر منافسة جادة بين مختبرات مختلفة حول العالم. تم صنع الليزر الأول باستخدام انتقالات الميكروويف في جزيئات الأمونيا. تمت صياغة مصطلح الليزر في نفس الوقت في مقال بقلم جوردون هولد، طالب دكتوراه في جامعة كولومبيا، وصاغ ثيودور إتش ميمان(Theodore H. Maiman)  الليزر النبضي الياقوتي في الستينيات. صنع أول ليزر غازي من قبل الفيزيائي الإيراني علي جوان في عام 1961 باستخدام الهيليوم والنيون. في عام 1962 ، تم اقتراح ليزر أشباه الموصلات. يسمى ضوء الليزر أيضًا شعاع واحد.

منذ عام 1966، تم اعتبار ليزر أشباه الموصلات في الاتصالات البصرية في اليابان والولايات المتحدة، وقد تم التعرف على قدرته على العمل مباشرة حتى ترددات عالية جدًا.

تطبيقات الليزر

  • الفيزياء والكيمياء
  • علم الأحياء والطب: سكين الليزر، المثقاب بالليزر، العلاج الطبيعي و …
  • الصناعات العسكرية: جهاز تعقب بالليزر، بندقية ليزر، قنبلة موجهة بالليزر و …
  • الصناعة: النقش بالليزر، اللحام بالليزر، القطع بالليزر، قطع الماس، كاشف الليزر، الصناعات الإنشائية
  • الاندماج النووي(Nuclear fusion)
  • الاتصال البصري(Optical communication)
  • بناء الترانزستورات والدوائر المتكاملة(Construction of transistors and integrated circuits)
  • الطباعة الحجرية و اللیتوکرافی(Lithography and stereolithography)
  • معالجة المعلومات البصرية وتسجيلها
  • معالجة المواد
  • الهولوغرافي
  • القياس (عداد السرعة)
  • تفتيش
  • المختبر والبحث: القياس ، وتركيب المواد و …
  • معالجة الطبقة بطريقة الليزر النبضي(Addressing layer by pulsed laser method)

بعد اختراع ليزر ثاني أكسيد الكربون في عام 1964، ازداد استخدام الليزر بسبب دقته العالية وخطأه المنخفض في المجال الطبي، وأصبح من الممكن للجراحين استخدام الفوتونات بدلاً من السكاكين الجراحية. اليوم، يمكن لليزر دخول الجسم وإجراء العمليات الجراحية.

أقراص وأقراص الفيديو والصوت والأقراص المدمجة يحمل قرص الفيديو برنامج فيديو مسجل يمكن تشغيله على جهاز تلفزيون عادي. يقوم صانعو أقراص الفيديو بتسجيل المعلومات على مضخم الصوت الذي يقرأه الليزر. طريقة التسجيل الشائعة تتضمن قطع أخدود بأطوال ومسافات مختلفة، وعمق هذه الأخاديد 1.4 من أطوال موجات الليزر المستخدمة في عملية القراءة. عند القراءة ، يصبح شعاع الليزر مركّزًا لدرجة أنه يقع على أخدود واحد فقط. عندما يكون الأخدود في مسار بقعة شعاع الليزر، يتم تقليل الانعكاس بسبب التداخل المدمر بين الضوء المنعكس من جدران الأخدود وإليها. يؤدي عدم وجود أخدود إلى انعكاس قوي. بهذه الطريقة ، يمكن تسجيل معلومات التلفزيون رقميًا.

في يناير 2013، طور علماء فيزياء الجسيمات غازًا كموميًا أساسه البوتاسيوم. يصل هذا الغاز إلى درجات حرارة سالبة عند تعرضه لليزر والمجالات المغناطيسية. عند درجة الحرارة الديناميكية الحرارية هذه ، تبدأ المادة في إظهار خصائص لم تكن معروفة من قبل.

استخدامه بالتصنیع والهندسة المیکانیکیة

وأما عن استخدامه بالتصنیع و الهندسه المیکانیکیة لدینا مایلی :

تصنیع السبائك السطحية بالليزر(Laser Surface Alloying)

يتم عرض أنواع مختلفة من عمليات المعالجة الحرارية باستخدام الليزر في الصورة. في عملية “التلدين الكامل” (Annealing)، لا يتأثر أي جزء بالحرارة. في هذه الطريقة، يحدث الذوبان فقط على السطح وبسمك “picometr”.

وفي “عملية التصلب”(hardening process) ، تتأثر منطقة نصف كروية بالحرارة. في طريقة صناعة السبائك السطحية، يتم طلاء سطح المادة بطبقة من مادة السبائك أو الكسوة المعدنية.

الليزر في الهندسة الميكانيكية

يتم صهر السماكة الرقيقة لسطح قطعة العمل بطريقة مضبوطة باستخدام شعاع الليزر. تضاف عناصر مسحوق السبائك إلى هذه السماكة على فترات متساوية. هذه العملية تسمى صناعة السبائك السطحية بالليزر.

الكسوة الليزرية (Laser Cladding)

عندما يضيء شعاع الليزر على سطح قطعة العمل ، تذوب طبقة رقيقة جدًا منه. يتم خلط هذه الطبقة الرقيقة من المعدن مع سبائك خاصة. نتيجة لهذه العملية ، تحدث رابطة قوية بين الطلاء وسطح العمل بعد التصلب.

الليزر في الهندسة الميكانيكية

مزايا الطلاء الليزر

  • يحدث التشعيع بالليزر والمعالجة الحرارية بسرعة كبيرة.
  • بالمقارنة مع طرق المعالجة الحرارية الأخرى، فإن الليزر قادر على إجراء المعالجة الحرارية في نقطة معينة. لا يمكن استخدام طرق أخرى في مثل هذه النقاط الحساسة والصغيرة.

اللحام بالليزر (Laser Welding)

اللحام هو عملية ربط قطعتين معدنيتين أو أكثر في مركب واحد.

ضع في اعتبارك لحام لوحين معدنيين. الصفائح المعدنية على اتصال مع بعضها البعض عند حوافها. سيتم السماح لشعاع الليزر بالتحرك على طول خط الاتصال المكون من خطين. يقوم شعاع الليزر بتسخين حواف الصفيحتين إلى درجة انصهارهما. بهذه الطريقة، يتم ضم الصفحتين معًا.

مزايا اللحام بالليزر

  • نظرًا لعدم استخدام أي مادة غريبة في هذه العملية، لا تدخل شوائب بين الحافتين.
  • نظرًا لمعدل التبريد العالي، فإن المنطقة المصابة بالحرارة صغيرة نسبيًا.
  • يمكن إجراء اللحام بالليزر دون أي تعقيد، حتى في المفاصل الصغيرة.
  • عادة ما يتم عمل نموذج اللحام هذا بسرعة عالية جدًا.
  • يمكن لحام أنواع مختلفة من المعادن باستخدام نموذج اللحام هذا.
  • لا تتلف قطعة العمل بهذه الطريقة. نتيجة لذلك، فإن كمية النفايات منخفضة للغاية.

القطع بالليزر (Laser Cutting)

القطع بالليزر يعني تبخر المادة عند نقطة تركيز شعاع الليزر.

تظهر خطوات إعداد قاطع الليزر في الشكل. يوفر التفاعل الطارد للحرارة بين المعدن والغاز الطاقة اللازمة للقطع. تقوم طائرة الغاز النفاثة بإزالة المواد المتبخرة. يتم أيضًا تبريد الحواف المجاورة لمعدن القطع بواسطة نفاثة غاز. تعمل نفاثة الغاز على تقليل الطاقة التي يتطلبها الليزر. تعمل هذه الطريقة أيضًا على زيادة عمق وسرعة القطع ويتم تحضير قطع عالي الجودة.

مزايا القطع بالليزر

  • يتم إجراء القطع بالليزر في درجة حرارة الغرفة والضغط دون ظروف التسخين المسبق والفراغ.
  • لا تتأثر البنية المجهرية للطبقات المحيطة ، لأن المنطقة الساخنة صغيرة جدًا.
  • في هذه الطريقة ، تكون سرعة القطع عالية جدًا.
منشور ذات صلة
6 Minutes

متسلسلة فورييه

يوسف حمدي سالمي

في الرياضيات، متسلسلة فورييه (Fourier series) هي دالة دورية و طريقة تتيح لتقريب أي دالة […]

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

السلة