لیزر چیست؟-قسمت اول

مقدمه

حروف واژه لیزر(LASER) به ترتیب حرف اول کلمه های Light(نور)، Amplification(تقویت)،  Stimulated(القایی) ، Emission(گسیل) ،Radiation (تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می باشد. لیزر دستگاهی است برای تولید، تقویت و انتقال باریکه های نوری همدوس باریک و با شدت زیاد گاهی عنوان میزر اپتیکی نیز به لیزر اطلاق می شود.

نور همدوس تولید شده توسط لیزر با نور عادی تفاوت اساسی دارد. نور لیزر از موج هایی تشکیل شده که همگی هم فازند و طول موج یکسان دارند، در حالی که نور عادی شامل طول موج های مختلف است و موج های مختلف با یکدیگراختلاف فاز دارند.

در لیزر یا میزر، اتم ها یا مولکولها طوری برانگیخته می شوند که بیشتر آن ها در تراز انرژی بالاتر قرار دارند و تعداد کمتری در تراز انرژی پایین تر قرارمی گیرند. به این وضعیت ، جمعیت وارون می گویند. فرآیند افزایش انرژی برای ایجاد جمعیت وارون ، پمپاژ (یا دمش) نامیده می شود. به محض اینکه اتم ها یا مولکولها در این حالت بر انگیخته قرار بگیرند، به راحتی تابش می کنند. اگر فوتونی که بسامد آن متناظر با اختلاف انرژی این حالت برانگیخته و حالت پایه است به اتم برانگیخته ای برخورد کند، تابشی القایی در اتم برانگیخته به صورت فوتونی که هم بسامد ،هم فاز و هم جهت با فوتون برخورد کننده است، ایجاد می شود. فوتون برخورد کننده و فوتون حاصل از گسیل القایی می توانند هریک به یک اتم برانگیخته دیگری برخوردکنند و تابش های القایی بیشتری ایجاد کنند، که همگی هم بسامد و هم فاز هستند. این روند یک عمل ناگهانی از تابش همدوس در یک واکنش زنجیره ای سریع حاصل می کند و تمامی اتم ها به صورت زنجیره ای تخلیه می شوند (به حالت پایه بر می گردند). معمولا لیزر را طوری می سازند که نور گسیل شده بین دو انتهای یک کاواک تشدیدی که به آن تشدید گر می گویند به صورت بازتابی رفت و برگشت کند تا بالاخره باریکه نور بسیار کانونی شده و با شدت زیاد از یک انتها ی یک کاواک تشدیدی که به صورت جزیی بازتاب کننده است، خارج شود. اگر اتم ها پس از تخلیه مجدد به حالت برانگیخته دمیده شوند پرتو پیوسته ای از نور همدوس تولید می شود.

اجزاء و طرز کار لیزر

لیزر منبع نوری است که  خواص یکتایی و منحصر به فرد را به نمایش می گذارد و کاربردهای گوناگونی دارد. لیزر درجوشکاری ، نقشه بر داری، پزشکی، ارتباطات ، دفاع ملی و نیز در زمینه های مختلف تحقیقات علمی کاربرد دارد. امروزه انواع گوناگون لیزر به صورت تجاری در دسترس است . اندازه آنها دامنه و سیعی دارد به طوری که بعضی از آنها می توانند در نوک انگشت جای بگیرند و بعضی دیگر یک ساختمان بزرگ را پرمی کنند. تمام این لیزرها دارای خواص مشترکی هستند.

در این بررسی ، خواص اساسی را که باعث تمایز نور لیزر از منابع نوری معمولی می شود موردبحث قرار می گیرد و عناصر اصلی مورد نیاز برای تولید این نور معرفی می گردند. فرآیند تقویت به طور خلاصه تشریح می گردند و بسیاری از اصطلاحاتی که برای توضیح و مشخص کردن فرآیند مورد استفاده قرارمی گیرد، معرفی می شوند.

اجزاء لیزر

چهار عنصر اصلی برای تولید نور همدوس توسط تابش القایی در لیزر موردنیاز است که شامل آیینه نیمه شفاف،آیینه بازتاب کننده کامل،محیط فعال و مکانیزم تولید نور لیزر است.

اتم و مولکول

برای شناخت لیزر عوامل چندی می باید شناخته شوند.از جمله این عوامل محیط فعال لیزری است.محیط فعال لیزر می تواند اتم ،مولکول ،و یا یون باشد،در اینصورت، درمورد محیطی شامل اتم های یک گونه از لیزرهای اتمی بحث می شود. بعضی از مولکولهای سبک نیز قادر به اجرای عمل لیزر هستند. در مورد یون اتمی می توان از محیط فعال آرگون یونی و یا مولکول یونی نیتروژن نام برد.

مولکولهای سنگین مثل رودامین ها، لیزر های رنگی را تشکیل می دهند همچنین می توانیم با وارد کردن ناخالصی ها در یک محیط خاص، محیط های فعال به صورت جامد رابوجود بیاوریم، مانند یاقوت که از حضور ناخالصی کروم یونیده در داخل اکسید آلومینیم تشکیل شده است و یا لیزرحالت جامد دیگر معروف به YAG:Nd  .محیط فعال لیزر می تواند با استفاده از نیمرساناها حاصل شده باشد مانند GaAs در مثال های بالا اگر حرکت الکترون را در نظر بگیریم، از اتم به سمت مولکولهای سبک و سنگین و بالاخره به سوی نیمرساناها ، گویی که گسترش حرکت الکترون مرتبا افزایش می یابد ولی در تمامی آنها الکترون به هسته (و یا هسته ها ) مقیدهستند. حال می توانیم این قید را هم کنار بگذاریم ، در این صورالکترون به صورت آزاد خواهیم داشت یعنی به هیچ وجه مقید به هسته ای نیستند، در اینجاست که از لیزر های الکترون آزاد صحبت می شود.

محیط فعال

محیط فعال ، همانطور که به آن اشاره شد مجموعه ای از اتم ها یا مولکولهاست که می توانند به حالتی باتجمع یا جمعیت وارون، یعنی وضعیتی که اتمها یا مولکولها ی در حالت برانگیخته نسبت به اتمها ی حالت پایه هستند، برانگیخته شوند. دو حالتیکه برای گذار از یک حالت بالاتر به یک حالت پایین تر در اجرا ی عمل تقویت انتخاب می شوند ، یعنی دو حالتی که درواقع در عمل لیزری شرکت دارند باید دارای خواص معینی باشند. اولین مشخصه آن است که اتم ها باید برای زمان نسبتا طولانی درتراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون های تابشی القایی از تعداد فوتون های تابشی خودبخودی بیشتر شود. دومین مشخصه وجود یک روش موثر پمپاژ اتمهاست تا جمعیت تراز انرژی بالایی که در حالت عادی بسیار کمتر از جمعیت تراز پایه است، افزایش یابد و پدیده وارونی جمعیت رخ دهد. افزایش جمعیت تراز پایینی به بیش از جمعیت حالت انرژی بالایی باعث منفی شدن وارونی جمعیت شده و ازتقویت نور توسط تابش القایی جلوگیری می کند. به بیان دیگر، با رفتن اتم ها از تراز انرژی بالایی به تراز انرژی پایینی فوتون های بیشتری توسط تابش خودبخودی از دست می روند. که جهت گیری آنها کاتوره ای است و موج های وابسته به آنها هم فاز نیستند.

خاصیت های نور لیزر

نور لیزر، با نور بیشتر منابع نوری معمولی مثل لامپ های ملتهب ،لامپ های مهتابی و لامپ های قوس الکتریکی باشدت بالا، تفاوت دارد. برای درک خواص یکتای نور لیزرمی توان آن رابا نور منبع های دیگر مقایسه کرد. حضور این تفاوت هاست که به نور لیزر ویژگی خاصی  بخشیده است و کاربردهای متنوع پیدا کرده است.این خواص عبارتند از :

1- همدوسی، نور لیزر دارای همدوسی زمانی و قضایی است.

2- جهتمندی ، نور لیزردارای واگرایی بسیارکمی است.

3- تکفامی ، گرچه نور لیزر تکفام و یا تک فرکانس کامل نیست ، ولی پهنای طیف خروجی لیزر می تواند کاملا باریک باشد، مثلا چند MHZ همه نورها از امواج روانی تشکیل شده است که در فضا پیش می روند. رنگ نور لیزر توسط طول موج آن تعیین می شود که در شکل زیر نشان داده شده است.طول موج نور لیزر و یا فرکانس آن به نوع محیط فعال و نیز نوع تشدید گر بکار رفته بستگی دارد.

4- درخشایی، به علت واگرایی کم لیزر، نور لیزر دارای درخشایی بسیار بالایی است.

ادامه دارد...

گردآوری:مژده اصولی