ليزر چيست؟

مقدمه
حروف واژه ليزر(LASER) به ترتيب حرف اول کلمه هاي Light(نور)، Amplification(تقويت)، Stimulated(القايي) ، Emission(گسيل) ،Radiation (تابش) و به معني تقويت نور توسط گسيل القايي تابش مي باشد. ليزر دستگاهي است براي توليد، تقويت و انتقال باريکه هاي نوري همدوس باريک و با شدت زياد گاهي عنوان ميزر اپتيکي نيز به ليزر اطلاق مي شود.
نور همدوس توليد شده توسط ليزر با نور عادي تفاوت اساسي دارد. نور ليزر از موج هايي تشکيل شده که همگي هم فازند و طول موج يکسان دارند، در حالي که نور عادي شامل طول موج هاي مختلف است و موج هاي مختلف با يکديگراختلاف فاز دارند.
در ليزر يا ميزر، اتم ها يا مولکولها طوري برانگيخته مي شوند که بيشتر آن ها در تراز انرژي بالاتر قرار دارند و تعداد کمتري در تراز انرژي پايين تر قرارمي گيرند. به اين وضعيت ، جمعيت وارون مي گويند. فرآيند افزايش انرژي براي ايجاد جمعيت وارون ، پمپاژ (يا دمش) ناميده مي شود. به محض اينکه اتم ها يا مولکولها در اين حالت بر انگيخته قرار بگيرند، به راحتي تابش مي کنند. اگر فوتوني که بسامد آن متناظر با اختلاف انرژي اين حالت برانگيخته و حالت پايه است به اتم برانگيخته اي برخورد کند، تابشي القايي در اتم برانگيخته به صورت فوتوني که هم بسامد ،هم فاز و هم جهت با فوتون برخورد کننده است، ايجاد مي شود. فوتون برخورد کننده و فوتون حاصل از گسيل القايي مي توانند هريک به يک اتم برانگيخته ديگري برخوردکنند و تابش هاي القايي بيشتري ايجاد کنند، که همگي هم بسامد و هم فاز هستند. اين روند يک عمل ناگهاني از تابش همدوس در يک واکنش زنجيره اي سريع حاصل مي کند و تمامي اتم ها به صورت زنجيره اي تخليه مي شوند (به حالت پايه بر مي گردند). معمولا ليزر را طوري مي سازند که نور گسيل شده بين دو انتهاي يک کاواک تشديدي که به آن تشديد گر مي گويند به صورت بازتابي رفت و برگشت کند تا بالاخره باريکه نور بسيار کانوني شده و با شدت زياد از يک انتها ي يک کاواک تشديدي که به صورت جزيي بازتاب کننده است، خارج شود. اگر اتم ها پس از تخليه مجدد به حالت برانگيخته دميده شوند پرتو پيوسته اي از نور همدوس توليد مي شود.
اجزاء و طرز کار ليزر
ليزر منبع نوري است که خواص يکتايي و منحصر به فرد را به نمايش مي گذارد و کاربردهاي گوناگوني دارد. ليزر درجوشکاري ، نقشه بر داري، پزشکي، ارتباطات ، دفاع ملي و نيز در زمينه هاي مختلف تحقيقات علمي کاربرد دارد. امروزه انواع گوناگون ليزر به صورت تجاري در دسترس است . اندازه آنها دامنه و سيعي دارد به طوري که بعضي از آنها مي توانند در نوک انگشت جاي بگيرند و بعضي ديگر يک ساختمان بزرگ را پرمي کنند. تمام اين ليزرها داراي خواص مشترکي هستند.
در اين بررسي ، خواص اساسي را که باعث تمايز نور ليزر از منابع نوري معمولي مي شود موردبحث قرار مي گيرد و عناصر اصلي مورد نياز براي توليد اين نور معرفي مي گردند. فرآيند تقويت به طور خلاصه تشريح مي گردند و بسياري از اصطلاحاتي که براي توضيح و مشخص کردن فرآيند مورد استفاده قرارمي گيرد، معرفي مي شوند.
اجزاء ليزر
چهار عنصر اصلي براي توليد نور همدوس توسط تابش القايي در ليزر موردنياز است که شامل آيينه نيمه شفاف،آيينه بازتاب کننده کامل،محيط فعال و مکانيزم توليد نور ليزر است.
اتم و مولکول
براي شناخت ليزر عوامل چندي مي بايد شناخته شوند.از جمله اين عوامل محيط فعال ليزري است.محيط فعال ليزر مي تواند اتم ،مولکول ،و يا يون باشد،در اينصورت، درمورد محيطي شامل اتم هاي يک گونه از ليزرهاي اتمي بحث مي شود. بعضي از مولکولهاي سبک نيز قادر به اجراي عمل ليزر هستند. در مورد يون اتمي مي توان از محيط فعال آرگون يوني و يا مولکول يوني نيتروژن نام برد.
مولکولهاي سنگين مثل رودامين ها، ليزر هاي رنگي را تشکيل مي دهند همچنين مي توانيم با وارد کردن ناخالصي ها در يک محيط خاص، محيط هاي فعال به صورت جامد رابوجود بياوريم، مانند ياقوت که از حضور ناخالصي کروم يونيده در داخل اکسيد آلومينيم تشکيل شده است و يا ليزرحالت جامد ديگر معروف به YAG:Nd .محيط فعال ليزر مي تواند با استفاده از نيمرساناها حاصل شده باشد مانند GaAs در مثال هاي بالا اگر حرکت الکترون را در نظر بگيريم، از اتم به سمت مولکولهاي سبک و سنگين و بالاخره به سوي نيمرساناها ، گويي که گسترش حرکت الکترون مرتبا افزايش مي يابد ولي در تمامي آنها الکترون به هسته (و يا هسته ها ) مقيدهستند. حال مي توانيم اين قيد را هم کنار بگذاريم ، در اين صورالکترون به صورت آزاد خواهيم داشت يعني به هيچ وجه مقيد به هسته اي نيستند، در اينجاست که از ليزر هاي الکترون آزاد صحبت مي شود.
بنابر اين ،دراولين قدم شناخت ليزر محيط فعال مي بايد وجود داشته باشد که اين محيط به صورت اتم، مولکول (و يايون اتم و مولکول ) است. محيط فعال را ازنظر ماهيت فيزيکي مي توان در فازهاي گاز،مايع ، جامد و نيمرسانا نيز تقسيم بندي کرد.
محيط فعال
محيط فعال ، همانطور که به آن اشاره شد مجموعه اي از اتم ها يا مولکولهاست که مي توانند به حالتي باتجمع يا جمعيت وارون، يعني وضعيتي که اتمها يا مولکولها ي در حالت برانگيخته نسبت به اتمها ي حالت پايه هستند، برانگيخته شوند. دو حالتيکه براي گذار از يک حالت بالاتر به يک حالت پايين تر در اجرا ي عمل تقويت انتخاب مي شوند ، يعني دو حالتي که درواقع در عمل ليزري شرکت دارند بايد داراي خواص معيني باشند. اولين مشخصه آن است که اتم ها بايد براي زمان نسبتا طولاني درتراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون هاي تابشي القايي از تعداد فوتون هاي تابشي خودبخودي بيشتر شود. دومين مشخصه وجود يک روش موثر پمپاژ اتمهاست تا جمعيت تراز انرژي بالايي که در حالت عادي بسيار کمتر از جمعيت تراز پايه است، افزايش يابد و پديده واروني جمعيت رخ دهد. افزايش جمعيت تراز پاييني به بيش از جمعيت حالت انرژي بالايي باعث منفي شدن واروني جمعيت شده و ازتقويت نور توسط تابش القايي جلوگيري مي کند. به بيان ديگر، با رفتن اتم ها از تراز انرژي بالايي به تراز انرژي پاييني فوتون هاي بيشتري توسط تابش خودبخودي از دست مي روند. که جهت گيري آنها کاتوره اي است و موج هاي وابسته به آنها هم فاز نيستند.
خاصيت هاي نور ليزر
نور ليزر، با نور بيشتر منابع نوري معمولي مثل لامپ هاي ملتهب ،لامپ هاي مهتابي و لامپ هاي قوس الکتريکي باشدت بالا، تفاوت دارد. براي درک خواص يکتاي نور ليزرمي توان آن رابا نور منبع هاي ديگر مقايسه کرد. حضور اين تفاوت هاست که به نور ليزر ويژگي خاصي بخشيده است و کاربردهاي متنوع پيدا کرده است.اين خواص عبارتند از :
1- همدوسي، نور ليزر داراي همدوسي زماني و قضايي است.
2- جهتمندي ، نور ليزرداراي واگرايي بسيارکمي است.
3- تکفامي ، گرچه نور ليزر تکفام و يا تک فرکانس کامل نيست ، ولي پهناي طيف خروجي ليزر مي تواند کاملا باريک باشد، مثلا چند MHZ همه نورها از امواج رواني تشکيل شده است که در فضا پيش مي روند. رنگ نور ليزر توسط طول موج آن تعيين مي شود که در شکل زير نشان داده شده است.طول موج نور ليزر و يا فرکانس آن به نوع محيط فعال و نيز نوع تشديد گر بکار رفته بستگي دارد.
4- درخشايي، به علت واگرايي کم ليزر، نور ليزر داراي درخشايي بسيار بالايي است.
برهمکنش تابش با ماده و عمل ليزر
در برهمکنش تابش با ماده سه فرآيند رخ مي دهند که آنها را به گسيل خودبه خود، جذب و گسيل القايي مي شناسيم. تا سال 1917 م فرض بر آن بود که دربرهمکنش تابش با ماده با دوفرآيند گسيل خودبخود و جذب سرو کار داريم. در سال 1917 انيشتن در تفسير آماري تابش جسم سياه بيان کرد که گسيل ديگري که آنرا گسيل القايي ناميد وجود دارد و ليزرمبتني برتابش گسيل القايي است.اکنون به تفسير اين سه فرآيند مي پردازيم.
فرض کنيم که الکترون درمداري در گردش باشد.اگر به طريقي اين الکترون به مدار بالاتر برده شود، الکترون تمايل دارد که به تراز پايين ترفرو افتد.اگر فرو افت با گسسيل موج الکترو مغناطيس همراه باشد آنراگسيل خودبخود مي گويند. اکنون فرض کنيم اتمي که الکترون آن درحالت پايين تر است بافوتوني که فرکانس آن از E2-E1=hv به دست مي آيد بر هم کنش داشته باشد، در اينصورت فوتون به سادگي جذب اتم خواهد شد. اين فرآيند جذب ناميده مي شود.
حالا اگر اتم در حالت بالايي قرار گيرد و فوتوني با انرژي hv با اتم تحريک شده بر همکنش کند، بهطوري که اختلاف انرژي اتم يعني E2-E1 همان مقدار hv باشد، در اين صورت فوتون فرودي الکترون رابه سقوط به تراز پايين تر وادار خواهد کرد که دراينصورت دوفوتون خواهيم داشت. فوتون القاء شونده و فوتون القاء کننده که به صورت هم فاز درجهت فوتون القاء کننده روان مي شوند . به اين فرآيند گسيل القايي گقتهمي شود.
انواع ليزر و ويژگي آن ها
ليزرها را مي توان به روش هاي مختلفي دسته بندي کرد:
1- بر اساس حالت محيط فعال :جامد،مايع،گاز،يا پلاسما
2- گستردگي بينابي طول موج ليزر:مريي، فرو سرخ و نظاير آن
3- روش تحريک يا پمپاژمحيط فعال(دمش): دمش نوري، دمش الکتريکي و غيره
4- مشخصه تابش صادر شده توسط ليزر
5- تعداد ترازهاي انرژي که درفرآيند تقويت نور شرکت مي کنند.
انواع مختلف ليزر بر حسب محيط فعال
محيط فعال تعيين کننده نوع ليزر است و به همين دليل در بعضي از تقسيم بنديها نام ليزر رابا نام محيط فعال آن مشخص مي کنند. منظور ازمحيط فعال مجموعهاي ازاتمها و يا مولکولها ست که مي توان در آن جمعيت وارون ايجادکردو درنتيجه تابش الکترو مغناطيسي توسط گسيل القايي را حاصل نمود.در جدول بالا محيط هاي فعال ،همراه با برخي ليزرهاي متداول ارايه شده است.
برخي کاربردهاي ليزر
صنعت
1- اندازه گيري دقيق (فاصله- جابجايي ،تداخل سنجي)
2-علامت گذاري در خط راست يا نقشه مرجع
3- فلز کاري مواد (برش کاري،جوش کاري،سخت سازي،ذوب،تبخيرفوتوليتوگرافي و غيره)
4- تحليل طيف
پزشکي
1-جراحي ليزري و چشم پزشکي
2- ليزر درتشخيص بيماري و ترکيب با داروها
3- ليزرهاي نرم(مرحم زخم، کاهش درد، کاربردهاي مربوط به زيبايي)
نظامي
1-فاصله ياب ليزري
2- علامت گذار ليزري
3- سلاح ليزري براي انسان و دستگاه هاي حساس
مصارف روزانه
1-ديسک هاي فشرده- ذخيره اپيتيکي اطلاعات
2- چاپگر ليزري
3- ديسک درايونوري
4- کامپيوتر نوري
5-اسکن کننده بارکد
6-هولوگرام هاي ايمنساز (روي کارت هاي اعتباري، پول ، کالاهاي خاص و غيره)
7-مخابرات فيبر نوري
8-مخابرات فضاي آزاد
9-نمايش هاي ليزري (لازاريوم)، (در تاترهاي باز)
10-هولوگرام در نمايش هاو موزه ها
11-مجسمه سازي توام با حرکت
علمي
1-طيف نگاري
2-گداخت ليزري (ماند)
3-ايجاد پالس هاي بسيار کوتاه(فمتو ثانيه يا 10 به توان 15- ثانيه)
4-سرد سازي ليزري اتم ها
5-مطالعه برهمکنش تابش الکترومغناطيسي با ماده
کاربردهاي ويژه
1-انتقال انرژي در فضا
2-ژيروسکوپ ليزري
3-ليزرهاي تار نوري