لیزر

واژه لیزر از سر کلمه‌های انگلیسی در عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنی «تقویت نور به روش گسیل القایی تابش» است.

لیزر به وسیله‌ای گفته می‌شود که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع می‌کنند. این دستگاه از ماده‌ای جمع کننده یا فعال کنده نور تشکیل شده که درون محفظه تشدید نور قرار دارد. این ماده پرتو نور را که به وسیله یک منبع انرزی بیرونی (از نوع الکتریسیته یا نور) به وجود آمده، تقویت می‌کند.

مبانی نظری لیزر را آلبرت ایشتین در سال ۱۹۱۶ میلادی طی مقاله‌ای مطرح کرد٫ ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعث و فناوری امکان ساخت اولین لیزر را فراهم کند. در سال ۱۹۵۳ چارلز تاونز میزر (تقویت‌کننده موج میکروویو) را اختراع کرد و می‌خواست آزمایشات خود زا حول جایگزینی نور مرئی به جای مادون قرمز ادامه دهد و هم‌زمان این امر بین آزمایشگاه‌های مختلف در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد که عبارت لیزر در همان زمان در مقاله‌ای از گوردون هولد، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و در سال ۱۹۶۰ اولین لیزر (که با موفقیت کار کرد) توسط تئودور میمن (Theodore H. Maiman) ساخته شد. و اولین لیزر گازی(با استفاده از هلیوم و نئون) هم توسط علی جوان فیزیکدان ایرانی در همان ۱۹۶۰ ساخته شد. نخستین بار طرح اولیه لیزر (میزر) توسط انیشتن داده شد،کار لیزر به این گونه‌است که با تابش یک فوترون به یک ذره (اتم یا مولکول یا یون)برانگیخته یک فوترون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوترون با هم همفرکانس می‌باشند در صورت ادامه این روند تعداد نوترونها افزایش می‌یابند که می‌توانند باریکه‌ای از فوتونها را به وجود بیاورند.

1. کاربرد لیزر در پزشکی : چاقوی لیزری ، مته لیزری و ...
2. کاربرد لیزر در صنعت : جوشکاری لیزری ، برشهای لیزری ، برش الماس ، مسافت یاب لیزری و ...
3. کاربردهای نظامی : ردیاب لیزری ، تفنگ لیزری و ...
4. کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی:اندازه گیری ، سنتز مواد و ...

· انواع ليزر :

تقسيم بندی از روی تنوع :

- ليزر های حالت جامد، بلوری يا شيشه ای - ليزرهای گازی - ليزرهای نيمرسانا - ليزرهای الکترون آزاد - ليزرهای رزينه ای رنگين - ليزرهای شيميايي - ليزرهای مرکز رنگي - پرتو X

· عناصر اساسي ليزر :

ابزار ليزريک نوسانگر اپتيکی است که باريکه ی بسيار موازی شده ی شديدی از تابش همدوس را گسيل ميکند.اين ابزار اساسا از 3 عنصر ساخته شده است: چشمه ی انرژی خارجی يا دمنده ، محيط تقويت کننده ، و کاواک اپتيکي يا تشديدگر.

دمنده : دمنده يک چشمه ی انرژی خارجی است که وارونی جمعيت را در محيط ليزری به وجود مي آورد. تقويت موج نور يا ميدان تابش فوتون تنها در يک محيط ليزري که در آن واروني جمعيت بين دو تراز انرژی وجود داشته باشد روی مي دهد.(برای اينکه ليزر کار کند لازم است تعداد اتمهای N2 در تراز انرژی E2 از تعداد اتمهای N1 در تراز انرژی E1 بزرگتر باشد.اين وضعيت را واروني جمعيت می نامند.) واروني جمعيت و گسيل القائي با هم در محيط ليزری کار ميکنند و باعث تقويت نور مي شوند. در غير اين وضعيت موج نور عبور کننده از محيط ليزری تضعيف خواهد شد. دمنده ها مي توانند از نوع اپتيکی ، الکتريکی ، شيميايي يا گرمايي باشند به شرط اين که انرژی لازمي را فراهم کنند که بتواند با محيط ليزری برای برانگيختن اتمها و ايجاد واروني جمعيت لازم همراه شود. در ليزر های گازی مانند He-Ne ، دمنده ای که از همه بيشتر به کار مي رود از نوع تخليه ی الکتريکی است. عوامل مهم حاکم بر اين نوع دمش مقطع های برانگيزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضي از ليزرهای گازی ، الکترون های آزادی که در فرايند تخليه توليد شده اند با اتمها ، يونها يا مولکول های ليزر مستقيما برخورد و آنها را برانگيخته مي کنند . در ساير ليزرها ، برانگيزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم ( يا مولکول-مولکول) روی مي دهد.

محيط ليزری : محيط تقويت کننده يا محيط ليزری يک قسمت مهم از ابزار ليزر است . بسياری از ليزرها از روی نوع محيط ليزری به کار رفته در آنها نامگذاری می شوند ، بعنوان مثال ، هليم-نئون (He-Ne ) ، دی اکسيدکربن (Co2 ) و نئوديميم : نارسنگ ايتريم آلومينيم (Nd:YAG ) . محيط ليزری ، که مي تواند گاز،مايع يا جامد باشد ، طول موج تابش ليزری را تعيين مي کند.

مهمترين لازمه ی محيط تقويت کننده توانايي آن برای ايجاد واروني جمعيت بين دو تراز انرژی اتمهای ليزری است.اين وضعيت با برانگيختن ( يا دميدن ) اتمهای بيشتری به تراز انرژی بالاتر نسبت به اتمهای موجود در تراز پايين تر تحقق مي يابد.( چنانکه معلوم شده است ، حتی با دمش قوی ، به علت اختلاف زياد طول عمرهای ترازهای انرژی اتمهای قابل استفاده ، تنها جفت های مشخصي از ترازهای انرژی با طول عمرهای خودبه خودی مناسب را مي توان " وارون " کرد.

تشديدگر : يعني يک "ابزار پسخور " اپتيکی که فوتون ها را در محيط ( تقويت کننده ی ) ليزری به جلو و عقب ميراند. اين تشديدگر يا کاواک اپتيکی ، از يک جفت آينه ی تخت يا خميده تشکيل شده است که دقيقا همرديف شده اند و مراکز آنها روی محور اپتيکی دستگاه ليزر قرار دارند. بازتابندگی آينه ی انتهايي بايد تا حد امکان نزديک به 100% باشد. آينه ی ديگر با بازتابندگی اندکی کمتر از 100% انتخاب می شود تا قسمتي از باريکه ی بازتابنده ی داخلی بتواند ، بعنوان باريکه ی ليزری مفيد خروجی ، از آن عبور کند . هندسه ی آيينه ها و فاصله ی آنها تعيين کننده ی ساختار ميدان الکترومغناطيسي داخل کاواک ليزری هستند.

مناسب است که تشديدگر ليزری را يک تشديدگر فابری-پرو با چند متغير در نظر بگيريم. در تشديدگر ليزری ، کاواک بطور کلي با آيينه های خميده بجای آيينه های تخت محصور شده است ، و بجای کاواک تهی که مشخصه ی تشديدگر فابری-پرو است کاواک پر (يا تقريبا پر) از ماده ی بهره به کار میرود. با وجود اين ، وضعيت تشديد برای مدهای محوری (يا طولی) برای دو تشديدگر يکسان است.

· توصيف ساده ی کار ليزر :

اساسا ميدانيم که فوتونها با انرژی تشديدی مشخصی بايد در کاواک ليزری توليد شوند ، بايد با اتمها برهم کنش کنند ، و بايد از طريق گسيل القائی تقويت شوند ، و تمام اينها در حين رفت و برگشت بين آينه های تشديدگر روی می دهند.

شکل (الف) آنچه را که برای يک اتم نوعی در محيط ليزری هنگام توليد فوتون ليزری اتفاق می افتد در چهار مرحله نشان می دهد. سپس همين فرايند چهار مرحله ای با تمرکز روی رفتار اتمها در محيط ليزری و جمعيت فوتون در کاواک ليزری در شکل (ب) نشان داده شده است.

اکنون اين شکلها را به ترتيب بررسی مي کنيم :
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
در مرحله ی 1 از شکل (الف) انرژی از يک دمنده ی مناسب به محيط ليزری جفت ميشود.

اين انرژی به اندازه ی کافی هست تا بتواند تعداد زيادی اتم را از حالت پايه ی E0 به چندين حالت برانگيخته ، که دسته جمعي با E3 نشان داده شده اند ، ببرد. همين که اتمها در اين ترازها قرار گرفتند خودبه خود ، از طريق زنجيره های مختلف ، دوباره به حالت پايه ی E0 فرو می افتند. اما بسياری از آنها سفر بازگشت را ترجيحا با يک فروافت بسيار سريع ( و معمولا بی تابش) از ترازهای دمنده ی E3 به يک تراز بسيار خاص مانند E2 شروع می کنند. اين فرايند فروافتادن در مرحله ی 2 نشان داده شده است. تراز E2 را "تراز ليزری بالاتر " می ناميم. اين تراز به اين معني يک تراز خاص است که طول عمر زيادی دارد. بنابراين ، وقتي اتمها از ترازهای دمنده ی E3 به E2 سرازير می شوند در اين تراز شبه پايدار ، که به منزله ی تنگه عمل ميکند ، تدريجا جمع می شوند. در اين فرايند ، N2 به مقدار زيادی افزايش می يابد. وقتی تراز E2 مثلا با گسيل خودبه خودی فروافت می کند ، به تراز E1 ، که " تراز ليزری پايين تر" ناميده می شود ، فرو می افتد. تراز E1 يک تراز عادی است که سريعا به حالت پايه فرو می افتد و در نتيجه جمعيت N1 نمی تواند چندان زياد شود. اثر نهايي عبارت است از وارونی جمعيت ( N2>N1 ) که برای تقويت نور از طريق گسيل القائی لازم است.

همينکه وارونی جمعيت برقرار شد اگر فوتونی با انرژی تشدیدی hν = E2 − E1 از کنار يکی از اتمهای N2 که در تراز ليزری بالاتر هستند بگذرد ( مرحله ی 3 ) گسيل القائی می تواند روی بدهد . با وقوع گسيل القائی ، تقويت ليزری شروع می شود.
[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]
شکل (الف ) اساسا همين کنش را بر حسب رفتار اتمها در محيط ليزری و جمعيت فوتون در کاواک نشان می دهد. در ( الف ) محيط ليزری واقع در آيينه های تشديدگر اپتيکی نشان داده شده است. آيينه ی 1 اساسا 100% بازنابنده است ، در حاليکه آيينه ی 2 بطور جزئی بازتابنده و بطور جزئی ترا گسيلنده است . بيشتر اتمها در محيط ليزری در حالت پايه اند . اين حالت با نقطه های سياه نشان داده شده است. در ( ب ) ، انرژی خارجی ( نور ناشی از درخشزن يا از تخليه ی الکتريکی ) به محيط دميده می شود و بيشتر اتمها را به ترازهای برانگيخته ( E3 ) بالا می برد. حالت های برانگيخته با دايره نشان داده شده اند . در فرايند دمش ، وارونی جميت برقرار می شود . فرايند تقويت نور در (ج) ، وقتی اتمهای بر انگيخته ( تراز E2 ) خودبه خود به تراز E1 فرو می افتد ، شروع می شود . چون اين يک گسيل خودبه خودی است فوتون های توليد شده در اين فرايند بطور کاتوره ای در تمام راستا ها منتشر می شوند. بنابراين ، بسياری از آنها با عبور از جدار جانبی کاواک ليزر از دست مي روند. با اين همه ، بطور کلی چند فوتون -که آنها را فوتونهای "بذر" می ناميم- در راستای محور اپتيکی ليزر انتشار می يابند. اين در شکل (ج) با پيکانهايی که عمود بر آينه هستند نشان داده شده اند. با وجود فوتونهای بذر با انرژی (تشديدی) صحيح که دقيقا در بين آينه ها جهت گرفته اند و مقدار بسياری اتم N2 که هنوز در حالت وارون E2 هستند ، مرحله ی گسيل القائی شروع می شود. همچنانکه فوتونهای بذر از کنار اتمهای وارون N2می گذرند، گسيل القائی فوتونهای يکسانی را در همين راستا اضافه می کند، و در نتيجه جمعيت دائما افزايش يابنده ی فوتونهای همدوسی که بين آينه ها به جلو و عقب بازتابيده می شوند فراهم می آيد. اين فرايند سازندگی ، که در شکلهای (د) و (ه) نشان داده شده است، تا وقتی اتمهای وارون و فوتونهای انرژیِ تشديدی در کاواک وجود داشته باشند ادامه می يابد. چون آينه ی خروجیِ 2 تا حدی شفاف است، کسری از فوتونهای فرودی به اين آينه از آن عبور می کنند. اين فوتونها باريکه ی ليزری خارجی را که در شکل (و) نشان داده شده است تشکيل می دهند. آن فوتونهائی که از آينه ی خروجی بازتابيده می شوند، حرکت رفت و برگشت را در ماده ی بهره ی کاواک تکرار می کنند.

· خواص باريکه ی ليزر :

1- نور ليزر تکفام است.

2- همدوس است.

3- جهت مند است.

4- درخشان است.(درخشائیِ يک چشمه ی امواج الکترومغناطيسی عبارت است از توان گسيل شده از واحد سطح چشمه در واحد زاويه فضائی.)

· کاربردهای ليزر :

1. کاربرد در فيزيک و شيمی ،
2. کاربرد در زيست شناسی و پزشکی ،
3. کاربرد در فرآوری مواد ،
4. کاربرد در ارتباطات نوری ،
5. کاربرد در اندازه گيری و بازرسی ،
6. کاربرد در گداخت گرما هسته ای ،
7. کاربرد فرآوری اطلاعات نوری و ضبط آنها ،
8. کاربردهای نظامی ،
9. تمام نگاری (هولوگرافی) ،
10. کاربردهای صنعتی و الکتريکی
منبع:«اپتیک پترودی»

لیزر یاقوتی
نخستین لیزری که بکار انداخته شد، لیزر یاقوت بود و هنوز نیز مورد استفاده است. یاقوت که متجاوز از صدها سال به عنوان سنگ طبیعی پر بها شناخته شده است، بلور (سنگ سنباده) است که بعضی از یونهای آن با یونهای عوض شده‌اند. به عنوان ماده لیزری، این بلور را معمولا از رشد مخلوط مذاب (تقریبا 0.05% وزنی) و تهیه می‌کنند. لیزر یاقوت یک دستگاه سه ترازی است.
سازوکار لیزر یاقوتی

ماده فعال این لیزر با حدود 0.05% وزنی کروم به عنوان ناخالصی در آن بدست می‌آید. یونهای فعال هستند که با یونهای آلومینیوم در شبکه جایگزین می‌شوند. ترازهای مهمی در انجام، عمل لیزر را نشان می‌دهد. گذار لیزری (در 694 میلیمتر) بین ترازهای اخیر 2E و 4A2 و ترازهای حالت پایه واقع می‌شود و ازاینرو یاقوت یک دستگاه لیزری سه ترازی است. به همین دلیل لازم است بیش از نصف تعداد یونها به حالت 2E دمش شوند، تا جمعیت معکوس شود.

عمل دمش از طریق دو باند پهن 4T1 و 4T2 انجام می‌گیرد. (مانند لیزر Nd:YAG ) با استفاده از لامپ فلاش می‌توانیم لیزر ضربانی بدست آوریم. ایجاد لیزر با پرتو مداوم به دلیل نیاز به پمپاژ بیشتر بسیار مشکل است. برای این منظور لامپ جیوه با فشار بالا که خروجی آن با باندهای جذبی یاقوت مطابقت دارد، کاملا مناسب است.

ساختار لیزر یاقوتی

یاقوت از نظر ساختار شیمیایی از تشکیل شده است که در آن درصد کمی از با جایگزین می‌شود. برای این کار مقداری پودر به خیلی خالص ذوب شده، اضافه می‌کنند.

بلور یاقوت و اکثر بلورهای لیزری، به روش رشد بلور چکرالسکی قابل تولید هستند.

ساختار بلوری یاقوت تک بلورهای میزبان، تک محور و دارای ساختاری شش گوش می‌باشند. بلور دارای یک محور تقارن است. در فرایند آلایش به جای یکی از یونهای آلومینیم یون ناخالصی می‌نشیند. به روش چکرالسکی میله‌های لیزری به طول 15 سانتیمتر و قطر 3.5 سانتیمتر قابل رشد می‌باشد. در فرایند رشد، بلور بر روی نطفه اولیه با خلوص بالا رشد داده شده و به آهستگی از داخل ماده مذاب مایع بیرون کشیده می‌شود. مقدار آلایش، 0.05 درصد وزنی است.

لیزرهای شبیه یاقوت

بلور با یون نیز آلائیده می‌شود و فرایند رشد آن شبیه یاقوت است. لیزر یکی از سیستمهای لیزری حالت جامدی است که ناحیه قابل تنظیم طول موجی آن خیلی وسیع و در حدود 300 نانومتر می‌باشد.

جایگزین لیزرهای یاقوت لیزرهای یاقوت که زمانی بسیار مورد توجه بوده‌اند، امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. چه رقبایشان لیزرهای Nd:YAG یا نئودیمیم _ شیشه (Nd:glass) جانشین آنها شده‌اند. در واقع از آنجا که لیزر یاقوت با طرح سه ترازی کار می‌کند، انرژی آستانه دمش مورد نیاز در حدود یک مرتبه بزرگی از انرژی آستانه دمش برای لیزر Nd:YAG به همان ابعاد بزرگتر است. ولی لیزرهای یاقوت هنوز هم برای برخی از کاربردهای علمی نظیر تمام‌نگاری تپی و آزمایشهای فاصله‌یابی (مثال فاصله‌یاب‌های نظامی) استفاده می‌شوند.

منبع:دانشنامه رشد.