فیزیک لیزر (Laser Physics)

فهرست مقالات فیزیک لیزر

مباحث علمی	مباحث کاربردی و تجربی
خواص نور لیزر	سرمایش لیزری اتمها
ماهیت نور	میزر آمونیاکی
انواع نشر	میزر سه ترازی
انواع جذب	لیزر یاقوت
سیستم دو ترازی	لیزر گازی هلیوم نئون
تجمع معکوس	تداخل سنج مایکلسون
تابش جسم سیاه	پمپاژ لیزر
همدوسی	بهینه‌سازی کوپلاژ
همدوسی رمانی	جرقه زنی لیزر
همدوسی فضایی	مشدد لیزری
امواج همدوس	تداخل سنج فابری پرو
حالات انرژی گسسته	ضریب کیفیت لیزر
اعداد کوانتومی	نحوه انتخاب مد عرضی و طولی
چندگانگی در طیف اتم	آینه لیزری
علائم و اصطلاحات طیف سنجی	دریچه بروستر
قواعد گزینش	لیزرهای گازی
نشر	لیزر حالت جامد
جذب	مدولاسیون خروجی لیزر
طیف مولکولی	قواعد انتخاب
تراز انرژی اتمی در جامدات	کلیدزنی Q
ضرایب انیشتین و طیف سنجی	آسیب نوری
پهن شدگی طیف	پایدارسازی فرکانس
معادلات تحول در لیزر	گودال سوزان لیزر
سیستم لیزر سه ترازی	ذخیره سازی در گودال
سیستم لیزر چهار ترازی	برشکاری لیزر
پهن شدگی فرکانس	تراشکاری لیزری
فیدبک نوری	مته لیزری
مد محوری لیزر	چاقوی لیزری
مد طولی لیزر	لیزر در پزشکی
مد عرضی لیزر	لیزر در دندانپزشکی
حفره لیزری	لیزر در صنعت
ماده فعال لیزر	لیرز در چشم پزشکی
شرایط پایداری	لیزر در تحقیقات
پدیده الکترو اپتیک	لیزر در گرافیک
پدیده کر	لیزر در مخابرات
پدیده پاکلس	لیزر در صنعت نظامی
پدیده فاراده	لیزر در طیف سنجی
پدیده‌های غیر خطی لیزر	سرمایش لیزری
دو برابر سازی فرکانس	لامپ فلاش
قفل زنی مد لیزر	لیزر دیودی
گسیل خودبخودی	پمپاژ دینامیک گازی
گسیل تحریکی	پمپاژ الکترونی
لیزر میلمن	لیزر الکترون آزاد
تفاوت منابع معمولی با لیزر	لیزر پالسی
اانواع گذار انرژی	لیزر پیوسته کار
انتقالات الکترونی در مولکول	اندرکنش اتم با فونون
ساختار مولکولی	آزمایش یانگ
یونهای فعال لیزرهای حالت جامد	کلید زنی آینه‌ای لیزر
پدیده اشتارک	کلید زنی الکترو اپتیکی لیزر
عوامل اتلاف در لیزر	کلید زنی فوتو شیمیایی لیزر
شرایط طراحی لیزر خوب	کلید زنی فیلمی لیزر
پهن شدگی برخوردی	کلید زنی کریستال مایع لیزر
پهن شدگی طبیعی	پمپاژ الکتریکی لیزر
پهن شدگی دوپلری	پمپاژ نوری لیزر
پهن شدگی میدان	پمپاژ لیزری
پهن شدگی اندرکنشی	پمپاژ لیزر نیم رسانا
ساختمان لیزر ساده	تنطیم آینه‌های لیزری
آرایشهای لیزری	کریستال لیزری
کلید زنی لیزر با مواد اشباع	لیزر پرتوان
میزر	کاربرد لیزر در پزشکی

ریشه لغوی

کلمه لیزر (LASER) از حروف ابتدای عبارت "تقویت نور بوسیله گسیل القایی تابش" (Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation) در لاتین ساخته شده است که معمولاً در طول موجهای مادون قرمز نزدیک ، مرئی و ماورای بنفش طیف الکترومغناطیس می‌باشد. به گسیلهای لیزر گونه طول موجهای بلندتر ناحیه میکروویو "میزر" (MASER) گفته می‌شود. لیزر اصولاً به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می‌شود.

دید کلی

• هیچ می‌دانید با لیزر معجزه می‌کنند!
  
  
• فکر می‌کنید لیزر برای چه تولید شده است؟
  
  
• به نظر شما برتری تانکهای مجهز به سیستم مسافت یاب لیزری در چیست؟
  
  

بد نیست بدانید که همه شما با لیزر زندگی می‌کنید و رد پایی که لیزر از خود بر جای می‌گذارد به زندگی امروزی معنا می‌دهد. برای همین بشر زندگی خود را در دنیای امروزی مدیون لیزر می‌داند.

تاریخچه لیزر

پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل بوسیله وبر (Weber) ، جوردون (Gordon) ، زیگر (Zeiger) ، تاونز (Townes) ، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون ، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. این گروه نام میزر (MASER) را که از ابتدای حروف "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" تشکیل شده بود برای آن برگزیدند.

اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک (NH₃) ساخته شد. در سال 1958 اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو (Schawlow) و تاونز داده شد. در سال 1960 یعنی کمتر از دو سال دیگر ، میلمن (Mailman) موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر پیوسته کار (CW) که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال 1961 توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال 1962 نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه ‌هادی مطرح گردید.

سیر تحولی و رشد

اختراع لیزر به سال 1958 با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر اشعه مادون قرمز و نوری بر می‌گردد. نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سر تا سر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالسها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال 1960 دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر ، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشنتر از نور خورشید بود. متأسفانه پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مثل بارندگی ، مه ، ابرهای کم ارتفاع ، چیزهای موجود در آزمایشهای مربوط به هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.

دانشمندان نیز طرحهای جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنالهای تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موجبر فیبر نوری بود که شرکتهای مخابراتی برای ارسال صدا ، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می‌باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای مختلف نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند.

بعد از اینکه لیزر دی اکسید کربن در سال 1964 اختراع شد کاربرد لیزر در زمینه‌های پزشکی خیلی توسعه یافت و برای جراحان این امکان را فراهم نمود تا بجای استفاده از چاقوهای جراحی از فوتون استفاده نمایند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحی را انجام دهد، در صنایع و در کارهای ساختمانی ، در وسایل نظامی و غیره کاربردهای فراوان آنرا می‌توان مشاهده نمود.

همدوسی زمانی لیزر

همدوسی زمانی فوتونهای نور لیزر به معنی هماهنگی بین آنها از لحاظ وضعیت ارتعاشی (فاز) آنهاست. همدوسی مکانی نور لیزر به معنی هماهنگی بین فوتونهای تشکیل دهنده نور لیزر از لحاظ راستای انتشار آنهاست. به لحاظ همدوسی زمانی که در نور لیزر وجود دارد، قدرت تأثیر گذاری فوتونهای آن در نقطه هدف بسیار بالاتر از نورهای معمولی است؛ زیرا طبق اصل برهمنهی امواج ، به دلیل همفاز بودن این فوتونها ، میدانهای الکتریکی‌شان مستقیما باهم جمع شده و میدانی قوی را بوجود می‌آورند.

همدوسی مکانی لیزر

همچنین به لحاظ همدوسی مکانی نور لیزر ، نور خروجی بصورت باریکه‌ای جهتمند از آن خارج شده و می‌تواند تا مسافتهای طولانی‌تری بدون افت چشمگیر توانش طی کند و نیز بوسیله کانونی کردن آن در نقطه کوچکی می‌توان به شدتهای بسیار بالایی دست یافت. نور لیزر نوری تقریبا تکرنگ است. مشخصه رنگ در نور به فرکانس آن وابسته است، بنابراین نور فوتونهای لیزر در محدوده کوچک فرکانسی گسیل می‌شوند، در حالیکه منابع نور معمولی گستره فرکانسی بسیار بالایی را دارند.

معیار تکرنگی یا خلوص نور لیزر ، پهنای فرکانسی آن است که طبق تعریف ، فاصله دو فرکانسی است که منحنی توزیع فرکانسی نورهای گسیلی در نصف ماکزیمم آن دارند. این فاصله در لیزرها فوق‌العاده کمتر از منابع نور معمولی یا منابع نور گازی است. این به معنای آن است که اکثر انرژی تابشی لیزرها حول فرکانس مرکزی آن می‌باشد. در منابع معمولی ، برعکس لیزرها منحنی توزیع فرکانسی بسیار وسیع است و پهنای فرکانسی آن نیز نتیجتا بسیار زیاد است. بنابراین اگر بخواهیم که نور این منابع را با استفاده از مثلا فیلتر و یا یک تجزیه‌گر بصورت تقریبا تکرنگ در بیاوریم، از شدت آن به‌ مقدار زیادی کاسته خواهد شد.

تقسیم بندی لیزرها

لیزرها بر اساس آهنگ خروج انرژی از آنها به دو دسته "پیوسته‌کار" و "پالسی" تقسیم ‌بندی می‌شوند. نور لیزرهای پیوسته‌ کار بطور پیوسته گسیل می‌شود، ولی نور لیزرهای پالسی در زمانهای کوتاه که به این زمان "دوام پالس" گفته می‌شود ارائه می‌گردد. فاصله زمانی ارائه دو پالس متوالی معمولاً خیلی بیشتر از زمان دوام پالس است. لیزرهای پالسی به‌دلیل اینکه می‌توانند انرژی خود را در زمان کوتاهی ارائه دهند، معمولاً دارای توانهای بالاتری می‌باشند.

لیزرها را براساس حالت ماده لیزر زا هم به لیزرهای حالت جامد ، لیزرهای گازی ، لیزر رزینه ، لیزرهای نیمه‌هادی (دیودهای لیزری)، و لیزرهای الکترون آزاد تقسیم ‌بندی می‌کنند. همچنین ممکن است لیزرها را براساس نوع ماده تشکیل‌دهنده محیط لیزر زایی نیز تقسیم‌ بندی کرد. لیزر یاقوت ، لیزر نئودیوم- یق ، لیزر دی اکسید کربن ، لیزر هلیوم- نئون و انواع لیزرهای دیگر بر این اساس نامگذاری شده‌اند.

کاربردهای لیزر

• کاربرد لیزر در صنعت: برشکاری ، جوشکاری ، تراشکاری ، سوراخ کردن با لیزر و ... .
  
  
• کاربرد لیزر در پزشکی: جراحی لیزری ، ساخت چاقوی ظریف لیزری ، جلوگیری از خونریزی جراحیها و ... .
  
  
• کاربرد لیزر در صنایع نظامی: ردیاب لیزری ، فاصله یاب لیزری ، بمب لیزری و ... .
  
  
• کاربرد اساسی لیزر در اسپکتروسکوپی است.
  
  
• سرمایش لیزری و تولید دماهای خیلی پایین.

کلمه لیزر (laser) در واقع از حروف نخست کلمات Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation که به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش است، گرفته شده است.

نگاه اجمالی

لیزر کشفی علمی می‌باشد که به عنوان یک تکنولوژی در زندگی مدرن جا افتاده است. لیزرها به مقدار زیاد در تولیدات صنعتی ، ارتباطات ، نقشه ‌برداری و چاپ مورد استفاده قرار می‌‌گیرند. همچنین لیزر در پژوهشهای علمی و برای محدوده وسیعی از دستگاههای علمی‌ ، موارد مصرف پیدا کرده است. برتری لیزر در این است که از منبعی برای نور و تابشهای کنترل شده ، تکفام و پرتوان تولید می‌کند. تابش لیزر ، با پهنای نوار طیفی باریک و توان تمرکزیابی شدید ، چندین برابر درخشانتر از نور خورشید است.

تاریخچه

انیشتین در 1917 میلادی نظریه گسیل القایی را بیان داشت و روابط مشهور جذب و نشر را به جهان عرضه نمود. بر پایه این تئوری چهل سال بعد ، تاونز و همکاران او ، نخستین تقویت کننده گسیل القایی را با بکار گیری آمونیاک مورد آزمایش قرار داده و سیستمی‌ به اسم میزر پدید آوردند که در فرکانس 2.3X10¹¹Hz کار می‌کرد.

نخستین لیزر در 1960 بوسیله میلمن ، با استفاده از یاقوت قرمز (ترکیبی از اکسید آلومینیوم خالص به همراه 5 درصد اکسید کروم III ساخته شد و اولین لیزر گازی He - Ne توسط دکتر علی جوان در آزمایشگاه شرکت Bell در آمریکا ساخته شد. در سال 1986 کشف شد که منبع لیزر می‌تواند نور همدوس تابش کند، به گونه‌ای که دامنه و فاز آن در تمامی‌ نقاط فضا ، قابل سنجش و تعیین باشد. یکی دیگر از خواص لیزر ، همگرایی بالای آن است. به دلیل این ویژگی ، تمامی انرژی پرتو لیزر تقریبا در یک فرکانس متمرکز می‌‌شود. لذا تکفامی و بالا بودن شدت آن ایده‌آل است.

نحوه ایجاد پرتو لیزر

اولین شرط ایجاد لیزر ، داشتن ماده یا محیطی است که بتواند انرژی را در خود ذخیره کند. نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از: بلورهایی مثل یاقوت ، ایتریوم ، آلومینیوم گارنت ، () یا گازهایی مثل CO₂ و He - Ne و ... و مایعاتی مانند رنگهای رودآمین – 6G می‌‌باشد. انیشتین در سال 1916 نشان داد که گسیل القایی نور را می‌توان از یک اتم برانگیخته بدست آورد.

چنانچه اتم و یا مولکول در تراز بالاتر E₂ واقع شود و فوتونی با فرکانس‌ v با اتم برانگیخته وارد برهمکنش شود. بطوری که
hv = E₂ _ E₁ باشد، در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز پایینتر بیافتد. در نتیجه ، دو فوتون حاصل می‌‌شود، فوتون القا کننده و القا شونده ، که هر دو همفاز هستند.در عین حال ، اگر اتمهایی به تعداد N₂ در تراز E₁ باشند، می‌توانند با جذب فوتونهای فوق ، برانگیخته شده و به تراز انرژی E₂ برسند.

چنانچه هدف به دست آوردن تابش همدوس باشد، باید سعی شود که N₂ >> N₂ گردد، به عبارت دیگر ، تجمع معکوس رخ دهد. فرآیندی که طی آن تجمع معکوس صورت می‌‌گیرد، دمش می‌نامند. وقتی یک سیستم دو ترازی با محیط اطراف خود در حال تعادل گرمایی باشد، جمعیت تراز انرژی بالاتر N_j کمتر از جمعیت تراز N_i خواهد بود. با استفاده از فرآیند اشباع شدن می‌توان N_i را با N_j مساوی گردانید. بطوری که مقدار جذب به صفر تنزل یابد.

چنانچه بتوان مقدار N_j را بیشتر از N_i نمود، اکثر اتمهای سیستم که به حالت برانگیخته می‌‌روند، تمایل خواهند داشت که به حالت انرژی کمتر برگردند. بدیهی است که این تمایل به وسیله کوانتای تابش فرودی تشدید می‌گردد. بدین معنی که سیستم نه تنها فوتون فرودی را جذب نمی‌کند بلکه فوتون فرودی باعث برانگیختگی سیستم برانگیخته شده که با سقوط به حالت پایینتر دو کوانتا انرژی تابشی از دست می‌دهد (فوتون مربوط به اتم برانگیخته به همراه فوتون فرودی). تمام این فرآیندها تابش لیزر را بوجود می‌آورند.

قرار دادن محیط تولید لیزر در یک مشدد نوری با انتهای آینه‌ای که تابش را در محیط تولید لیزر به جلو و عقب می‌فرستد، سبب تراکم تابش سطوح بالا در تشدید کننده بوسیله ادامه گسیل القایی می‌شود. سپس تابش لیزر از طریق آینه‌ای نیمه شفاف ، از یک انتهای کاواک به بیرون گسیل می‌شود.

نور لیزر وقتی که نور در دستگاه لیزر توسط کوانتومها تولید شد، با رفت و برگشت بین آینه‌ها متمرکزتر می‌شود.

تفاوت پرتو لیزر با نور معمولی

پرتو لیزر دارای چهار خاصیت مهم است که عبارتند از: شدت زیاد ، مستقیم بودن ، تکفامی‌ و همدوسی. لیزرها در اشکال گوناگون وجود دارند. ممکن است تصور شود که پرتو لیزر همانند اشعه ایکس ، گاما ، ماورا بنفش (UV) و مادون قرمز (IR) ، جایگاهی معین در طیف الکترومغناطیسی را داراست، حال آنکه این پرتو می‌تواند هر کدام از فرکانسهای محدوده طیف نامبرده را در برگیرد، با این تفاوت که دارای مشخصاتی از قبیل تکفامی ، همدوسی و شدت زیاد است.

اینکه چگونه می‌توان پرتو لیزری با فرکانسهای دلخواه را تولید نمود، کار دشواری است که عملا با آن روبرو هستیم. مشکل دیرپا در تابش لیزری ، فقدان پوشش گسترده طول موجی در آن است. به دلیل اینکه لیزرها به‌ خودی ‌خود فاقد قابلیت تنظیم طول موج هستند، پوشش کل طیف نورانی نیاز به ابزارهای متعدد و جداگانه دارد.

نمونه‌هایی از لیزرهای متداول

• لیزرهای متدوال مادون قرمز (IR (2 _ 10μm: لیزر مونو اکسید کربن (CO) ، لیزر دی اکسید کربن (CO₂) و بلورهای هالیدهای قلیایی و ابزار دیودی. لیزر نئودنیوم یق () تابشی در طول موج 1.06 میکرومتر تولید کرده و لیزرهای الکساندریت یا دیودهای مخابراتی قابل تنظیم در IR نزدیک هستند. (طول موج از 2000nm تا 700nm)
  >
• لیزرهای محدوده نامرئی (400 _ 700nm): لیزرهای آرگون _ کریپتون و لیزر هلیوم _ نئون، لیزرهای رنگی و لیزر تیتانیوم_یاقوت کبود.
  
  
• لیزرهای محدوده ماورای بنفش (200 _ 400nm): لیزرهای اگزایمر (لیزر هالید گاز نادر) ، نیتروژن ، لیزر رنگی با فرکانس دو برابر شده ، لیزرهای با فرکانس چندین برابر شده.

طبقه بندی لیزر در حالت کلی

• لیزر پیوسته کار
• لیزر پالسی

هولوگرام

هولوگرام یک تصویر سه بعدی است که با استفاده از لیزر ایجاد می شود . نور دستگاه لیزر به دو پرتو می شکند . یکی از پرتوها با انعکاس از روی یک آینه از روی شی به صفحه عکاسی می تابد . پرتو دیگر به وسیله آینه دیگری بدون برخورد به شی به صفحه عکاسی فرستاده می شود . صفحه عکاسی در جایی قرار داده می شود که دو پرتو تلاقی می کنند . سپس صفحه عکاسی ظاهر می شود و ، در صورتی که به طریق صحیح به آن نور تابانده شود ، هولوگرام را پدیدار می کند.

چگونگی ایجاد این دو دسته تا حدود زیادی بستگی به ساختار درونی محیط تولید لیزر ، مکانیزم ایجاد لیزر و پارامترهای دیگر دارد که بررسی آنها خارج از این مقوله است. از لحاظ کاربردی ، لیزر‌های پالسی با مدت پالس ^12-10 ثانیه در دسترس هستند. چنین لیزرهایی در جهت پژوهش در فرایندهایی که در گازها و مایعات ، با سرعتهای بسیار بسیار سریع رخ می‌‌دهد، بکار برده می‌شوند.

ایجاد هولوگرام با استفاده از لیزر ، می‌توان تصویری ایجاد کرد که هرگاه به طریق صحیح به آن نور تابانده شود، سه بعدی به نظر می‌رسد.

مباحث مرتبط با عنوان

• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• ایمنی لیزری
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• سلاحهای لیزری
• طیف سنجی جرمی با لیزر
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• پیدایش لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر گاز دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزر یاقوت
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی
• میزر
• همدوسی
• ماهیت نور همدوس لیزر
• کاربرد پزشکی لیزر
• کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی
• کاربرد لیزر در هولوگرافی
• کاربرد لیزر در مصارف نظامی