لیزر

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد.

واژه لیزر از راس 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.

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

لیزر این نور شگفت از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر ، آنرا از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر ، به خواص مشخصه آن پی برده شد. و ما بصورتی گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده ، در علوم مختلف بخصوص صنعت و پزشکی و ... ایجاد کرده است. به جرأت می‌توان گفت پیشرفت علوم بدون تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست.

شاید مهترین بخش فیزیک اتمی بحث مربوط به فیزیک لیزر باشد. می دانید که با دادن انرژی به الکترونهای یک اتم می توان آنها را به مدارهای بالاتری برد. (حتماً با این تصویر کلاسیک که الکترون ها مدارهایی با انرژی مشخصی به دور هسته وجود دارند، آشنایید.) اما این خانه جدید برای الکترونها خیلی وضعیت پایداری ندارد و الکترونها ترجیح می دهند با پس دادن انرژی به مدار اصلی خودشان برگردند. این انرژی به صورت یک فوتون با فرکانس مشخص آزاد می شود. یعنی یک واحد انرژی ... اما می دانید که نور از همین فوتونها ساخته می شود. پس اگر با تعداد زیادی از اتمها به طور هم زمان این کار را انجام دهیم، می توانیم پرتو نوری تک فرکانس ایجاد کنیم. علاوه بر اینکه با روشهایی و دقت هایی می توان پرتوهای هم فاز تولید کرد. زیاد نمی خواهیم راجع به لیزر و ویژگیهای آن توضیح دهیم اما همین مهم است که بدانیم که این پدیده اساس تولید پرتوهای لیزر است. کلمه لیزر که انگلیسی آن "LASER" است مخفف عبارت:" شدت بخشی نور با استفاده از انتشار تحریک شده تابش است. (Light Amplification by the stimulated Emission of Rodiation)

آنچه كه سبب مي شود پرتو ليزر از نورهاي ديگر متمايز شود در حقيقت ويژگيهاي منحصر بفرد آن است كه در هيچ منبع نوري ديگر يافت نمي شود. چهار ويژگي عمده ليزر عبارت‌اند از

همدوسي
تك رنگي
واگرايي كم
موازي بودن پرتو

فهرست مندرجات

۱ ریشه لغوی
۲ تاریخچه
۳ سیر تحول و رشد
۴ عناصر اساسی لیزر
- ۴.۱ دمنده
- ۴.۲ محیط لیزری
۵ کاربردهای لیزر
۶ منبع
۷ جستارهای وابسته

[ویرایش] ریشه لغوی

Laser کلمه لیزر از حروف ابتدای عبارت «تقویت نور به‌وسیله گسیل القایی تابش» (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) در لاتین ساخته شده‌است 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» گفته می‌شود. لیزر اصولاً به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می‌شود.

[ویرایش] تاریخچه

میمن برای نخستین بار لیزر یاقوت را در سال ۱۹۵۹ ساخت.پس از دو سال آقای علی جوان، دانشمند ایرانی برای نخستین بار لیزر گازی هلیوم- نئون را ساخت.

از حدود سال ۱۹۶۶ لیزر نیم رسانا در مخابرات نوری در ژاپن و آمریکا مورد توجه قرار گرفت و نسبت به امکان مد گردانی مستقیم آن تا فرکانسهای فوق‌العاده زیاد شناخت حاصل شده‌است.

پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل به‌وسیله وبر، جوردون، زیگر، باسو، تانز و پروخورو داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد.این گروه نام میزر را که از ابتدای حروف تشکیل شده بود برای آن برگزیدند: «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation»

اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک ساخته شد. در سال ۱۹۵۸ اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو و تاونز داده شد. در سال ۱۹۶۰ یعنی کمتر از دو سال دیگر، میلمن موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر کار که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال ۱۹۶۱ توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال ۱۹۶۲ نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه هادی مطرح گردید.

[ویرایش] سیر تحول و رشد

با پیشرفت روزافزون مکانیک کوانتومی و جنبه‌های ذره‌ای نور و تولید آینه‌هایی با توان بالا دانشمندان لیزرهایی را با توان خروجی بهتر(لیزرهای توان بالا) و همدوسی بالاتر ساخته شدند.

اختراع لیزر به سال ۱۹۵۸ 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 ۱۹۶۰ 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 ۱۹۶۴ 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.

[ویرایش] عناصر اساسی لیزر

ابزار لیزریک نوسانگر اپتیکی است که باریکهٔ بسیار موازی شدهٔ شدیدی از تابش همدوس را گسیل میکند.این ابزار اساسا از ۳ عنصر ساخته شده‌است: چشمهٔ انرژی خارجی یا دمنده، محیط تقویت کننده، و کاواک اپتیکی یا تشدیدگر.

[ویرایش] دمنده

دمنده یک چشمهٔ انرژی خارجی است که وارونی جمعیت را در محیط لیزری به وجود می‌آورد. تقویت موج نور یا میدان تابش فوتون تنها در یک محیط لیزری که در آن وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی وجود داشته باشد روی می‌دهد.(برای اینکه لیزر کار کند لازم است تعداد اتمهای $N 2$ در تراز انرژی $E 2$ از تعداد اتمهای $N 1$ در تراز انرژی $E 1$ بزرگ‌تر باشد.این وضعیت را وارونی جمعیت می‌نامند.) وارونی جمعیت و گسیل القائی با هم در محیط لیزری کار می‌کنند و باعث تقویت نور می‌شوند. در غیر این وضعیت موج نور عبور کننده از محیط لیزری تضعیف خواهد شد.

دمنده‌ها می‌توانند از نوع اپتیکی، الکتریکی، شیمیایی یا گرمایی باشند به شرط این که انرژی لازمی را فراهم کنند که بتواند با محیط لیزری برای برانگیختن اتمها و ایجاد وارونی جمعیت لازم همراه شود.

در لیزرهای گازی مانند He-Ne، دمنده‌ای که از همه بیشتر به کار می‌رود از نوع تخلیهٔ الکتریکی است. عوامل مهم حاکم بر این نوع دمش مقطع‌های برانگیزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضی از لیزرهای گازی، الکترون‌های آزادی که در فرایند تخلیه تولید شده‌اند با اتمها، یونها یا مولکول‌های لیزر مستقیما برخورد و آنها را برانگیخته می‌کنند. در سایر لیزرها، برانگیزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم (یا مولکول-مولکول) روی می‌دهد.

[ویرایش] محیط لیزری

محیط تقویت کننده یا محیط لیزری یک قسمت مهم از ابزار لیزر است. بسیاری از لیزرها از روی نوع محیط لیزری به کار رفته در آنها نامگذاری می‌شوند، به‌عنوان مثال، هلیم-نئون (He-Ne)، دی اکسیدکربن (Co۲) و نئودیمیم: نارسنگ ایتریم آلومینیم (Nd:YAG). محیط لیزری، که می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد، طول موج تابش لیزری را تعیین می‌کند.

مهم‌ترین لازمهٔ محیط تقویت کننده توانایی آن برای ایجاد وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی اتمهای لیزری است.این وضعیت با برانگیختن (یا دمیدن) اتمهای بیشتری به تراز انرژی بالاتر نسبت به اتمهای موجود در تراز پایین تر تحقق می‌یابد.(چنانکه معلوم شده‌است، حتی با دمش قوی، به علت اختلاف زیاد طول عمرهای ترازهای انرژی اتمهای قابل استفاده، تنها جفت‌های مشخصی از ترازهای انرژی با طول عمرهای خودبه خودی مناسب را می‌توان «وارون» کرد.