ليزر چيست

نور چهار مشخصه اصلي دارد:
الف- طول موج(length wave) : فاصله بين دو نقطه يكسان موج مي‌باشد كه مشخص‌كننده رنگ موج است. با تعيين رنگ انرژي و طول موج مي‌توان يك موج را نسبت به ديگر موجها سنجيد. بعنوان مثال طول موج‌هاي كوتاه در طيف مرئي در ناحيه آبي و فوق بنفش قرار مي‌گيرد.در حاليكه رنگ قرمز داراي طول موجهاي بلندتري مي‌باشد. فاصله بين اين قله‌هاي موج آن چنان كوچك است كه واحد آن را نانومتر( ده به توان منفي نه) يا ميكرون( ده به توان منفي شش) قرار داده‌اند.
تشعشع الكترومغناطيسي طيف طولاني از موج‌هاي بلند راديويي تا طول موج‌هاي كوتاه اشعه ايكس را شامل مي‌شود.

ب- فركانس(Frequency) : فركانس طول موج تعداد موج‌هاي عبور كرده از يك نقطه در يك فاصله زماني مشخص مي‌باشد. واحد آن سيكل بر ثانيه يا هرتز Hz مي‌باشد. فركانس و طول موج به سرعت موج وابسته‌اند.

طول موجهاي بلندتر از قبيل نور قرمز در فركانس‌هاي پائين‌تر از نور آبي قرار دارند ولي فركانس در كل خيلي بالا است( ده به توان چهارده هرتز).
ب- (Velocity) : سرعت موج تعيين‌كننده تندي عبور موج از يك محيط مشخص مي‌باشد. بعنوان مثال سرعت عبور نور در خلاء سيصدهزار كيلومتر در ثانيه مي‌باشد. سرعت در محيط‌هايي مثل شيشه يا آب كاهش مي‌يابد.

ت: دامنه(Amplitude) : دامنه يا شنت موج با ارتفاع يا بلندي(height) ميدان الكتريكي يا مغناطيسي مشخص مي‌شود.
برهم كنش نور يا ماده (interaction of light with matter)
از آنجا كه نور داراي ميدان الكتريكي و مغناطيسي مي‌باشد اين ميدانها با م

اده برهم كنش نشان مي‌دهند. ميدان مهم ميدان الكتريكي است چون با الكترونهاي كوچك كه در تركيبات مواد شركت دارند برهم كنش دارد. اين الكترونها همصدا و همآهنگ با موج نور وارده نوسان مي‌نمايند و مي‌توانن تأثير يا تغيير در عبور نور از يك ماده به چند طريق انجام دهند:
۱- پخش‌كردن(Scsttering) موج نور از مسير اصلي منحرف مي‌شود.
۲- انعكاس(Reflection) موج به داخل محيطي خارج از ماده برمي‌گردد.

۳- انتقال(Transmission) : موج از يك ماده يا كمترين تغيير شدت عبور مي‌نمايد.
۴- جنب(Absorption) مهمترين پروسه در خيلي جاها جذب مي‌باشد كه انرژي موج نور در ماده باقي مي‌ماند. مقدار زيادي از انرژي باعث ايجاد حرارت و تغيير در خواص ماده مي‌شود.

توليد نور Generation of light
چندين فرآيند تعيين‌كننده طيف نور باعث ايجاد تشعشع الكترومغناطيسي مي‌شوند.
طيف تشعشع: طيف نوري كه از يك جسم ساطع مي‌شود شامل رنگها يا نوارهاي رنگي جدا از هم مي‌باشد. اين از طبيعت توليد نور برمي‌خيزد و نشانه آن است كه انرژي نوراني ساطع‌شده از آن جسم داراي مقداري مشخص مي‌باشد.
انرژي تمام سيستمها كوانتابي مي‌باشد كه اين انرژي مي‌تواند در بسته‌هاي جدا از هم جذب يا آزاد شود انرژي سيستم پس از آنكه انرژي جذب سيستم افزايش مي‌يابد و در مرحله بعدي آن انرژي آزاد مي‌شود مدتي كه اين انرژي آزاد مي‌شود راندوم يا اتفاقي بوده كه نشر خودبخودي ناميده مي‌شود.
انرژي را مي‌توان توسط جريان الكتريكي، نور از منبع خارجي، واكنش شيميايي يا گونه‌هاي ديگر به سيستم وارد نمود. بهرحال مشخص شده‌است كه يك موج وارده كه داراي انرژي معيني است مي‌تواند آزادشدن موجها را از سيستم برانگيخته تحريك كند و باعث آزاد نمودن دو موج مي‌شود. به اين حالت نشر برانگيخته مي‌گويند. اين موجها خواص مهمي دارند.

۱- همدوس(Coherent) : موجها به صورت همآهنگ هستند.
۲- تك رنگ(Monochromatic) : موجها داراي رنگ يكساني هستند.

۳- شدت بالا(High Intensity) : اگر ما به مقدار كافي از اين نورهاي همدوس(Coherent) توليد كنيم شدت اين بسيار بالاتر از منبع نور غيرهمدوس است.
۴- واگرايي كم (Low divergence) :ليزر را در مقايسه با نور غيرهمدوس بوسيله لنز تا قطرهاي خيلي كمتري مي‌توان باريك نمود.
۵- طبيعت ضرباني(Pulsed nature): چون انرژي ورودي را در ليزر مي‌توان كنترل نمود انرژي خروجي نيز به دنبال آن تغيير مي‌يابد. بنابراين اگر برانگيختگي ليزر با پالسهاي كوچك انجام شود ليزر با پالسهاي كوچك توليد خواهد شد. اين خاصيت خيلي مهم است.

* ليزر مخفف عبارتlight amplification by stimulated emission of radiation مي‌باشد و به معناي تقويت نور توسط تشعشع تحريك شده است.
* اولين ليزر جهان توسط مايمن اختراع گرديد و از ياقوت در آن استفاده شده بود در سال ۱۹۶۲ پروفسور علي جوان اولين ليزر گازي را به جهانيان معرفي نمود و بعدها نوع سوم و چهارم.

* ليزرها كه ليزرهاي مايع و نيمه رسانا بودند اختراع شدند. در سال ۱۹۶۷ فرانسويان توسط اشعه ليزر ايستگاههاي زميني‌شان دو ماهواره خود را در فضا تعقيب كردند بدين ترتيب ليزر بسيار كاربردي به نظر آمد.

* نوري كه توسط ليزر گسيل مي‌گردد در يك سو و بسيار پرانرژي و درخشنده است كه قدرت نفوذ بالايي نيز دارد بطوريكه در الماس فرو مي‌رود. امروزه استفاده از ليزر در صنعت بعنوان جوش آورنده فلزات و بعنوان چاقوي جراحي بدون درد در پزشكي بسيار متداول است.
ليزرها سه قسمت اصلي دارند: ۱- پمپ انرژي يا چشمه انرژي: كه ممكن است اين پمپ اپتيكي يا شيميايي و يا حتي يك ليزر ديگر باشد.
۲- ماد پايه و فعال كه نام‌گذاري ليزر بواسطه ماده فعال صورت مي‌گيرد.

۳- مشدد كننده اپتيكي: شامل دو آينه بازتابنده كلي و جزئي مي‌باشد.

طرز كار يك ليزر ياقوتي:
پمپ انرژي در اين ليزر از نوع اپتيكي مي‌باشد و يك لامپ مارپيچي تخليه است(flash tube) كه بدور كريستال ياقوت مدادي شكل پيچيده شده (ruby) كريستال ياقوت ناخالص است و ماده فعال آن اكسيد برم و ماده پايه آن اكسيد آلومينيوم است.
بعد از فعال شدن اين پمپ انرژي كريستال ياقوت نورباران مي‌شود و بعضي از اتمها را در اثر جذب القايي – Stimulated
absorption برانگيخته كرده و به ترازهاي بالاتر مي‌برد.
پديده جذب القايي: اتم برانگيخته = اتم + فوتون

با ادامه تشعشع پمپ تعداد اتمهاي برانگيخته بيشتر از اتمهاي با انرژي كم مي‌شود به اصطلاح واروني جمعيت رخ مي‌دهد طبق قانون جذب و صدور انرژي پلانك اتمهاي برانگيخته توان نگهداري انرژي زيادتر را نداشته و به تراز با انرژي كم بر مي‌گردند و انرژي اضافي را به صورت فوتون آزاد مي‌كنند كه به اين فرايند گسيل خودبخودي گفته مي‌شود ولي از آنجايي كه پمپ اپتيكي مرتب به اتمها فوتون مي‌تاباند پديده ديگري زودتر اتفاق مي‌افتد كه به آن گسيل القايي- Stimulated emission گفته مي‌شود همانطور كه در شكل انيميشن زير مي‌بينيد وقتي يك فوتون به اتم برانگيخته بتابد آن را تحريك كرده و زودتر به حالت پايه خود برمي‌گرداند.

گسيل القايي: اتم + دو فوتون = اتم برانگيخته + فوتون
اين فوتونها دوباره بعضي از اتمها را برانگيخته مي‌كنند و واكنش زنجيروار تكرار مي‌شود.
بخشي از نورها درون كريستال به حركت در مي‌آيند كه توسط مشددهاي اپتيكي درون كريستال برگرداننده مي‌شوند و اين نورها در همان راستاي نور اوليه هستند بتدريج با افزايش شدت نور لحظه‌اي مي‌رسد كه نور ليزر از جفتگر خروجي با روشنايي زياد بطور مستقيم خارج مي‌شود.
اسحاق نيوتن در سال ۱۶۷۲ نظريه ذره‌اي بودن نور را ارائه داد وي معتقد بود كه يك منبع نور ذرات نور را با سرعت ثابت روي خط راست گسيل مي‌كند و هنگامي كه اين ذرات به شبكيه چشم برخورد نمايند چشم قادر به ديدن خواهد بود وي براي اثبات نظريه خود آزمايش اتاق تاريك را انجام داد بعدها انيشتن نيز با آزمايش اثر فتوالكتريك و معرفي فوتون بعنوان ذرات نور مهر تائيدي بر نظريه ذره‌اي نيوتن زد.

نظريه موجي نور: كريستال هويگنس فيزيكدان هلندي ماهيت نور را موجي دانست و پخش و بازتابش نور و شكست نور را نشانه موجودبودن نور مي‌دانست سپس توماس‌يانگ با استفاده از مايش پراش نور در شكاف مضاعف توانست طول موج را اندازه‌گيري نمايد و بين ترتيب ماهيت موجي نور نيز اثبات گرديد.

جنس امواج نور:
امواج نور از نوع الكترومغناطيسي است كه براي انتشار احتياج به محيط مادي ندارد يك موج الكترومغناطيسي تركيبي است از دو ميدان عمود بر هم الكتريكي و مغناطيسي كه در شكل زير به ترتيب با موجهاي زردرنگ و آبي نشان داده شده‌است.

خواص امواج الكترومغناطيسي نوري:
۱- نور در خلاء داراي سرعت ثابت ۳۰۰۰۰۰ كيلومتر بر ساعت هستند كه بالاترين سرعت است.
۲- نورهاي مختلف داراي طول موجهاي مختلف و شدت نور متفاوت هستند.
۳- سرعت نور در محيط‌هاي شفاف مختلف تغيير مي‌كند.
طيف الكترومغناطيسي نور سفيد:
همانطور كه در شكل زير ديده مي‌شود نور قرمز داراي بيشترين طول موج ۷۰۰ نانومتر و نور بنفش داراي كمترين موج ۴۰۰ نانومتر مي‌باشد.

كاربردهاي ليزر
مقدمه
همه زمينه‌هاي مختلف علمي و فني فيزيك- شيمي- زيست‌شناسي- الكترونيك و پزشكي را شامل مي‌شود.همه اين كاربردها نتيجه مستقيم همان ويژگي‌هاي خاص نور ليزر است.

كاربرد ليزر در فيزيك و شيمي
اختراع ليزر و تكامل آن وابسته به معلومات پايه‌اي است كه در درجه اول از رشته فيزيك و بعد از شيمي گرفته شده‌اند. بنابراين طبيعي است كه استفاده از ليزر در فيزيك و شيمي از اولين كاربردهاي ليزر باشند.

رشته ديگري كه در آن ليزر نه تنها امكانات موجود را افزايش داده بلكه مفاهيم كاملاً جديدي را عرضه كرده‌است طيف نمايي است. اكنون با بعضي از ليزرها مي‌توان پهناي خط نوساني را تا چند ده كيلوهرتز باريك كرد( هم در ناحيه مرئي و هم در ناحيه فروسرخ) و با اين كار اندازه‌گيري‌هاي مربوط به طيف‌نمايي با توان تفكيك چند مرتبه بزرگي( ۳ تا ۶) بالاتر از روشهاي معمولي طيف‌نمايي امكان‌پذير مي‌شوند. ليزر همچنين باعث ابداع رشته جديد طيف‌نمايي خطي شد كه در آن تفكيك طيف‌نمايي خيلي بالاتر از حدي است كه معمولاً با اثرهاي پهن‌شدگي دوپلر اعمال مي‌شود. اين عمل منجر به بررسي‌هاي دقيق‌تري از خصوصيات ماده شده‌است.

در زمينه شيمي از ليزر هم براي تشخيص و هم براي ايجاد تغييرات شيميايي برگشت‌ناپذير استفاده شده‌است.( فوتو شيمي ليزري) بويژه در فون تشخيص بايد از روش‌هاي( پراكندگي تشديدي رامان) و ( پراكندگي يك استوكس همدوس رامان)(CARS) نام ببريم. بوسيله اين روشها مي‌توان اطلاعات قابل ملاحظه‌اي درباره خصوصيات مولكولهاي چند اتمي بدست آورد( يعني فركانس ارتعاشي فعال رامن – ثابتهاي چرخشي و ناهمآهنگ بودن فركانس). روش CARSهمچنين براي اندازه‌گيري غلظت و دماي يك نمونه مولكولي در يك ناحيه محدود از فضا بكار مي‌رود. از اين توانايي براي بررسي جزئيات فرآيند احتراق شعله و پلاسما( تخليه الكتريكي) بهره‌برداري شده‌است.

شايد جالبترين كاربرد شيميايي( دست‌كم بالقوه) ليزر در زمينه فوتو شيمي باشد. اما بايد در نظر داشته‌باشيم بخاطر بهاي زياد فوتونهاي ليزري بهره‌برداري تجاري از فوتو شيمي ليزري تنها هنگامي موجه است كه ارزش محصول نهايي خيلي زياد باشد. يكي از اين موارد جداسازي ايزوتوپها است.

كاربرد در زيست‌شناسي
از ليزر بطور روزافزوني در زيست‌شناسي و پزشكي استفاده مي ‌شود. اينجا هم ليزر مي تواند ابزار تشخيص و يا وسيله برگشت‌ناپذير مولكولهاي زنده يك سلول و يا يك بافت باشد.( زيست‌شناسي نوري و جراحي ليزري)
در زيست‌شناسي مهمترين كاربرد ليزر بعنوان يك وسيله تشخيص است. ما در اينجا تكنيك‌هاي ليزري زير را ذكر مي‌كنيم:
الف) فلونورسان القايي بوسيله تپهاي فوق‌العاده كوتاه ليزر در DNA در تركيب رنگي پيچيده DNA و در مواد رنگي مؤثردر فتوسنتز
ب) پراكندگي تشديدي رامان بعنوان روشي براي مطالعه ملكولهاي زنده مانند هموگلوبين و يا رودوپسين( عامل اصلي در سازوكار بينايي)
ج) طيف‌نمايي همبستگي فوتوني براي بدست آوردن اطلاعاتي در مورد ساختار و درجه انبوهش انواع مولكولهاي زنده.
د) روشهاي تجزيه فوتوني درخشي پيكوثانيه براي كاوش رفتار ديناميكي مولكولهاي زنده در حالت برانگيخته
بويژه بايد از روشي موسوم به ميكروفلونورمتر جريان ياد كرد. در اينجا سلولهاي پستانداران در حالت معلق مجبور مي‌شوند كه از يك اتاقك مخصوص جريان عبور كنند كه در آنجا رديف مي‌شوند و سپس يكي‌يكي از باريكه كانوني شده ليزر يوني آرگون عبور مي‌كنند. با قراردادن يك آشكارساز نوري در جاي مناسب مي‌توان اين كميت‌ها را اندازه‌گيري كرد:
الف)نور ماده‌اي رنگي كه به يك جزء خاص تشكيل دهنده سلول يعني DNA متصل( كه اطلاعاتي راجع به مقدار آن جزء تشكيل‌دهنده سلول را بدست مي‌دهد( امتياز ميكورفلونورمتري جريان در اين است كه اندازه‌گيري‌ها را براي تعداد زيادي از سلولها در مدت زمان محدود ميسر مي‌سازد. به اين وسيله مي‌توانيم دقت خوبي براي اندازه‌گيري آماري داشته باشيم.