لیزر

طرح مساله
سخن اين كنفرانس روزنه‌ايست به سوي نور و جهاني از علمي كه ليزر نامگذاري شده است. اكنون كه ليزر به عنوان يكي از قوي‌ترين منابع انرژي در طبيعت و در اختيار ماست و از اين لحاظ حائز اهميت است، داراي استفاده‌هاي شاياني نيز در كليه زمينه‌هاي علمي مي‌باشد و براي پيشرفت‌هاي در تمامي زمينه‌هاي علمي، صنعتي اقتصادي و … به آن نيازمنديم و بايد از آن بهره بگيريم. به اميد آنكه كشورمان در جهت اجراي اين طرح برآيد.

اهميت و ضرورت مساله
امروزه ليزر كاربردهاي فوق العاده مهم و قابل توجهي در رشته‌هاي مختلف علوم، صنعت و پزشكي پيدا كرده است و كمتر شاخه‌اي از تكنولوژي نوين وجود دارد كه پرتو ليزر در آن نقشي نداشته باشد.

پرتو خورشيد و ستارگان كه بارها در قرآن كتاب آسماني ما بدان‌ها اشاره شده است، به وسيله پديده شگرف گداخت Fusion به كره ماه هستي مي‌بخشد كه از انواع تششع خود به خودي و ماهمدوس است ولي جالب توجه آنكه هر روز صبح در ارتفاع حدود ۶۵ كيلومتري كره مريخ تشعشع حاصل از گسيخته برانگيخته در محيط CO2 آن به عنوان يك ليزر طبيعي پر قدرت نمايان مي‌شود كه انرژي آن معادل انرژي هزاران بمب هسته آي مي‌باشد. كه اين خود تلاش‌هاي زيادي را جهت بهينه سازي اين وسيله پر انرژي فرا مي‌خوانند.

اهداف پژوهش
هدف از جمع آوري اين مطالب
۱- راهي براي گشودن يك دريچه علمي به سوي ليزر.
۲- آشنايي با چگونگي تشكيل ليزر.
۳- اهميت و ارزش ليزر در فعاليت‌هاي مختلف رشته‌هاي گوناگون.
۴- و از همه مهمتر استفاده از آن و كاربرد ليزر در زمينه‌هاي گوناگون در دوران اخير مي‌باشد.

فيزيك ليزر:
ليزر منبع نوري نوين و نيرومندي است حتي يك ليزر با درخشندگي ملايم پرتويي صادرميكند كه به مراتب از پرتو خورشيد نيرومندتراست . بسيار از ليزرهاي مهم در طيف بينايي عمل ميكنند و در ميدان بينايي مي توان آن‌ها را با عدسي, آيينه ومنشور، متمركز ،منعكس يا منكسر نمود.
محدوديت‌هاي عمده‌اي را كه براي منابع نوري كلاسيك ( منابع نوري غير ليزر) وجود دارد ، ميتوان به ترتيب زير خلاصه كرد:

 

۱ – انرژي تابشي يك منبع نوري با درخشندگي زياد در محدوده بينايي نسبتا گسترده‌اي توزيع ميشود و منبع نوري تك فام با درخشندگي زياد عملا وجود ندارد.
۲- ستون اشعه به ندرت موازي هم ميباشند و اين وضع را به قيمت از دست دادن مقدارمنتابهي ازشدت تابش مي توان به طور محدود به دست آورد.
۳ – نميتوان درخشندگي يك منبع نوري گسترده را با ايجاد تصويري از آن زياد نمود.

در عوض اشعه‌ليزر داراي امتيازاتي فيزيكي به قرار زير است.
۱ – تمام نور صادر شده محتوي يك دسته باريك و موازي هم باشند.

۲ – نور ساطع از ليزر طول موج گسترده‌اي دارد كه به مراتب كوچكتر از منبع نوري غير ليزر است.
نوري كه در دسته به حركت در مي‌آيد تكفام ميباشد و آن را به نام منسجم يا همدوس مي‌خوانند. به عبارت ديگر صفات اساسي كه نور ليزر را برتر از نور طبيعي قرار مي‌دهند عبارت‌اند از:

درخشندگي زياد، تكفام بودن و همدوسي تابشي كه از بخشهاي مختلف منبع نور ناشي مي‌‍‌گردد .
بدين وسيله با عدسي‌هاي مناسب ميتوان تمام شعاع‌هاي صادر شده‌ ليزر را در منطقه كانوني جمع نمود.
۱ – a) در منطقه محدود كانون عدسي، تمركز اشعه مي‌تواند فوق‌العاده پرقدرت باشد تمركز توان در يك سطح به عبارت ديگر توان در واحد سطح را به نام چگالي توان ( Power Density ) مي‌خوانند.

آشكار است كه اين چنين تمركز توان روي جسم قادر خواهد بود كه تمام تابش ليرز را روي سطح نازكي جذب نمايد و با بروز حرارت خارق‌العاده در بافتها منجر به پيدايش پديده تبخير شود.

البته در اساس اين دسته نوراني ليزر با دسته موازي اشعه خورشيد، كه از ماوراء يك عدسي و تمركز آن روي قطعه‌اي از كاغذ كه فورا آن را به آتش مي‌كشد، تفاوتي نخواهد داشت. پرواضح است كه قدرت تمركزي كه از ستون‌ها موازي اشعه ليزر به دست مي‌آيد با منابع نور غير ليزر هيچگاه حاصل نمي‌‍گردد.
به همين مناسبت است كه از اشعه ليزر به عنوان منبع پر نيرو و قدرتمند نام ميبرند.
كاربرد ليزر در اعمال جراحي بر مبناي موازي بودن ستون اشعه‌اي است كه از ليزر ساطع ميشود و خصوصيت تكفام بودن عملا نقش عمده‌اي را ايفا نمي‌نمايد.

«ليزر چگونه توليد مي شود؟ »
نور ( تابش الكترومغناطيسي بطور عام ) زماني توليد ميشود كه سيستم كوانتم ( اتم – مولكول – يون ) از يك انرژي در تراز بالا به انرژي در تراز پائين انتقال يابد. ميتوان چنيني تعبير كرد كه سيستم كوانتم فقط در حالات جداگانه انرژي وجود دارد.E0 = ECystic En وقتي كه انرژي در تراز بالاتر Ea به انرژي در تراز پائين ترEb منتقل شود، تفاوت انرژي Ea – Eb تابش الكترو مغناطيسي را تشكيل ميدهد، )

كه n ضريب ثابت پلانك ۶ . ۶*۱۰ –۳۴ ژول در ثانيه ميباشد . تواتر Cystic و طول موج λ تابش الكترومغناطيس به وسيله رابط C = y * λ نمايانده ميشود ، كه در آن C سرعت نور است معادل CM / s 3 * 10 –۱۰ است .
دو نوع نشر تابش به وسيله اتم امكان‌پذير است : نشر خود به خودي و نشر برانگيخته :
نشر خود به خودي تابش ( Spontanlous emission)

به طور اتفاقي در طبيعت به وجود مي‌آيد و آن زماني است كه يك اتم در تراز انرژي بالاتر (Ea) تمايل دارد به تراز انرژي پايين Eb) ) كه به نام تراز پايدار خوانده ميشود برسد ، بدون آن كه به عامل تحريكي نيازمند باشد . به عبارت ديگر يك فوتون مي‌خواهد خود را از حالت ناپايدارتر در تراز انرژي بالاتر به يك حالت پايدارتر در تراز انرژي پايين‌تر برساند لحظه و زمان انتقال، جهت تابش و قطبي شدن ( پولاريزاسيون‌) آن همگي معيارهاي اتفاقي و تصادفي هستند. دنياي كوچك ( ذره )ها پر از نمونه‌هايي است از پديده نشر خود به خودي تابش. فعاليت پرتوهاي هسته‌اي و انتقال خود به خودي اجزا و ذرات متفاوت عنصر مثال‌هاي بارزي از اين پديده است.

نشر برانگيخته تابش ( Stimulated Emession ): وقتي كه يك اتم در تراز انرژي بالاترEa در اثر يك فوتون تحريي به فوتوني تبديل شود و به تراز انرژي پايين‌تر سقوطنمايد‌، آنچنانكه فوتون محرك با فوتون برانگيخته داراي هماهنگي از نظر جهت و قطبي شدن ( پولاريزاسيون ) باشد . ميگويند پديده نشر برانگيخته تابش صورت گرفته است . اين پديده ابتدا به وسيله اينشتن در قرن معاصر توصيف شده اسب جدب تابش : ( Absorption ) : هنگامي كه يك اتم از سيستم كوانتم از تراز انرژي بالاتر Ea به تراز انرژي پايينتر Eb برسد آنچنانكه فوتون آن توسط انرژي درتراز پايين گرفته شود پديده جذب رخ داده است .

خواص تابش ليزر
قبل از بحث پيرامون كاربردهاي ليزر ، ضروري است با جزئيات بيشتر از قبيل پهناي خط ليزر ، درخشندگي ، ثابت سازي فركانس ليزر ، آشنا شويم .
ويژگي ليزرها كاربردهاي آنها، نظير انتقال انرژي و مخابره تا فواصل دور دست تا گسترده نجومي را نيز مقدور ميباشد. اين چشم اندازها فيز يكدانان و مهندسان را در جهت توسعه و تكامل ليزرها به اقدامات جدي واداشته است.
آنها براي انجام اين عمل ابتدا به بررسي خواص ليزر پرداخته‌اند، از جمله اين خواص عبارتند از پهناي خط ليزر، …

پهناي خط ليزر
ماده‌ي فعال ليزري ، خروجي ليزر را درناحيه‌اي از بيناب محدود ميسازد كه توسط پهن شدگي طبيعي خط گذار خاص ليزري ، مشخص ميشود .
در عمل پهناي بيناب به دليل تلفات كاواك و شدت دمش ( فرايندي كه بدان وسيله اتمها از تراز يك به تراز سه يا از تراز صفر به تراز سه ميروند فرايند دمش (پمپ كردن ) ناميده ميشود مقداري كمتر خواهد بود . وجود كاواك نوري فركانس‌هاي نوسان كننده را به مقادير خاص در داخل اين ناحيه محدود ميسازد هر فركانس مجزا يك مد كاواك را تشكيل ميدهد راحت‌تر

است كه مدهاي كاواك را به دو دسته تقسيم كنيم ، مدهاي محوري يا طولي و عرضي ، مدهاي محوري را مانند امواج ايستاده در يك ريسمان ميتوان با اعداد صحيح p نامگذاري كرد.
براي كاواك معمولي مقادير p كاملا بزرگ است تقريبا ۱۰ ۶ . مدهاي عرضي با دو عدد r , q مشخص ميشوند . فركانس هاي نوسان كننده نيز با مقادير r , q مشخص ميشوند و نشان دهنده‌اي مد فضايي نيز ميباشند .

برخلاف p ، مقادير r , q معمولا مقادير كوچك ‌اند ( كوچكتر از ۱۰ ) . بايد ذكر كنيم كه دسته بندي كردن مدها به دو نوع صرفا جهت سهولت است وابستگي فركانسي مدهاي عرضي به مقادير r , q خيلي پيچيده است . اگر چيدن مد به طورهمزمان عمل كننده گستردگي كل فركانس ، تابش ليزري در مرتبه نيم رخ بهره خواهد برد .يك راه براي كاهش گستردگي فركانس آن است كه تعداد مدها را كاهش دهيم به طوريكه فقط يكي از ان‌ها بتواند نوسان كند ، اين عمل با واردكردن ديافراگم محدود كننده دركاواك ممكن خواهد بود ،

مدهاي عرضي با مرتبه بالاتر داراي توزيع فضايي بيشتر در داخل كاواك هستند ودرنتيجه از اتلاف زيادي در داخل كاواك رنج ميبرند كه از كاركردن آن‌ها با هم جلوگيري مينمايند . اگر فاصله‌بين فركانس‌ها را باكاهش طول كاواك افزايش دهيم در عوض تعداد مدهاي محوري كاهش ميابد وقتي كه جدايي مدهاي محوري به پهناي منحني بهره نزديك ميشود امكان آن وجود دارد كه فقط يك مد وجود داشته باشد .

بنابراين پهناي خط خروجي ليزر برابر است با يك مد طولي و خيلي بارك . اين در حقيقت به كميتي بستگي دارد و به نام فاكتور Q كاواك فاكتور كيفيت براي مهندسين الكتريك نيز آشناست ، چرا كه براي مدارهاي الكترونيكي و تشديد آن ها به كاربرده ميشود .
ماده فعال ليزري معمولا انرژي لازم براي مدهاي نوسان كننده را تعيين ميكند ، از نظرر تئوري مقدار انرژي تلف شده ميتواند صفر و متقابلا مقدار Q نامحدد باشد .
ليزر ثابت ثابت سازي فركانس ليزر

دو روش براي ثابت سازي فركانس ليزرهاي گازي معمولا مورد استفاده قرار ميگرد كه در هردو روش فركانس كار ليزر را در يك موقعيت خاص نسبت به نيمرخ بهره نگه ميدارد .اولين روش با توجه به اين كه نيمرخ بهره۱ نسبت به نقطه‌ي مياني متقارن است انجام ميشود .فرض كنيد دو مد باشدت مساوي عمل مي‌كنند فركانس آن‌ها بايد از دوطرف به يك فاصله از مركز نيمرخ بهره واقع شود . هر جابه‌جايي در فركانس مد باعث افزايش شدت يكي از مدها و كاهش شدت ديگري خواهد شد . بنابراين ، اگر ما قادر به كنترل و مشاهده شدت هردو موج باشيم ميتوانيم اختلاف اين دورا به عنوان باز خور تا مدار و طول كاواك را كنترل كند و از اين طريق امكان كنترل و ثابت سازي فركانس عمل ليزر خواهد بود به نظر ميرسد اندازه‌گيري شدت

مدها مشكل باشد خوشبختانه معمولا مدهاي مجاور هم در كاواك به صورت تخت قطبي‌اند و ضخامت قطبش عمود بر يك ديگرند . لذا فقط بايد خروجي ليزر را به دو قسمت تقسم كنيم و ان‌ها را به دو آشكارساز بتابانيم خروجي آشكارسازها با شدت تابش‌ها متناسب است يك راه ساده براي اعمال بازخور اين است كه هر گونه اختلاف در خروجي آشكارسازها اجازه يابند تا جريان عبوري از يك سيم پيچ حرارتي كه اطراف لوله ليزر پيچيده شده است را مدوله سازد هر تغيير نسبي در اثر شدت‌هاي خروجي دماي لوله ليزر را تغيير خواهد داد و نهايتا طول موثر كاواك را اصلاح خواهد كرد اين عمل به نوبه خود فركانس مد را تغيير خواهد داد.

روش دوم: ثابت‌ساز فركانس بستگي به پديده‌اي به نام كودال لمب۲ دارد. براي درك موضوع به علت پهن شدن نيم‌رخ بهره‌ مي‌پردازيم. در ليزرهاي گازي، گذاري ليزري به عنوان « گذار پهن شدة ناهمگن » شناخته ميشود. اين بدين معني است كه گرهي از اتم‌ها كه داراي سرعتهاي نسبتا متفاوتي نسبت به امتداد تابش هستند، فركانس‌هاي متفاوتي را توليد مينمايند. اين امر در حقيقت به دليل اثر دوپلو است، همان طور كه به دليل حركت يك منبع صوتي تغيير در فركانس منبع مشاهده ميشود.

هر مد به طور اساسي يك موج ايستاده است كه از دو موج با شدت مساوي كه در دو جهت مخالف حركت كنند به وجود مي آيد. اين دو موج به دليل فركانس مساوي ولي حركت در جهت مخالف يكديگر، قادر گسيل برانگيخته مشاركت دارند و خروجي ليزر را به وجود مي آورند راههاي مختلفي برا تغيير طول كاواك وجود دار. براي مثال با گرم كردن كاواك يا به وسيلة نصب يكي از آينه‌ها بر روي بلور پيزوالكتريك، به طور يك موقعيت آينه را بتوان با تغيير ولتاژ اعمال شده در سرتاسر بلور تغيير داد.

و اگرايي پرتو: يكي از خصوصيات مشترك اكثر ليزرها اين است كه خرجي آنها بصورت پرتوهاي تقريبا موازي است، اين ويژگي براي تعدادي از كاربرهاي خيلي مفيد است چراكه ميتوان به آساني تابشهاي گسيلي را جمع و با استفاده از يك سيستم عدسي ساده، در ناحيه‌اي بسيار كوچك متمركز نمود.
همدوس پرتو:

يكي از مشخصات گسيل‌هاي تحويلي اين است كه امواج برانگيخته با موج برانگيزنده در يك فاز قرار دارند، يعني تغييرات فضايي و زماني ميدان الكتريكي دو موج با هم يكسان هستند بنابراين در يك ليزر ايده‌آل انتظار داريم كه ميدان الكتريكي با زمان تغيير كند .دو مقدار مفيدي كه به همدوسي زمان مربوطند, عبارتند از; زمان همدوسي و طول همدوسي. براي درك اين موضوع پرتو را به دو قسمت مساوي تقسيم مي‌كنيم و مجددا پس از طي مسافت مختلف آنها را با هم تركيب مي‌كنيم.

اگر پرتو اصلي يك موج سينوسي نامحدود باشد آنگاه دو پرتو با هم تداخل خواهند نمود و مجددا تركيب ميشوند. اين به اين معني است كه اگر مسير دو پرتوي اوليه به وجود آيد اين تركيب را تركيب سازنده مي‌گويند اما اگر اختلاف راه مضرب فرعي از نصف طول موج باشد, آنگاه دو پرتو يكديگر را حذف خواهند كرد چون اگر در هر نقطه در زمان و فضا,در طول مسير, پرتوي مؤلفه هاي ميدان الكتريكي دو پرتوي مساوي و خلاف يكديگرند و جمع آنها صفر ميشود براي مقادير اختلاف راه بين اين مقادير دامنه‌اي بينابين به دست مي‌آوريم. اما پرتوهاي نوري، با زمان عمر حقيقي، نميتوانند موج سينوسي نامحدود ايجاد كنند. بدون توجه به ليزر، فرض كنيم گروهي از اتم‌ها گسيل خود به خودي انجام ميدهند. هر اتم به طور مستقل از ديگر اتمها تابش مي‌كنند و البته براي مدت زمان محدودي.

درخشندگي:
درخشندگي عبارت است از توان گسيل شده از واحد سطح در واحد زاوية فضايي (ديمانسيمون آن در سيستم SI ، وات بر متر مربع بر استداديان است. ) بعضي از مواقع درخشندگي مخصوص به كاربرد ميشود و اين درخشندگي بر واحد ناحيه طولي موج است. واگرايي باريكة ليزر در مقايسه با چشمه‌هاي معمولي نور عمدتا خيلي كوچك است. ولي با وجود توان نوري كم، به دليل زاوية كوچك كه باريكه ليزر در مقايسه با چشمه‌هاي معمولي نور عمدتا خيلي كوچك است. ولي با وجود توان نوري كم، به دليل زاويه كوچك باريكة ليزر در آن منتشر ميشود ليزر داراي درخشندگي زيادي است.

انواع ليزرها

۱) ليزرهاي الاييده شده باعايق
۲) ليزر يا قوت
۳) ليزرهاي الكساندريت
۴) ليزرهاي مركز رنگي
۵) ليزرهاي نيمه رسانا
۶) ليزرهاي گازي
۷) ليزرهاي اتمي
۸) ليزرهاي دي‌اكسيد كربن
۹) ليزرهاي با لولة بسته
۱۰) ليزرهاي با جريان گاز
۱۱) ليزر اگزايمر
۱۲) ليزرهاي الكترون آزاد
۱۳) ليزر بخارمس
۱۴) ليزر مادون قرمز

۱) در اين ليزرها ماده فعال از يونهاي ناخالص كه در داخل شبكه بلوري يك جامد ( ميزبان ) قرار گرفته‌اند, تشكيل شده است و غالبا ناخالصي‌ها به جاي موقعيت هايي كه معمولا توسط يونهاي ميزبان اشغال شده قرار مي‌گيرند.

۲) اولين ليزر موفق ليزر ياقوت بود و گرچه هنوز توليد ميشود، لكن امروزه زياد مورد استفاده قرار نميگيرد ماده فعال اين ليز AL2O3 ميباشد.
۳) الكساندريت از نظر بنياب شير ياقوت است و اولين بار در سال ۱۹۷۳ به عنوان يك ليزر سه ترازي با طول موج ۶۸۰ نانومتر ساخته شده است.
۴) وقتي نمكهاي هيدروكسيد سديم يا آمونيم تحت تابش با انرژي بالا مانند پرتوهاي x و يا پرتوهاي الكتروني قرار ميگيرند به دليل ايجاد لكهاي جديد، در داخل ماده ترازهاي انرژي

الكتروني جديدي به وجود مي‌آورد. جذب نوري بين اين ترازها باعث رنگي شدن مواد مورد تابش ميشود و بنابراين به نام مركز رنگي ناميده ميشود.
۵) گرچه ليزرهاي نيمه رسانا از جامد ساخته شده‌اند اما با ليزرهاي جامد، از نظر ساختار ترازهاي انرژي, متفاوت‌اند.
۶) استفاده از گازها به عنوان ماده فعال ليزري تفاوت جالبي با جامدات دارد. از سوي ديگر گازها بسيار يكنواخت‌ترو همگن‌تر از جامدات هستند و ميتوان براي فلك كردن و دوباره پر كردن، آنها را در يك مدار بسته به حركت در آورد.
۷) معروفترين ليزر اتمي(در حقيقت يكي از معروفترين ليزرها(ليزر He – Ne است. ماده فعال آن مخلوطي از هليوم ونئون است كه با نسبت حدود ۱۰ قسمت هليوم و يك قسمت نئون بدست مي‌آيد.