ليزر و طرز توليد آن

كلمه» ليزر« =Laser = از حروف اختصاري عبارت انگليسي
Light Amplification by Stimulated Emission Of Radiation
ساخته شده است و به معناي» تقويت نور از طريق تشعشع تحريك شده« به كار مي‌رود.
ليزر نوري است متشكل از پرتوهاي به غايت دسته شده و همدوس كه بسامد امواج الكترومغناطيسي اين پرتوها در حوزة بسامدي بين فرابنفش و فروقرمز گسترش مي‌يابد. فرآيند ليزر از كوانتومي شدن انرژي در ماده و ميدان تشعشع الكترومغناطيسي سر چشمه مي‌گيرد و بر اثر تحريك ساختگي تشعشع پديد مي‌آيد.

وجود پديده تشعشع تحريك شده را آلبرت اينشتين در سال ۱۳۱۶ ، در ضمن يك برداشت نو از فرمول تشعشع بلانك به دست آورد و پايه‌هاي فيزيكي آن را همان زمان انشا كرد. اما اين نوآوري اينشتين نزديك به نيم قرن فقط جنبه نظري داشت و از حلقه علاقه دانشمندان فيزيك فراتر نرفت.
اصطلاح» ليزر« از سال ۱۹۶۰ متداول گشت، و اين هنگامي بود كه تئودور نويمان، از طريق تحريك تشعشع، نخستين ليزر را در بلور ياقوت توليد كرد. يك سال بعد در سال ۱۹۶۱ نيز جوان و

همكارانش نخستين ليزر گاز هليوم – نئون را ساختند. همچنين ديري نگذشت كه نخستين ليزر نيمه رساناي ارسينو- گاليوم نيز در سال ۱۹۶۲ به دست دو گروه مستقل( تقريباَ همزمان) توليد شد.
مهمترين ليزرها را مي‌توان به سه گروه اصلي تقسيم كرد: ليزر اجسام سخت يا ليزر بلورها، ليزر گازها و ليزر نيمه رساناها. ولي اين هر سه نوع ليزر از لحاظ فرآيند توليد در سه عامل اصلي زير مشتركند:
۱٫ يك ماده فعال( عمل كننده) كه به يك نسبت در يك ماده پايه جا مي‌گيرد، و اتمهاي آن حالت كوانتومي خود را بر اثر دريافت انرژي تغيير مي‌دهند، و فرآيند تشعشع تحريك شده را به راه مي‌اندازند.
۲٫ يك پمپ كه انرژي را به اتمهاي ماده عمل كننده فعال منتقل مي‌كند، به طوري كه اتمهاي اين ماده حالت عادي تعادل گرمايي جسم را وارونه مي‌سازند، به همين ملاحظه اين مرحله توليد را وارونه‌سازي مي‌خوانند. وارونه‌سازي عموماَ از طريق يك» پمپ‌اپتيكي« انجام مي‌شود، به اين شرح كه ماده آرايش يافته ليزر را تحت تابش نور ناهمدوس قرار مي‌دهند و بدين نحو اتمهاي ماده فعال را از سطح انرژي پايه به سطوح انرژي تحريك شده منتقل مي‌كنند.

سه ظرف با محتواي مايع در سه سطح متفاوت قرار گرفته‌اند، و يك پمپ هيدروليكي p مايع را از ظرف ۱ به ظرف ۳ مي‌كشاند(رجوع به شكل۶). سوپاپهاي در لوله‌هاي اتصال تعبيه شده است، به طوري كه مايع مي‌تواند به ظرف ۲ منتقل گردد و از آنجا به درون ظرف ۳ وارد شود، ولي مقدار اين جريان البته با حجم مايع درون ظرفها متناسب خواهد بود. چنانچه احتمال انتقال از ظرف ۲ به ظرف ۱ از احتمال انتقال از ظرف ۳ به ظرف ۲، يا از ظرف ۳ به ظرف ۱، بسيار كمتر باشد، يك گزارش بيشتر براي تراكم مايع در ظرف ۲ پديد مي‌آيد، و ظرفهاي ۱و ۲ از حيث تراكم مايع با يكديگر تعويض مي‌شوند. همچنين اگر احتمال انتقال از ظرف ۳ به ظرف ۲ از احتمال ديگر انتقالها كمتر باشد، اين امكان كه ظرفهاي ۳ و ۲ از حيث تراكم با يكديگر تعويض شوند، به وجود خواهد آمد.

اينك اگر سطوح انرژي را منطبق با ظرفهاي مذكور بدانيم و سوپاپهاي تعبيه شده را در حكم احتمال انتقال اتمها به تصور آوريم، مي‌توان گفت كه مشابه همين وضع در مورد وارونه‌سازي از طريق پمپ اپتيكي پيش مي‌آيد. به عبارت ديگر، يونهاي ماده فعال تحت تابش نور ناهمدوس (پمپ اپتيكي) از سطح انرژي ۱ به سطح انرژي ۳ منتقل مي‌شوند و پس از توقف كوتاه در اين سطح كه به صورت نوار پهن ظاهر مي‌شود، به سطح انرژي ۲ سقوط مي‌كنند- بعداَ خواهيم ديد كه پيدايش اين نوار پهن براي تشعشع پرتوهاي ليزر لازم است.
هر گاه شدت نور پمپ به اندازه كافي باشد، سطوح انرژي ۱و۲ از حيث چگالي عدد اشغال وارونه مي‌شوند، و ماده ليزر براي صدور پرتوهاي همدوس آماده است.
۳- فضايي به عنوان مشدد اپتيكي و به منظور تقويت امواج نور. اين مشدد اپتيكي غالباَ از نوع تداخل‌سنج فابري- پرو است كه به وسيله دو آينه (يكي سراسر منعكس كننده و ديگري بخشي منعكس كننده و بخشي عبوردهنده) از دو طرف محصور مي‌شود و ماده آرايش يافته ليزر را در فضاي خود جا مي‌دهد.
اينك كوانتومهاي نوري صادر شده، پس از انعكاس در سطح آينه‌ها، در ضمن هر رفت يا برگشتي پي‌در پي تشديد مي‌شوند، و بذين ترتيب پرتوهاي تقويت شده ليزر به وجود مي‌آيند. اين وضع در واقع مشابه وضع امواج مكانيكي يك تار مرتعش است كه در دو انتها به دو نقطه ثابت شده باشد، با اين تفاوت كه در مشدد اپتيكي مسئله بر سر امواج نوريي است كه طول موج آنها در رديف قرار مي‌گيرد. پس براي آنكه موجهاي نور يكديگر را تقويت كنند، فاصله دو آينه بايد يك مضرب صحيح از طول موج پرتو تحريك شده باشد.
وظيفه مشدد اپتيكي، علاوه بر همدوس كردن پرتوها در سطح آينه‌ها، اين است كه فقط به پرتوهاي محوري عمود بر سطح آينه اجازه خروج بدهد.
پس از اين مقدمات، ساختمان سه ليزر نمونه را، كه از لحاظ آموزشي قابل توجه‌اند، اجمالاَ بررسي مي‌كنيم و در اين ميان با طرز توليد پرتوهاي سه گروه ليزر اجسام سخت و ليزر گازها و نيز ليزر نيمه رساناها آشنا مي‌شويم.

ليزر ياقوت
ماده پايه در اين ليزر تك بلور اكسيد آلومينيوم(Al2O3) است. ماده فعال را اكسيد كرم(Cr2O3) تشكيل مي‌دهد، بدين نحوه كه به ازاي تقريباَ هر هزار يون آلومينوم، يك يون كرم در شبكه بلور جايگزين يك يون آلومينيوم مي‌شود. شكل ۷ نمودار ترسيمي سطوح انرژي را در مورد بلور ياقوت در حالت تعادل گرمايي نمايش مي‌دهد. E1 و E2 به ترتيب دو حالت تحريك شده با چگاليهاي اشغال n1 وn2 را نمايش مي‌دهند، حال آنكه حالت پايه با چگالي عدد اشغال n0 را معرفي مي‌كند. اينك

با توجه به ارتباط رياضي بين چگالي عدد اشغال (ص ۴۶۴) يك نمودار ترسيمي براي توزيع يونها در بلور ياقوت به دست مي‌آوريم(شكل ۸). اين نمودار ترسيمي نشان مي‌دهد كه چگالي عدد اشغال در سطح انرژي پايه از چگاليهاي عدد اشغال در دو سطح انرژي تحريك شده به مراتب بزرگتر است. پس بلور ياقوت در حالت عادي براي توليد پرتوهاي ليزر به كار نمي‌آيد، بلكه سطوح انرژي آن از حيث

عدد اشغال ابتدا بايد وارونه شود. به اين منظور اين وارونه‌سازي در بلور ياقوت، عموماَ از نور سبز مايل به زرد يك لامپ تخليه استفاده مي‌شود( شكل۹). اين لامپ مارپيچي ي قطعه بلور ياقوت آرايش يافته و قلمي تراشيده شده را به طول۵ تا ۱۰ سانتي‌متر در درون خود جا مي‌دهد. نور لامپ يونهاي فعال را از سطح انرژي پايه۰E به نوار انرژي۲E مي‌رساند( عمل اپتيكي)× . اينك همين يونهاي كرم، پس از يك توقف كوتاه، بر اثر خوبخودي به سطح ۱E سقوط مي‌كنند واز آنجا، در ض

من صدور كوانتومهاي نور، به سطح انرژي پايه بر مي‌گردند( رجوع شود به شكل ۷). سپس كوانتومهاي نور در درون قطعه بلور ياقوت، كه خود در حكم يك مشدد اپتيكي عمل مي‌كند، تشديد شده امواج نور تقويت شده را به وجود مي‌آورند. ااين امواج تقويت شده در امتداد محور مشدد

و عمود بر سطح آينه از بخش قابل عبور آينه به صورت پرتوهاي ليزر خارج مي‌شوند.
از آنجا كه قطعه بلور ياقوت خو نقش مشدد اپتيكي را ايفا مي‌كند، سطح دو قاعده استوانه ياقوت در يك انتها سراسر، ودر انتهاي ديگر فقط در بخشهايي براي انعكاس پرتوها آينه‌سا مي‌شود. شكل ۱۰ فرآيند ليزر ياقوت را نمايش مي‌دهد:

الف) يونهاي كرم، بر اثر تابش نور تخليه، تحريك مي‌شوند.
ب) يونهاي تحريك شده ابتدا بر اثر تشعشع خودبخودي و با توققهاي بين راه به حالت پايه برمي‌گردند. در اين ميان كونتومهاي نوري غير موازي با محور از بدنه استوانه بلور خارج مي‌شوند و بدين ترتيب در فرآيند پرتوهاي ليزر نقشي ندارند.