مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

ليزر چيست؟

از حروف ابتداي عبارت "تقويت نور بوسيله گسيل القايي تابش" (Light Amplification ByStimulated Emission of Radiation) در لاتين ساخته شده است که معمولاً در طول موجهاي مادون قرمز نزديک ، مرئي و ماوراي بنفش طيف الکترومغناطيس مي‌باشد. به گسيلهاي ليزر گونه طول موجهاي بلندتر ناحيه ميکروويو "ميزر" (MASER) گفته مي‌شود. ليزر اصولاً به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته مي‌شود.

ليزر کشفي علمي مي‌باشد که به عنوان يک تکنولوژي در زندگيمدرن جا افتاده است. ليزرها به مقدار زياد در توليدات صنعتي ،ارتباطات ،نقشه ‌برداريوچاپمورد استفاده قرار مي‌‌گيرند. همچنينليزر در پژوهشهاي علمي و براي محدوده وسيعي از دستگاههاي علمي‌ ، موارد مصرف پيداکرده است. برتري ليزر در اين است که از منبعي براينور و تابشهاي کنترل شده ، تکفام و پرتوان توليد مي‌کند. تابشليزر ، با پهناي نوار طيفي باريک و توان تمرکزيابي شديد ، چندين برابر درخشانترازنور خورشيداست.

تاريخچه

انيشتيندر 1917 ميلادي نظريه گسيل القاييرا بيان داشت و روابط مشهور جذب و نشر را به جهان عرضه نمود. بر پايه اين تئوري چهلسال بعد ،تاونزو همکاران او ، نخستين تقويت کننده گسيل القايي را با بکارگيريآمونياکمورد آزمايش قرار داده و سيستمي‌ بهاسمميزر پديد آوردند که در فرکانس2.3X10¹¹Hzکار مي‌کرد.
نخستينليزر در 1960 بوسيلهميلمن، با استفاده ازياقوتقرمز(ترکيبي ازاکسيد آلومينيومخالص به همراه 5 درصداکسيد کروم( III ساخته شد و اولينليزر گازي He - Ne توسطدکتر علي جواندر آزمايشگاه شرکت Bell درآمريکا ساخته شد. در سال 1986 کشف شد که منبع ليزر مي‌تواندنور همدوستابشکند، به گونه‌اي که دامنه و فاز آن در تمامي‌ نقاط فضا ، قابل سنجش و تعيين باشد. يکي ديگر ازخواصليزر ، همگرايي بالاي آن است. به دليل اين ويژگي ، تمامي انرژي پرتو ليزرتقريبا در يکفرکانس متمرکز مي‌‌شود. لذا تکفامي و بالا بودن شدت آن ايده‌آل است.

آرايش دستگاههاي ليزري

دستگاههاي ليزر را محيط فعال ، مشدد کننده ليزر ووسيله دمش (پمپاژ) تشکيل مي‌دهند. بطور کلي ساختار يک ليزر نوعي به صورت زيراست:

محيط فعال (active medium) : محيط فعال مجموعه‌اي از اتم‌ها و مولكول‌ها ، با يونهادر حالت جامد ، مايع يا گازي است كه همانند تقويت‌كننده عمل مي‌كند و انرژي را در خود ذخيره مي کند ماده فعال بايد شفاف باشد تا نور بتواند از آن عبور کند . نمونه‌هايي از اين مواد عبارتند از: بلورهاييمثل ياقوت ،ايتريوم ،آلومينيوم گارنت، ()يا گازهايي مثلCO₂و He - Ne و ... و مايعاتي مانند رنگهايرودآمين – 6Gمي‌‌باشد.

مشدد کننده هاي ليزري در ساده ترين شکل از دو آيينه تشکيل شده است .آينه‌هاي مورد استفاده در ليزر ، با روشهاي مختلف و پيشرفته لايهگذاري ساخته مي‌شوند، بطوري که آينه خروجي دستگاه که باريکه ليزري از آن خارجمي‌شود نيمه بازتاب و آينه اولي کاملا بازتاب کننده مي‌باشد.نور توليد شده از ماده فعال بين اين آيينه ها منعکس مي شود .آينه‌هاي ليزريبه دو صورت مي‌توانند رويسيستم سوار شوند:

آينه‌هاي داخلي:روي تيوپ نصب مي‌شوند.

آينه‌هاي خارجي:آينه‌هاي خارجي داراي مزايايي بر آينه‌هاي داخلي هستند: در تماس با محيط خارجي فعال (بخصوص درليزرهايگازي)فرسايش نمي‌يابند و قابليت انعطاف بيشتري دارند.

در شکلهاي پيچيده تر تشديد کننده ليزراز چندآيينه تخت و يا منحني تشکيل مي شود .

وسيله دمش يا پمپاژ: جهت تأمين انرژي ماده فعال استفاده مي شود. اين وسيله براي ايجاد شرايط لازم جهت گسيل ليزري كه اين شرايط اساسي را وارونگيجمعيت (inrerted population) مي‌نامندمورد استفاده قرار مي گيرد و ممكن است منبع تحريك نوراني و يا الكتريكيو … باشد . مثلاً در ياقوت قرمز اين منبع از يك لامپ فلاش و در ليزر He - Ne پتانسيل الكتريكي در حدود چند هزار ولت است . اگر در محيط فعال چگونگي تقويت ياتضعيف را بررسي كنيم خواهيم ديد كه شدت تحريك I با وارونگي جمعيت وابستگي كمي دارند .

ويژگيهاي نور ليزر :

از نخستين روزهاي بررسي تکنولوژي ليزر ، پي برده شد که نور ليزر خواص مشخصه ايدارد که آن را از نورهاي ايجاد شده از ساير منابع متمايز مي کند. در اين بخش ، بهچگونگي ظهور اين خواص از ماهيت فرايند ليزر مي پردازيم.

پهناي باريکه (طول موج ):

از آنجاکه نشر القايي ،‌فوتونهايي را با راستاي انتشار دقيقاً يکسان توليد مي کند، استفادهاز پيکربندي آينه انتهايي به تقويت گزينشي باريکه محوري که تنها قطري در حدود m m ۱دارد منجر مي شود. بدين ترتيب ليزر ، باريکه اي نازک و اساساً موازي از نور را کهمعمولاً داراي توزيع گاوسي از شدت است ، از آينه خروجي به بيرون نشر ميکند.

زاويه واگرايي باريکه مقداري در حدودm radian ۱است که در فاصله يککيلومتري ، تنها قسمتي به عرض يک متر را روشن مي کند. هرچند که ميزان واگرايي باريکه در وهله نخستتوسط حد پراش روزنه خروجي تعيين مي شود ،‌ولي با ابزار اپتيکي مناسب مي توان همينواگرايي اندک را به مقدار زيادي تصحيح کرد. به عنوان مثالي از اينکه باريکه ليزر تاچه حد قابل موازي سازي است، به اين مطلب توجه کنيد که مي توان بازتابش نور ليزر رااز روي بازتابنده هايي که فضانوردان طي ماموريت فضايي آپولو در سطح کره ماه کارگذاشتند، در زمين مشاهده کرد.
شدت:

شدت زياد، خاصيتي است که بيش از ساير موارد همراه نور ليزر است و در حقيقتليزرها بالاترين شدتهاي شناخته شده روي زمين را ايجاد مي کنند. از آنجا که ليزرباريکه اي موازي از نور را نه در تمام جهتها ، بلکه در راستاي مشخصي نشر ميکند،مناسبترين معيار شدت، تابيدگي است . از آنجا که انرژي در واحد زمان برابر توان است،داريم:
سطح / توان I = تابيدگي

با اين حال در استفاده از اين معادله بايدتاکيد کرد که منظور از «توان» ، توان خروجي ليزر است و نه توان ورودي آن.براي بررسيدرست تابيدگي يک نوع ليزر، مي توان به اين نکته توجه کرد که شدت ميانگين آفتاب رويسطح زمين به اندازه يک کيلووات بر متر مربع يعنيm W ۱۰است.
ابتدا يک ليزرقدرتمند آرگون را که تواني در حدود W ۱۰در طول موج nm ۴۸۸نشر مي کند، در نظر ميگيريم. با فرض سطح مقطعي برابر mm ۱براي باريکه ،‌اين مقدار باعث ايجاد تابيدگي mW ۱۰¹⁰مي شود . در واقع با متمرکز کردن باريکه تا رسيدن به حد پراشناشي از ابزار اپتيکي متمرکز کننده ، مي توان تابيدگي را افزايش داد. از اين جنبهنيز نور ليزر به طور مشخصي خواص غير عادي را نشان مي دهد، به گونه اي که با متمرکزکردن آن مي توان به شدتهايي دست يافت که از شدت خود منبع فراتر مي رود.معمولاًامکان چنين چيزي براي منابع معمولي نور وجود ندارد.

همدوسي:

همدوسي خاصيتي است که به بهترين وجه نور ليزر را از ساير انواع نورمتمايز مي کند و بازهم اين خاصيت ، نتنجه ماهيت فرايند نشر القايي است. اغلب، نورحاصل از منابع معمول گرمايي که توسط نشر خودبه خودي کار مي کنند، به نور آشفتهموسوم است، معمولاً در اين موارد، هيچ همبستگي بين فاز فوتونهاي گوناگون وجود نداردو در اثر تداخلهاي اساساً تصادفي بين آنها، افت و خيز محسوسي در شدت پديد مي آيد. در مقابل در ليزر، فوتونهايي که توسط محيط برانگيخته ليزر نشر مي شوند، با سايرفوتونهاي موجود در حفره، همفازند.

همدوسي زماني ليزر: همدوسي زماني فوتونهاينور ليزربه معني هماهنگي بين آنها از لحاظوضعيت ارتعاشي (فاز) آنهاست. همدوسي مکاني نور ليزربه معني هماهنگي بينفوتونهاي تشکيل دهنده نور ليزر از لحاظ راستاي انتشار آنهاست. به لحاظ همدوسي زمانيکه در نور ليزر وجود دارد، قدرت تأثيرگذاري فوتونهاي آن در نقطه هدف بسيار بالاتراز نورهاي معمولي است؛ زيرا طبقاصل برهمنهي امواج، بدليل همفاز بودن اينفوتونها، ميدانهاي الکتريکيشان مستقيما با هم جمع شده و ميداني قوي را بوجود ميآورند.

همدوسي مکاني ليزر: همچنين به لحاظ همدوسي مکاني نورليزر ، نور خروجي بصورت باريکه‌اي جهتمند از آن خارج شده و مي‌تواند تا مسافتهايطولانيتري بدون افت چشمگير توانش طي کند و نيز بوسيله کانوني کردن آن در نقطه کوچکيمي‌توان به شدتهاي بسيار بالايي دست يافت.

تکفامي (تکرنگي ):

نور ليزر نوري تقريباًتکرنگاست. مشخصه رنگ در نور به فرکانس آنوابسته است، بنابراين ، نور فوتونهاي ليزر در محدوده کوچک فرکانسي گسيل مي‌شوند،درحاليکه منابع نور معمولي گستره فرکانسي بسيار بالايي را دارند. معيارتکرنگي يا خلوص نور ليزر ، پهناي فرکانسي آن است که طبق تعريف ، فاصله دو فرکانسياست که منحني توزيع فرکانسي نورهاي گسيلي در نصف ماگزيمم آن دارند. اين فاصله درليزرها فوق‌العاده کمتر از منابع نور معمولي يا منابعنور گازياست. اين به معناي آن است که اکثرانرژي تابشي ليزرها حول فرکانس مرکزي آن مي‌باشد. در منابع معمولي ، برعکس ليزرهامنحني توزيع فرکانسي بسيار وسيع است و پهناي فرکانسي آن نيز نتيجتا بسيار زياد است. بنابراين ، اگر بخواهيم که نور اين منابع را با استفاده از مثلا فيلتر و يا يکتجزيه‌گر بصورت تقريباً تکرنگ دربياوريم، از شدت آن به‌شدت کاسته خواهد شد.

اين خاصيت از آن حقيقت منشا مي گيردکه تمام فوتونها در اثر گذار بين دو تراز انرژي اتمي يا مولکولي مشابه، نشر مي شوندو بنابراين تقريباً‌ فرکانسهاي دقيقاً يکساني دارند. با وجود اين، همواره گسترهکوچکي از توزيع فرکانسها وجود داردکه ممکن است چندين فرکانس يا طول موج گسسته را دربر گيرد و باعث برقراري شرط موج ايستا شود.
نتيجه آن است که تعداد کمي ازفرکانسها با فواصل اندک از يکديگر، ممکن است در عمل ليزر حضور داشته باشند، به طوريکه براي رسيدن به تکفامي بهينه، بايد وسيله اضافي ديگري را براي گزينش فرکانس درليزر تعبيه کرد. معمولاً براي اين کار از يک سنجه استفاده مي شود که عنصري اپتيکياست که درون حفره ليزر قرار مي گيرد و به گونه اي تنظيم مي شود که تنها يک طول موجمعين بتواند بين دو آينه انتهايي، به طور نامتناهي منعکس شود . درليزرهايي با خروجي پيوسته، تهيه پهناي خط نشر به کوچکي cm ۱ ، کاري بسيار ساده استو در ليزرهاي با فرکانس تثبيت شده، پهناي خط ميتواند چهار تا پنج توان ده کوچکترداشته باشد. عامل کيفيت Q که برابر با نسبت فرکانس نشر شده u به پهناي خط Du است،يکي از عاملهاي مهمي است که ليزر را توصيف مي کند.

Q = u/Du

بدين ترتيب،مقدار عامل Q به سادگي مي تواند به بزرگي ۱۰ باشد و اين مقدار به وضوح از اهميتزيادي در طيف بيني تفکيک بالا برخوردار است.

جهتمندي:

يک منبع نور معمولي (مانندلامپهاي تخليهو ...) در تمام جهات دلخواهتابش مي‌کند و نور حاصل از آنها جهتمند نيست. اين در حالي است که خروجي يک ليزرممکن است خيلي نزديک به يک موج تخت باشد که واگرايي آن فقط بخاطر اثرات پراش است. خروجي يک ليزر معمولا داراي يک توزيع شدت عرضي است. براي مثال يکليزر

He - Ne که در مود اساسي خود نوسانميکند، داراي يک توزيع دامنه گوسي است:
و
که درآن انتشار در راستايZبوده و کميتمشخص کنندهاندازه لکه باريکه است. هر قدر که اندازهبزرگ باشدواگرايي کم است. اين کار با استفاده از يک سيستم ساده متشکل از دو عدسي صورتميگيرد. جهت مندي بالاي باريکه ليزري ، باعث ميشود که بتوان آنرا در در لکه بسيارکوچکي کانوني کرد و چنين شدتهاي بالاي ليزري منجر به کاربردهاي فراوان در صنعت نظيرجوشکاري ، سوراخ کاري و برش کاري و ... مي‌شود.

نشر القايي

انيشتين در سال 1916 نشان داد که گسيل القايي نور را مي‌توان از يک اتمبرانگيخته بدست آورد.
چنانچه اتم و يا مولکول در تراز بالاترE₂واقع شود و فوتوني با فرکانس‌u با اتم برانگيخته واردبرهمکنش شود.

بطوري کهhu = E₂ _ E₁باشد، در اينصورت احتمال معيني وجود خواهد داشت که اتم به تراز پايينتر بيافتد. در نتيجه ، دوفوتون حاصل مي‌‌شود، فوتون القا کننده و القا شونده ، که هر دو همفاز و هم انرژي هستند.در عين حال ،اگر اتمهايي به تعدادN₁در ترازE₁باشند،مي‌توانند با جذب فوتونهاي فوق ، برانگيخته شده و به تراز انرژيE₂برسند.چنانچه هدف به دست آوردن تابش همدوس باشد، بايدسعي شود کهN₂ >> N₁ گردد، به عبارتديگر ،تجمع معکوسرخ دهد. فرآيندي که طي آن تجمع معکوس صورت مي‌‌گيرد،دمشمي‌نامند.

روشهاي دمش (پمپاژ) ليزري

دمش اپتيکي ليزر:لامپ فلاش - نور ليزر (در ليزرهاي حالت جامدبه خاطر پهناي گذار تابشي)

دمش الکتريکي ليزر(در ليزرهايگازي)

تجمع معکوس

وقتي يکسيستم دوترازيبا محيط اطراف خود در حالتعادل گرماييباشد، جمعيت تراز انرژي بالاترN_jکمتر از جمعيت ترازN_iخواهد بود. بااستفاده از فرآيند اشباع شدن مي‌توانN_iرا باN_jمساوي گردانيد. بطوري که مقدار جذب به صفر تنزليابد.

چنانچه بتوان مقدارN_jرا بيشتر ازN_iنمود، اکثر اتمهاي سيستم که به حالت برانگيخته مي‌‌روند،تمايل خواهند داشت که به حالت انرژي کمتر برگردند. بديهي است که اين تمايل به وسيلهکوانتاي تابش فرودي تشديد مي‌گردد. بدين معني که سيستم نه تنها فوتون فرودي را جذبنمي‌کند بلکه فوتون فرودي باعث برانگيختگي سيستم برانگيخته شده که با سقوط به حالتپايينتر دو فوتون انرژي تابشي از دست مي‌دهد (فوتون مربوط به اتم برانگيخته بههمراه فوتون فرودي). تمام اين فرآيندها تابش ليزر را بوجود مي‌آورند.

قراردادن محيط توليد ليزر در يکمشدد نوريبا انتهايآينه‌ايکه تابش را در محيط توليد ليزر بهجلو و عقب مي‌فرستد، سبب تراکم تابش سطوح بالا در تشديد کننده بوسيله ادامه گسيلالقايي مي‌شود. سپس تابش ليزر از طريق آينه‌اي نيمه شفاف ، از يک انتهايکاواکبه بيرون گسيل مي‌شود.

ليزرهاي سه ترازي و چهار ترازي :

ليزرها اصولاً يا سه ترازي هستند و يا چهار ترازي در ليزرهاي سه ترازي تراز پاييني همان تراز پايه است . روش عملکرد اين ليزرها به اين گونه است که اتمهاي موجود در حالت پايه بر اثر پمپاژ برانگيخته شده و به تراز سوم مي روند . اين اتمها واپاشي کرده و به تراز دوم سقوط مي کند .اين واپاشي از نوع واپاشي غير تابشي است که نوري توليد نمي کند .در مرحله بعد پس از فرآيند تجمع معکوس اتمها يي که در تراز دوم قرار دارند بر اثر گسيل القايي به تراز اول برمي گردند و طي اين فرآيند دو فوتون توليد مي کنند که فوتونهاي توليد شده از اين روشنور ليزر را به وجود مي آورند .

در ليزرهاي چهار ترازي، تراز پاييني تراز پايه نيست و تراز صفر نام دارد .اين ليزر از چهار تراز صفر ،يک،دو و سه تشکيل شده ،در اين نوع ليزر اتمها در حالت تعادل ترموديناميکي در تراز صفر قرار دارند که بر اثر پمپاژ برانگيخته شده و به تراز شماره سه مي روند که در اينجا مثل ليزرهاي سه ترازي بر اثر واپاشي غير تابشي به تراز شماره دو فرو مي افتد . اين عمل آنقدر تکرار مي شود تا اتم به حالت جمعيت معکوس برسد سپس اتمها بر ا ثرگسيل القايي به تراز اول سقوط مي کنند که در اين مرحله عمل ليزر اتفاق مي افتد وسپس اتم بر اثر يک واپاشي غير تابشي ديگر به تراز صفر بازمي گردد .

تقسيم بندي ليزرها

ليزرها بر اساس آهنگ خروج انرژياز آنها به دو دسته "پيوسته‌کار" و "پالسي" تقسيم‌بندي مي‌شوند. نورليزرهاي پيوسته‌کاربطور پيوسته گسيلمي‌شود، ولي نورليزرهاي پالسيدر زمانهاي کوتاه که به اينزمان "دوام پالس" گفته مي‌شود ارائه مي‌گردد. فاصله زماني ارائه دو پالس متواليمعمولاً خيلي بيشتر از زمان دوام پالس است. ليزرهاي پالسي به‌دليل اينکه مي‌توانندانرژي خود را در زمان کوتاهي ارائه دهند، معمولاً داراي توانهاي بالاتري مي‌باشند.وسيله پمپاژ ليزرهاي پيوسته کار لامپ هاي پيوسته و وسيله پمپاژ ليزرهاي پالسي لامپهاي پالسي مي باشد .

ليزرها را براساس حالت ماده ليزرزا هم بهليزرهاي حالت جامد،ليزرهايگازي ،ليزر رزينه،ليزرهاي نيمه‌هادي(ديودهاي ليزري)، وليزرهاي الکترون آزاد تقسيم‌بندي مي‌کنند. همچنين ممکن است ليزرها را براساس نوعماده تشکيل‌دهنده محيط ليزرزايي نيز تقسيم‌بندي کرد. ليزرياقوت ، ليزر نئوديوم- يگ، ليزر دي اکسيد کربن،ليزر هليوم- نئونو انواع ليزرهاي ديگربراين اساس نامگذاريشده‌اند.

کاربردهاي ليزر :

ليزر کاربردها بسيار زياد و متنوعي دارد ما در زندگي روزمره خود ممکن است بارها و بارها از اين فناوري استفاده کنيم بدون آنکه از آن اطلاع داشته باشيم براي مثال مي توان به موارد زير اشاره کرد : 1- ديسک فشرده : هنگام ضبط ديسک فشرده صوتي هر صدا به يک کد رقمي (ديجيتال) تبديل مي شود. اين کد توسط ليزر به صورت ميليون ها حفره ميکروسکوپي روي ديسک فشرده حک مي شود. وقتي ديسک باز نواخته مي شود يک پرتو ليزر در داخل دستگاه روي ديسک حرکت مي کند. يک آشکارساز که با سيستم مربوط است. پالس هايي را که نماينده الگوي حفره هاي حک شده بر روي ديسک است ايجاد مي کند. مدارهاي الکترونيکي دستگاه ديسک اين پالس ها را به نسخه اي از موسيقي اصلي تبديل مي کند. 2- جراحي : دستگاه هاي ليزر پر توان با موفقيت در معالجه جداشدگي شبکيه به کار رفته است (شبکيه ناحيه حساس به نور در عقب چشم است). شبکيه جدا شده را مي توان توسط پرتوي از نور ليزر که حدود يک هزارم ثانيه تابانده مي شود "جوش داد. جراحان از پرتو ليزر براي بريدن يا جوش دادن ديگر بخش هاي بدن بسيار نيز استفاده مي کنند. "چاقوي ليزري کاملا استريل است همزمان با برش رگ هاي ريز خوني را مي بندد و بنابراين خون کمتري از دست مي رود. از ليزر براي درمان بيماريهاي پوست و برداشتن ماه گرفتگي و خالکوبي از روي پوست نيز استفاده مي شود. 3- کاربرد هاي صنعتي : از ليزرهاي پر توان مي توان براي بريدن, سوراخ کردن, جوش دادن و کنده کاري موادي مانند فولاد, شيشه, پلاستيک و سراميک استفاده مي کنند. هيچگونه تماس فيزيکي با ماده مورد نظر نيست و بنابراين مي توان سوراخ هاي بسيار کوچکي را بدون اثر گذاردن بر مواد پيرامون ايجاد مي کنند. ليزر براي نقشه برداري نيز ارزشمند است زيرا پرتو ليزر در خطي کاملا مستقيم حرکت مي کند. 4- در فروشگاه ها : از ليزر هاي کم توان براي خواندن کد ميله اي (بار کد) روي کالاها استفاده مي شوند. اين کد از يک سري خطوط سياه با ضخامت متغير تشکيل مي شود. نواحي سياه پرتو ليزر را جذب و نواحي سفيد آن را منعکس مي کنند. الگوي انعکاس کد گشايي مي شود و شماره محصول را مي دهد. اين شماره هم قسمت محصول را به دست مي دهد و هم به يک بانک اطلاعاتي مرکزي مي رود که امکان نظارت بر ميزان موجودي کالاها را فراهم مي سازد. هولوگرام چيست؟ يک تصوير سه بعدي که با استفاده از ليزر ايجاد مي شود يا به عبارت ديگر با استفاده از ليزر مي توان تصويري ايجاد کرد که هر گاه به طريق صحيح به آن نور تابانده شود سه بعدي به نظر برسد.مواردي که گفته شد نمونه هايي از کابردهاي ليزر در زندگي روزمره ما مي باشد .

منابع :

www:/ Daneshnameroshd

www:/CPHtheory