لیزر

مقدمه

نور ليزر نوع كاملاً جديدي از نور است؛ درخشان‌تر و شديدتر از هرچه كه در طبيعت يافت مي‌شود. مي‌توان نور ليزري آن‌چنان قوي توليد كرد كه هر ماده‌ي شناخته شده‌ي روي زمين را در كسري از ثانيه بخار كند. مي تواند سخترين فلزات را سوراخ كند يا به راحتي جسم سختي مثل الماس را سوراخ كند و از آن بگذرد.

برعكس، باريكه‌ي كم قدرت و فوق‌‌العاده دقيق انواع ديگر ليزر را مي‌توان براي انجام دادن كارهاي بسيار ظريف مثل جراحي روي چشم انسان به كار برد. نور ليزر را مي‌توان خيلي دقيق كنترل كرد و به صورت باريكه‌ي مداومي به نام موج پيوسته يا انفجارهاي سريعي به نام پالس درآورد.
اگرچه اصول بنيادي ليزر از 40 سال پيش شناخته شده بود، نمايش اولين ليزر، دريچه‌‌اي را به طرف يكي از هيجان انگيزترين و پردامنه‌ترين پيشرفت هاي تكنولوژي قرن بيستم گشود. در ظرف چند سال پس از نمايش اولين ليزر، انواع بسيار گوناگوني از ليزرها به صورت ابزارهاي عملي به صور گوناگون به كار گرفته شدند. ليزرها در تكنولوژي انقلابي جديد پديد آورده‌اند و تأ ثير آن‌ها بر زندگي ما در آينده نيز ادامه خواهد داشت.

امروزه گستره‌‌ي وسيعي از ليزرها در همه جا به كار گرفته شده‌اند. فروشگاه‌هاي بزرگ و بسياري از انبارهاي بزرگ خورده‌فروشي براي جستجوي خود‌به‌خود، ثبت قيمت‌‌ها و صورت‌برداري از اقلام خريداري شده، در قسمت حساب كننده از ليزر بهره مي‌گيرند. در دستگاه‌‌هاي ويدئويي از نور ليزر براي خواندن ديسك‌هاي ويدئويي و ايجاد تصوير متحرك همراه با صدا استفاده مي‌كنند. مقدار زيادي اطلاعات را روي ديسك‌‌هاي ليزري ثبت مي‌كنند تا بعداً روي صفحه‌ي كامپيوتر خوانده شوند يا توسط چاپگرهاي ليزري به شكل نسخه‌ي سخت روي كاغذ چاپ شوند.
در پزشكي نور ليزر به عنوان نوع جديدي چاقوي جراحي بدون خونريزي استفاده مي‌شوند و وقتي كه نسجي مثل قسمت معيوب كيسه‌ي صفرا در خلال جراحي برداشته مي‌شود، رگ‌هاي خوني بسته مي‌‌شوند. كارهاي دندانپزشكي با ليزر درد كمتري دارند و براي روكش و پل دندان از ليزرها استفاده مي‌شود.
در صنعت از ليزرها براي عمليات گرمايي فلزات، جوش دادن قسمت‌ها به يكديگر و وسايل هم‌ترازي دقيق استفاده مي‌شود. ليزرها را براي اندازه‌گيري دقيق فاصله‌هاي خيلي بزرگ و نيز فاصله‌هاي خيلي كوچك به كار مي‌برند. افزون بر اين‌ها ليزرها را همراه با تارهاي نوري، براي انتقال بهتر داده‌ها و بهبود ارتباط تلفني به كار مي‌گيرند. ليزرها در حال تغيير دادن نحوه‌ي پژوهش دانشمندان هستند. ليزرها مي‌توانند چشمه‌ي جديدي از قدرت الكتريكي بيافرينند، مشابه فرايندي كه در خورشيد براي توليد انرژي به وجود مي‌‌آيد.

لیزر

ليزر مخفف عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation می‌‌باشد و به معنای تقويت نور توسط تشعشع تحريک شده است .ليزر وسيله‌ای برای تبديل نور معمولی به پرتوی باريک و متراکم است. دستگاه ليزر يک جريان الکتريکی را از ماده‌ای که می‌‌تواند جامد, مايع يا گاز باشد عبور می‌‌دهد. بعضی از اتم های ماده انرژی جذب می‌‌کنند و کوانتوم ساطع می‌‌کنند. اين امر موجب می‌‌شود که اتم های ديگر نيز کوانتوم ساتع کنند. اين کوانتوم ها (بسته‌های تشعشع) بين آينه هايی به عقب و جلو منعكس می‌‌شوند و نهايتاً به صورت نوری با يک طول موج واحد شليک می‌‌شوند. اولين ليزر جهان توسط « تئودور مايمن » اختراع گرديد كه در آن از ياقوت استفاده شده بود. . پس از دو سال آقای علی جوان دانشمند ایرانی برای نخستین بار لیزر گازی هلیوم- نئون (He-Ne) را ساخت.

نوع سوم و چهارم ليزرها که ليزرهای مايع و نيمه رسانا بودند اختراع شدند. در سال ۱۹۶۷ فرانسويان توسط اشعه ي ليزرِ ايستگاههایِ زمينيشان, دو ماهواره ي خود را در فضا تعقيب کردند, بدين ترتيب ليزر بسيار کار بردی به نظر آمد. نوری که توسط ليزر در يک سو گسيل می‌‌گردد بسيار پر انرژي و درخشنده است و قدرت نفوذ بالايی نيز دارد به طوري که در الماس فرو می‌‌رود.امروزه استفاده از ليزر در صنعت به عنوان جوش آورنده ي فلزات و چاقوی جراحی بدون درد در پزشکی بسيار متداول است.

ساختار لیزر

یک سیستم لیزری عموما از سه بخش عمده تشکیل شده است:

1. پمپ انرژی يا چشمه ي انرژی: که ممکن است اين پمپ اپتيکی يا شيميايی و يا حتی يک ليزر ديگر باشد.
2. ماده ي پايه و فعال: که نام گذاری ليزر بواسطه ي ماده ي فعال صورت می‌‌گيرد.
3. مشدّد کننده ي اپتيکی: كه شامل دو آينه ي بازتابنده ي کلی و جزئی می‌‌باشد.

یک منبع پمپی قسمتی است که انرژی لازم را برای سیستم لیزری فرآهم می‌کند. نمونه هایی از منابع پمپی شامل تخلیه کننده‌های الکتریکی، لامپهای درخشنده، لامپهای جرقه ای، نور لیزرهای دیگر، واکنشهای شیمیایی و حتی وسایل انفجاری میباشند. نوع منبع پمپ مورد استفاده اصولا بستگی به بستر تشدید کننده دارد و این بستر است که عموما تعیین می‌کند چه میزان انرژی بایستی به بستر منتقل شود. یک لیزر هلیوم- نئونی در مخلوط گاز هلیوم – نئون از تخلیهٔ الکتریکی استفاده می‌کند و لیزر یاقوتی از نوری که از لامپ درخشندهٔ زنونی ساطع شده متمرکز می‌شود و در آخر لیزرهای اگزایمر از یک واکنش شیمیایی استفاده می‌کنند.
بستر تشدید کننده عامل اصلی تعیین کنندهٔ طول موج در هنگام استفاده و خصوصیات دیگر لیزر می‌باشد. اگر نگوییم هزاران بستر مختلف، قطعا صدها بستر تشدید ساز مختلف وجود دارد که در آن کارایی مورد نظر بدست میآید. بستر تشدید کننده توسط یک منبع پمپ انرژی تحریک شده تا فراوانی معکوسی تولید کند و در ادامه بستر تشدید کننده بتواند انتشار خود به خود و تحریک شده‌ای از فوتونها را ایجاد کند که نهایتا باعث عمل تشدید نوری و یا ارتقاء نوری می‌شود.

نمونه هایی از بسترهای مختلف تشدید کننده شامل موارد زیر هستند:
مایعات مثل لیزرهای رنگی.

این مایعات عموما حلالهای شیمیایی آلی هستند. مواردی همچون متانول، اتانول، یا اتیل گلیکول که رنگهایی شیمیایی همچون کومارین یا رودامین و فلوئورسین به آنها افزوده می‌گردد. ساختار شیمیایی واقعی ملکولهای رنگ تعیین کنندهٔ طول موج بدست آمده از لیزرهای نوریست.
گازها

مثل دی اکسید کربن، آرگون، کریپتون و مخلوطی از هلیوم و نئون. این لیزرها اغلب از تخلیهٔ الکتریکی برای پمپ کردن استفاده می‌کنند.

جامدات

مثل کریستال ها یا شیشه ها. مواد جامد بکار گرفته شده معمولا با یک ناخالصی خاص مثل کروم، نئودیمیوم، اربیوم، یا یونها تیتانیوم ترکیب می‌گردند. مواد جامد بکار گرفته شده عموما یاقوتYAG، YLF، و یا یاقوت کبود و شیشه‌های سیلیکونی هستند. نمونه هایی از بسترهای لیزری جامد شامل Nd:YAG, Ti:sapphire,Cr:sapphire, Cr:LiSAF (chromium-doped lithium strontiumaluminium fluoride), Er:YLF and Nd:glass میباشند.
لیزرهای جامد عموما توسط لامپهای درخشان و یا نور لیزرهای دیگر پمپ میشوند. نیمه هادی ها، نوعی از جامدات هستند که در آنها حرکت الکترونها بین ماده با سطوح مختلف ناخالص ساز ها می‌تواند منجر به ایجاد عملکرد لیزر شود. لیزرهای نیمه هادی عموما بسیار کوچک هستند و می‌توانند با یک جریان سادهٔ الکتریکی پمپ شوند که این خصوصیت آنها، باعث ایجاد توانایی طراحی و ساخت ابزارهایی فراوان و همه جا در دسترسی همچون دستگاههای نمایش سی دی شده است.
تشدید کننده‌های نوری و یا حفره‌های نوری در ساده‌ترین شکل خود دو آینهٔ موازی هستند که در اطراف بستر تشدید کننده قرار میگیرند. نور ساطع شده از بستر توسط انتشار خود به خود تولید شده و توسط آینه هایی که آنرا به بستر باز می‌گردانند بازتابیده می‌شود. در اینجاست که این پرتو می‌تواند بازتابیده و یا تشدید شود. نور ممکن است از آینه ها بازتابیده شده و یا از بستر تشدید کننده بگذرد که در این حالت صدها بار بیشتر از زمانی که در حفره نوری بود می‌باشد. در لیزرهای پیچیده تر، تنظیم توسط 4 و یا تعداد بیشتری آینه باعث ایجاد حفره‌های مورد نظر می‌شود. طراحی و تنظیم آینه ها با توجه به بستر برای تعیین طول موج مورد نیاز و دیگر خصوصیات سیستم لیزری انجام میگیرد.
دیگر ابزارهای نوری همچون آینه‌های گردان، تعدیل کننده ها، فیلتر ها و جاذب ها ممکن است در تشدید کنندهٔ نوری لحاظ شوند تا بتوانند اثرات مختلف و کاملا اختصاصی ای بر روی تولید امواج نور لیزری بگذارند.
جنس امواج نور امواج نور از نوع امواج الکترومغناطيسی هستند که برای انتشار احتياجي به محيط مادی ندارند. يک موج الکترومغناطيسی ترکيبی از دو ميدان عمود بر همِ الکتريکی و مغناطيسی است .

خواص امواج الکترومغناطيسی نور:

1. نور در خلأ دارای سرعت ثابتِ 300000 (سيصد هزار) کيلومتر برساعت (بالاترين سرعت) است.
2. نورهای مختلف دارای طول موج های مختلف و شدت نور متفاوت هستند.
3. سرعت نور در محيط های شفافِ مختلف تغيير می‌‌کند.

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.

سازوکار لیزر

نخست لازم است تا به محیط فعال لیزری به نحوی انرژی داده شود. به این عمل پمپاژ لیزر می‌گویند. عمل پمپاژ به روشهای گوناگونی صورت می‌گیرد که می‌توان به پمپاژ نوری، پمپاژ الکتریکی، پمپاژ توسط لیزرهای دیگر (پمپاژ لیزری)و جز اینها نام برد.

گونه‌های لیزر

لیزرها را براساس مواد لیزرزا به چند گروه زیر بخش بندی می‌کنند : لیزرهای جامد، لیزرهای گازی، لیزرهای مایع یا رزینه، لیزرهای الکترون آزاد و لیزرهای نیمه رسانا.
لیزرها را بر پایه خروجی آنها به دو دسته لیزرهای تپی و لیزرهای پیوسته کار تقسیم بندی می‌کنند. غالبا لیزرهای توان بالا را از نوع تپی (پالسی) میسازند.

دسته بندی

لیزرها بر اساس طول موج و حداکثر توان خروجیشان در رده‌های زیر طبقه بندی می‌گردند:

دستهٔ اول: اساسا بی خطر؛ هیچگونه احتمالی برای آسیب رساندن به چشم در این گروه وجود ندارد. این امر می‌تواند بدلیل توان خروجی محدود آنها( که حتی در تماسهای طولانی هم خطری را متوجه چشم شخص نمیکنند) باشد و یا به این دلیل باشد که محصور بودن آنها و عدم تماس در شرایط طبیعی کار بطور کلی احتمال خطر تماس را از بین میبرد مثل حالتی که در دستگاه‌های خواندن سی دی وجود دارد.
دستهٔ دوم: واکنش طبیعی یسته شدن چشمها از آسیب جلوگیری خواهد کرد و توان خروجی آنها حدود 1mW می‌باشد.
دستهٔ سوم اولیه: لیزرهایی که در این دسته قرار میگیرند بواسطهٔ بکار گرفته شدن در ابزاری که ممکن است باریکهٔ نور را تغییر دهند خطرناک در نظر گرفته میشوند. توان خروجی آنها 1-5mW می‌باشد. اغلب لیزرهای نقطه‌ای در این گروه قرار دارند.

دستهٔ سوم ثانویه: این دسته زمانی خطرناک محسوب میشوند که باریکه نور مربوط به لیزر مستقیما بدرون چشم تابیده ویا منعکس شود. این گروه مربوط به لیزرهایی می‌شود که قدرتی حدود 5-500mW دارند. انعکاسهایی که با پراکنده شدن باریکهٔ نوری همراه باشند بعنوان یک خطر جدی در نظر گرفته نمیشوند.

دستهٔ چهارم: لیزرهای این دسته بینهایت خطرناکند. حتی اگر انعکاس پراکنده شدهٔ آنها هم به پوست و یا چشم تابیده شود هم می‌تواند خطرناک باشد. لیزرهایی که توان بیش از 500mW و یا توانایی تولی امواج نوری داشته باشند در این دسته قرار میگیرند. اگرچه که شدت نور خروجی آنها ممکن است تنها چند برابر نور درخشان خورشید باشد ولی بایستی توجه داشت که این نور مستقیما بر نقطهٔ بسیار کوچکی متمرکز می‌گردد.

نیروهایی که برای لیزرهای بالا ذکر شد انواع معمول توانها میباشند. دسته بندی ما مستقل از طول موج و موجی و یا پیوسته بودن لیزر می‌باشد و تنها بر ایمنی تاکید دارد.

کاربردهای لیزر

1. کاربرد لیزر در پزشکی : چاقوی لیزری، مته لیزری و …
2. کاربرد لیزر در صنعت : جوشکاری لیزری، برشهای لیزری، برش الماس، مسافت یاب لیزری و …
3. کاربردهای نظامی : ردیاب لیزری، تفنگ لیزری و …

منبع