اسماعیل مخلصی دوشنبه 25 آذر 1392 03:13 ب.ظ نظرات ()

جنگ ستارگان – پیشتازان فضا و … – تکنولوژی لیزر نقش اساسی را در فیلم های علمی تخیلی و کتاب ها باز می کند.علاوه بر این،لیزر نقش بسیار مهمی را نیز در زندگی روزمره ی ما دارد.در حقیقت استفاده ی از آن، طیف وسیعی از تولیدات و فن آوری ها را تحت پوشش خود در آورده است.شما می توانید استفاده از تکنولوژی های لیزری را هنوز در CD یا DVD ها،درایور های Read و Write همین CD/DVD ها، ابزار های دندانپزشکی، ماشین آلات های برش فلز و وسایل و ابزار آلات دقیق اندازه گیری، بیابید.

برداشتن خالکوبی، ترمیم و کاشت مو،جراحی چشم، تمامی اینها با لیز امکانپذیر است،اما این لیز چیست و چگونه ی همه این کار ها را انجام می دهد؟

چه عواملی باعث میشوند که پرتو لیز از پرتو های فلاش معمولی متفاوت باشد؟به طور خاص، چه چیزی باعث می شود که نور لیزر از نور های معمولی مثل لامپ ها متمایز باشد؟ لیزها در چه دسته ای و چگونه طبقه بندی مشوند؟

در این مقاله شما همه چیز را در مورد انواع مختلف لیزرها، طول موج های مختلف آنها و استفاده های مختلف از آنها را یاد خواهید گرفت.

 اصول پایه و ساختار اتم

تنها در حدود ۱۰۰ نوع  اتم مختلف در جهان ما وجود دارد.هر آنچه که ما در اطراف خود می بینم ( و نمی بینیم )، از همین ۱۰۰ نوع اتم و بی نهایت ترکیبات تشکیل شده از همین ۱۰۰ اتم به وجود آمده است.چگونه این اتم ها به هم چسپیده و به طور منظمی در کنار هم قرار گرفته اند تا بتوانند یک لیون آب، یک تکه فلز، یا صدای فش فشی که هنگام باز کردن بطری های نوشابه آزاد می شود  را بسازند؟

اتم ها به طور مداوم در حال حرکت هستند،آنها در حال ارتعاش، حرکت و چرخش هستند.حتی اتم های تشکیل دهنده ی صندلی که بر روی آن می نشینیم هم در حال حرکت هستند. مواد جامدی که در واقع در حال حرکت هستند! اتم ها می توانند در حال های (States) مختلفی برانگیخته شوند. به عبارت دیگر ، آنها می توانند انرژی های مختلفی داشته باشند.اگر ما مقداری انرژی به اتم بدهیم، می تواند حالتی را که به آن حالت زمینه ( ground-state) انرژی می گوییم ترک کند و به تراز برانگیخته برود. تراز برانگیختگی به مقدار انرژی بستگی دارد که توسط حرارت، نور، یا الکتریسیته به اتم داده می شود.

در شکل فوق، تصویری کلاسیکی از اتم را می توانید مشاهده کنید.

در این تصویر ساده،اتم شامل یک هسته ( پروتون ها و نوترون ها) و یک ابر الکترونی  است. که برای درک بهتر از ابر الکترونی، حرکت الکترون ها در مسیر های دایره ای با نام اوربیتال ( orbital)  مشخص شده است.در واقع الکترون ها در اوربیتال های مختلفی قرار دارند و به دور هسته در حال گردش هستند.

جذب انرژی

1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

فرآیند جذب انرژی: یک اتم انرژی را به شکل های گرما، نور، یا الکتریسیته جذب می کند. در طی این جذب، ممکن است الکترون ها از اوربیتال های کم انرژی به اوربیتال های با انرژی بالاتر منتقل شوند.

با در نظر داشتن تصویر قبل، اگر چه بیشتر نظریات و دیدگاه ها ی جدید در مورد اتم، اوربیتال های گسسته را برای الکترون ها به تصویر نمی کشد، اما برای داشتن یک ذهنیت در مورد اوربیتال ها و هم ارز قرار دادن آن با سطوح مختلف انرژی اتم ها مفید خواهد بود.به عبارت دیگر، اگر به اتم مقداری گرما بدهیم، انتظار داریم که برخی از الکترون ها در اوربیتال های کم انرژی، با جذب انرژی به اوربیتال های بالاتر منتقل شوند و در فاصله ی دورتری از هسته قرار گیرند.

مطلب فوق بسیار ساده سازی شده است، اما در حقیقت بازتابی از ایده ی اصلی اینکه اتم ها در لیزر چگونه فعالیت می کنند، خواهد بود.

هر کدام از الکترون هایی که به اوربیتال های بالاتر رفته اند، سرانجام در یک زمانی به حالت زمینه برمی گردند.در هنگام بازگشت به حالت زمینه، مقداری انرژی به نام فوتون – بسته های تشکیل دهنده ی نور یا کوانتوم نور- از خود آزاد می کنند. شما در هر زمانی شاهد اتم هایی هستید که انرژی خود را به صورت فوتون آزاد می کنند. برای مثال، وقتی المنت یک بخاری برقی داغ به رنگ قرمز در می آید، عامل تولید همین رنگ قرمز اتم ها هستند، که با حرارت برانگیخته شده اند و فوتون های قرمز ( نور با فرکانس در محدوده ی قرمز) را آزاد می کند.هنگامی که به صفحه ی تلوزیون نگاه می کنید، آنچه که شما مشاهده می کنید اتم های فسفری هستند که توسط الکترون های با سرعت بالا برانگیخته شده اند و سپس رنگ های متفاوتی از نور را ساطع می کنند.هر چیزی که نور را تولید می کند – لامپ های فلورسنت، فانوس های گازی، لامپ های رشته ای – در اثر تغییر اوربیتال الکترون ها و آزاد شدن فوتون است.

ارتباط لیزر/اتم

لیزر دستگاهی است که اتم ها را در نحوه ی آزاد کردن فوتون ها سازماندهی و کنترل می کند.در حقیقت مسئول کنترل کردن اتم ها در آزاد کردن فوتون است.کلمه ی لیزر (laser)، مخفف عبارت “light amplification by stimulated emission of radiation” به معنی” تقویت نور توسط تابش گسیل القایی ”است.

 با وجود اینکه انواع مختلفی از لیزر ها وجود دارد، ولی همه ی آنها دارای ویژگی هایی خاص اما ضروری هستند.در یک لیزر، عامل لیزینگ پمپی است که اتم ها را به تراز های بالا بر انگیخته می کند.به عنوان مثال، نور فلاش های با شدت بالا یا تخلیه الکتریکی محیط لیزینگ را پمپاژ می کند و یک مجموعه ای از اتم های بر انگیخته ( اتم هایی با الکترون های انرژی بالاتر) را تولید می کند. برای داشتن یک لیزر با بازدهی و کارکرد بالا، وجود این مجموعه ی اتم های بر انگیخته ضروری است. معمولا اتم های به تراز های دوم یا سوم در بالای تراز زمینه بر انگیخته می شوند.با این کار وارونی جمعیت اتم های برانگیخته فزایش پیدا می کند.وارونی جمعیت، تعداد اتم های در حالت برانگیخته نسبت به تعداد اتم ها در حالت زمینه است.

1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

وقتی محیط لیزینگ پمپاژ می شود، مجموعه ای از اتم ها همراه با برخی الکترون هایی که در تراز بر انگیخته هستند به وجود می آید. الکترون های بر انگیخته انرژی بیشتری نسبت به دیگر الکترون های که در حالت برانگیخته نیستند، دارند. تنها الکترون هایی که انرژی جذب کرده اند و به حالت برانگیحته رفته اند می توانند این انرژی جذب شده را آزاد کنند. همانطور که در تصویر زیر نشان داد شده است، الکترون برای آنکه به حالت پایه برسد، باید مقداری از انرژی خود را آزاد کند.این انرژی به شکل فوتون منتشر می شود. فوتون های تابش شده دارای یک طول موج ( رنگ ) خاص، که بستگی به حالت انرژی الکترون وقتی فوتون آزاد شده است، می باشد.دو اتم یکسان با الکترون هایی در حالت انرژی یکسان، فوتون هایی با طول موج یکسان منتشر می کنند.

نور لیزر

نور لیزر با نور عادی تفاوت زیادی دارد.نور لیزر دارای ویژگی های زیر می باشد:

این نور به صورت تک رنگ منتشر می شود ودارای طول موج مشخصی است (با یک رنگ خاص).طول موج این نور به وسیله مقدار انرژی آزاد شده مشخص می شود وقتی که الکترون به لایه پایین تر انتقال می یابد نشر نور به صورت منسجم وسازمادهی شده صورت می گیرید این نور دارای پرتویی است که خیلی قوی متمرکز است از طرفی دیگر نور لش عادی دارای پرتویی ضعیف وپراکنده است این ۳ ویژگی پدید ای را به دنبال دارند که گسیل القایی نامیده می شود که در نور فلش عادی این اتفاق نمی افتد.در نور لیزر تمام اتم های آزاد شده فوتون های خود را در گسیل القایی از دست می دهند این فوتون ها سازماندهی شده هستند.
هراتم دارای طول موج مشخصی است که فوتون ها را ساطع می کند (از دومین اتم)وبا بسامد یکسان در جهت فوتون بعدی نوسان می کند.یکی دیگر از ویژگی های لیزر جفت آیینه هایی است که در رسانه لیزر قرار دارند.این آیینه ها در رسانه لیزر به جلو وعقب حرکت می کنند که این روند باعث می شود الکترون ها با انرژی بیشتری رو به پایین حرکت کنند وگسیل القایی را به وجود بیاورند .آیینه هایی که در لیزر قرار دارند تا نیمه نقره اندود شده اند که تعدادی از پرتوهای نور را منعکس می کنند وتعدادی دیگر نور لیزر را به وجود می آورند.

لیزر یاقوتی

لیز های یاقوتی شامل یک لوله ی فلش (لامپ فلش لوله ای شکل،مشابه لامپ های فلش روی دوربین) ، یک میله ی یاقوت به عنوان ماده ی فعال و دو آینه نیمه نقره اندود شده. میله ی یاقوتی به عنوان ماده ی لیزینگ یا همان ماده فعال مورد استفاده قرار میگیرد و فلش هم عامل پمپاژ و تحریک اتم ها است.

 1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

۱-     لیزر در حالت پایه خودقرار دارد.

1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

۲-     نور فلاش به میله ی یاقوتی بر خورد می کند.این نور اتم های یاقوت را به حالت بر انگیخته انتقال می دهند.

1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

۳-     برخی از این اتم ها با از دست دادن انرژی، فوتون آزاد می کنند.

1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

۴-     برخی از این فوتون ها در یک جهت و موازی با هم و راستای محور یاقوت منتشر می شوند، و با برخورد به آینه هایی که در ابتدا و انتها جاسازی شده است به عقب و جلو حرکت می کنند. در هنگام عبرو فوتون ها از میان میله ی یاقوت، در سر راه خود به اتم های دیگر برخورد می کنند و باعث تحریک اتم ها و گسیل القایی می شوند.

1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

۵-     تکرنگ بودن، تک فاز بودن، از خواص نور لیز است.یکی از آینه ها برای اجازه ی عبور دادن نور لیزر، به میزان کمتر از ۱۰۰ درصد نقره اندود می شود.

لیزر سه ترازه

لیزر هایی که در واقعیت وجود دارند، لیزر های سه ترازه است.

1x1.trans لیزر چگونه کار می کند؟

انواع لیزر ها

مدل های مختلفی از لیزر ها وجود دارد.ماده ی لیزینگ ( ماده ی فعال ) می تواند جامد، گاز، مایع یا نیمه رسانا ها باشد.

دسته بندی لیزر ها بر اساس نوع ماده ای که استفاده می شود قرار می گیرد:

لیزر حالت جامد دارای مواد لیزینگی است که در ماده ی جامد ( مثل یاقوت، نئودیوم، ایتریوم-آلومینیوم، و YAG)  توزیع شده است.لیزر نئودیمیم- YAG نور مادون قرمز در محدوده ی ۱۰۶۴ نانومتر را منتظر میکند.(هر نانومتر برابر ۱ در ۱۰ به توان منهای ۹ می باشد.)

لیزر های گازی ( مثل هلیوم و هلیوم-نئون، HeNe ) یی نور مرئی قرمز را تولید می کنند.نور لیزر گازی Co2 در محدوده ی بالاتر از قرمز است و انرژی بیشتری نسبت به دیگر لیزر ها تولید می کند و در کار های برش مواد سخت( مثل چوب . فلزات) از آن مورد استفاده قرار میگیرد.

لیزر تخلیه ی الکتریکی، با واکنش گاز هایی مثل کلر و فلوئور، مخلوط گاز های بی اثر مثل آرگون، کریپتون و زنون به دست می آید. وقتی گاز را با جریان الکتریکی تحریک می کنیم، مولکول های بشه دایمر تولید می شود.این دایمرم ها نور لیزر را در محدوده ی ماوراء بنفش تولید می کنند.

لیزر های رنگی با استفاده از رنگ های پیچیده ی آلی مثل rhodamine 6G، در یک محلول مایع یا سوسپانسیون به عنوان ماده ی فعال تولید می شود و طیف وسیعی از طول موج ها را می توناند تولید کند.

لیزر نیمه رسانا، برخی اوقات به عنوان لیز های دیودی از آنها یاد می شود، لیزر حالت جامد نیستند. این دستگاه های الکترونیکی معمولا بسیار کوچک هستند و توان تولیدی کمی دارند.از این لیزر ها می توان در دستگاه های چاپ و دی وی دی/سی ری رایتر ها و انواع رسانه ای پخش کننده استفاده کرد.

طول موج لیزر ها

لیزر یاقوتی از دسته لیزر های حالت جامد است و طول موج نور گسیلی آنها در حدود ۶۹۴ نانومتر است. مواد مختلفی که به عنوان ماده ی لیزینگ از آنها استفاده می شود، طول موج های خروجی متفاوت، توان متفاوت و مدت تپس (puls duration) مختلفی دارند.

برخی از لیزر بسیار قوی هستند و توان بالایی را دارند، مثل لیزر Co2، که توانایی برش انواع فلزات سخت مثل استیل را دارند. دلیل اینکه این لیزر خطرناک است این است که نور لیزر خروجی در محدوده ی طیف مادون قرمز و ماکروویو است. اشعه ی مادون قرمز گرم است و این لیزر در واقع بر هر چیزی که کانونی شود ذوب می کند.

لیزرهای دیگر مثل لیزرهای دیودی،بسیار ضعیف هستند و امروزه در وسایلی نظیر دستگاه های بارکد خوان و حتی لیزر پوینتر ها استفاده می شود.این لیزر ها نور خروجی قرمز رنگی را که در محدوده ی طول موج ۶۳۰ تا ۶۸۰ نانومتر است را تولید می کنند.

از لیزر ها در صنعت و پژوهش برای مطالعه و ساخت بسیاری از چیز ها مورد استفاده قرار میگیرد.از نور لیزر در پژوهش برای تحریکات شدید مولکول ها و مطالعه بر روی اتفاقات و قوانین حاکم بر آنها مرود استفاده قرار میگیرد.