لیزر

واژه لیزر (به انگلیسی: Laser)‏ سرواژه عبارت «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» به معنی «تقویت نور به روش گسیل القایی تابش» است.

  لیزر ابزاری است که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع می‌کنند. این دستگاه از ماده‌ای جمع کننده یا فعال کنده نور تشکیل شده که درون محفظه تشدید نور قرار دارد. این ماده پرتو نور را که به وسیله یک منبع انرزی بیرونی (از نوع الکتریسیته یا نور) به وجود آمده، تقویت می‌کند.

نخستین بار طرح اولیه لیزر (میزر) را انیشتن داد. کار لیزر به این گونه‌است که با تابش یک فوتون به یک ذره (اتم یا مولکول یا یون) برانگیخته، یک فوتون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوتون با هم، هم فرکانس هستند. با ادامه این روند شمار فوتون‌ها افزایش می‌یابد که می‌توانند باریکه‌ای از فوتون‌ها را به وجود بیاورند.

لیزر از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر، آن را از نورهای ایجاد شده از دیگر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر، به خواص ویژه آن پی برده شد. و ما بطور گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده در علوم گوناگون به ویژه صنعت و پزشکی ایجاد کرده‌است. پیشرفت دانش بدون تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست.

شاید مهم‌ترین بخش فیزیک اتمی، بحث فیزیک لیزر باشد. با دادن انرژی به الکترون‌های یک اتم می‌توان آن‌ها را به مدارهای بالاتر برد. اما این خانه جدید برای الکترون‌ها جایگاه چندان پایداری نیست و الکترون‌ها ترجیح می‌دهند با پس دادن انرژی به مدار اصلی خود برگردند. این انرژی به صورت یک فوتون با فرکانس مشخص آزاد می‌شود. یعنی یک واحد انرژی. نور از همین فوتون‌ها ساخته می‌شود. پس اگر با تعداد زیادی از اتم‌ها هم زمان این کار را انجام دهیم، می‌توانیم پرتو نوری تک فرکانس ایجاد کنیم. علاوه بر اینکه با روش‌ها و دقت‌هایی می‌توان پرتوهای هم فاز تولید کرد. این پدیده اساس تولید پرتوهای لیزر است. ویژگی‌های منحصربفرد لیزر آن را از نورهای دیگر متمایز می‌سازد که در هیچ منبع نور دیگری یافت نمی‌شود. لیزر چهار ویژگی دارد:

1.     همدوسی

2.   تک رنگی

3.  واگرایی کم

4.  موازی بودن پرتو

پرتوهای لیزر در مه، منعکس شده در شیشه جلوی خودرو

تاریخچه:

پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سامانه با جمعیت وارون برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل را وبر، جوردون، زیگر، باسو، تانز و پروخورو دادند. نخستین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد.این گروه نام میزر را که سرواژه عبارت «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation» است، برای آن برگزیدند.

مبانی نظری لیزر را آلبرت انیشتین در ۱۹۱۶ (میلادی) طی مقاله‌ای مطرح کرد ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعت و فناوری امکان ساخت نخستین لیزر را فراهم کند. چارلز تاونز در سال 1۹۵۳ میزر (تقویت‌کننده موج میکروویو) را اختراع کرد و خواست آزمایش‌های خود را حول جایگزینی نور مرئی به جای فروسرخ ادامه دهد و هم‌زمان این امر میان آزمایشگاه‌های گوناگون در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد. نخستین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکول‌های آمونیاک ساخته شد. در سال ۱۹۵۸ نخستین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانس‌های نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو و تاونز داده شد. عبارت لیزر در همان زمان در مقاله‌ای از «گوردون هولد»، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و تئودور میمن (Theodore H. Maiman) لیزر پالسی یاقوت را در ۱۹۶۰ساخت. نخستین لیزر گازی را نیز علی جوان فیزیکدان ایرانی در سال ۱۹۶۱ با استفاده از هلیوم و نئون ساخت. در سال ۱۹۶۲ نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه‌هادی مطرح گردید. نور لیزر را تکفام پرتو نیز می نامند.

از سال ۱۹۶۶ لیزر نیم‌رسانا در مخابرات نوری در ژاپن و آمریکا مورد توجه قرار گرفت و نسبت به امکان مد گردانی مستقیم آن تا فرکانس‌های بسیار زیاد شناخت حاصل شده‌است.

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.

اختراع لیزر به سال ۱۹۵۸ با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر پرتو فروسرخ و نوری برمی‌گردد. نشر مقالات یاد شده سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سراسر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالس‌ها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال ۱۹۶۰ دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر نور زیادی را تولید کرد که بیش از میلیون‌ها بار روشن تر از نور خورشید بود. پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مانند بارندگی، مه، ابرهای کم ارتفاع، چیزهای موجود در آزمایش‌های مربوط به هوا مانند پرندگان قرار گیرد.

دانشمندان نیز طرح‌های نویی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنال‌های تلفن را ارسال کند. اختراع مهم دیگر موج‌بر فیبر نوری بود که شرکت‌های مخابراتی برای ارسال صدا، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می‌باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای گوناگون نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند.

گروهی از ستاره‌شناسان با استفاده از یک تلسکوپ قدرتمند لیزری کهکشان راه‌شیری را مشاهده می‌کنند.

عناصر اساسی لیزر:

یک تکنسین در حال آزمایش لیزر

ابزار لیزر یک نوسانگر اپتیکی است که باریکه بسیار موازی شده شدیدی از تابش همدوس را گسیل می‌کند و از سه بخش ساخته شده‌است:

1.     چشمه انرژی خارجی یا دمنده

2.   محیط تقویت کننده

3.  کاواک اپتیکی یا تشدیدگر

دمنده:

دمنده یک چشمه انرژی خارجی است که وارونی جمعیت را در محیط لیزری به وجود می‌آورد. تقویت موج نور یا میدان تابش فوتون تنها در یک محیط لیزری که در آن وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی وجود داشته باشد روی می‌دهد. برای اینکه لیزر کار کند لازم است تعداد اتم‌های در تراز انرژی از تعداد اتم‌های در تراز انرژی بزرگ‌تر باشد. این وضعیت را وارونی جمعیت می‌نامند. وارونی جمعیت و گسیل القائی با هم در محیط لیزری کار می‌کنند و باعث تقویت نور می‌شوند. در غیر این وضعیت موج نور عبور کننده از محیط لیزری تضعیف خواهد شد.

دمنده‌ها می‌توانند از نوع اپتیکی، الکتریکی، شیمیایی یا گرمایی باشند به شرط این که انرژی لازمی را فراهم کنند که بتواند با محیط لیزری برای برانگیختن اتم‌ها و ایجاد وارونی جمعیت لازم همراه شود.

در لیزرهای گازی مانند He-Ne، دمنده‌ای که از همه بیشتر به کار می‌رود از نوع تخلیه الکتریکی است. عوامل مهم حاکم بر این نوع دمش مقطع‌های برانگیزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضی از لیزرهای گازی، الکترون‌های آزادی که در فرایند تخلیه تولید شده‌اند با اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌های لیزر مستقیما برخورد و آنها را برانگیخته می‌کنند. در سایر لیزرها، برانگیزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم یا مولکول-مولکول روی می‌دهد.

در لیزر Nd:YAG از دمش اپتیکی استفاده می‌کنند.

محیط لیزری:

محیط تقویت کننده یا محیط لیزری بخش مهمی از ابزار لیزر است که منبع ساطع کننده نور می باشد و می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد و طول موج تابش لیزری را تعیین می‌کند. بسیاری از لیزرها از روی نوع محیط لیزری به کار رفته در آنها نامگذاری می‌شوند، برای نمونه هلیم-نئون (He-Ne)، دی اکسیدکربن و نئودیمیم: نارسنگ ایتریم آلومینیم (Nd:YAG).

خروجی لیزر:

خروجی لیزرها به دو صورت پالسی و پیوسته می‌باشد. پالس در واقع نوری است که در محدوده زمانی کوتاه تابیده می‌شود. این محدوده زمانی امروزه به کمتر از فمتوثانیه رسیده است.

کاربردهای لیزر:

گروهی از ستاره‌شناسان با استفاده از یک تلسکوپ قدرتمند لیزری کهکشان راه‌شیری را مشاهده می‌کنند.

• فیزیک و شیمی
• زیست شناسی و پزشکی: چاقوی لیزری، مته لیزری، فیزیوتراپی و ...
• صنایع نظامی: ردیاب لیزری، تفنگ لیزری، بمب با هدایت لیزری و ...
• صنعت: جوشکاری لیزری، برش‌های لیزری، برش الماس، مسافت یاب لیزری، صنایع ساختمانی
• همجوشی هسته‌ای
• ارتباطات نوری
• ساخت ترانزیستورو مدار مجتمع
• لیتوگرافی و استریولیتوگرافی
• فرآوری اطلاعات نوری و ضبط آن‌ها
• فرآوری مواد
• تمام نگاری (هولوگرافی)
• اندازه‌گیری (سرعت سنجی)
• بازرسی
• آزمایشگاهی و پژوهشی: اندازه گیری، سنتز مواد و ...
• لایه نشانی به روش لیزر پالسی

پس از اینکه لیزر دی‌اکسید کربن در سال ۱۹۶۴ اختراع شد کاربرد لیزر به واسطه دقت بالا و خطای ناچیز آن در زمینه‌های پزشکی افزایش یافت و برای جراحان ممکن شد تا بجای چاقوهای جراحی از فوتون استفاده کنند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن شود و اعمال جراحی را نیز انجام دهد.

دیسک های تصویری و صوتی و لوح های فشرده یک دیسک ویدئو حامل یک برنامه ویدئویی ضبط شده است که می توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسک ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یک سابنده روی آن ضبط می کنند که این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یک روش معمول ضبط شامل برش های شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها 4/1 طول موج لیزری است که از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریکه لیزر طوری کانونی می شود که فقط بر روی یک شیار بیفتد. هنگامی که شیار در مسیر لکه باریکه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن کاهش پیدا می کند. به عکس نبودن شیار باعث یک بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط کرد.

در ژانویه2۰۱۳ فیزیکدانان ذرات یک گاز کوانتومی بر پایه پتاسیم ساختند. این گاز هنگامی که تحت تأثیر لیزر و میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به دماهای منفی می‌رسد. در این دمای ترمودینامیکی، ماده شروع به بروز دادن خواص ناشناخته پیشین می‌کند.

یک تکنسین در حال آزمایش لیزر

آخرین فناوری‌ها:

شرکت نظامی راین متال آلمان با موفقیت یک لیزر پر قدرت نظامی را طراحی و تولید کرد. این لیزر می‌تواند هواپیماهای پهپاد را در میانه پروازشان تخریب کند. این نوع لیزر تخریبی از فاصله یک مایلی (۱۶۰۰ متر) قادر است بدنه فولادی پهباد را شکافته و به داخل هواپیما نفوذ کند. این ویژگی تخریبی حتی در آب و هوای نامساعد هم دچار اختلال نمی‌گردد. این شرکت قصد دارد با گسترش تحقیقات خود کارایی این لیزر را در جهت تخریب دیگر وسایل نقلیه نظامی در میادین جنگی افزایش دهد.