واژه لیزر از حروف اول کلمات عبارت Light Amplification Stimulated Emission of Radiation
تشکیل شده است که به معنی تقویت نور توسط نشر القایی تابش است. این اصطلاح برای نخستین بار در سال ۱۹۶۰ مطرح شد و معمولا ابداع آن به گوردون گولر که یکی از پیشگامان توسعه لیزر بود نسبت داده می شود.از آنجا که این وسیله مبتنی بر همان اصول میزر (منبع میکرو موجی که در دهه ۱۹۵۰ توسعه یافته بود)است تا مدتی به آن میزر نوری اطلاق میشد ولی نام آن به سرعت به لیزر تبدیل شد.
۱-۱-اصول کار لیزر
اولین نیازدر سیستم لیزر حضور ماده ای مناسب برای ایجاد نشر القایی در آن یا به بیان دیگر یک محیط فعال است.محیط فعال می تواند شکلهای بسیاری داشته باشد:گاز،مایع یا جامد و ماده مورد استفاده با توجه به نوع خروجی مورد نیاز تعیین می شود.هر ماده مجموعه ترازهای مجاز انرژی منحصر به فرد خود را دارد.لذا فرکانس نور نشر شده به ترازهای برانگیخته و فاصله آنها از نظر انرژی به حالتهای با انرژی کمتر بستگی دارد.نخستین لیزر که در سال۱۹۶۰ توسط تئودورمائین این دانشمند آمریکایی ساخته شد بااستفاده از یک میله ی یاقوت بعنوان محیط فعال باریکه ای از نور قرمز پررنگ ایجاد می کرد.امروزه لیزرهای گازی متداولترند و در آنها گازهایی مانند آرگون یا کربن دی اکسید محیط فعال را تشکیل می دهند.سیستم اول،فرکانسهای متنوعی از نور مرئی ودومی تابش زیر قرمز نشر می کند.
دومین نیاز در سیستم لیزر یک عامل محرک خارجی برای برانگیزش اتم ها و مولکولهای محیط فعال به حالت برانگیخته ی مناسبی که نشراز آن شروع می شود می باشد.از نظر نحوه ی برانگیزش نیز آغازی که میتواند در محیط فعال ایجاد شود حالتهای متنوعی دارد.
در لیزر یاقوت یک منبع نور نوار پهن مانند لامپ درخشی به کار می رود در لیزرهای گازی در اثر تخلیه ی الکتریکی القا انجام میشود.در بعضی از انواع لیزر حتی واکنشهای شیمیایی نیز میتوانند انرژی ورودی لازم را فراهم کنند.با این حال دو نکته ی عمومی باید در ارتباط با تامین انرژی خارجی در نظر گرفته شود:اول اینکه اگر تابش الکترومغناطیسی به کار رود فرکانس یا گستره فرکانس های مورد استفاده باید به گونه ای باشد که انرژی فوتون هایی که باعث برانگیختگی محیط لیزر می شودبرابر یا بزرگتر از انرژی خروجی لیزر باشد دوم به دلیل گرم شدن وسایل و اتلاف انرژی کارایی هیچ لیزری صددرصد نیست مانند هر تقویت کننده ی الکترونیکی خروجی انرژی همواره کمتر از ورودی است. بدیهی است این قواعد در نتیجه ی بقای انرژی برقرارند تا به حال تصور کردیم که برانگیختگی پیش از نشر لیزر رخ می دهد در واقع این مطلب در بسیاری از سیستم های لیزری صادق است با وجود این برای ایجاد یک خروجی پیوسته لازم است یک جمعیتی از مولکول های برانگیخته که عموما کوتاه عمرند در دست داشته باشیم که این امر نیازهای دیگری بر ماهیت موج فعال تحمیل می کند. برای وقوع نشر القایی نیازی به تامین باریکه ی دیگری نیست. هنگامی که تعدادی از مولکول ها از طریق نشر خود به خودی ، نور نشر کردند این فوتون های نشر شده می توانند باعث نشر القایی در میان مولکولهای برانگیخته شوند با این حال به طور کلی یکبار عبور فوتون ها از درون محیط برای کارساز بودن نشر القایی کافی نیست این امر بدان علت است که سرعت نشر القایی متناسب با شدت اولیه است و با توجه به آنچه دیدیم چندان شدید نیست به همین دلیل معمولا لازم است که نور در اثر چندین مرتبه رفت و برگشت از درون محیط فعال در یک تشدیدگر عبور کند بدین ترتیب افزایش نشر القایی در هر بار عبور باعث افزایش شدت می شود در عمل با قرار دادن آیینه های موازی در دو انتهای محیط ایجاد لیزر می توان به این هدف رسید بدین ترتیب نوری که در راستای عمود بر این آیینه ها نشر می شود به طور کلی به دام می افتد و دائما به جلو و عقب حرکت می کند و بر شدت آن افزوده می شود. بر خلاف این مورد فوتون هایی که به طور خود به خود در سایر راستاها نشر شده اند از محیط فعال خارج می شوند و دیگر در نشر القایی سهیم نخواهند بود.
۱-۲-خواص تابش لیزر و کاربرد های آن
قبل از بحث پیرامون کاربردهای لیزر ضروری است که با جزئیات بیشتر در مورد خواص تابش لیزر از قبیل پهنای خط،درخشندگی واگرایی پرتو و همسویی که لیزرها بسیار ارزشمند می سازد صحبت کنیم.از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر پی برده شد که نور لیزر خواص مشخصه ای دارد که آن را از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می کند.در این بخش به چگونگی ظهور این خواص از ماهیت فرایند لیزر می پردازیم.
۱-۲-۱-پهنای خط لیزر
از آن جا که نشر القایی فوتون هایی را با راستای انتشار دقیقا یکسان تولید می کند استفاده از پیکر بندی آیینه ی انتهایی به تقویت گزینشی باریکه ی محوری که تنهاقطری حدود۱mm دارد منجر می شود بدین ترتیب لیزر باریکه ای نازک و اساسا موازی از نور را که معمولا دارای توزیع گاوسی از شدت است از آیینه ی خروجی به بیرون نشر می کند زاویه ی واگرایی باریکه مقداری در حدود ۱mrad است که در فاصله ی یک کیلومتری تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن می کند. لیزرهای اکسی پلکسی در حال حاضر در دسترس اند که واگرایی باریکه کمتر از ۲۰۰ mrad دارد. هر چند که میزان واگرایی باریکه در وهله ی نخست توسط حد پراش روزنه ی خروجی تایین می شود ولی با ابزار اپتیکی مناسبی توان همین واگرایی اندک را به مقدار زیادی تسهیل کرد. به عنوان مثال از اینکه باریکه ی لیزر تا چه حد قابل موازی سازی است به این مطلب توجه کنیم که که می توان بازتابش نور لیزر را از روی بازتابنده هایی که فضا نوردان طی ماموریت فضایی آپولو در سطح کره ی ماه کار گذاشتند در زمین مشاهده کرد. همراستا سازی نوری یکی از کاربردهای بسیار برجسته ی موازی سازی و پهنای باریکه ی نازک لیزر در صنعت سازه مثلا در حفر تونل ها است همچنین لیزرهای تپی را می توان در ردیابی و فاصله یابی و برای نظارت بر آلودگی اتمسفر مورد استفاده قرار داد در مورد اخیر با بهره گیری از پهنای باریکه ی نازک لیزر است که امکان نظارت بر گازهای خروجی از دودکش کارخانه ها با تجزیه و تحلیل نور پراکنده از روی زمین امکان پذیر می شود.
۱-۲-۲ شدت
شدت زیاد خاصیتی است که بیش از سایر موارد همراه نورلیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدت های ساخته شده روی زمین را ایجاد می کنند.ازآنجا که لیزر باریکه ای اصولا موازی از نور را نه در تمام جهتهابلکه در راستای مشخصی نشر می کند مناسبترین معیار برای شدت تابیدگی است از آنجا که انرژی در واحد زمان برابر توان است داریم:
سطح/توانI= تابیدگی
که منظور از توان،توان خروجی لیزر است نه توان ورودی.ازاین جنبه نیز نور لیزر خواص غیر عادی را نشان می دهد به گونه ای که با متمرکز کردن آن می توان به شدت هایی دست یافت که از شدت خود منبع فراتر می رود معمولا امکان چنین چیزی برای منابع معمولی نور وجود ندارد به عنوان یک اصل کلی حداقل شعاع باریکه ی متمرکز شده قابل قیاس با طول موج است با این حال در لیزرها که ابتدا انرژی را در اثر وارونگی جمعیت ذخیره می کنند و سپس آنرا از طریق نشر یک تپ نور رها می کنند یافتن بیشترین شدت های خروجی غیر منتظره نیست.اگر چه باید به یاد داشت که شدت پیک تنها برای زمان بسیار کوتاهی قابل وصول است.یک مثال بسیار واضح از کاربرد لیزر در صنعت برش و جوشکاری با لیزر است درچنین مقاصدی بویژه لیزرهای پرتوان کربن دی اکسیدوNd:YAG که تابش زیرقرمزدارند مناسب است چنین لیزرهایی تقریبا هرنوع ماده ای رامی توانند ببرندهرچنددربرخی مواردمانند چوب یاکاغذبرای جلوگیری ازسوختگی باید فواره ای ازگازبی اثربه کاربرده شود. ازسوی دیگرفواره اکسیژن باعث تسهیل برش فولاد می شود. کاربردهایی ازاین نوررامی توان درصنایع زیادی ازهوافضا تا نساجی پیداکردوتنهادرامریکاچندهزارسیستم لیزر برای این هدف بکارمی رود.
۱-۲-۳- همدوسی
همدوسی خاصیتی است که به بهترین وجه نورلیزرراازسایرانواع نورمتمایز می کند وبازهم این خاصیت نتیجه ماهیت فرایندنشر القایی است اغلب نورحاصل ازمنابع معمول گرمایی که توسط نشرخودبخودی کارمی کندبه نورآشفته موسوم است معمولادراین موارد هیچ همبستگی بین فازفوتونهای گوناگون وجودنداردودراثرتداخلهای اساساتصادفی بین آنهاافت وخیز محسوسی درشدت پدیدمی ایددرمقابل درلیزرفوتونهایی که توسط محیط برانگیخته لیزرنشرمی شوندباسایرفوتونهای موجوددرحفره هم فازند.
بنابراین دونقطه درطول باریکه لیزربه فاصله کمترازطول همدوسی بایدفازمرتبطی داشته باشداندازه گیری طول یازمان همدوسی یک لیزرباطیف بینی افت وخیزشدت انجام می شود وسیله مناسبی برای تعیین پهنای خط نشرفراهم میکند برخلاف انتظارکاربردهای اندکی برای همدوسی لیزروجوددارد.مهمترین کاربردان به اصطلاح تمام نگاری است که روشی برای تهیه تصاویرسه بعدی است این فرایندشامل تهیه یک نوع تصویرویژه به نام تمام نگاشت روی صفحه ای حاوی امولسیون مناسب عکاسی است .تمام نگاشت حاوی اطلاعاتی نه تنها پیرامون شدت بلکه درموردفازنوربازتابیده ازموضوع نیزهست .واضح است که بامنبع نورآشفته نمی توان به چنین تصویری دست یافت .نورپردازی عکس تصویرسه بعدی واقعی رابازسازی می کنددرحال حاضریکی ازمشکلات اصلی آن است که تنهاامکان تهیه تمام نگاشتهای تکفام وجودداردزیرااگربرای تهیه تصویراصلی ازگستره ای ازطول موجهااستفاده شوداطلاعات مربوط به فازازبین می رودهرچنداکنون به راحتی می توان تمام نگاشتهارادرنورسفیدبه وضوح مشاهده کردولی رنگهای این تصاویرتنهادراثرتداخل به وجودمی آیندورنگهای اصلی جسم نیستند.همدوسی خروجی لیزرهای گازی مداوم (CW)می تواندبسیارزیادباشدامابرای لیزرهای ضربانی معمولامقدارکمتری است به این دلیل که همدوسی زمانی ممکن است بادوره بین پالسهای لیزریاباجابجایی های فرکانس درحین تابش محدودمی گردد.لیزرهای یاقوت پالسهایی که اساسا۶/ میکروثانیه باهم فاصله دارندمنتشرمی کنندوزمان همدوسی حدود۱/ میکروثانیه است .همدوسی به طوروضوح درهرکاربردی ازلیزرکه پرتوبه دوبخش تقسیم می شودونوربامسافتهای مختلفی راطی می کندمهم است این شامل اندازه گیری فاصله به روش تدامل سنجی می شودکه بعد ارائه خواهدشد.
۱-۲-۴-تکفامی
اخرین مشخصه ی بارز نور لیزر و خاصیتی که بیشترین ارتباط را با کاربرد های شیمیایی تکفامی اساسی آن است. این خاصیت از این حقیقت منشا می گیرد که تمام فوتون ها در اثر گذار بین دو تراز انرژی اتمی یا مولکولی مشابه نشر می شوند و بنابر این تقریبا فرکانس های دقیقا یکسانی دارند با وجود این همانطور که اشاره شد همواره گستره ی کوچکی از توزیع فرکانس ها وجود دارد که ممکن است چندین فرکانس یا طول موج گسسته را در بر گیرد و باعث برقراری شرط موج ایستا شود نتیجه آن است که تعداد کمی از فرکانس ها با فواصل اندک از یکدییگر ممکن است در عمل لیزر حضور داشته باشند به طوری که برای رسیدن به تکفامی بهینه باید وسیله ی اضافی دیگری برای گزینش فرکانس در لیزر تعبیه کرد معمولا برای این کار از یک سنجه استفاده می شود یک عنصری اپتیکی است که درون حفره ی لیزر قرار می گیرد و به گونه ای تنظیم می شود که تنها یک طول موج معین بتواند بین دو آیینه ی انتهایی به طور نامتناهی به جلو و عقب حرکت کند در لیزرهایی با خروجی پیوسته تهیه ی پهنای خط نشر کوچک کاری بسیار ساده است.
عناصر اساسی لیزر:
ابزار لیزر یک نوسانگر اپتیکی است که باریکهٔ بسیار موازی شدهٔ شدیدی از تابش همدوس را گسیل میکند و از سه بخش ساخته شده‌است:
محیط تقویت کننده
کاواک اپتیکی یا تشدیدگر
پمپاژ یا دمش
محیط فعال:
محیط فعال لیزر، ماده‌ای است که شرایط مناسب برای ساختن یک لیزر را دارد یعنی ماده‌ای که در آن بتوان وارونی انبوهی مناسب ایجاد کرد و از راه گسیل القایی بتوان تقویت نوری را انجام داد. در واقع در محیط فعال، ابتدا الکترون‌ها با دریافت انرژی کافی به تراز بالاتر می‌روند (برانگیخته می‌شوند) سپس با ادامه این روند، وارونی انبوهی رخ داده و تعداد اتم‌های دارای الکترون‌های برانگیخته، بیشتر از اتم‌های دارای الکترون حالت پایه میشود. سپس با عبور فوتون مناسب، الکترون‌ها به تراز پایین رفته و فوتون‌هایی با انرژی یکسان، همفاز و هم جهت ایجاد می‌شوند (گسیل القایی).
محیط‌های فعال میتوانند مواد اتمی و یا مولکولی از هر سه حالت جامد، مایع و یا گاز باشند. یاقوت، الکساندریت، Nd:YAG و دیود نمونه‌هایی از لیزرهای جامد، رزین(رنگ)ها از نوع لیزرهای مایع و هلیم-نئون، گازکربنیک (CO2) و آرگون نمونه‌هایی از ماده فعال لیزر به شکل گاز هستند. لازم است بدانید که طول موج خروجی هر لیزر توسط ماده فعال آن تعیین میشود.. به عنوان مثال در CO2 طول موج 10600 نانومتر، یاقوت طول موج 694 نانومتر، و الکساندریت طول موج 755 نانومتر ایجاد میشود. در جدول 1 ماده‌های فعال برای لیزرهای رایج و طول موج مربوط به آنها گردآوری شده است.
پمپاژ یا دمش:
چنانچه که گفته شد، برای ایجاد لیزر باید ابتدا در ماده فعال لیزر، وارونگی جمعیت (وارونی انبوهی) ایجاد شود؛ این کار توسط سیستم پمپاژ (دمش) انجام می‌گیرد. در واقع ابتدا سیستم پمپاژ، انرژی را به محیط فعال می‌دهد. الکترون‌های محیط فعال با دریافت انرژی به تراز انرژی بالاتر می‌روند. این کار باید به گونه‌ای انجام شود که بیشتر الکترون‌ها تراز پایین را ترک و به تراز بالاتر بروند و وارونگی جمعیت رخ دهد.
باید دقت داشته باشید که پمپاژ یا دمش به روش‌های گوناگون انجام میشود و بسته به نوع محیط فعال و ساختار لیزر میتواند متفاوت باشد. در روش تخلیه الکتریکی، با ایجاد اختلاف پتانسیل دو طرف محیط فعال، یک جریان الکترونی ایجاد و از محیط فعال عبور میکند. الکترون‌ها در مسیر حرکت خود، انرژی کافی به الکترون‌های ماده فعال منتقل کرده و آنها را را برانگیخته می‌کنند. با ادامه این روند، وارونی انبوهی در ماده فعال ایجاد میشود. به این روش پمپاژ به وسیله تخلیه الکتریکی گویند و برای اجرای آن، یک منبع با ولتاژ بالا در حد کیلو ولت، نیاز است. لیزرهای گازکربنیک، لیزرهای دیودی و نیز نئودیمیوم-یگ از نمونه لیزرهایی هستند که با تخلیه الکتریکی پمپ می‌شوند.
یکی دیگر از روش‌های دمش ماده فعال لیزری، روش اپتیکی می‌باشد. در پمپاژ اپتیکی، اتم‌های ماده فعال به وسیله نور برانگیخته می‌شوند. در گذشته منبع نوری مورد استفاده برای دمش ماده فعال، معمولا فلش لامپ و یا لامپ های گازی مانند لامپ زنون بود اما در سال‌های اخیر با گسترش لیزرها، از دایود لیزرها نیز جهت پمپاژ محیط فعال، یک لیزر دیگر نیز استفاده میشود. لیزر الکساندرایت از نمونه لیزرهایی است که در آن از دمش اپتیکی استفاده میشود. نور فلش مانندی که در هنگام استفاده از لیزر الکساندرایت، در محیط پخش میشود ناشی از همین سیستم دمش اپتیکی است.
در دسته دیگری از لیزرها، پمپاژ ماده فعال از طریق واکنش شیمیایی انجام شود. در پمپاژ شیمیایی، یک ترکیب شیمیایی برانگیخته به کاواک وارد میشود و طی یک واکنش شیمیایی انرژی خود را به ماده فعال لیزر تحویل داده و انرژی نورانی تولید میشود. این ترکیب دومرتبه در خارج از کاواک به یک ترکیب شیمیایی برانگیخته تبدیل شده و به محیط فعال بازمی‌گردد و این فرایند به صورت پیدرپی ادامه می‌یابد.
کاواک:
اما سومین بخش موردنیاز در هر لیزر، کاواک است. کاواک با نام‌های دیگری مثل رزوناتور، تشدیدگر اپتیکی، کاواک اپتیکی و بازآواگر نیز نامگذاری شده است و شامل محفظه نگهدارنده محیط فعال و دو آینه میشود و کمک میکند تا فوتون‌های گسیل القایی در راستای محور اصلی لیزر تقویت شود. آینه اول یا آینه عقب یک آینه کامل است که در یک طرف (عقب) ماده فعال قرار گرفته است و فوتون‌ها را به صورت کامل بازتاب میکند اما آینه دوم (آینه جلو یا آینه خروجی) در جلو ماده فعال جای گرفته است . آینه جلو، بازتابنده کامل نیست. این آینه، بیشتر فوتون‌ها را به درون کاواک بازتاب میکند و درصد کمی از فوتون‌ها را از خود عبور می‌دهد. فوتون‌هایی که از این آینه عبور می‌کنند، باریکه خروجی دستگاه لیزر را تشکیل می‌دهند.
به عبارت دیگر، فوتون‌های گسیل شده القایی، پس از بازتاب پیدرپی میان دو آینه کاواک روی محور اصلی لیزر، فوتون‌های بیشتری را ایجاد می‌کنند و در نهایت پرتو لیزر از آینه جلو خارج می‌شوند.
در پایان این بخش باید یادآوری کرد که برای ادامه کار دستگاه لیزر به صورت مداوم، لازم است محیط فعال لیزر خنک نگه داشته شود. این کار توسط جریان آب، هوا و … قابل انجام بوده و به دلیل اهمیت این موضوع، گاهی در کتاب‌های مربوط به لیزر، از بخش خنک‌کننده به عنوان جزء چهارم از بخش‌های اصلی یک لیزر نام برده میشود.
گردآورنده: خانم فاطمه انصاری
منابع: