لیزر1-2

تاریخچه لیزر

خط زمانی پدید آمدن لیزر:

 

گسیل القایی - 1947

آلبرت انیشتن فرآیندی را که امکان تشکیل لیزر را فراهم می کرد، برای اولین بار پیشنهاد کرد. این فرآیند گسیل القایی نام داشت.

هولوگرافی - 1947 

گابور  نظریه هولوگرافی را که برای فهمش نیاز به نور لیزری داشت، توسعه داد. او در سال 1971 برای این کارش برنده جایزه نوبل فیزیک شد.

 

میزر - 1954

اولین مقالات مربوط به میزر درسال 1954 به چاپ رسید که نتیجه پژوهش های همزمان و البته مستقل تاونز و همکارانش در دانشگاه کلمبیای نیویورک و بازف و پروخوروف در موسسه لبدف مسکو بود. فعالیت های آن ها در سراسر دهه های 60 و70 ادامه داشت. آن ها برای این کار، در سال 1964 برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.

 

لیزر - 1958

تاریخ استفاده ازمیزر نوری و یا لیزر به سال 1958 باز می گردد. در آن زمان امکان به کارگیری اصول میزر در ناحیه نوری توسط شالو و تاونز همانند موسسه لبدف به خوبی مورد تحلیل و بررسی قرارگرفت. طیف نمایی لیزر توسط شالو و همکارانش در دانشگاه استانفورد گسترش یافت و بلومبرگن و همکارانش نور شناخت غیر خطی را که کاربرد ویژه ای در طیف نمایی لیزر دارد، توسعه دادند. به همین منظور جایزه نوبل فیزیک در سال 1981 به آنها تعلق گرفت.

 

لیزر یاقوت -1960

اولین لیزر در سال 1960 به کار برده شد و لیزر یاقوتی رنگی بود که از پالس های (تپ های) پر قدرت نور قرمز نشات می گرفت.

نیمه رسانا -1963

آلفروف و کرامر مستقلا در سال 1963 اصل نیمه رسانای با ساختار غیر هم شکل را پیشنهاد دادند که بعد ها در لیزر نیمه رسانا مورد استفاده قرار گرفت. لیزر نیمه رسانا امروزه از عمده ترین لیزرهاست. برای این کار آن ها در سال 2000 برنده جایزه نوبل شدند.

 

الیاف شیشه - 1980

فیبر نوری که از الیاف شیشه ای ساخته شده است، تلفات خیلی کمی دارد. تا جایی مکالمات تلفنی و مخابرات می تواند کیلومترها با کمک نور لیزری منتقل شود.

 

سرد کردن لیزری - 1980

در دهه 80 چو، کوهن و تانوجی روی سرد کردن اتم ها کار کردند. به همین منظور درسال 1997 جایزه نوبل فیزیک به آنها اهدا شد.

آلبرت انیشتن از سال 1917 نظریه ی گسیل القایی را تشریح کرد اما 30 سال طول کشید تا مهندسین توانستند این اصل را برای اهداف کاربردی مورد استفاده قرار دهند دانشمندان از این کشف فنی جدید و مهم شگفت زده شدند اما فن آوری لیزری به خودی خود در واقع هیچ هدفی نداشت این امر تنها در مورد لیزر استثنا نیست اکتشافات برای آن که از مورد استفاده قرار گیرند نیاز به زمان دارند امروزه لیزر در مخابرات صنعت، پزشکی، حفاظت از محیط زیست و پژوهش ها به کار گرفته می شود لیزر در سراسر دنیا به یکی از قدرتمندترین ابزارهای دانشمندان در رشته های فیزیک شیمی زیست شناسی و پزشکی تبدیل شده است یکی از مباحثی که خیلی جالب به نظر می رسد روش متفاوت در سرد کردن و به دام انداختن اتم ها با استفاده از لیزر است ما هنوز نمی دانیم که این دانش و فن آوری در آینده چه کار برد خواهد داشت، اما یقین داریم که کاربردهای آینده ی آن بر مبنای پژوهش های امروز خواهد بود.

 

جایزه های نوبل در رشته فیزیک

اغلب عادت کرده ایم که از وسایل استفاده کنیم بی آنکه در موردشان فکر کنیم آیا تا کنون به این موضوع اندیشیده اید که هنگام گوش کردن به یک cd یا نشانه گیر لیزری اکتشافی که برنده ی جایزه ی نوبل بوده است را به دست گرفته اید؟ خوب، اگر چنین نبود، بدانید که فقط شما نیستید که به این موضوعات فکر نمی کنید.

اتفاق سال 1964

دانشمندانی که به طور مشترک برای کار علمی بنیادی شان که بعدها منجر به ساخت لیزر شد، برنده جایزه نوبل شدند، نظریه ی لیزرها را یافتند و چگونگی ساخت آن ها با استفاده از چیزی شبیه وسیله ای که امروزه در مایکرویوها وجود دارد و نامش میزر است را شرح دادند. میزر طی سال های دهه ی 50 شناسانده شد.

این اکتشاف چه پیامدی داشت ؟

این کشف بعدها به ساخت لیزرهای بزرگ و تقریبا بد شکلی در آغاز دهه ی 60 منتهی شد. هنوز هم، نظریه ی آن ها در رابطه با تاثیرات لیزر، نظریه ای است که اساساً تمامی لیزرها را تشریح می کند. وقتی به یک cd گوش می کنید و یا با یک نشانه گیر لیزری هدفی را نشانه می گیرید در واقع کشف این افراد در دست دارید.

اتفاق سال 1971

گابور به تنهایی برنده  جایزه شد، چون اساس ایده روشن هولوگرافیک ( تصویر سازی سه بعدی لیزری ) را یافت. روشی که از معروف ترین و چشم گیرترین فن آوری های لیزر است. در ابتدا روش ساخت تصاویر سه بعدی فقط ابزار مفیدی برای مشاهده اجسام در حال نوسان بود اما امروزه بیشتر آنچه را ما در مورد سازهای موسیقی و صداهای تولید شده شان می دانیم،  مدیون استفاده از هولوگرام ها هستیم.

این اکتشاف چه پیامدی داشت ؟

علاوه بر هولوگرام هایی که فروخته شده و به دیوار آویخته می شوند، هولوگرام های ساده تری هم هستند که در بسیاری چیزهای دیگر که ممکن است انتظارش را نداشته باشید، یافته می شوند. هولوگرام های کوچک در بسیاری از کارت های شناسایی و یا کارت های اعتباری به کار برده می شوند تا جعل این اسناد را دشوار سازند.

اتفاق سال 1997

شالو و بلومبرگن برای شرکت در توسعه طیف نمایی لیزر برنده ی جایزه نوبل شدند. از نمونه های کاربردی این کار استفاده در نور شناخت غیر خطی است. یعنی روش های تاثیر یک پرتو بر دیگری و پیوستن به چند پرتو لیزری به طور ثابت است.

این پدیده ها بدین معناست که در اصل یک پرتو نور می تواند با یک پرتو نور دیگر هدایت شود اگر در آینده کسی بخواهد یک کامپیوتر نوری بسازد که در ذخیره داده ها خیلی سریعتر و کار آمدتر عمل خواهد کرد، باید اساس کار خود را بر مبنای نور شناخت غیر خطی قرار دهد.

این اکتشاف چه پیامدی داشت ؟

هنگام استفاده از فیبرهای نوری، برای مثال در کاربردهای باند گسترده، کلید ها و تقویت کننده ها (آمپلی فایرها) همگی نیازمند نور شناخت غیر خطی هستند.

اتفاق سال 1997

چو، کوهن، فیلیپس و تانوجی جایزه نوبل را دریافت کردند زیرا توانستند روش های سرد کردن و به دام انداختن اتم ها را با نور لیزری توسعه دهند. با این روش القایی اتم ها انرژی گرمایی شان را به نور لیزری داده و به این ترتیب دمایشان پایین و پایین تر می رود. وقتی دمای اتم ها به نزدیکی صفر مطلق نزول می کند، اتم ها به شکل متراکمی درآمده و توده های اتمی می سازند به گونه ای که برخی از جنبه های درونی طبیعت را آشکار می سازند و این کاربرد مهم سرد کردن لیزری است که ما با ساختارهای طبیعی بیشتر آشنا می کند. خیلی زود دیگر دانشمندان برای استفاده از این تکنیک (فن) دست به کار شدند و در زمینه های مربوطه پیشرفت هایی را عملی کردند.

 

این اکتشاف چه پیامدی داشت؟

پاسخ کوتاه: تا به امروز، هیچ.

وقتی لیزر در سال 1960برای اولین بار معرفی شد به جز مقدار کمی از فیزیک دانان، کسی چیزی در مورد کار برد های آن نمی دانست فن آوری لیزر راه حلی بود که به دنبال مسئله اش می گشت.

اتفاق سال 2000

آلفروف و کرامر برای فعالیت هایشان در زمینه ی فیزیک نیمه رساناها برنده جایزه نوبل شدند. آن ها نوعی از ماده را مورد بررسی قرار دادند که برای اولین بار برای ساخت لیزرهای نیمه رسانا مورد استفاده قرار گرفت، نوعی لیزرهای بسیار کوچک که امروزه ارزان ترین، سبک ترین و کوچک ترین لیزرهای موجود هستند.

هدف از ساختن آنها تولید همزمان منبع نوری و ذخیره انرژی با قرار دادن آینه هایی در یک کریستال بود ( با رویه ای کمتر از mm 1 و ردیف های بسیار زیاد ) این کشف نه تنها اساس کار بسیاری از وسایل ارزان و قابل حمل شد بلکه منجر به ساخت اطلاعات نوری (اپتیکی) شبکه های اینترنتی شد.

این اکتشاف چه پیامدی داشت؟

دستگاه  پخش CD  و نشانه گیر لیزری و دستگاه خواندن بارکدهای صندوق دارهای سوپر مارکت ها همگی و همگی بر مبنای این کشف ساخته شده اند.

لیزر چیست؟-قسمت اول

 

مقدمه

حروف واژه لیزر(LASER) به ترتیب حرف اول کلمه های Light(نور)، Amplification(تقویت)،  Stimulated(القایی) ، Emission(گسیل) ،Radiation (تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می باشد. لیزر دستگاهی است برای تولید، تقویت و انتقال باریکه های نوری همدوس باریک و با شدت زیاد گاهی عنوان میزر اپتیکی نیز به لیزر اطلاق می شود.

نور همدوس تولید شده توسط لیزر با نور عادی تفاوت اساسی دارد. نور لیزر از موج هایی تشکیل شده که همگی هم فازند و طول موج یکسان دارند، در حالی که نور عادی شامل طول موج های مختلف است و موج های مختلف با یکدیگراختلاف فاز دارند.

در لیزر یا میزر، اتم ها یا مولکولها طوری برانگیخته می شوند که بیشتر آن ها در تراز انرژی بالاتر قرار دارند و تعداد کمتری در تراز انرژی پایین تر قرارمی گیرند. به این وضعیت ، جمعیت وارون می گویند. فرآیند افزایش انرژی برای ایجاد جمعیت وارون ، پمپاژ (یا دمش) نامیده می شود. به محض اینکه اتم ها یا مولکولها در این حالت بر انگیخته قرار بگیرند، به راحتی تابش می کنند. اگر فوتونی که بسامد آن متناظر با اختلاف انرژی این حالت برانگیخته و حالت پایه است به اتم برانگیخته ای برخورد کند، تابشی القایی در اتم برانگیخته به صورت فوتونی که هم بسامد ،هم فاز و هم جهت با فوتون برخورد کننده است، ایجاد می شود. فوتون برخورد کننده و فوتون حاصل از گسیل القایی می توانند هریک به یک اتم برانگیخته دیگری برخوردکنند و تابش های القایی بیشتری ایجاد کنند، که همگی هم بسامد و هم فاز هستند. این روند یک عمل ناگهانی از تابش همدوس در یک واکنش زنجیره ای سریع حاصل می کند و تمامی اتم ها به صورت زنجیره ای تخلیه می شوند (به حالت پایه بر می گردند). معمولا لیزر را طوری می سازند که نور گسیل شده بین دو انتهای یک کاواک تشدیدی که به آن تشدید گر می گویند به صورت بازتابی رفت و برگشت کند تا بالاخره باریکه نور بسیار کانونی شده و با شدت زیاد از یک انتها ی یک کاواک تشدیدی که به صورت جزیی بازتاب کننده است، خارج شود. اگر اتم ها پس از تخلیه مجدد به حالت برانگیخته دمیده شوند پرتو پیوسته ای از نور همدوس تولید می شود.

 

اجزاء و طرز کار لیزر

لیزر منبع نوری است که  خواص یکتایی و منحصر به فرد را به نمایش می گذارد و کاربردهای گوناگونی دارد. لیزر درجوشکاری ، نقشه بر داری، پزشکی، ارتباطات ، دفاع ملی و نیز در زمینه های مختلف تحقیقات علمی کاربرد دارد. امروزه انواع گوناگون لیزر به صورت تجاری در دسترس است . اندازه آنها دامنه و سیعی دارد به طوری که بعضی از آنها می توانند در نوک انگشت جای بگیرند و بعضی دیگر یک ساختمان بزرگ را پرمی کنند. تمام این لیزرها دارای خواص مشترکی هستند.

در این بررسی ، خواص اساسی را که باعث تمایز نور لیزر از منابع نوری معمولی می شود موردبحث قرار می گیرد و عناصر اصلی مورد نیاز برای تولید این نور معرفی می گردند. فرآیند تقویت به طور خلاصه تشریح می گردند و بسیاری از اصطلاحاتی که برای توضیح و مشخص کردن فرآیند مورد استفاده قرارمی گیرد، معرفی می شوند.

 

اجزاء لیزر

چهار عنصر اصلی برای تولید نور همدوس توسط تابش القایی در لیزر موردنیاز است که شامل آیینه نیمه شفاف،آیینه بازتاب کننده کامل،محیط فعال و مکانیزم تولید نور لیزر است.

 

اتم و مولکول

برای شناخت لیزر عوامل چندی می باید شناخته شوند.از جمله این عوامل محیط فعال لیزری است.محیط فعال لیزر می تواند اتم ،مولکول ،و یا یون باشد،در اینصورت، درمورد محیطی شامل اتم های یک گونه از لیزرهای اتمی بحث می شود. بعضی از مولکولهای سبک نیز قادر به اجرای عمل لیزر هستند. در مورد یون اتمی می توان از محیط فعال آرگون یونی و یا مولکول یونی نیتروژن نام برد.

مولکولهای سنگین مثل رودامین ها، لیزر های رنگی را تشکیل می دهند همچنین می توانیم با وارد کردن ناخالصی ها در یک محیط خاص، محیط های فعال به صورت جامد رابوجود بیاوریم، مانند یاقوت که از حضور ناخالصی کروم یونیده در داخل اکسید آلومینیم تشکیل شده است و یا لیزرحالت جامد دیگر معروف به YAG:Nd  .محیط فعال لیزر می تواند با استفاده از نیمرساناها حاصل شده باشد مانند GaAs در مثال های بالا اگر حرکت الکترون را در نظر بگیریم، از اتم به سمت مولکولهای سبک و سنگین و بالاخره به سوی نیمرساناها ، گویی که گسترش حرکت الکترون مرتبا افزایش می یابد ولی در تمامی آنها الکترون به هسته (و یا هسته ها ) مقیدهستند. حال می توانیم این قید را هم کنار بگذاریم ، در این صورالکترون به صورت آزاد خواهیم داشت یعنی به هیچ وجه مقید به هسته ای نیستند، در اینجاست که از لیزر های الکترون آزاد صحبت می شود.

بنابر این ،دراولین قدم شناخت لیزر محیط فعال می باید وجود داشته باشد که این محیط به صورت اتم، مولکول (و یایون اتم و مولکول ) است. محیط فعال را ازنظر ماهیت فیزیکی می توان در فازهای گاز،مایع ، جامد و نیمرسانا نیز تقسیم بندی کرد.

 

محیط فعال

محیط فعال ، همانطور که به آن اشاره شد مجموعه ای از اتم ها یا مولکولهاست که می توانند به حالتی باتجمع یا جمعیت وارون، یعنی وضعیتی که اتمها یا مولکولها ی در حالت برانگیخته نسبت به اتمها ی حالت پایه هستند، برانگیخته شوند. دو حالتیکه برای گذار از یک حالت بالاتر به یک حالت پایین تر در اجرا ی عمل تقویت انتخاب می شوند ، یعنی دو حالتی که درواقع در عمل لیزری شرکت دارند باید دارای خواص معینی باشند. اولین مشخصه آن است که اتم ها باید برای زمان نسبتا طولانی درتراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون های تابشی القایی از تعداد فوتون های تابشی خودبخودی بیشتر شود. دومین مشخصه وجود یک روش موثر پمپاژ اتمهاست تا جمعیت تراز انرژی بالایی که در حالت عادی بسیار کمتر از جمعیت تراز پایه است، افزایش یابد و پدیده وارونی جمعیت رخ دهد. افزایش جمعیت تراز پایینی به بیش از جمعیت حالت انرژی بالایی باعث منفی شدن وارونی جمعیت شده و ازتقویت نور توسط تابش القایی جلوگیری می کند. به بیان دیگر، با رفتن اتم ها از تراز انرژی بالایی به تراز انرژی پایینی فوتون های بیشتری توسط تابش خودبخودی از دست می روند. که جهت گیری آنها کاتوره ای است و موج های وابسته به آنها هم فاز نیستند.

 

خاصیت های نور لیزر

نور لیزر، با نور بیشتر منابع نوری معمولی مثل لامپ های ملتهب ،لامپ های مهتابی و لامپ های قوس الکتریکی باشدت بالا، تفاوت دارد. برای درک خواص یکتای نور لیزرمی توان آن رابا نور منبع های دیگر مقایسه کرد. حضور این تفاوت هاست که به نور لیزر ویژگی خاصی  بخشیده است و کاربردهای متنوع پیدا کرده است.این خواص عبارتند از :

1- همدوسی، نور لیزر دارای همدوسی زمانی و قضایی است.

2- جهتمندی ، نور لیزردارای واگرایی بسیارکمی است.

3- تکفامی ، گرچه نور لیزر تکفام و یا تک فرکانس کامل نیست ، ولی پهنای طیف خروجی لیزر می تواند کاملا باریک باشد، مثلا چند MHZ همه نورها از امواج روانی تشکیل شده است که در فضا پیش می روند. رنگ نور لیزر توسط طول موج آن تعیین می شود که در شکل زیر نشان داده شده است.طول موج نور لیزر و یا فرکانس آن به نوع محیط فعال و نیز نوع تشدید گر بکار رفته بستگی دارد.

4- درخشایی، به علت واگرایی کم لیزر، نور لیزر دارای درخشایی بسیار بالایی است.

ادامه دارد...

 

نحوه اندازه گیری پارامترهای لیزر

---

اندازه گیری پارامترهای لیزر از اهمیت خاصی برخوردار است. جهت بکارگیری لیزر در امر پزشکی و یا دیگر کاربردها، لازم است متخصصین از میزان واقعی پارامترهای لیزر مانند توان لیزر، قطر پرتو لیزر، انرژی هر پالس، پهنای زمانی پالس و آهنگ تکرار آگاهی کافی داشته باشند.

---

1- توان لیزر:

جهت اندازه گیری توان خروجی لیزر لازم است که از یک وسیله به نام توان سنج Power Meter استفاده نماییم. این وسیله هنگامی که در جلوی باریکه بیم لیزر قرار می‌گیرد، توان خروجی لیزر را ابتدا تبدیل به حرارت و سپس آن را تبدیل به یک جریان الکتریکی می‌کند. این جریان در برابر مقاومت الکتریکی تبدیل به ولتاژ شده که به صورت یک عدد روی دستگاه نشان داده می شود.

2- اندازه پرتو:

با یک آزمایش ساده می توان قطر پرتو لیزر را اندازه گیری کرد. جهت انجام این کار ابتدا پرتو لیزر را مستقیما در جلوی یک توان سنج قرار می دهیم. میزان توان خروجی لیزر را یادداشت می کنیم. آنگاه یک روزنه کوچک در جلوی پرتو لیزر بین توان سنج و لیزر قرار می‌دهیم. مجددا توان لیزر را یادداشت می کنیم. اندازه روزنه را انقدر بزرگ می کنیم که توان نمایش داده شده بر روی توان سنج برابر میزان 86% توان اولیه بدون روزنه شود.

در این هنگام قطر روزنه را با خط کش اندازه گیرریم. قطر این روزنه در حقیقت برابر با قطر پرتو لیزر خواهد بود.

 

3- انرژی پالس لیزر:

برای محاسبه انرژی پالس لیزر به جای توان سنج از یک وسیله دیگر به نام انرژی سنج Joule Meter استفاده می‌کنیم. هنگامی که این وسیله در جلوی پالس های لیزر قرار بگیرد در حقیقت مانند یک کالریمتر عمل می‌کند. در این روش انرژی پالس لیزر در برخورد با انرژی سنج ابتدا تبدیل به حرارت و سپس به یک پالس الکتریکی تبدیل می شود که این میزان پالس الکتریکی متناسب با انرژی گالس لیزر می باشد. قبل از بکار گیری ژول متر لازم است ابتدا آن را کالیبرد نمود تا براحتی بتوان انرژی هر پالس لیزر را اندازه گیری کرد.

 

4- پهنای زمانی پالس:

برای محاسبه پهنای زمانی یک پالس لیزر، نیازمند دو وسیله به نام آشکار ساز و اسیلوسکوپ هستیم. آشکارساز لیزر در حقیقت فوتون‌های دریافتی پالس‌های لیزر را تبدیل به یک سیگنال الکتریکی می‌کند که این نوع سیگنال ها توسط اسیلوسکوپ قابل نمایش هستند. با چنین وسیله‌ای حتی می‌توان آهنگ تکرار لیزر را به راحتی مشاهده کرد.

لیزرهای شناخته شده امروزی مجهز به سیستمهای آشکارسازی متناوبی هستند که در هر لحظه می‌توانند پارامترهای مختلف لیزر را بطور همزمان نمایش دهند.

 

5- شدت پرتو لیزر:

شدت پرتوی لیزر اصطلاحا Irradiance نامیده می‌شود که طبق تعریف نسبت توان لیزر به سطح پرتو لیزر است

 

 

 

 

6اسفند 89 توسط ajmn