مقدمه

اصطلاح لیزر (Laser) از حروف اول کلمات انگلیسی به معنی تقویت نور توسط نشر القایی تابش (Light Amplification by Stimulation Emession of Radiation ) درست شده است. از آنجا که این وسیله مبتنی بر همان اصول میزر (بجای نور لیزر ، میکروموج استفاده شده) است، تا مدتی به آن میزر (MASER: Microware Amplification by Stimulation Emession of Radiation) نیز اطلاق می‌شود، ولی نام آن به سرعت به لیزر که عبارتی ساده‌تر تبدیل شد. نور حاصل از لیزر ، همان نور معمولی است، تنها چیزی که نور لیزری را از نورهای معمولی متمایز می‌سازد هماهنگی ایجاد شده در نور لیزری می‌باشد. و این هماهنگی ویژگیهای خاص و کاربردهای مختلف آنرا در زمینه‌های بسیاری توجیه می‌کند.

فرض کنید یک کامیون کمپرسی پر از ماسه داریم، که ابتدا دانه‌های ماسه را یکی یکی بر روی فردی که روی زمین دراز کشیده می‌ریزیم، فرد هیچ گونه احساس فشار و ضربه و ناراحتی نکرده ، اگر همان ماسه را یکباره بر روی آن بریزیم چه اتفاقی می‌افتد. تقریبا تفاوت نور معمولی با نورهای حاصل از لیزر مشابه همین حالت می‌باشد. بطور کلی لیزرها انواع مختلف و زیادی دارند که وجه تمایز و دسته بندی انواع لیزرها را پارمترهایی از قبیل نوع محیط فعال (محیطی که عمل لیزر زایی یا به عبارتی تقویت در آنجا انجام می‌گیرد که می‌تواند جامد ، مایع و گاز نیز باشد) و نوع ساختار و شرایط فیزیکی حاکم بر آن تعیین می‌کند. لیزرها هم می‌توانند به صورت پالسی و هم پیوسته کار کنند، که بستگی به هدف و کاربردمان دارد.

آرایش دستگاههای لیزری

دستگاههای لیزر را محیط فعال ، آینه‌های لیزر و وسیله دمش (پمپاژ) تشکیل می‌دهند. بطور کلی ساختار یک لیزر نوعی به صورت زیر است:


آینه‌های مورد استفاده در لیزر ، با روشهای مختلف و پیشرفته لایه گذاری ساخته می‌شوند، بطوری که آینه خروجی دستگاه که باریکه لیزری از آن خارج می‌شود نیمه بازتاب و آینه اولی کاملا بازتاب کننده می‌باشد. آینه‌های لیزری به دو صورت می‌توانند روی سیستم سوار شوند:

1. آینه‌های داخلی: روی تیوپ نصب می‌شوند.
2. آینه‌های خارجی: آینه‌های خارجی دارای مزایایی بر آینه‌های داخلی هستند: در تماس با محیط خارجی فعال (بخصوص در لیزرهای گازی) فرسایش نمی‌یابند و قابلیت انعطاف بیشتری دارند.

چند نوع کاواک نوری (یا مشدد لیزری) متداول

روشهای دمش (پمپاژ) لیزری

1. دمش نوری لیزر: لامپ فلاش - نور لیزر (در لیزرهای حالت جامد به خاطر پهنای گذار تابشی)
2. دمش الکتریکی لیزر (در لیزرهای گازی)
   
   

خود دمش لیزری با طرحهای مختلفی انجام می‌گیرد. برای درک مفاهیم عمل لیزر ، لازم است که عبارات مهم نشر القایی ، تجمع معکوس و همدوسی و جهت مندی کاملا تشریح شوند.

نشر القایی

بنا به نظریه کوانتومی مدارهای الکترون (ترازهای انرژی) محدود به اندازه‌های منفصلی می‌باشند (غیر از این هم ممکن نیست) و انرژِی که هر اتم یا مولکول می‌تواند داشته باشد، به یکی از این مقادیر محدود می‌شود. به عبارت دیگر ، انرژی اتم یا مولکول و یا یون بر حسب اینکه الکترون چه مداری را اشغال کند، مقادیر منفصلی به خود می‌گیرد. به علاوه وقتی انرژی اتم با حرکت الکترون به مدارهای مجاز ، کاهش می‌یابد، فوتونی منتشر می‌شود که انرژی E∆ آن برابر اختلالف انرژی اتم در قبل و بعد از انتقال الکترون می‌باشد. این فوتون می‌تواند به صورت موجی در نظر گرفته شود که فرکانس ν آن از رابطه انیشتین E = hν بدست می‌آید، که در این رابطه h ثابت پلانک می‌باشد.

هر اتم را می‌توان بصورت مجموعه‌ای از ترازهای انرژی ممکنه در نظر گرفت که هر تراز مربوط به شکل پذیری خاص الکترون می‌باشد. پایینترین حالت انرژی را حالت پایه اتم یا مولکول گویند، که اکثرا در هر لحظه در این پایه قرار دارند. گذار اتم به ترازهای با انرژی بالاتر (ترازهای بالا) با صرف انرژی به صورت فوتون تابشی و انتقال انرژی فوتون تابشی به اتم صورت می‌گیرد. این حالت به پدیده جذب موسوم بوده و فرکانس و انرژی فوتون تابشی با رابطه انیشتین که اشاره شد بهم مربوطند.

در نتیجه جذب تابشی ، اصطلاحا گفته می‌شود اتم به حالت برانگیخته ارتقاء می‌یابد. از آنجا که تنها ترازهای گسسته انرژی وجود دارند، لذا در مورد فرکانسهایی از تابش که توسط هر ترکیب خاص جذب می‌شوند، گزینش پذیری معینی برقرار است. فرآیند معکوس جذب تابش ، نشر حاصل از تغییر اتم از یک حالت انرژی بالا به حالت انرژی پایین است. انیشتین نشان داد که در حقیقت نشر به دو طریق می‌تواند صورت بگیرد:

1. با تغییر اتم به حالت پایینتر بطور اتفاقی ، که این عمل نشر خودبخودی نامیده می‌شود.
   
   
2. اندرکنش اتم با فوتونی که دارای انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز که اتم در حالت بالایی آن قرار دارد، سبب می‌شود که اتم به سطح پایین تغییر کرده و ایجاد اتم ثانوی نماید. این عمل معکوس عمل جذب بوده و به نام نشر تحریکی یا نشر القایی شناخته می‌شود. نشر خودبخودی مستقل از هر گونه عامل خارجی می‌باشد.
   
   حال به بیان دو نقطه مهم تحریکی می‌پردازیم که خواص لیزری به آنها بستگی دارد. اول اینکه فوتون حاصل از نشر تحریکی تقریبا هم انرژی با فوتون ایجاد کننده نشر تحریکی است و از اینرو فرکانس آنها تقریبا باید مساوی باشد. ثانیا امواج نوری مربوط به این دو فوتون همفاز هستند و همدوس گفته می‌شود. در حالت نشر خودبخودی تولید اتفاقی فوتونها امواجی با فاز اتفاقی شده که نور ناهمدوس گفته می‌شوند.

تجمع معکوس

دو سیستم انرژی دو ترازی در نظر بگیرید که در یکی از آنها اتمی در حالت برانگیخته (بالا) و دیگری در حالت پایه (یایینی) باشد. فرض کنید فوتونی با انرژی برابر اختلاف بین دو تراز به این اتمها نزدیک شود. احتمال وقوع کدام یک از پدیده جذب یا نشر تحریکی بیشتر است؟ انیشتین نشان داد که تحت شرایط معمولی احتمال اتفاق هر دو پدیده یکی است. بنابراین واضح است که در سیستمی که تعداد زیادی اتم (یا مولکول) وجود دارد، پدیده غالب بستگی به تعداد نسبی اتمهای موجود در حالت بالایی و پایینی خواهد داشت.

تجمع بیشتر (یعنی تعداد اتمهای بیشتر) در تراز بالا سبب غالب بودن نشر تحریکی خواهد شد، در صورتی که اگر تعداد بیشتری اتم در تراز پایین موجود باشند، جذب بیشتر از نشر تحریکی خواهد بود. برای غالب بودن نشر تحریکی ، لازم است که به تجمع تراز بالایی افزوده شود که تجمع آن بیشتر از تجمع حالت پایین باشد، حالتی که به نام تجمع معکوس شناخته می‌شود. پس شرط اصلی لیزر زایی ، اعمال و فراهم آوردن شرایطی جهت تجمع معکوس می‌باشد.

همدوسی

همدوسی فضایی

از مشخصات تحریکی این است که امواج برانگیخته با موج برانگیزنده در یک فاز قرار دارند، یعنی تغییرات فضایی و زمانی میدان الکتریکی دو موج باهم یکسان هستند. بنابراین در یک لیزر ایده‌ال انتظار داریم که میدان الکتریکی با زمان تغییر کند، به مانند هر نقطه دیگری سطح مقطع پرتو چنین پرتوی دارای همدوس فضایی کامل است.

همدوس زمانی

همدوس زمانی به ارتباط فازی نسبی میدان الکتریکی بر حسب زمان بستگی دارد. اگر فاز بطور یکنواخت با زمان تغییر کند، پرتو از نظر همدوس زمانی کامل است. دو مقدار مفیدی که به همدوس زمانی مربوطند عبارتند از: زمان همدوسی و طول همدوسی.


برای درک این موضوع ، پرتوی را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌کنند و مجددا پس از طی مسافت مختلف آنها را باهم ترکیب می‌کنند، این فرآیند اساس وسیله‌ای به نام تداخل سنج مایکلسون است.

جهتمندی (Directionality)

یک منبع نور معمولی (مانند لامپهای تخلیه و ...) در تمام جهات دلخواه تابش می‌کند و نور حاصل از آنها جهتمند نیست. این در حالی است که خروجی یک لیزر ممکن است خیلی نزدیک به یک موج تخت باشد که واگرایی آن فقط بخاطر اثرات پراش است. خروجی یک لیزر معمولا دارای یک توزیع شدت عرضی است. برای مثال یک لیزر He - Ne که در مود اساسی خود نوسان میکند، دارای یک توزیع دامنه گوسی است:


و
که در آن انتشار در راستای Z بوده و کمیت مشخص کننده اندازه لکه باریکه است. هر قدر که اندازه بزرگ باشد واگرایی کم است. این کار با استفاده از یک سیستم ساده متشکل از دو عدسی صورت میگیرد. جهت مندی بالای باریکه لیزری ، باعث میشود که بتوان آنرا در در لکه بسیار کوچکی کانونی کرد و چنین شدتهای بالای لیزری منجر به کاربردهای فراوان در صنعت نظیر جوشکاری ، سوراخ کاری و برش کاری و ... می‌شود.

مباحث مرتبط با عنوان

• آرایش آینه‌های لیزر
• ایمنی لیزری
• تجمع معکوس
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• دمش الکتریکی لیزر
• دمش نوری لیزر
• سلاحهای لیزری
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• ماهیت نور همدوس لیزر
• میزر
• فیزیک لیزر
• لیزر
• نشر القایی
• نشر خودبخودی
• همدوسی