موضوع :ليزر

          نــــــیـما اقایـــی 
            بازدید : 703
          سه شنبه 08 تیر 1389
           نظرات (0)
        

سوالاتي كه اغلب درباره ليزر عنوان ميشود؟

1) ليزرها

ليزرها دستگاههايي هستند كه تابش همدوس يا تقويت تابش در بسامدهايي در ناحيه مادون قرمز، مريي يا فرابنفش طيف موج الكترومغناطيسي را ايجاد ميكنند.

2) مولفه هاي اساسي يك ليزر

مولفه هاي اساسي يك ليزر به قرار زير است :

الف) محيط فعال شامل مجموعة مناسبي از اتمها، مولكولها، يونها و يا نيمرساناها.

ب ) فرآيند دمش كه قادر است اين اتمها و يا مولكولها را به ترازهاي با انرژي بالاتر تحريك سازد.

ج ) عناصر بازخور مناسب كه به باريكه تابش اجازه ميدهد كه در محيط فعال نوسان كند (به اين امر نوسان ليزر ميگويند) و يا آنكه باريكه از محيط فعال يك بار بگذرد (كه به آن تقويت تك عبور ميگويند) و ممكن است تعداد عبورها زيادتر شده به آن تقويت دو عبور، سه عبور و ... ميگويند. عناصر بازخور در واقع از دو آينه تشكيل شده است. يك آينه (آينه انتهايي) تمام بازتابنده است و آينه ديگر نيمهشفاف است. با رفت و بازگشت باريكه بين دو آينه، هر بار عمل تقويت براي باريكه حاصل شده و هنگامي كه بهره سيستم از كل تلفات بيشتر گردد، عمل ليزر آغاز ميشود و خروجي ليزر را از طرف آينه نيمهشفاف دريافت ميدارند.

3) تاريخچه ليزر

ليزرها بر اساس اصل كلي كه در بسامدهاي ميكروموج اختراع گرديده بود و به آن ميزر (تقويت ميكروموج توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشد، كار ميكنند. وقتي طول موج نوسان به ناحيه بسامدهاي اپتيكي ميرسد، طبيعتاً به آن ليزر (تقويت نور توسط گسيل تابش القايي) گفته ميشود.

اختراع اولين ليزر به سال 1960 توسط تئودور مايمن بازميگردد و آن يك ليزر ياقوت است كه با لامپ درخش فعال ميشود. جالب است بدانيم كه امروزه ليزرهاي حالت جامد (نظير ياقوت، نئوديميوم ياگ) نيز كم و بيش به صورت همان تكنيك قديمي خود كار ميكنند. روش دميدن محيط فعال از طريق اپتيكي است. البته حضور ليزرهاي نيمرسانا و تابش انها در ناحيه جذب شديد بلورهاي ليزر، تكنولوژي بسيار جديد امروزي را كه دمش ليزرهاي حالت جامد توسط ليزرهاي نيمرساناست متحول ساخته است. اين ليزرها كه با باريكة ليزرهاي نيمرسانا دميده ميشوند، بسيار كوچك و قابل حمل و كم مصرف و با بازدهي بالايي هستند. حتي در اين خصوص پا فراتر گذاشته شده است و ليزرهاي پرقدرت كه در حجم كوچك ساخته ميشوند قادر به توليد باريكههاي پرتوان براي مصارف صنعتي ميباشند.

برندگان جايزه نوبل در زمينه ليزر

دانشمندان بسيار زيادي در چند دهه گذشته در اهداف مرتبط با فيزيك كه به نحوي با ليزر سر و كار پيدا ميكند موفق به دريافت جايزه نوبل شدهاند. در اينجا اسامي چند دانشمند كه مستقيماً در ارتباط با ليزر جوايز نوبل را دريافت كردهاند را ذكر خواهيم نمود.
- چارلز اچ تاونز به خاطر اختراع ميزر آمونياك (1964).

- نيكلا جي باسوف، و الكساندر پروكرف براي سهم خود در ميزرها و ليزرها (1964).

- دنيس گابور ، براي ارائه تصاوير سه بعدي (هولوگرافي) (1971).

- نيكلاس بلومبرگن و آرتورشالو براي سهم آنها در ميزر سه ترازي، اپتيك غيرخطي و اسپكتروسكپي ليزري (1981).

- احمد ذويل (كه دانشمند مصري است) براي كاربرد ليزر در شيمي (1999).

از ساير فعاليتهاي اساسي در زمينه ليزر ميتوان از اختراع پرفسور علي جوان، دانشمند ايراني به خاطر اولين ليزر گازي هليوم نئون و سي.ك.ان پاتل (دانشمند هندي) براي اختراع ليزر CO2 نام برد.

با وجودي كه از اختراع ليزر بيش از 40 سال (و نزديك به نيم قرن) ميگذرد، ليزرها به صورت ابزارهايي كاملاً توسعه يافته براي توليد باريكه نور همدوس درآمدهاند. گسترش كاربردهاي آن بسيار وسيع بوده و در تمام شئون زندگي بشري، از جراحيهاي ظريف گرفته تا صنعت، مسائل دفاعي و حتي خريد از فروشگاهها قابليت خودرا نشان دادهاند. بنابراين ميتوان ادعا كرد كه كاربردهاي آن در آينده وسيعتر شده و جايگاه ليزر و اهميت آندر اجتماع و زندگي انسانها روز به روز ملموستر خواهد شد.

4) مفاهيم اساسي ليزر

ليزرها بر اساس برهمكنش تابش و ماده فعال ميشوند. اين برهمكنش شامل گسيل خود به خود، گسيل القايي و جذب ميباشد.

گسيل خود به خود فرض كنيم توانسته باشيم اتمهاي زيادي را به تراز بالاتر اتم و يا مولكول با تحريك خارجي (كه به آن دمش گفته ميشود) فرستاده باشيم. تعداد اين اتمها يا مولكولها در واحد حجم در تراز بالاتر را با N2 نمايش ميدهيم. اين اتم يا مولكول به صورت خود به خود به تراز پايينتر فروميافتد و اگر اين فروافت توام با گسيل موج الكترومغناطيسي باشد به آن فروافت تابشي يا گسيل خودبه خود ميگويند. اتم و يا مولكول هرگاه به طريق ديگري مثلاً در برخورد با گاز در محيط به تراز پايينتر فروافتد و همراه با تابش نباشد به آن فروافت غيرتابشي ميگويند.

گسيل القايي

علاوه بر فروافت به طريق گسيل خود به خود، اتم و يا مولكول در تراز بالاتر ميتواند در اثر برهمكنش با يك ميدان تابش خارجي به تراز پايينتر فروافتد در اين صورت دو فوتون به وجود ميآيد، فوتون القاء شونده و فوتون القاء كننده. هر دو فوتون در يك جهت گسيل ميشوند و همفاز و با يك قطبش هستند (فاز و قطبش فوتون القاء شونده در همان فاز و قطبش فوتون القاء كننده است). اين اساس تقويت نوري را فراهم ميسازد و اساس ليزر مبتني بر همين اصول تقويت نور ميباشد.

جذب هنگامي كه در يك سيستم اتمي كه اتمها در تراز پايينتر (تراز پايه) هستند موج الكترومغناطيسي اعمال گردد به نحوي كه فركانس موج فرودي درست در همان فركانس گذار اتمي باشد، در اين صورت به سادگي موج الكترومغناطيسي فرودي بر اتم يا مولكول، جذب اتم و يا مولكول شده و آن را به تراز بالاتر ارتقاء ميدهد. به اين فرآيند جذب گفته ميشود.

4-1) جمعيت معكوس

در يك اتم فرض كنيد، تراز انرژي و جمعيت تراز پايين (N₁ و E₁) و تراز انرژي و جمعيت تراز بالاتر (N₂ و E₂) باشد. در حالت عادي توزيع بولتزمن براي اتم يا مولكول برقرار است، لذا همواره چون E₁ > E₂ است، خواهيم داشت N₂ > N₁ ، بنابراين اختلاف N₂ - Δ N = N₁ همواره مثبت است و تابش فرودي جذب اتم يا مولكول ميشود. اگر شرايطي غيرعادي حاصل آيد به نحوي كه N₁ > N₂ گردد، با جذب منفي و يا بهره سر و كار داريم. به اين عمل كه توسط دمش حاصل ميشود و جمعيت تراز بالاتر بيشتر از تراز پايينتر به وجود ميآيد، ايجاد جمعيت معكوس ميگويند و هرگز در شرايط ترازمندي گرمايي حاصل نميشود.

4-2) چگونگي ايجاد جمعيت معكوس

روشهاي مختلفي جهت ايجاد جمعيت معكوس وجود دارد كه بسته به محيط فعال از اين روشها جهت ايجاد جمعيت معكوس استفاده ميكنند به عملي كه انجام ميشود تا جمعيت معكوس حاصل شود دمش (پمپاژ) گفته ميشود. روشهاي پمپاژ به قرار زير است. دمش الكتريكي، دمش نوري، دمش شيميايي، دمش گرمايي.

5) انواع ليزرها

5-1) ليزرهاي حالت جامد

سه موضوع اساسي براي ايجاد بهره در ليزرهاي حالت جامد عبارتند از :

محيط ميزبان ، يونهاي فعال در داخل محيط ميزبان ، منابع نوري براي دمش مواد تشكيل دهنده محيط ميزبان محيط ميزبان به دو دسته بلوري و شيشهاي تقسيم ميشوند. محيط ميزبان ميبايد از نظر اپتيكي، مكانيكي و خواص گرمايي شرايط عمل كرد ليزري را متحمل شوند. محيطهاي ميزبان بلوري كه پس از اختراع اولين ليزر ياقوت مورد بررسي و مطالعه و كاربرد قرار گرفتهاند عبارتند از:

سافاير، Al₂O₃ گارانتها، ايتريوم، آلومينيوم گارنت Y₃Al₅O₁₂ كه با YAG نشان ميدهند.

گادولنيوم، گاليوم گارنت Gd₃Ga₅O₁₂ كه با GGG نشان ميدهند. گادولنيوم اسكانديوم آلومينيوم گارنت Gd₃Sc₂Al₃O₁₂ كه با GSAG نشان ميدهند. آلومينيت، ايتريوم اورتوآلومينيت (Y AlO₃)، كه با YAlO يا YAP نشان ميدهند. فسفاتها و سيليكاتها، كلسيم فلوروفسفات يا Ga₅⁺ (PO₄ ⁺)₃ F نام معدني فلوراپاتيت (FAP) سيليكات اكسي پاتيت يا Ga La SOAP تنگستيتها، موليبديتها، واناديتها و بريليتها فلورايدها، سراميكها، شيشهها، يونهاي فعال :