تحقیق لیزر چیست؟

نور چهار مشخصه اصلی دارد:

الف- طول موج(length wave) : فاصله بین دو نقطه یکسان موج می‌باشد که مشخص‌کننده رنگ موج است. با تعیین رنگ انرژی و طول موج می‌توان یک موج را نسبت به دیگر موجها سنجید. بعنوان مثال طول موج‌های کوتاه در طیف مرئی در ناحیه آبی و فوق بنفش قرار می‌گیرد.در حالیکه رنگ قرمز دارای طول موجهای بلندتری می‌باشد. فاصله بین این قله‌های موج آن چنان کوچک است که واحد آن را نانومتر( ده به توان منفی نه) یا میکرون( ده به توان منفی شش) قرار داده‌اند.

تشعشع الکترومغناطیسی طیف طولانی از موج‌های بلند رادیویی تا طول موج‌های کوتاه اشعه ایکس را شامل می‌شود.

ب- فرکانس(Frequency) : فرکانس طول موج تعداد موج‌های عبور کرده از یک نقطه در یک فاصله زمانی مشخص می‌باشد. واحد آن سیکل بر ثانیه یا هرتز Hz می‌باشد. فرکانس و طول موج به سرعت موج وابسته‌اند.

طول موجهای بلندتر از قبیل نور قرمز در فرکانس‌های پائین‌تر از نور آبی قرار دارند ولی فرکانس در کل خیلی بالا است( ده به توان چهارده هرتز).

ب-  (Velocity) : سرعت موج تعیین‌کننده تندی عبور موج از یک محیط مشخص می‌باشد. بعنوان مثال سرعت عبور نور در خلاء سیصدهزار کیلومتر در ثانیه می‌باشد. سرعت در محیط‌هایی مثل شیشه یا آب کاهش می‌یابد.

ت: دامنه(Amplitude) : دامنه یا شنت موج با ارتفاع یا بلندی(height) میدان الکتریکی یا مغناطیسی مشخص می‌شود.

برهم کنش نور یا ماده (interaction of light with matter)

از آنجا که نور دارای میدان الکتریکی و مغناطیسی می‌باشد این میدانها با ماده برهم کنش نشان می‌دهند. میدان مهم میدان الکتریکی است چون با الکترونهای کوچک که در ترکیبات مواد شرکت دارند برهم کنش دارد. این الکترونها همصدا و همآهنگ با موج نور وارده نوسان می‌نمایند و می‌توانن تأثیر یا تغییر در عبور نور از یک ماده به چند طریق انجام دهند:

پخش‌کردن(Scsttering) موج نور از مسیر اصلی منحرف می‌شود.

2- انعکاس(Reflection) موج به داخل محیطی خارج از ماده برمی‌گردد.

3- انتقال(Transmission) : موج از یک ماده یا کمترین تغییر شدت عبور می‌نماید.

4- جنب(Absorption) مهمترین پروسه در خیلی جاها جذب می‌باشد که انرژی موج نور در ماده باقی می‌ماند. مقدار زیادی از انرژی باعث ایجاد حرارت و تغییر در خواص ماده می‌شود.

تولید نور Generation of light

چندین فرآیند تعیین‌کننده طیف نور باعث ایجاد تشعشع الکترومغناطیسی می‌شوند.

طیف تشعشع: طیف نوری که از یک جسم ساطع می‌شود شامل رنگها یا نوارهای رنگی جدا از هم می‌باشد. این از طبیعت تولید نور برمی‌خیزد و نشانه آن است که انرژی نورانی ساطع‌شده از آن جسم دارای مقداری مشخص می‌باشد.

انرژی تمام سیستمها کوانتابی می‌باشد که این انرژی می‌تواند در بسته‌های جدا از هم جذب یا آزاد شود انرژی سیستم پس از آنکه انرژی جذب سیستم افزایش می‌یابد و در مرحله بعدی آن انرژی آزاد می‌شود مدتی که این انرژی آزاد می‌شود راندوم یا اتفاقی بوده که نشر خودبخودی نامیده می‌شود.

انرژی را می‌توان توسط جریان الکتریکی، نور از منبع خارجی، واکنش شیمیایی یا گونه‌های دیگر به سیستم وارد نمود. بهرحال مشخص شده‌است که یک موج  وارده که دارای انرژی معینی است می‌تواند آزادشدن موجها را از سیستم برانگیخته تحریک کند و باعث آزاد نمودن دو موج می‌شود. به این حالت نشر برانگیخته می‌گویند. این موجها خواص مهمی دارند.

1- همدوس(Coherent) : موجها به صورت همآهنگ هستند.

2- تک رنگ(Monochromatic) : موجها دارای رنگ یکسانی هستند.

3- شدت بالا(High Intensity) : اگر ما به مقدار کافی از این نورهای همدوس(Coherent) تولید کنیم شدت این بسیار بالاتر از منبع نور غیرهمدوس است.

4- واگرایی کم (Low divergence) :لیزر را در مقایسه با نور غیرهمدوس بوسیله لنز تا قطرهای خیلی کمتری می‌توان باریک نمود.

5- طبیعت ضربانی(Pulsed nature): چون انرژی ورودی را در لیزر می‌توان کنترل نمود انرژی خروجی نیز به دنبال آن تغییر می‌یابد. بنابراین اگر برانگیختگی لیزر با پالسهای کوچک انجام شود لیزر با پالسهای کوچک تولید خواهد شد. این خاصیت خیلی مهم است.

* لیزر مخفف عبارتlight amplification by stimulated emission of radiation می‌باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است.

* اولین لیزر جهان توسط مایمن اختراع گردید و از یاقوت در آن استفاده شده بود در سال 1962 پروفسور علی جوان اولین لیزر گازی را به جهانیان معرفی نمود و بعدها نوع سوم و چهارم.

* لیزرها که لیزرهای مایع و نیمه رسانا بودند اختراع شدند. در سال 1967 فرانسویان توسط اشعه لیزر ایستگاههای زمینی‌شان دو ماهواره خود را در فضا تعقیب کردند بدین ترتیب لیزر بسیار کاربردی به نظر آمد.

* نوری که توسط لیزر گسیل می‌گردد در یک سو و بسیار پرانرژی و درخشنده است که قدرت نفوذ بالایی نیز دارد بطوریکه در الماس فرو می‌رود. امروزه استفاده از لیزر در صنعت بعنوان جوش آورنده فلزات و بعنوان چاقوی جراحی بدون درد در پزشکی بسیار متداول است.

لیزرها سه قسمت اصلی دارند: 1- پمپ انرژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپ اپتیکی یا شیمیایی و یا حتی یک لیزر دیگر باشد.

ماد پایه و فعال که نام‌گذاری لیزر بواسطه ماده فعال صورت می‌گیرد.

مشدد کننده اپتیکی: شامل دو آینه بازتابنده کلی و جزئی می‌باشد.

طرز کار یک لیزر یاقوتی: 

پمپ انرژی در این لیزر از نوع اپتیکی می‌باشد و یک لامپ مارپیچی تخلیه است(flash tube) که بدور کریستال یاقوت مدادی شکل پیچیده شده (ruby) کریستال یاقوت ناخالص است و ماده فعال آن اکسید برم و ماده پایه آن اکسید آلومینیوم است.

بعد از فعال شدن این پمپ انرژی کریستال یاقوت نورباران می‌شود و بعضی از اتمها را در اثر جذب القایی -   Stimulated

absorption برانگیخته کرده و به ترازهای بالاتر می‌برد.

پدیده جذب القایی: اتم برانگیخته = اتم + فوتون

با ادامه تشعشع پمپ تعداد اتمهای برانگیخته بیشتر از اتمهای با انرژی کم می‌شود به اصطلاح وارونی جمعیت رخ می‌دهد طبق قانون جذب و صدور انرژی پلانک اتمهای برانگیخته توان نگهداری انرژی زیادتر را نداشته و به تراز با انرژی کم بر می‌گردند و انرژی اضافی را به صورت فوتون آزاد می‌کنند که به این فرایند گسیل خودبخودی گفته می‌شود ولی از آنجایی که پمپ اپتیکی مرتب به اتمها فوتون می‌تاباند پدیده دیگری زودتر اتفاق می‌افتد که به آن گسیل القایی- Stimulated emission گفته می‌شود همانطور که در شکل انیمیشن زیر می‌بینید وقتی یک فوتون به اتم برانگیخته بتابد آن را تحریک کرده و زودتر به حالت پایه خود برمی‌گرداند.

گسیل القایی: اتم + دو فوتون = اتم برانگیخته + فوتون

این فوتونها دوباره بعضی از اتمها را برانگیخته می‌کنند و واکنش زنجیروار تکرار می‌شود.

بخشی از نورها درون کریستال به حرکت در می‌آیند که توسط مشددهای اپتیکی درون کریستال برگرداننده می‌شوند و این نورها در همان راستای نور اولیه هستند بتدریج با افزایش شدت نور لحظه‌ای می‌رسد که نور لیزر از جفتگر خروجی با روشنایی زیاد بطور مستقیم خارج می‌شود.

اسحاق نیوتن در سال 1672 نظریه ذره‌ای بودن نور را ارائه داد وی معتقد بود که یک منبع نور ذرات نور را با سرعت ثابت روی خط راست گسیل می‌کند و هنگامی که این ذرات به شبکیه چشم برخورد نمایند چشم قادر به دیدن خواهد بود وی برای اثبات نظریه خود آزمایش اتاق تاریک را انجام داد بعدها انیشتن نیز با آزمایش اثر فتوالکتریک و معرفی فوتون بعنوان ذرات نور مهر تائیدی بر نظریه ذره‌ای نیوتن زد.

نظریه موجی نور: کریستال هویگنس فیزیکدان هلندی ماهیت نور را موجی دانست و پخش و بازتابش نور و شکست نور را نشانه موجودبودن نور می‌دانست سپس توماس‌یانگ با استفاده از مایش پراش نور در شکاف مضاعف توانست طول موج را اندازه‌گیری نماید و بین ترتیب ماهیت موجی نور نیز اثبات گردید.

جنس امواج نور:

امواج نور از نوع الکترومغناطیسی است که برای انتشار احتیاج به محیط مادی ندارد یک موج الکترومغناطیسی ترکیبی است از دو میدان عمود بر هم الکتریکی و مغناطیسی که در شکل زیر به ترتیب با موجهای زردرنگ و آبی نشان داده شده‌است.