دانلود مقاله لیزر و طرز تولید آن

کلمه» لیزر« =Laser = از حروف اختصاری عبارت انگلیسی

Light  Amplification  by  Stimulated  Emission  Of   Radiation

ساخته شده است و به معنای» تقویت نور از طریق تشعشع تحریک شده« به کار می‌رود.

لیزر نوری است متشکل از پرتوهای به غایت دسته شده و همدوس که بسامد امواج الکترومغناطیسی این پرتوها در حوزه بسامدی بین فرابنفش و فروقرمز گسترش می‌یابد. فرآیند لیزر از کوانتومی شدن انرژی در ماده و میدان تشعشع الکترومغناطیسی سر چشمه می‌گیرد و بر اثر تحریک ساختگی تشعشع پدید می‌آید.

وجود پدیده تشعشع تحریک شده را آلبرت اینشتین در سال 1316 ، در ضمن یک برداشت نو از فرمول تشعشع بلانک به دست آورد و پایه‌های فیزیکی آن را همان زمان انشا کرد. اما این نوآوری اینشتین نزدیک به نیم قرن فقط جنبه نظری داشت و از حلقه علاقه دانشمندان فیزیک فراتر نرفت.

اصطلاح» لیزر« از سال 1960 متداول گشت، و این هنگامی بود که تئودور نویمان، از طریق تحریک تشعشع، نخستین لیزر را در بلور یاقوت تولید کرد. یک سال بعد در سال 1961 نیز جوان و همکارانش نخستین لیزر گاز هلیوم – نئون را ساختند. همچنین دیری نگذشت که نخستین لیزر نیمه رسانای ارسینو- گالیوم نیز در سال 1962 به دست دو گروه مستقل( تقریباَ همزمان) تولید شد.

مهمترین لیزرها را می‌توان به سه گروه اصلی تقسیم کرد: لیزر اجسام سخت یا لیزر بلورها، لیزر گازها و لیزر نیمه رساناها. ولی این هر سه نوع لیزر از لحاظ فرآیند تولید در سه عامل اصلی زیر مشترکند:

یک ماده فعال( عمل کننده) که به یک نسبت در یک ماده پایه جا می‌گیرد، و اتمهای آن حالت کوانتومی خود را بر اثر دریافت انرژی تغییر می‌دهند، و فرآیند تشعشع تحریک شده را به راه می‌اندازند.

یک پمپ که انرژی را به اتمهای ماده عمل کننده فعال منتقل می‌کند، به طوری که اتمهای این ماده حالت عادی تعادل گرمایی جسم را وارونه می‌سازند، به همین ملاحظه این مرحله تولید را وارونه‌سازی می‌خوانند. وارونه‌سازی عموماَ از طریق یک» پمپ‌اپتیکی« انجام می‌شود، به این شرح که ماده آرایش یافته لیزر را تحت تابش نور ناهمدوس قرار می‌دهند و بدین نحو اتمهای ماده فعال را از سطح انرژی پایه به سطوح انرژی تحریک شده منتقل می‌کنند.

سه ظرف با محتوای مایع در سه سطح متفاوت قرار گرفته‌اند، و یک پمپ هیدرولیکی p مایع را از ظرف 1 به ظرف 3 می‌کشاند(رجوع به شکل6). سوپاپهای در لوله‌های اتصال تعبیه شده است، به طوری که مایع می‌تواند به ظرف 2 منتقل گردد و از آنجا به درون ظرف 3 وارد شود، ولی مقدار این جریان البته با حجم مایع درون ظرفها متناسب خواهد بود. چنانچه احتمال انتقال از ظرف 2 به ظرف 1 از احتمال انتقال از ظرف 3 به ظرف 2، یا از ظرف 3 به ظرف 1، بسیار کمتر باشد، یک گزارش بیشتر برای تراکم مایع در ظرف 2 پدید می‌آید، و ظرفهای 1و 2 از حیث تراکم مایع با یکدیگر تعویض می‌شوند. همچنین اگر احتمال انتقال از ظرف 3 به ظرف 2 از احتمال دیگر انتقالها کمتر باشد، این امکان که ظرفهای 3 و 2 از حیث تراکم با یکدیگر تعویض شوند، به وجود خواهد آمد.

اینک اگر سطوح انرژی را منطبق با ظرفهای مذکور بدانیم و سوپاپهای تعبیه شده را در حکم احتمال انتقال اتمها به تصور آوریم، می‌توان گفت که مشابه همین وضع در مورد وارونه‌سازی از طریق پمپ اپتیکی پیش می‌آید. به عبارت دیگر، یونهای ماده فعال تحت تابش نور ناهمدوس          (پمپ اپتیکی) از سطح انرژی 1 به سطح انرژی 3 منتقل می‌شوند و پس از توقف کوتاه در این سطح که به صورت نوار پهن ظاهر می‌شود، به سطح انرژی 2 سقوط می‌کنند- بعداَ خواهیم دید که پیدایش این نوار پهن برای تشعشع پرتوهای لیزر لازم است.

هر گاه شدت نور پمپ به اندازه کافی باشد، سطوح انرژی 1و2 از حیث چگالی عدد اشغال وارونه می‌شوند، و ماده لیزر برای صدور پرتوهای همدوس آماده است.

3- فضایی به عنوان مشدد اپتیکی و به منظور تقویت امواج نور. این مشدد اپتیکی غالباَ از نوع تداخل‌سنج فابری- پرو است که به وسیله دو آینه (یکی سراسر منعکس کننده و دیگری بخشی منعکس کننده و بخشی عبوردهنده) از دو طرف محصور می‌شود و ماده آرایش یافته لیزر را در فضای خود جا می‌دهد.

اینک کوانتومهای نوری صادر شده، پس از انعکاس در سطح آینه‌ها، در ضمن هر رفت یا برگشتی پی‌در پی تشدید می‌شوند، و بذین ترتیب پرتوهای تقویت شده لیزر به وجود می‌آیند. این وضع در واقع مشابه وضع امواج مکانیکی یک تار مرتعش است که در دو انتها به دو نقطه ثابت شده باشد، با این تفاوت که در مشدد اپتیکی مسئله بر سر امواج نوریی است که طول موج آنها در ردیف قرار می‌گیرد. پس برای آنکه موجهای نور یکدیگر را تقویت کنند، فاصله دو آینه باید یک مضرب صحیح از طول موج پرتو تحریک شده باشد.

وظیفه مشدد اپتیکی، علاوه بر همدوس کردن پرتوها در سطح آینه‌ها، این است که فقط به پرتوهای محوری عمود بر سطح آینه اجازه خروج بدهد.

پس از این مقدمات، ساختمان سه لیزر نمونه را، که از لحاظ آموزشی قابل توجه‌اند، اجمالاَ بررسی می‌کنیم و در این میان با طرز تولید پرتوهای سه گروه لیزر اجسام سخت و لیزر گازها و نیز لیزر نیمه رساناها آشنا می‌شویم.

لیزر یاقوت

ماده پایه در این لیزر تک بلور اکسید آلومینیوم(Al2O3) است. ماده فعال را اکسید کرم(Cr2O3) تشکیل می‌دهد، بدین نحوه که به ازای تقریباَ هر هزار یون آلومینوم، یک یون کرم در شبکه بلور جایگزین یک یون آلومینیوم می‌شود. شکل 7 نمودار ترسیمی سطوح انرژی را در مورد بلور یاقوت در حالت تعادل گرمایی نمایش می‌دهد. E1 و E2 به ترتیب دو حالت تحریک شده با چگالیهای اشغال n1 وn2 را نمایش می‌دهند، حال آنکه  حالت پایه با چگالی عدد اشغال n0 را معرفی می‌کند. اینک با توجه به ارتباط ریاضی بین چگالی عدد اشغال (ص 464) یک نمودار ترسیمی برای توزیع یونها در بلور یاقوت به دست می‌آوریم(شکل 8). این نمودار ترسیمی نشان می‌دهد که چگالی عدد اشغال در سطح انرژی پایه از چگالیهای عدد اشغال در دو سطح انرژی تحریک شده به مراتب بزرگتر است. پس بلور یاقوت در حالت عادی برای تولید پرتو های لیزر به کار نمی‌آید، بلکه سطوح انرژی آن از حیث عدد اشغال ابتدا باید وارونه شود. به این منظور این وارونه‌سازی در بلور یاقوت، عموماَ از نور سبز مایل به زرد یک لامپ تخلیه استفاده می‌شود( شکل9). این لامپ مارپیچی ی قطعه بلور یاقوت آرایش یافته و قلمی تراشیده شده را به طول5 تا 10 سانتی‌متر در درون خود جا می‌دهد. نور لامپ یونهای فعال را از سطح انرژی پایه0E به نوار انرژی2E می‌رساند( عمل اپتیکی)× . اینک همین یونهای کرم، پس از یک توقف کوتاه، بر اثر خوبخودی به سطح 1E سقوط می‌کنند واز آنجا، در ضمن صدور کوانتومهای نور، به سطح انرژی پایه بر می‌گردند( رجوع شود به شکل 7). سپس کوانتومهای نور در درون قطعه بلور یاقوت، که خود در حکم یک مشدد اپتیکی عمل می‌کند، تشدید شده امواج نور تقویت شده را به وجود می‌آورند. ااین امواج تقویت شده در امتداد محور مشدد و عمود بر سطح آینه از بخش قابل عبور آینه به صورت پرتوهای لیزر خارج می‌شوند.

× ) نور لامپ تخلیه( بخار جیوه) مرکب از کوانتوم های با انرژیهای متفاوت است. از این رو سطح انرژی2E به صورت یک نوار پهن متشکل از سطوح انرژی متفاوت و نزدیک بهم ظاهر می‌شود.