دانلود مقاله لیزر

کلمه لیزر (laser) در واقع از حروف نخست کلمات Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation که به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش است، گرفته شده است.

نگاه اجمالی لیزر کشفی علمی می‌باشد که به عنوان یک تکنولوژی در زندگی مدرن جا افتاده است.

لیزرها به مقدار زیاد در تولیدات صنعتی ، ارتباطات ، نقشه ‌برداری و چاپ مورد استفاده قرار می‌‌گیرند.

همچنین لیزر در پژوهشهای علمی و برای محدوده وسیعی از دستگاههای علمی‌ ، موارد مصرف پیدا کرده است.

برتری لیزر در این است که از منبعی برای نور و تابشهای کنترل شده ، تکفام و پرتوان تولید می‌کند.

تابش لیزر ، با پهنای نوار طیفی باریک و توان تمرکزیابی شدید ، چندین برابر درخشانتر از نور خورشید است.

تاریخچه انیشتین در 1917 میلادی نظریه گسیل القایی را بیان داشت و روابط مشهور جذب و نشر را به جهان عرضه نمود.

بر پایه این تئوری چهل سال بعد ، تاونز و همکاران او ، نخستین تقویت کننده گسیل القایی را با بکار گیری آمونیاک مورد آزمایش قرار داده و سیستمی‌ به اسم میزر پدید آوردند که در فرکانس 2.3X1011Hz کار می‌کرد.

نخستین لیزر در 1960 بوسیله میلمن ، با استفاده از یاقوت قرمز (ترکیبی از اکسید آلومینیوم خالص به همراه 5 درصد اکسید کروم III ساخته شد و اولین لیزر گازی He - Ne توسط دکتر علی جوان در آزمایشگاه شرکت Bell در آمریکا ساخته شد.

در سال 1986 کشف شد که منبع لیزر می‌تواند نور همدوس تابش کند، به گونه‌ای که دامنه و فاز آن در تمامی‌ نقاط فضا ، قابل سنجش و تعیین باشد.

یکی دیگر از خواص لیزر ، همگرایی بالای آن است.

به دلیل این ویژگی ، تمامی انرژی پرتو لیزر تقریبا در یک فرکانس متمرکز می‌‌شود.

لذا تکفامی و بالا بودن شدت آن ایده‌آل است.

نحوه ایجاد پرتو لیزر اولین شرط ایجاد لیزر ، داشتن ماده یا محیطی است که بتواند انرژی را در خود ذخیره کند.

نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از بلورهایی مثل یاقوت ، ایتریوم ، آلومینیوم گارنت ، () یا گازهایی مثل CO2 و He - Ne و ...

و مایعاتی مانند رنگهای رودآمین – 6G می‌‌باشد.

انیشتین در سال 1916 نشان داد که گسیل القایی نور را می‌توان از یک اتم برانگیخته بدست آورد.

چنانچه اتم و یا مولکول در تراز بالاتر E2 واقع شود و فوتونی با فرکانس‌ v با اتم برانگیخته وارد برهمکنش شود.

بطوری که hv = E2 _ E1 باشد، در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز پایینتر بیافتد.

در نتیجه ، دو فوتون حاصل می‌‌شود، فوتون القا کننده و القا شونده ، که هر دو همفاز هستند.در عین حال ، اگر اتمهایی به تعداد N2 در تراز E1 باشند، می‌توانند با جذب فوتونهای فوق ، برانگیخته شده و به تراز انرژی E2 برسند.

چنانچه هدف به دست آوردن تابش همدوس باشد، باید سعی شود که N2 N2 گردد، به عبارت دیگر ، تجمع معکوس رخ دهد.

فرآیندی که طی آن تجمع معکوس صورت می‌‌گیرد، دمش می‌نامند.

وقتی یک سیستم دو ترازی با محیط اطراف خود در حال تعادل گرمایی باشد، جمعیت تراز انرژی بالاتر Nj کمتر از جمعیت تراز Ni خواهد بود.

با استفاده از فرآیند اشباع شدن می‌توان Ni را با Nj مساوی گردانید.

بطوری که مقدار جذب به صفر تنزل یابد.

چنانچه بتوان مقدار Nj را بیشتر از Ni نمود، اکثر اتمهای سیستم که به حالت برانگیخته می‌‌روند، تمایل خواهند داشت که به حالت انرژی کمتر برگردند.

بدیهی است که این تمایل به وسیله کوانتای تابش فرودی تشدید می‌گردد.

بدین معنی که سیستم نه تنها فوتون فرودی را جذب نمی‌کند بلکه فوتون فرودی باعث برانگیختگی سیستم برانگیخته شده که با سقوط به حالت پایینتر دو کوانتا انرژی تابشی از دست می‌دهد (فوتون مربوط به اتم برانگیخته به همراه فوتون فرودی).

تمام این فرآیندها تابش لیزر را بوجود می‌آورند.

قرار دادن محیط تولید لیزر در یک مشدد نوری با انتهای آینه‌ای که تابش را در محیط تولید لیزر به جلو و عقب می‌فرستد، سبب تراکم تابش سطوح بالا در تشدید کننده بوسیله ادامه گسیل القایی می‌شود.

سپس تابش لیزر از طریق آینه‌ای نیمه شفاف ، از یک انتهای کاواک به بیرون گسیل می‌شود.

نور لیزر وقتی که نور در دستگاه لیزر توسط کوانتومها تولید شد، با رفت و برگشت بین آینه‌ها متمرکزتر می‌شود.

تفاوت پرتو لیزر با نور معمولی پرتو لیزر دارای چهار خاصیت مهم است که عبارتند از شدت زیاد ، مستقیم بودن ، تکفامی‌ و همدوسی.

لیزرها در اشکال گوناگون وجود دارند.

ممکن است تصور شود که پرتو لیزر همانند اشعه ایکس ، گاما ، ماورا بنفش (UV) و مادون قرمز (IR) ، جایگاهی معین در طیف الکترومغناطیسی را داراست، حال آنکه این پرتو می‌تواند هر کدام از فرکانسهای محدوده طیف نامبرده را در برگیرد، با این تفاوت که دارای مشخصاتی از قبیل تکفامی ، همدوسی و شدت زیاد است.

اینکه چگونه می‌توان پرتو لیزری با فرکانسهای دلخواه را تولید نمود، کار دشواری است که عملا با آن روبرو هستیم.

مشکل دیرپا در تابش لیزری ، فقدان پوشش گسترده طول موجی در آن است.

به دلیل اینکه لیزرها به‌ خودی ‌خود فاقد قابلیت تنظیم طول موج هستند، پوشش کل طیف نورانی نیاز به ابزارهای متعدد و جداگانه دارد.

نمونه‌هایی از لیزرهای متداول لیزرهای متدوال مادون قرمز (IR (2 _ 10μm لیزر مونو اکسید کربن (CO) ، لیزر دی اکسید کربن (CO2) و بلورهای هالیدهای قلیایی و ابزار دیودی.

لیزر نئودنیوم یق () تابشی در طول موج 1.06 میکرومتر تولید کرده و لیزرهای الکساندریت یا دیودهای مخابراتی قابل تنظیم در IR نزدیک هستند.

(طول موج از 2000nm تا 700nm) لیزرهای محدوده نامرئی (400 _ 700nm) لیزرهای آرگون _ کریپتون و لیزر هلیوم _ نئون، لیزرهای رنگی و لیزر تیتانیوم_یاقوت کبود.

لیزرهای محدوده ماورای بنفش (200 _ 400nm) لیزرهای اگزایمر (لیزر هالید گاز نادر) ، نیتروژن ، لیزر رنگی با فرکانس دو برابر شده ، لیزرهای با فرکانس چندین برابر شده.

طبقه بندی لیزر در حالت کلی لیزر پیوسته کار لیزر پالسی هولوگرام هولوگرام یک تصویر سه بعدی است که با استفاده از لیزر ایجاد می شود .

نور دستگاه لیزر به دو پرتو می شکند .

یکی از پرتوها با انعکاس از روی یک آینه از روی شی به صفحه عکاسی می تابد .

پرتو دیگر به وسیله آینه دیگری بدون برخورد به شی به صفحه عکاسی فرستاده می شود .

صفحه عکاسی در جایی قرار داده می شود که دو پرتو تلاقی می کنند .

سپس صفحه عکاسی ظاهر می شود و ، در صورتی که به طریق صحیح به آن نور تابانده شود ، هولوگرام را پدیدار می کند.

چگونگی ایجاد این دو دسته تا حدود زیادی بستگی به ساختار درونی محیط تولید لیزر ، مکانیزم ایجاد لیزر و پارامترهای دیگر دارد که بررسی آنها خارج از این مقوله است.

از لحاظ کاربردی ، لیزر‌های پالسی با مدت پالس 12-10 ثانیه در دسترس هستند.

چنین لیزرهایی در جهت پژوهش در فرایندهایی که در گازها و مایعات ، با سرعتهای بسیار بسیار سریع رخ می‌‌دهد، بکار برده می‌شوند.

انواع لیزر لیزر حالت جامد در این نوع لیزر ، ماده فعال ایجاد کننده لیزر ، یک یون فلزی است که با غلظت کم در شبکه یک بلور یا درون شیشه ، به صورت ناخالصی قرار داده شده است.

فلزاتی که برای این منظور بکار می‌روند عبارتند از: اولین سری فلزات واسطه لانتانیدها آکتنید ها ازمهمترین لیزرهای حالت جامد می‌توان از لیزر یاقوت که یک لیزر سه ترازی است و لیزرهای نئودنیوم (Nd:glass , Nd:YAG) می‌توان نام برد.

لیزر گازی ماده فعال در این سیستمها یک گاز است که به صورت خالص یا همراه با گازهای دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بعضی از این مواد عبارتنداز: نئون به همراه هلیوم (لیزر هلیم_نئون) ، دی اکسید کربن به همراه نیتروژن و هلیوم ، آرگون ، کریپتون ، هگزا فلورئید و ...

.

لیزر مایع از مایعات بکار رفته در این نوع لیزرها اغلب به منظور تغییر طول موج یک لیزر دیگر استفاده می‌شود.

(اثر رامان).

بعضی از این مواد عبارتند از: تولوئن ، بنزن و نیتروبنزن.

گاهی محیط فعال برخی از این لیزرها را محلولهای برخی ترکیبات آلی رنگین از قبیل مایعاتی نظیر اتانول ، متانول یا آب تشکیل می‌دهد.

این رنگها اغلب جز رنگهای پلی‌متین یا رنگهای اگزانتین و یا رنگهای کومارین هستند.

لیزر نیم رسانا این نوع لیزرها به لیزر دیود و یا لیزر تزریقی نیز معروفند.

نیم رساناها از دو ماده که یکی کمبود الکترون داشته ، (نیم رسانای نوع p) و دیگری الکترون اضافی دارد، (نیم رسانای نوع n) تشکیل شده‌اند.

وقتی این دو به یکدیگر متصل می‌شوند، در محل اتصال ناحیه‌ای به نام منطقه اتصال p_n بوجود می‌آید.

آن منطقه جایی است که عمل لیزر در آن رخ می‌دهد.

الکترون های آزاد از ناحیه n و از طریق این منطقه به ناحیه p مهاجرت می‌کنند.

الکترون هنگام ورود به منطقه اتصال ، انرژی کسب می‌کند و هنگامی‌ که می‌خواهد به ناحیه p وارد شود، این انرژی را به صورت فوتون از دست می‌دهد.

اگر ناحیه p به قطب مثبت و ناحیه n به قطب منفی یک منبع الکتریکی وصل شود، الکترونها از ناحیه n به ناحیه p حرکت کرده و باعث می‌شوند تا در منطقه اتصال ، غلظت زیادی از مواد فعال بوجود آید.

با از دست دادن فوتون ، تابش الکترومغناطیسی حاصل می‌گردد.

الکترونهای آزاد از ناحیه n و از طریق این منطقه به ناحیه p مهاجرت می‌کنند.

چنانچه دو انتهای منطقه اتصال را صیقل دهند، آنگاه یک کاواک لیزری بوجود خواهد آمد.

اصولا این نوع لیزرها را طوری می‌سازند که با استفاده از ضریب شکست دو جز p و n ، کار تشدید پرتو لیزر انجام شود.

یکی از نقاط ضعف لیزرهای نیم رسانا همین است، زیرا با تغییر دما ، میزان ضریب شکست و به دنبال آن خواص پرتو حاصله ، تفاوت خواهد کرد.

به همین دلیل لیزرهای دیودی نسبت به تغییرات دما بسیار حساس هستند.

در یک نوع از این لیزرها از بلور گالیم_آرسنید استفاده می‌شود که در آن تلوریم و روی به عنوان ناخالصی وارد می‌شوند.

هنگامی که در بلور فوق بجای برخی از اتمهای آرسنیک ، اتم تلوریم قرار داده شود، جسم حاصل نیم رسانایی از نوع n برده و وقتی که اتمهای روی مستقر می‌گردند، ماده بدست آمده از خود خاصیت نیم رسانای p را نشان خواهد داد.

لیزر شیمیایی در این نوع لیزرها ، تغییرات انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی باعث برانگیزش بعضی از فرآورده‌ها و در نتیجه وارونگی جمعیت می‌شود که به دنبال آن عمل لیزر اتفاق می‌افتد.

تجزیه هالید نیتروزیل () و توسط نور را می‌توان به عنوان مثال ذکر نمود.

در تجزیه هالید نیتروزیل و در تجزیه ، برانگیخته می‌شود.

می‌تواند کلر یا برم باشد.

لیزر کی‌لیتی به دلیل وجود تابشهای فلورسانس پرشدت حاصل از بعضی ترکیبات کی‌لیتی لانتانیدها ، استفاده از این سیستمها چندان مورد توجه نبوده است.

این ترکیبات ایجاد پرتو لیزر را ممکن ساخته است.

یکی از مکانیسمهای پیشنهادی برای این فرآیند آن است که ابتدا لیگاند برانگیخته شده و سپس یک جهش بدون تابش درون مولکولی به تراز برانگیخته فلز صورت گیرد و به دنبال آن یون فلزی با گسیل تابش فلورسانس به تراز پایه برمی‌گردد.

این تابش سرچشمه پرتو نور لیزر است.

β - دی‌کتونها از جمله لیگاندهایی هستند که با لانتانیدها تولید ترکیبات کی‌لیتی می‌نمایند.

در چنین سیستمهایی می‌توان با استفاده از یونهای فلزی گوناگون ، لیزرهای کنترل شده) بدست آورد.

لکن نیاز به درجه حرارت پایین جهت تامین کارآیی خوب ، از توجه و مطالعه در مورد این سیستمها کاسته است.

آشنایی با لیزر و تاریخچه آن حتماً تا کنون درباره (DVD) یا CD و یا جراحی چشم با لیزر و غیره چیزهایی شنیده اید، و حتماً این بزرگترین اختراع علوم را تا کنون به عناوین مختلف استفاده کرده اید؛ بدون آنکه از خودتان سؤال کرده باشید که مخترع لیزر چه کسی بوده است.

آیا میدانید که مخترع لیزر یک ایرانی بوده است؟

اولین نوع لیزر؛ لیزر گازی بود (که در سیستم درمانی و صنایع بطور گسترده بکار برده می شود)، که توسط آقای علی جوان متخصص فیزیک اختراع شد.

لیزر - یک امکان در سال 1930 در دنیای علمی و علوم، این مثل همیشه گفته می شود که وقتی که زمان برای یک اختراع یا یک کشف درست شده و شما آنرا انجام ندهید، کس دیگری انجام خواهد داد.

این مثل تا حد زیادی حقیقت دارد.

اما همیشه اینطور نیست.

بعضی وقتها آدمها یک فکر خوب را از دست میدهند.

وقتی که نوبت برسد به لیزر، لیزر گازی، میتوانست در سال 1930 اختراع شده باشد، نه پس از سی سال در سال 1960 که من آنرا اختراع کردم.

اگر شما به تاریخ علمی نگاه کرده باشید، مخصوصاً به فیزیکدانان اروپایی، آنها به اختراع لیزر در سالهای 1937 و 1938 خیلی نزدیک شده بودند.

دانشمندان در حال مطالعه بر روی اتمها بودند، که چگونه امواج نوری را بیرون بدهند (تقویت نور در گازها به وسیله گسیل القائی پرتوافکنی)، و آنها به اختراع لیزر خیلی نزدیک شده بودند.

از نوشتجات آنها شما میتوانید ببینید که آنها به راه درست رفته بودند، اما بعداً راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند.

اگر من در همان سالها بودم مطمعناً آنرا اختراع میکردم.

مبالغه نمیکنم و میدانم که آنرا انجام میدادم.

من میدانم که این دانشمندان چرا آنرا از دست دادند؛ آنها عمیقاً درگیر با دارایی های موضوع در تعادل گرمایی بودند.

با این وجود در لیزها، اتم ها باید در یک حالت تعادل غیر گرمایی باشند؛ که این قدری پیچیده می شود و از حوصله این بحث خارج است.

البته تمام آنها اکنون تمام شده است، ولی آن دانشمندان پیشروان این راه بوده اند.

لیزر و جنگ جهانی دوم ما فقط میتوانیم فکر کنیم که اگر این تکنولوژی (لیزر) در زمان جنگ جهانی دوم وجود داشت، چگونه بکار برده می شد.

امروزه لیزر در مقطع دفاعی خیلی استفاده دارد.

پس بنابراین در آنموقع، مشکل است که گفته شود چه اتفاقی ممکن است افتاده باشد، مخصوصاً آنکه در آنموقع تکنولوژی امروزه را دارا نبوده اند.

بدون هیچگونه شبهه، اگر لیزر در 65 سال پیش اختراع شده بود نه در 35 سال پیش، کاربردهای آن نسبت به حالا بسیار گسترش یافته بود.

علم همیشه در گذشته به توسعه کارها در آینده کمک کرده است.

وقتی که نیوتون قانون جاذبه را کشف کرد، این را گفت که "او بر شانه های غولها ایستاده و دورترها را دیده بود".

همیشه یک پایه ای برای دانش ما وجود داشته است که توسط گذشتگان بوجود آمده است.

لیزر نتیجه شناخت ما از طبیعت اتم ها است؛ مخصوصاً طبیعت موجی اتمها.

اتم ها امواج هستند، و طبیعت ذره ای آنها خاصیت امواج خودشان است.

ما طبیعت اتم ها را کشف کرده ایم و آنها چیزی اند که بوسیله ساتع شدن نور بیرون میدهند.

در سال 1920 ساختار اتمها تا کوچکترین جزء، شناخته شده بود.

کتابهایی در این رابطه نوشته شده بود.

در آنزمان بزرگانی مانند Bohr، Schrodinger، و انشتین و دیگران بودند که این اکتشافات را دنبال و پیگیری میکردند.

مشکل است که شما با دقت بخواهید بگویید که در چه موقع یک نظر خلاق ظهور کرده است.

من تصور میکنم که نقطه آغازی در ابتدای این خط بوده است، اما چه کسی میداند.

شما در لحظه ای همه چیز را درباره اختراعتان می شناسید؛ با وجود اینکه شما از انجام آن آگاه و باخبر نیستید و نمیدانید که در حال انجام آن هستید.

و سپس بطور ناگهانی همه چیز درست از آب درآید و شما آن کشف را درست انجام داده باشید.

لیزر گازی هلیوم - شبیه روشنایی نئون برای دلایل شدیداً فنی برای اولین مرتبه که میخواستم بر روی نظریه لیزر امتحان کنم، از دو گاز بی اثر هلیم و نئون استفاده کردم.

و برای شما توضیح میدهم که چگونه کار می کند.

داخل دستگاه لیزر، دو الکترود جریان برق را بصورت ملایم از میان گاز می فرستند و یک فعل و انفعالاتی در این رابطه انجام میگیرد.

انرژی الکتریکی به عنوان یک انرژی درونی ذخیره، بصورت فعال در اتم های هلیم است، پس بنابراین خود را به اتم های شبیه روشنایی هلیم انتقال داده و سپس تغییر یافته و به یک نور لیزر تبدیل می شود.

این اختراع من دو سال بطول انجامید و شرکت بل مبلغ دو میلیون دلار بر روی آن سرمایه گذاری کرد.

من نظریه ام را در جون سال 1959 در مجله "بررسی نامه های فیزیک" مطرح کردم و آن زمانی بود که من واقعاً درگیر در انجام آن نظریه بودم.

قبلاً من یک تیم گرد آورده بودم و مشغول آزمایش و اندازه گیری بر روی پارامترهای گرداننده در ترکیب گازی بودیم.

واقعی مهمی که در ماه فوریه و مارچ 1960 اتفاق افتاد، این بود که تیم ما موفق شد که آن نظریه ای را که در سال 1959 داده بودم با موفقیت به انجام برساند.

اما چند ماه دیگر وقت لازم بود که یک دستگاه لیزر کاری که نور لیزر را از اتم ها میتوانست استخراج کند ساخته شود.

من زمان را طوری تقسیم بندی کرده بودم که بتوانم این کار را قبل از کریسمس انجام دهم.

و آن واقعه درست طبق برنامه در روز 12 دسامبر سال 1960 اتفاق افتاد.

این برای اولین بار در تاریخ علم بود که نور لیزر از یک دستگاه لیزر گازی سرچشمه گرفته بود.

من دقیقاً وقتی را که به ساعت مچی ام نگاه کردم بیاد می آورم.

ساعت دقیقاً 4 و بیست دقیقه بعدازظهر بود؛ و برف سنگینی در آن روز شروع به باریدن کرده بود.

یکی از گسترده ترین استفاده های لیزر گازی که هر روزه در زندگی روزمره از آن استفاده می شود همان خواندن کدهای اجناس در هنگام خرید از فروشگاهها است.

نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از: بلورهایی مثل یاقوت ، ایتریوم ، آلومینیوم گارنت ، () یا گازهایی مثل CO2 و He - Ne و ...

چنانچه هدف به دست آوردن تابش همدوس باشد، باید سعی شود که N2 >> N2 گردد، به عبارت دیگر ، تجمع معکوس رخ دهد.

تفاوت پرتو لیزر با نور معمولی پرتو لیزر دارای چهار خاصیت مهم است که عبارتند از: شدت زیاد ، مستقیم بودن ، تکفامی‌ و همدوسی.

نمونه‌هایی از لیزرهای متداول لیزرهای متدوال مادون قرمز (IR (2 _ 10μm: لیزر مونو اکسید کربن (CO) ، لیزر دی اکسید کربن (CO2) و بلورهای هالیدهای قلیایی و ابزار دیودی.

(طول موج از 2000nm تا 700nm) لیزرهای محدوده نامرئی (400 _ 700nm): لیزرهای آرگون _ کریپتون و لیزر هلیوم _ نئون، لیزرهای رنگی و لیزر تیتانیوم_یاقوت کبود.

لیزرهای محدوده ماورای بنفش (200 _ 400nm): لیزرهای اگزایمر (لیزر هالید گاز نادر) ، نیتروژن ، لیزر رنگی با فرکانس دو برابر شده ، لیزرهای با فرکانس چندین برابر شده.

لیزرهای رزینه‌ای الکترونها مقید به یک اتم و یا یک مولکول هستند و یا در طول زنجیره‌ای از اتمها که مولکول دو قطبی را تشکیل می‌دهند، آزادی حرکت دارند.

نیز در لیزرهای نیم رسانا الکترونها می‌تواند که در تمام حجم بلور حرکت کنند.

ولی در لیزر الکترون آزاد ، که یکی از جدیدترین و جالبترین انواع لیزرهاست، الکترونها بیشتر از موارد فوق الذکر آزادی حرکت دارند.

در لیزر الکترون آزاد الکترونها آزادانه در یک میدان مغناطیسی متناوب حرکت می‌کنند و در اثر برهمکنش میدان الکترومغناطیسی با الکترونهایی که در این ساختار تناوبی در حرکتند، فرآیند گسیل القایی رخ می‌دهد.

از نظر تاریخی ، لیزر الکترون آزاد اولین بار در سال 1951 بوسیله Mets پیشنهاد شد.

این لیزر قادر به کار در ناحیه طیفی مرئی و ماوراء بنفش هستند، ولی تا کنون این لیزرها تنها در طول موج λ = 3/4µm عمل کرده است.

سینماتیک اندرکنش الکترون آزاد- فوتون مقدار بیشتری از انرژی میدان تشعشعی حاصله ، بر خلاف تشعشع سینکروترون دارای باند باریکه‌ای از فرکانس است و این برای نوسان لیزری مناسب است.

این فرکانسها در واقع فرکانسهایی هستند که الکترونها با یک طول موج اپتیکی ، عقب نشینی می‌کند.

تشعشع منتشره در هر نقطه در طول مسیر با تشعشع منتشره در زمانهای قبلی در یک ردیف قرار گرفته و بدین ترتیب یک جمع شوندگی میدان ایجاد می‌شود (چنین سرعت الکترون نسبیتی است).

یک نقطه نظر دیگر ، مبادله توان ( Ex(r,t)Vx(r,t بین الکترون متحرک و موج الکترومغناطیسی متحرک با یک میدان (E(r,t می‌باشد.

شرط همزمانی استنتاج شده در بالا ، تضمین می‌کند که علامت ExVx نباید تغییر کند، چون هر تغییر علامتی در Vx اتفاق بیفتد، در همان زمان Ex تغییر علامت می‌دید.

توان ExVx که از باریکه الکترون به موج الکترومغناطیسی جاری می‌شود، پیوسته است (این توان حادی شده ممکن است منفی باشد).

فرکانسهای گذار فرکانسهایی هستند که طی آن سرعت الکترون تغییر جهت می‌دهد.

الکترون آزاد ، انرژی E1 از میدان الکتریکی یک فوتون با انرژی Eph جذب کرده و یا به آن یک فوتون می‌دهد و با انرژی E2 خاتمه می‌یابد.

چون الکترونها حرکت نسبیتی دارند لذا انرژی آنها نیز باید از روابط نسبیتی محاسبه شود.

اما مشاهده می‌کنیم که تغییر در انرژی Ee∆ یک الکترون ، ایجاد یک گذار از مختوم P1 به P2 می‌کند که کوچکتر از انرژی (P1 - P2) فوتون با مختوم (P1 - P2) می‌باشد.

این نتیجه در سه بعد نیز صادق است.

یکی از راه حلهای این مسئله میانجیگری در اندرکنش بین الکترون و باریکه نور (فوتونها) بوسیله انتقال پریودیک فضایی است که با مضاربی از 2π/L جذب می‌کند (L پریود است)، اختلال می‌‌تواند بر فوتون ، الکترون و یا هر دو اثر کند.

برای مشاهده نحوه عمل ، فرض می‌کنیم در تیوبهای موج رونده میکروویو ، جائیکه میدان الکترومغناطیسی در یک ساختار پریودیک منتشر می‌شود، به میدان یک حرکت پریودیک اضافی وارد می‌شود.

در مورد یک لیزر الکترون آزاد ، این حرکت الکترون است که بطور پریودیکی با بکار بردن یک میدان مغناطیسی بطور فضایی پریودیکی مدوله می‌شود.

البته می‌توان میدان الکترومغناطیسی را بطور فضایی مدوله کرد، این کار با بکار بردن یک موجی که بطور فضایی پریودیکی است، عملی می‌باشد.

هرگاه در تیوبهای موج رونده و شتاب دهنده‌های خطی ذرات باردار ، به نقطه نظر کلاسیکی برگردیم: یک الکترون را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در حرکت است و با یک میدان الکترومغناطیسی رونده که میدانهای مغناطیسی و الکتریکی آن به ترتیب بصورت (E(r,t)B(r,t است، اندرکنش می‌کند.

شرط همزمانی (The synchrcnism crndition) برای اینکه یک تبادل انرژی بین الکترون (با انرژی γmc2) و یک میدان E صورت می‌گیرد، لازم است که سرعت الکترون (v) در امتداد E ، مؤلفه غیر صفر داشته باشد.

(γ ضریب تبدیل جرم نسبیتی است) در مورد موج الکترومغناطیسی تخت که در جهت z منتشر می‌شود Ez = 0 بوده و Ex ≠ 0 است.

برای اینکه بایستی بررسی الکترون یک مؤلفه عرضی Vx داشته باشیم، چون Vz یک راه حل آشکار این مسئله ودار کردن الکترون به تغییر سرعتش می‌باشد.

بطوری که در یک جهت با میدان عرضی حرکت می‌کند.

این کار با بکار بردن یک میدان مغناطیسی عرضی پریودیکی فضایی (با پریود 0λ) در حضور یک موج الکترومغناطیسی تخت با طول موج λ بیان می‌شود.

بردار سرعت الکترون در z = 0 با میدان روبرو شده و دارای یک سرعت عرضی موازی جهت میدان (Vx||Ex) می‌باشد.

بطوری که VxEx>0 است.

یک الکترون مشابه در دو نقطه اضافی دیگر نشان داده شده‌اند.

بخشی از یک میدان الکتریکی که در ابتدا در نقطه z = 0 با الکترون روبرو شده ، در نقطه Vx 0 است، ولی میدان الکترومغناطیسی سریعتر و جلوتر از الکترون حرکت می‌کند بطوری که Ex 0 است.

در نقطه z = λ0 ، Vx > 0 است و Ex > 0 است لذا ExVx>0 می‌باشد.

بنابراین در هر نقطه ExVx> 0 است و الکترون بطور پیوسته قرمز شده و به میدان اپتیکی انرژی می‌دهد.

شرط تشدید P1 - P2 = ±t.k می‌باشد.

نشر خود به خودی و بهره در FEL وقتی که الکترون در میدان مغناطیسی wigglel حرکت شتابدار انجام می‌دهد (و این شتاب پریودیک و عرضی می‌باشد) و از آن یک تشعشع خودبخودی بوجود می‌آید، بطوری که طیف حاصل از این تشعشع از روابط مشابه توری پیروی می‌کند.

(پریودهای میدان مغناطیسی برای الکترون به مثابه توری می‌باشد).

الکترون شتابدار موج الکترومغناطیسی تشعشع می‌کند و این تشعشع در یک ساختار پریودیک صورت می‌گیرد.

بهره به عنوان اختلاف بین آهنگ نشر و جذب تحریکی بوسیله الکترونهای تشعشعی می‌باشد.

مزایا وکاربردهای FEL یکی از مزیتهای FEL نسبت به لیزرهای اتمی این است که در FEL با افزایش طول اندرکنش L ، بهره الزاما افزایش پیدا نمی‌کند و ممکن است بهره از بین رفته و حتی منفی شود و خود L افزایش می‌یابد، فرکانس برای ماکزیمم بهره به مقدار تشدید خود نزدیک می‌شود.

در نوسانگرهای FEL تشعشع از افت و خیز چگالی باریکه الکترونی و یا از نشر خودبخودی آغاز می‌شود و هنگامی که توان تبدیلی از باریکه الکترونی بتوان تشعشعی از اتلافات تشعشع در مشدد زیاد باشد عمل لیزر صورت می‌گیرد.

مزیت اصلی FEL به لیزرهای کوانتومی قابلیت تنظیم تشعشع آن می‌باشد.

در لیزرهای کوانتومی طول موج لیزر بوسیله انرژی گذارهای بین ترازهای کوانتومی اتمها یا مولکولها در ماده فعال مشخص می‌شود و علی‌رغم تنوع و تعداد مواد فعال لیزری تعداد ترازهای کوانتومی محدود است (محدود به معنی متناهی) ولی در FEL ها طول موج لیزر بوسیله پارامترهای باریکه الکترونی و ساختار الکترودینامیکی آنها مشخص می‌شود (دیوارهای موجی ، آینه‌های مشدد و ...) نیز با مشخصه‌های میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در ناحیه اندرکنش.

تشعشع FEL می‌تواند بر یک نقطه که سایز آن با پدیده‌های پراش مشخص می‌شود، متمرکز گردد.