امروزه تقریباً همه لیزر و موارد کاربرد آن را می دانند. در تمام دنیا و به ویزه در کشور با استفاده از لیزر و مشتقات آن به طور شگفت انگیزی افزایش داشته است. هم چنین لیزر در پژوهش های علمی و برای محدوده وسیعی از دستگاههای علمی موارد مصرف پیدا کرده است. برتری لیزر در این است که از منبعی برای نور و تابش های کنترل شده تک فام و پرتوان تولید می کند. تابش لیزر با پهنای نور طیف های باریک توان تمرکزیابی می شود. چندین برابر درخشانتر از خورشید است. لیزر کشفی علمی می باشد 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 می گیرند.
کلمه لیزر (LASER) از حروف ابتدای عبارت تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش (Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation) در لاتین ساخته شده است که معمولاً در طول موجهای مادون قرمز نزدیک، مرئی و ماورای بنفش طیف الکترومغناطیس می باشد. به گسیلهای لیزر گونه طول موجهای بلندتر ناحیه میکروویو میزر (MASER) گفته می شود. لیزر اصولاً به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می شود.
پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو به طور مستقل به وسیله وبر (Weber)، جوردون (Gor، don) زیگر (Zeiger)، تاونز (Townes)، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده هایی توسط گروه جوردون، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. این گروه نام میزر (MASER) را که از ابتدای حروف Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation تشکیل شده بود برای آن برگزیدند. اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک (NH3) ساخته شد. در سال 1958 اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله ای توسط اسکاولو (Schawlow) و تاونز داده شد. در سال 1960 یعنی کمتر از دو سال دیگر، میلمن (Mailman) موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر پیوسته کار (CW) که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال 1961 توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال 1962 نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه هادی مطرح گردید.
اختراع لیزر به سال 1958 با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر اشعه مادون قرمز و نوری بر می گردد. نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سر تا سر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالسها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را به وجود آورد. در سال 1960 دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشنتر از نور خورشید بود. متأسفانه پرتو لیزر می تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مثل بارندگی، مه، ابرهای کم ارتفاع، چیزهای موجود در آزمایشهای مربوط به هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.
دانشمندان نیز طرحهای جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنالهای تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موجبر فیبر نوری بود که شرکتهای مخابراتی برای ارسال صدا، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای مختلف نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می کند. سبعد از اینکه لیزر دی اکسید کربن در سال 1964 اختراع شد کاربرد لیزر در زمینه های پزشکی خیلی توسعه یافت و برای جراحان این امکان را فراهم نمود تا بجای استفاده از چاقوهای جراحی از فوتون استفاده نمایند.
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 می دهند. وقتی که نوبت برسد به لیزر، لیزر گازی، می توانست در سال 1930 اختراع شده باشد، نه پس از سی سال در سال 1960 که من آنرا اختراع کردم. اگر شما به تاریخ علم نگاه کرده باشید، مخصوصا 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 می توانید ببینید که آنها به راه درست رفته بودند، اما بعدا راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند. اگر من در همان سالها بودم مطمعنا آنرا اختراع می کردم، مبالغه نمی کنم و می دانم که آنرا انجام می داد.
الف- طول موج (wave length): فاصله بین دو نقطه یکسان موج می باشد که مشخص کننده رنگ موج است. با تعیین رنگ، انرژی و طول موج می توان یک موج را نسبت به دیگر موج ها سنجید. به عنوان مثال طول موج های کوتاه در طیف مرئی در ناحیه بین آبی و فوق بنفش قرار می گیرد در حالیکه رنگ قرمز دارای طول موج های بلندتری می باشد. فاصله بین این قله های موج آن چنان کوچک است که واحد آن را نانومتر (ده به توان منفی نه) یا میکرون (ده به توان منفی شش) قرار داده اند.
تشعشع الکترومغناطیسی طیف طولانی از طول موج های بلند رادیویی تا طول موج های کوتاه اشعه ایکس را شامل می شود.
ب- فرکانس (Frequency): فرکانس موج تعداد موج های عبور کرده از یک نقطه در یک فاصله زمانی مشخص می باشد. واحد آن سیکل بر ثانیه یا هرتز Hz می باشد. فرکانس و طول موج به سرعت موج وابسته اند. طول موج های بلند تر از قبیل نور قرمز در فرکانس های پایین تراز نور آبی قرار دارند ولی فرکانس در کل خیلی بالا است (ده به توان چهارده هرتز).
ب - سرعت (Velocity): سرعت موج تعیین کننده تندی عبور موج از یک محیط مشخص می باشد. به عنوان مثال سرعت عبور نور در خلاء سیصد هزار کیلو متر در ثانیه می باشد. سرعت در محیط هایی مثل شیشه یا آب کاهش می یابد.
ت- دامنه (Amplitude): دامنه یا شدت موج با ارتفاع یا بلندی (height) میدان الکتریکی یامغناطیسی مشخص می شود
بر هم کنش نور با ماده (interaction of light with matter): از آنجا که نور دارای میدان الکتریکی و مغناطیسی می باشد این میدانها با ماده بر هم کنش نشان می دهند. میدان مهم میدان الکتریکی است چون با الکترونهای کوچک که در ترکیبات مواد شرکت دارند بر هم کنش دارد. این الکترونها همصدا وهماهنگ باموج نور وارده نوسان می نمایند و می توانند تأثیر یا تغییر در عبور نور از میان یک ماده به چند طریق انجام دهند.
تولید نور Generation of light: چندین فرآیند تعیین کننده طیف نور باعث ایجاد تشعشع الکترومغناطیس می شوند.
شکل 1 (عکس در فایل دانلودی موجود است)
طیف تشعشع: طیف نوری که از یک جسم ساطع می شود شامل رنگها یا نوارهای رنگی جدا از هم می باشد. این از طبیعت تولید نور برمیخیزد و نشانه آن است که انرژی نورانی ساطع شده از آن جسم دارای مقداری مشخص می باشد. انرژی تمام سیستمها کوانتایی می باشد که این انرژی می تواند در بسته های جدا از هم جذب یا آزاد شود.انرژی سیستم پس از آنکه انرژی جذب آن سیستم شود افزایش می یابد و در مرحله بعدی آن انرژی آزاد می شود. مدتی که این انرژی آزاد می شود راندوم یا اتفاقی بوده که نشر خودبخودی نامیده می شود. انرژی را می توان توسط جریان الکتریکی، نور از منبع خارجی، واکنش شیمیایی یا گونه های دیگربه سیستم وارد نمود. بهر حال مشخص شده است که یک موج وارده که دارای انرژی معینی است می تواتد آزاد شدن موجها را ازسیستم بر انگیخته تحریک کند و باعث آزاد نمودن دو موج شود. به این حالت نشر بر انگیخته می گویند.این موج ها خواص مهمی دارند.
قانون توان و انرژی: شدت نور لیزر به حدی است که می تواند باعث تبخیر مواد و ایجاد تغییرات غیر قابل برگشت شود. اشعه لیزر می تواند به نقطه هایی با اندازه های مختلف تنظیم (فوکوس) شود و به همین صورت تولید شدت های مختلف نور را می کند.
حفره لیزر: (Cavity)یک حفره لیزر با مجموعه ای از آینه ها تعریف می شود که امواج نور را در محیط لیزر به جلو و عقب می فرستد. آینه عقب معمولأ کاملأ منعکس می کند در حالیکه آینه جلو به مقدار کمی از نور لیزر اجازه عبور می دهد. آینه ها باید دقیقاً تنظیم شده و به طور مطمئنی بسته شوند.
توان یا پاور دنسیتی(power density)یک تشعشع، توان نور لیزر بر واحد سطح با واحد وات بر سانتی متر مربع (Watt/ Cm2) است. مساحت نقطه نور و توان لیزر مشخص کننده Power density می باشد.
انرژی: معرف کل انرژی نور می باشد و واحد آن ژول است. یک ژول برابر با یک وات برای مدت یک ثانیه می باشد. قدرت لیزر با انرژی تقسیم بر زمان (یا طول مدت یک پالس) رابطه دارد. Fluence سرعت انتقال انرژی را تعیین می کند. به عنوان مثال، 100 ژول را می توان در 1 ثانیه با 100 وات و یا در 100 ثانیه با 1 وات منتقل نمود. اندازه نقطه لیزر یکی از دو فاکتور کنترل power density می باشد.اندازه نقطه با موارد زیر مشخص می شود.
نوع لیزر از روی حفره لیزر (laser cavity) مشخص می شود و نشان دهنده توزیع توان لیزر در یک نقطه می باشد. واگرایی اشعه(Beam Divergence) اپتیکی و بردار اشعه خارجی تر بیان می شود
Image(عکس در فایل دانلودی موجود است)
زاویه با رادیان اندازه گیری می شود (رادیان = 180 درجه). واگرایی اشعه 1 میلی رادیان معادل است باافزایش در قطر یک اشعه به اندازه یک میلی متر در فاصله یک.
اولین شرط ایجاد لیزر، داشتن ماده یا محیطی است که بتواند انرژی را در خود ذخیره کند. نمونه هایی 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 می باشد. انیشتین در سال 1916 نشان داد که گسیل القایی نور را می توان 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. به طوری که hv = E2 _ E1 باشد، در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز پایینتر بیافتد. در نتیجه، دو فوتون حاصل می شود، فوتون القا کننده و القا شونده، که هر دو همفاز هستند.در عین حال، اگر اتمهایی به تعداد N2 در تراز E1 باشند، می توانند 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 می گیرد، دمش می نامند. 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 می توان Ni را با Nj مساوی گردانید. به طوری که مقدار جذب به صفر تنزل یابد.
چنانچه بتوان مقدار Nj را بیشتر از Ni نمود، اکثر اتمهای سیستم که به حالت برانگیخته می روند، تمایل خواهند داشت که به حالت انرژی کمتر برگردند. بدیهی است که این تمایل به وسیله کوانتای تابش فرودی تشدید می گردد.
بدین معنی که سیستم نه تنها فوتون فرودی را جذب نمی کند بلکه فوتون فرودی باعث برانگیختگی سیستم برانگیخته شده که با سقوط به حالت پایینتر دو کوانتا انرژی تابشی از دست می دهد (فوتون مربوط به اتم برانگیخته به همراه فوتون فرودی). تمام این فرآیندها تابش لیزر را به وجود می آورند.
قرار دادن محیط تولید لیزر در یک مشدد نوری با انتهای آینه ای که تابش را در محیط تولید لیزر به جلو و عقب می فرستد، سبب تراکم تابش سطوح بالا در تشدید کننده به وسیله ادامه گسیل القایی می شود. سپس تابش لیزر از طریق آینه ای نیمه شفاف، از یک انتهای کاواک به بیرون گسیل می شود.
Image (عکس در فایل دانلودی موجود است)