سلاحهای لیزری


دید کلی

نابود نمودن دشمن از راه دور ، با جریانی از ماده‌ای مرگبار ، مدتها موضوع داستانهای علمی - تخیلی بوده است. آیا می‌توان آن را به واقعیت درآورد؟ فیزیک نیرنگ باز است، اما سرمایه گذاریهای ارتش ایلات متحده حاکی از آن است که آنها تصمیم گرفته‌اند سلاحهای تشعشعی را بوسیله کلیفوردبیل به واقعیت در آورند. در دهه 70 میلادی ، زمانی که کاپیتان کرک ستاره تلویزیون بود، فن آوران معتقد بودند که تا سال 1997 تخیلات علمی به آن واقعیاتی علمی تبدیل می‌شوند و سلاحهای دستی لیزری ، تولید خواهند شد.


مشکلات عمده

مشکل عمده سلاحهای لیزری ، فن آوری آنهاست. در حال حاضر این سلاحها به اندازه یک اتوبوس هستند و در ضمن لیزرهای پر قدرت به توان الکتریکی و شیمیایی بالایی نیازمندند. انرژی الکتریکی ، گازهای شیمیایی را تحریک می‌کند و بدین ترتنیب اتمهای گاز برانگیخته شده ، میزان انرژی بالاتری پیدا می‌کنند و شعاع لیزری ساطع می‌شود (لیزر منبعی است از گرما و نور به شکل امواج همسان ممتد یا متناوب).



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...-laser-gun.jpg
کاربرد نظامی لیزر

از زمان اختراع لیزر در سال 1960، کاربردهای نظامی انرژریهای هدایت شده ، طراحان دفاعی را به دلیل ویژگیهایی همچون نامحدود بودن مهمات و توانایی تخریب فراوان و کنترل از راه دور ، هیجان زده ساخت. همراه با روند تکامل لیزرها ، مجموعه‌ای از کاربردها از چاقوهای جراحی لیزری گرفته تا دستگاههای خودکار پخش موسیقی با دیسکهای فشرده ، ساخته شدند. البته هنوز هم سلاحهای تشعشعی که بتوانند تانکها را ذوب کنند، صورت واقعیت به خود نگرفته‌اند و هم اکنون استفاده نظامی از لیزرها ، محدود به هدف گیری و اندازه گیری مسافت به منظور افزودن بر دقت گلوله‌های تفنگ و توپ و نیز بمبهاست. در طی دهه 70 و 80 میلادی ، وزارت دفاع ایالات متحده با انجام آزمایشهای گوناگونی ، سلاحهایی با انرژی هدایت شده را مورد بررسی قرار داد. این امر با این کار مشهور دفاع استراتژیک ریگان به اوج رسید، اما با فروکش کردن جنگ سرد ، بودجه سلاحهای لیزری نیز کاهش یافت و بدین لحاظ تا کنون تنها نمونه‌های کاربردی اندکی از آنها ساخته شده است.

ولی در هر حال ، این نمونه‌ها توان تخریبی انرژیهای هدایت شده را به اثبات رساندند. در سال 1976 ارتش ایالات متحده یک لیزر دی اکسید کربن را بر قایقی نصب کرد و با استفاده از آن هدفی را که با سرعتی یکنواخت و در فاصله چند صد متری حرکت می‌کرد نابود ساخت. در دهه 80 نیروی دریایی ایالات متحده ، قدرت لیزر MIRACL (مخفف لیزر شیمیایی میان - فروسرخ) خود را در انهدام موشکها از فاصله دور به نمایش گذاشت. در حال حاضر لیزرهای کلاس مگاوات فلوراید دوتریم ، میراکل بسیار مورد توجه مجریان برنامه مشترک آمریکا و رژیم صهیونیستی در ساخت نوعی سیستم دفاع هوایی برای محافظت شمال فلسطین اشغالی از حملات موشکی مبارزان است.

لیزرهای ضد اسکاد


لیزرهای ضد اسکاد نیروی هوایی ایالات متحده اشعه‌ای به ضخامت یک تیر تلگراف دارد. به نظر میلز هولومن رئیس علوم تسلیحاتی فرماندهی موشکی ارتش آمریکا ، لیزرهای شیمیایی آنقدرها هم کارآمد نیستند. قدرت اشعه آنها یک دهم انرژی مورد نیاز برای پمپ سلاح است و همین امر موجب بزرگی دستگاهها می‌شود. اشعه لیزر ، بعد از طی چند کیلومتر متلاشی و تجزیه می‌شود و این امر در مسافتهای طولانی مشکلاتی را بوجود می‌آورد. با این حال برنامه‌هایی در حال اجراست تا لیزرها را به کاربردهای نظامی وارد سازند. اولین هواپیمایی که به سلاحهای تشعشعی مجهز می‌شود چیزی جز جنگنده استیلت خواهد بود و برای این منظور هواپیمای بولینگ 747 ترجیح داده می‌شود.

نیروی هوایی آمریکا با تیمی مرکب از بوئینگ ، لاکهید - مارتین و TRW قراردادی به منظور ساخت نمونه‌ای کاربردی از سیستم هوابرد لیزری ABL برای رهگیری و انهدام موشکهای بالستیکی در حال پرواز امضا کرد. سیستم ضداسکاد ABL ، شامل یک لیزر شیمیایی یدید اکسیژن (COIL) است که در برجی گردنده در دماغه بوئینگ 747-400F جاسازی شده است. هنگام گشتهای هوایی در ارتفاع بالا و در فاصله 250 کیلومتری پایگاههای موشکی دشمن ، ABL با استفاده از دوربینی فرو سرخ و از پس ابرها به دنبال شعله دنباله‌ای اسکادهای پرتاب شده می‌گردد. سپس خدمه به نشانه گیر لیزری سوئیچ می‌کنند تا موشک در حال پرواز رهگیری شده ، قسمت سوختش هدفگیری شود. با قفل شدن روی بدنه موشک ، سیستم ، اشعه لیزر را که ضخامتی برابر با قطر تیرهای تلگراف دارد، شلیک می‌کند، بدین ترتیب با بوجود آمدن سوراخی در مخزن سوخت ، موشک ظرف چند ثانیه منفجر و منهدم می‌شود.

البته نیروی مورد نیاز این سیستم بسیار زیاد است. سیستم مولد و مخازن شیمیایی یک لیزر سه مگاواتی حجمی بسیار (بیش از حجم یک جت) را اشغال می‌کند. هیچ جت جنگنده‌ای امکان حمل سوخت لیزری و نیروی مورد نیاز (برای سلاح لیزری) را ندارد. البته بوئینگ 747-400F فقط به دلیل حجم بزرگش (مخازن ذخیره آن ، ظرفیت مورد نیاز 50 پرتابه لیزری را دارد) برای این برنامه انتخاب نشده است بلکه توانایی پرواز این هواپیما در بالاترین ارتفاع به مدت 8 ساعت نیز مد نظر بوده است. دقت عمل لازم برای انهدام اسکادها از راه دور معادل به گودال انداختن یک توپ گلف از فاصله 65 کیلومتری است. علی‌رغم اینکه پرواز در ارتفاع 40000 پایی انجام می‌شود و هوا در این ارتفاع رقیق است، اما ABL نیز مواجه با مشکلات مربوط به انتقال اشعه ، مشابه همان مسائلی که موجب به تعویق افتادن تکامل لیزرها در میدان نبرد زمینی شده است، می‌باشد.

چند متر پس از خروج لیزر ، اشعه بر اثر آشفتگی جوی (گردبادهایی با تراکمهای مختلف) متلاشی و تجزیه می‌شود، اما سیستم کنترل اشعه در عرض چند صدم ثانیه با اندازه گیری این آشفتگیها اشعه را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که از تلاشی آن جلوگیری می‌شود. این کار را تعدادی آینه تنظیم شونده ، که خروجی لیزر را احاطه می‌کنند، تحت تأثیر سیگنالهای ورودی به سیستم و قبل از ورود اشعه به اتمسفر انجام می‌دهند. آزمایشگاه فیلیپس نیروی هوایی ، در آزمایشی، موشکهایی را از فاصله 48 کیلومتری رهگیری و منهدم ساخت.

در سال 1983، نیروی هوایی ، قدرت خود را در انهدام موشکهایی ساید و این بار در بکار گیری لیزر موجود در هواپیمای تغییر یافته NKC135A از فاصله 10 کیلومتری به نمایش گذارد. سیستم ABL اولین آزمایش خود را در سال 2002 میلادی به انجام رساند و سپس در سال 2004 میلادی تولید 7 فروند یوئینگ مجهز به این سیستم با هزینه‌ای معادل 5 میلیارد دلار آغاز شد. در سال 2006 و درست همزمان با به کار گیری نسل جدید موشکهای اسکاد توسط کره شمالی ، این تجهیزات بکار گرفته می‌شوند. اما همه اینها اساسا متفاوت با آن سلاحهای تشعشعی علمی- تخیلی هستند که ارتش ایالات متحده از به کار گیری آنها در میادین نبرد منصرف شد.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...-war-laser.jpg

کاربردهای عملی دیگر

در اواخر دهه 80 میلادی ، ارتش آمریکا به مطالعه لیزرهای پوتوتیپ میان انرژی و کم انرژی پرداخت. این لیزرها برای نابود ساختن سیستم اپتیکی تانکهای دشمن و خیره کردن چشمان خلبانان و تک تیراندازانی که با استفاده از دوربین سلاحهای خود در حال هدف گیری هستند بکار می‌رود. ارتش آمریکا حتی در زمان جنگ خلیج فارس یک لیزر میان انرژی به نام استینج ری را بر خودروی پیاده نظام برادلی سوار کرده بود. این سلاح عدسی سیستمهای اپتیکی تانکها و خودروهای دشمن را با ایجاد شکافی هرمی نابود می‌ساخت. البته این سلاح هرگز مورد استفاده قرار نگرفت. به عقیده جان الکساندر ، پژوهشگر سابق آزمایشگاه ملی لس آلاموس "پنتاگون چون نگران عکس العمل منفی مردم بود از استینج ری استفاده نکرد." علت چیست؟ شاید اینکه استینج ری نه تنها لنز پریسکوپها را نابود می‌کند بلکه موجب کور شدن فردی که از آن پریسکوپ استفاده می‌کند نیز می‌شود.

چشم انداز بحث

هم اکنون اخلاق ، در برابر لیزرهای میدان نبرد ، به عنوان یک مبارز طلبی فنی سد بزرگی را بوجود آورده است. در اکتبر سال 1995، چهارمین پروتکل به کنواسیون ژنو الحاق گردید و به موجب آن بکار گیری لیزرهای کور کننده در جنگ ممنوع اعلام شد. چند هفته قبل از آن ، پنتاگون سفارشی را که برای ساخت نوعی لیزر کور کننده به نام دیزر داده بود پس گرفت. این سلاح (سیستم اقدامات مقابله ای لیزری) بر روی لوله تفنگ ام 16 نصب می شد و به پیاده نظام این امکان را می داد که سیستم های کنترل آتش دشمن را از فاصله بیش از 2 کیلومتری نابود کرده ، سربازان دشمن را کور کنند.

بسیاری از کشورها ، پروتکل مزبور را محترم شمردند. چینیها آشکارا از بکار گیری سیستمی مشابه خودداری کردند. به گفته الکساندر "در هنگام جنگ ، شما می‌توانید دشمن را با استفاده از گلوله و یا انفجار بکشید و نیز می‌توانید قانون وی را با استفاده از لیزر خاکستر کنید، اما حق کور کردنش را ندارید، چشم موضوعی احساسی است." بجز مسائل اخلاقی ، ارتش در عملی بودن استفاده نظامی از لیزر دچار تردید است. طول تفنگهای لیزری قابل حمل در حال حاضر زیاد است وحتی اگر مخازن شیمیایی و باتریهای مربوطه جمع و جور ساخته شوند، نیروی موجود فقط کفاف تعداد محدودی شلیک را می‌دهد. الکساندر اضافه می‌کند "هیچ نیازی به این قبیل سلاحها وجود ندارد. ارتش ایالات متحده نمی‌خواهد به جای سلاحی قابل اطمینان ، از سیستمی سری و با منفعت محدود استفاده نماید. شما نمی‌توانید هم لیزر را حمل کنید و هم یک سلاح متعارف را."

آیا مهندسان می‌توانند مشکلات مربوط به نیروی مورد نیاز لیزرها را حل کنند و به این هدف نظامی دست یابند که سلاحی قابل حمل و با مهمات نامحدود بسازند. هولومن می‌گوید: "من جدا تردید دارم که بتوانیم سیستمی قابل حمل توسط انسان بسازیم."

مباحث مرتبط با عنوان

• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• ایمنی لیزری
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• طیف سنجی جرمی با لیزر
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• پیدایش لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر گاز دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزر یاقوت
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی
• همدوسی
• ماهیت نور همدوس لیزر
• کاربرد پزشکی لیزر
• کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی
• کاربرد لیزر در هولوگرافی
• کاربرد لیزر در مصارف نظامی

آرایشهای لیزری




آینه‌های لیزری

یکی از دو آینه‌ای که در مشدد لیزری بکار می‌رود، باید بازتابنده کامل نور باشد. دستیابی به چنین آینه ایده‌آلی عملاً غیر ممکن است. لذا این آینه باعث ایجاد اتلاف حین انعکاس نور از روی آن خواهد شد. میزان ضریب انعکاس و عبور آینه دوم نیز بسیار مهم است. زیرا هر چه قابلیت عبور این آینه بیشتر باشد، باعث ایجاد اتلافات بیشتر در مشدد خواهد شد. ازطرف دیگر با افزایش ضریب عبور این آینه ، درصد خروجی انرژی از مشدد لیزر نیز بیشتر می‌شود. در نهایت حد معینی برای این تغییرات وجود دارد که در انتخاب قدرت عبور این آینه محدودیت بوجود می‌آورد. درصد بازتابندگی یا ضریب انعکاس این آینه چیزی حدود 98% می‌باشد که در لیزرهای مختلف کمی تفاوت می‌کند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../co2-laser.JPG
آرایش آینه‌های لیزری

مشددهای لیزری اکثرا از دو آینه تشکیل شده‌اند که در فضای ما بین آنها ماده فعال لیزری قرار دارد. محیط فعال لیزر ممکن است چسبیده و یا جدا از آینه‌ها باشد که در اینصورت به ترتیب آرایش داخلی و آرایش خارجی نامیده می‌شوند. ممکن است در یک لیزر حالت جامد نیازی به قرار دادن آینه در بیرون محیط لیزر نباشد، بلکه عمل انعکاس نور لیزر توسط صیقل دادن دو انتهای میله لیزری و لایه ‌نشانی مواد دی الکتریک روی آن انجام شود که در اینصورت آرایش داخلی خواهد داشت. در برخی موارد لزوماً از آرایش خارجی استفاده می‌شود. در این آرایش آینه‌ها به فاصله‌ای از محیط فعال لیزری قرار داده می‌شوند و در تماس مستقیم با ماده فعال قرار ندارند.

در برخی لیزرهای گازی که برخورد دائم مولکولهای گاز باعث کنده شدن مواد نشانده شده روی آینه می‌شود، این روش مزیت دارد. در هر حال عوامل دیگری مانند مسأله تنظیم آینه‌های لیزری و قراردادن ابزار دیگر در محیط فعال می‌تواند در انتخاب آرایش داخلی یا خارجی لیزر مؤثر باشد. شکل آینه‌هایی که در لیزرها بکار می‌رود، می‌تواند کروی یا تخت باشد. دو آینه بکار رفته در یک لیزر لزوما یک شکل نیستند. آرایش موازی تخت ، شعاع بزرگ ، هم‌ کانونی ، هم‌ مرکز ، آرایش نیم کروی و آرایش ناپایدار انواع مختلف آرایشهای آینه‌های مشددهای لیزری می‌باشند.
آرایش موازی تخت مشدد لیزر

در این آرایش دو آینه بصورت تخت و موازی قرار می‌گیرند و ماده فعال لیزر در میان آن قرار می‌گیرد. این آرایش در اولین لیزر هلیوم-نئون بکار برده شد. این آرایش ، آرایش چندان پایداری نیست؛ زیرا برای یک پرتو خاص که بین دو آینه بارها و بارها باید نوسان کند، احتمال کمی وجود دارد که از فضای دو آینه خارج نشود. زیرا این آرایش به دقیق بودن تنظیم آینه‌ها (میزان توازی آن دو) بسیار حساس است و دقت تنظیم آن باید چیزی حدود یک ثانیة کمانی (1.3600 درجه) باشد.

بنابراین با ارتعاشات جزئی و یا حتی تغییر دما تنظیم خود را از دست می‌دهد. مزیت این آرایش در نسبت حجم مؤثر زیاد محیط فعال است؛ یعنی می‌تواند از تمام فضای محیط فعال و درنتیجه از اتمهای برانگیخته موجود در لامپ ، گاز یا میله بلور حداکثر استفاده را بکند. ولی توان خروجی آن به دلیل اتلافات بالای پراشی ناشی از پراش از کناره‌های آینه‌ها زیاد نیست.
آرایش شعاع بزرگ مشدد لیزر

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...2/YAG-pict.JPG

آرایش لیزری Nd - YAG



این آرایش پایدارتر از آرایش قبلی است که در آن بجای آینه‌های تخت از دو آینه کروی با شعاع انحنای بزرگ استفاده می‌شود. در این آرایش نیز از محیط فعال لیزر می‌توان تقریباً استفاده کامل را برد.
آرایش هم‌کانون مشدد لیزر

درصورت استفاده از آینه‌های کروی در مشدد ، اگر شعاع آنها و فاصله آنها از هم طوری باشد که کانون آنها بر هم منطبق باشد، آرایش هم‌کانون خواهد بود. مثلاً در حالتی که شعاع انحنای دو آینه مشدد مشابه باشد، باید فاصله آنها از هم برابر شعاع انحنای آنها باشد. در این آرایش حجم مؤثر محیط فعال کاهش می‌یابد. این آرایش در مرز حالت پایدار و ناپایدار است، ولی با این حال تنظیم آن بسیار ساده است و نیازی به دقت حدود 1.5 دقیقة کمانی (1.40 درجه) دارد.
آرایش هم مرکز مشدد لیزر

در این حالت مراکز کرات آینه‌های مشدد بر هم منطبق است. با یکسان بودن شعاع انحنای دو آینه ، فاصله آنها باید دو برابر این شعاع باشد تا این آرایش شکل گیرد. این آرایش نیز در مرز حالت پایدار و ناپایدار است و تنظیم آن نیز مشکل است. معمولاً این آرایش بیشتر در لیزرهای جامد بکار می‌رود.
آرایش نیم کروی مشدد لیزر

مشدد نیم کروی از یک آینه کروی و یک آینه تخت تشکیل شده است. فاصله این دو آینه از هم کمی کمتر از شعاع آینه کروی می‌باشد تا از تمرکز نور لیزر روی آینه تخت جلوگیری شود. درصورت برابری فاصله دو آینه با شعاع آینه کروی تمرکز پرتوی لیزر روی آینه تخت موجب سوختن آن خواهد شد. خروجی نور لیزر در این آرایش از آینه تخت خواهد بود. این آرایش حجم مؤثر محیط فعال را به حدود 3/1 مقدار آن می‌ساند و بنابراین کارایی آن را کاهش میهد. ولی تنظیم این آینه نسبتا آسان است.
مشدد لیزری ناپایدار

در این مشدد برخلاف مشددهای قبلی که از قسمت کاو آینه کروی استفاده می‌شد، از قسمت کوژ آن استفاده می‌شود. با این حال در این آرایش حجم مؤثر محیط فعال بسیار زیاد می‌شود. از این آرایش بیشتر در مواقعی استفاده می‌شود که توان خروجی بالایی نیاز باشد. در لیزرهای توان بالا ، آرایشهای قبلی که باریکه کوچکی از نور لیزر تولید می‌کردند، کارآیی ندارد و بجای آن از این آرایش استفاده می‌شود. در این آرایش اتلافات پراشی روی آینه‌ها غالب است و در جایی کاربرد دارد که بهره بالایی نیاز باشد. خروجی لیزر در این آرایش موازی است بدون اینکه نیاز به تلسکوپ نوری برای موازی کردن نور خروجی باشد.
مباحث مرتبط با عنوان

• آرایش شعاع بزرگ لیزر
• آرایش موازی تخت مشدد لیزر
• آرایش نیم کروی مشدد لیزر
• آرایش هم ‌کانون مشدد لیزر
• آرایش هم مرکز مشدد لیزر
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• تنظیم آینه‌های لیزری
• سلاحهای لیزری
• طیف سنجی جرمی با لیزر
• عوامل اتلاف در لیزر
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی
• لیزر یاقوت
• ماده فعال لیزری
• مشدد لیزری
• مشدد لیزری ناپایدار

اصول کار لیزر

مقدمه

اصطلاح لیزر (Laser) از حروف اول کلمات انگلیسی به معنی تقویت نور توسط نشر القایی تابش (Light Amplification by Stimulation Emession of Radiation ) درست شده است. از آنجا که این وسیله مبتنی بر همان اصول میزر (بجای نور لیزر ، میکروموج استفاده شده) است، تا مدتی به آن میزر (MASER: Microware Amplification by Stimulation Emession of Radiation) نیز اطلاق می‌شود، ولی نام آن به سرعت به لیزر که عبارتی ساده‌تر تبدیل شد. نور حاصل از لیزر ، همان نور معمولی است، تنها چیزی که نور لیزری را از نورهای معمولی متمایز می‌سازد هماهنگی ایجاد شده در نور لیزری می‌باشد. و این هماهنگی ویژگیهای خاص و کاربردهای مختلف آنرا در زمینه‌های بسیاری توجیه می‌کند.

فرض کنید یک کامیون کمپرسی پر از ماسه داریم، که ابتدا دانه‌های ماسه را یکی یکی بر روی فردی که روی زمین دراز کشیده می‌ریزیم، فرد هیچ گونه احساس فشار و ضربه و ناراحتی نکرده ، اگر همان ماسه را یکباره بر روی آن بریزیم چه اتفاقی می‌افتد. تقریبا تفاوت نور معمولی با نورهای حاصل از لیزر مشابه همین حالت می‌باشد. بطور کلی لیزرها انواع مختلف و زیادی دارند که وجه تمایز و دسته بندی انواع لیزرها را پارمترهایی از قبیل نوع محیط فعال (محیطی که عمل لیزر زایی یا به عبارتی تقویت در آنجا انجام می‌گیرد که می‌تواند جامد ، مایع و گاز نیز باشد) و نوع ساختار و شرایط فیزیکی حاکم بر آن تعیین می‌کند. لیزرها هم می‌توانند به صورت پالسی و هم پیوسته کار کنند، که بستگی به هدف و کاربردمان دارد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...9/lasermov.gif
آرایش دستگاههای لیزری

دستگاههای لیزر را محیط فعال ، آینه‌های لیزر و وسیله دمش (پمپاژ) تشکیل می‌دهند. بطور کلی ساختار یک لیزر نوعی به صورت زیر است:


آینه‌های مورد استفاده در لیزر ، با روشهای مختلف و پیشرفته لایه گذاری ساخته می‌شوند، بطوری که آینه خروجی دستگاه که باریکه لیزری از آن خارج می‌شود نیمه بازتاب و آینه اولی کاملا بازتاب کننده می‌باشد. آینه‌های لیزری به دو صورت می‌توانند روی سیستم سوار شوند:

1. آینه‌های داخلی: روی تیوپ نصب می‌شوند.
2. آینه‌های خارجی: آینه‌های خارجی دارای مزایایی بر آینه‌های داخلی هستند: در تماس با محیط خارجی فعال (بخصوص در لیزرهای گازی) فرسایش نمی‌یابند و قابلیت انعطاف بیشتری دارند.

چند نوع کاواک نوری (یا مشدد لیزری) متداول

روشهای دمش (پمپاژ) لیزری

1. دمش نوری لیزر: لامپ فلاش - نور لیزر (در لیزرهای حالت جامد به خاطر پهنای گذار تابشی)
2. دمش الکتریکی لیزر (در لیزرهای گازی)

خود دمش لیزری با طرحهای مختلفی انجام می‌گیرد. برای درک مفاهیم عمل لیزر ، لازم است که عبارات مهم نشر القایی ، تجمع معکوس و همدوسی و جهت مندی کاملا تشریح شوند.
نشر القایی

بنا به نظریه کوانتومی مدارهای الکترون (ترازهای انرژی) محدود به اندازه‌های منفصلی می‌باشند (غیر از این هم ممکن نیست) و انرژِی که هر اتم یا مولکول می‌تواند داشته باشد، به یکی از این مقادیر محدود می‌شود. به عبارت دیگر ، انرژی اتم یا مولکول و یا یون بر حسب اینکه الکترون چه مداری را اشغال کند، مقادیر منفصلی به خود می‌گیرد. به علاوه وقتی انرژی اتم با حرکت الکترون به مدارهای مجاز ، کاهش می‌یابد، فوتونی منتشر می‌شود که انرژی E∆ آن برابر اختلالف انرژی اتم در قبل و بعد از انتقال الکترون می‌باشد. این فوتون می‌تواند به صورت موجی در نظر گرفته شود که فرکانس ν آن از رابطه انیشتین E = hν بدست می‌آید، که در این رابطه h ثابت پلانک می‌باشد.

هر اتم را می‌توان بصورت مجموعه‌ای از ترازهای انرژی ممکنه در نظر گرفت که هر تراز مربوط به شکل پذیری خاص الکترون می‌باشد. پایینترین حالت انرژی را حالت پایه اتم یا مولکول گویند، که اکثرا در هر لحظه در این پایه قرار دارند. گذار اتم به ترازهای با انرژی بالاتر (ترازهای بالا) با صرف انرژی به صورت فوتون تابشی و انتقال انرژی فوتون تابشی به اتم صورت می‌گیرد. این حالت به پدیده جذب موسوم بوده و فرکانس و انرژی فوتون تابشی با رابطه انیشتین که اشاره شد بهم مربوطند.

در نتیجه جذب تابشی ، اصطلاحا گفته می‌شود اتم به حالت برانگیخته ارتقاء می‌یابد. از آنجا که تنها ترازهای گسسته انرژی وجود دارند، لذا در مورد فرکانسهایی از تابش که توسط هر ترکیب خاص جذب می‌شوند، گزینش پذیری معینی برقرار است. فرآیند معکوس جذب تابش ، نشر حاصل از تغییر اتم از یک حالت انرژی بالا به حالت انرژی پایین است. انیشتین نشان داد که در حقیقت نشر به دو طریق می‌تواند صورت بگیرد:

1. با تغییر اتم به حالت پایینتر بطور اتفاقی ، که این عمل نشر خودبخودی نامیده می‌شود.
2. اندرکنش اتم با فوتونی که دارای انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز که اتم در حالت بالایی آن قرار دارد، سبب می‌شود که اتم به سطح پایین تغییر کرده و ایجاد اتم ثانوی نماید. این عمل معکوس عمل جذب بوده و به نام نشر تحریکی یا نشر القایی شناخته می‌شود. نشر خودبخودی مستقل از هر گونه عامل خارجی می‌باشد.
   
   حال به بیان دو نقطه مهم تحریکی می‌پردازیم که خواص لیزری به آنها بستگی دارد. اول اینکه فوتون حاصل از نشر تحریکی تقریبا هم انرژی با فوتون ایجاد کننده نشر تحریکی است و از اینرو فرکانس آنها تقریبا باید مساوی باشد. ثانیا امواج نوری مربوط به این دو فوتون همفاز هستند و همدوس گفته می‌شود. در حالت نشر خودبخودی تولید اتفاقی فوتونها امواجی با فاز اتفاقی شده که نور ناهمدوس گفته می‌شوند.

تجمع معکوس

دو سیستم انرژی دو ترازی در نظر بگیرید که در یکی از آنها اتمی در حالت برانگیخته (بالا) و دیگری در حالت پایه (یایینی) باشد. فرض کنید فوتونی با انرژی برابر اختلاف بین دو تراز به این اتمها نزدیک شود. احتمال وقوع کدام یک از پدیده جذب یا نشر تحریکی بیشتر است؟ انیشتین نشان داد که تحت شرایط معمولی احتمال اتفاق هر دو پدیده یکی است. بنابراین واضح است که در سیستمی که تعداد زیادی اتم (یا مولکول) وجود دارد، پدیده غالب بستگی به تعداد نسبی اتمهای موجود در حالت بالایی و پایینی خواهد داشت.

تجمع بیشتر (یعنی تعداد اتمهای بیشتر) در تراز بالا سبب غالب بودن نشر تحریکی خواهد شد، در صورتی که اگر تعداد بیشتری اتم در تراز پایین موجود باشند، جذب بیشتر از نشر تحریکی خواهد بود. برای غالب بودن نشر تحریکی ، لازم است که به تجمع تراز بالایی افزوده شود که تجمع آن بیشتر از تجمع حالت پایین باشد، حالتی که به نام تجمع معکوس شناخته می‌شود. پس شرط اصلی لیزر زایی ، اعمال و فراهم آوردن شرایطی جهت تجمع معکوس می‌باشد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...serstation.jpg
همدوسی

همدوسی فضایی

از مشخصات تحریکی این است که امواج برانگیخته با موج برانگیزنده در یک فاز قرار دارند، یعنی تغییرات فضایی و زمانی میدان الکتریکی دو موج باهم یکسان هستند. بنابراین در یک لیزر ایده‌ال انتظار داریم که میدان الکتریکی با زمان تغییر کند، به مانند هر نقطه دیگری سطح مقطع پرتو چنین پرتوی دارای همدوس فضایی کامل است.
همدوس زمانی

همدوس زمانی به ارتباط فازی نسبی میدان الکتریکی بر حسب زمان بستگی دارد. اگر فاز بطور یکنواخت با زمان تغییر کند، پرتو از نظر همدوس زمانی کامل است. دو مقدار مفیدی که به همدوس زمانی مربوطند عبارتند از: زمان همدوسی و طول همدوسی.


برای درک این موضوع ، پرتوی را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌کنند و مجددا پس از طی مسافت مختلف آنها را باهم ترکیب می‌کنند، این فرآیند اساس وسیله‌ای به نام تداخل سنج مایکلسون است.
جهتمندی (Directionality)

یک منبع نور معمولی (مانند لامپهای تخلیه و ...) در تمام جهات دلخواه تابش می‌کند و نور حاصل از آنها جهتمند نیست. این در حالی است که خروجی یک لیزر ممکن است خیلی نزدیک به یک موج تخت باشد که واگرایی آن فقط بخاطر اثرات پراش است. خروجی یک لیزر معمولا دارای یک توزیع شدت عرضی است. برای مثال یک لیزر He - Ne که در مود اساسی خود نوسان میکند، دارای یک توزیع دامنه گوسی است:


http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...653986e7f7.png و http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...087b83c69f.png
که در آن انتشار در راستای Z بوده و کمیت http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...673c83ba95.png مشخص کننده اندازه لکه باریکه است. هر قدر که اندازه http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...673c83ba95.png بزرگ باشد واگرایی کم است. این کار با استفاده از یک سیستم ساده متشکل از دو عدسی صورت میگیرد. جهت مندی بالای باریکه لیزری ، باعث میشود که بتوان آنرا در در لکه بسیار کوچکی کانونی کرد و چنین شدتهای بالای لیزری منجر به کاربردهای فراوان در صنعت نظیر جوشکاری ، سوراخ کاری و برش کاری و ... می‌شود.
مباحث مرتبط با عنوان

• آرایش آینه‌های لیزر
• ایمنی لیزری
• تجمع معکوس
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• دمش الکتریکی لیزر
• دمش نوری لیزر
• سلاحهای لیزری
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• ماهیت نور همدوس لیزر
• میزر
• فیزیک لیزر
• لیزر
• نشر القایی
• نشر خودبخودی
• همدوسی

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
• آکتنیدها

ازمهمترین لیزرهای حالت جامد می‌توان از لیزر یاقوت که یک لیزر سه ترازی است و لیزرهای نئودنیوم (Nd:glass , Nd:YAG) می‌توان نام برد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...9/lasermov.gif
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.

الکترونهای 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.

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.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...aser-intro.jpg
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 (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...677796667a.png) و http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...0e3dbdf989.png توسط نور را می‌توان به عنوان مثال ذکر نمود. در تجزیه هالید نیتروزیل http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...0b660fe9f0.png و در تجزیه http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...0e3dbdf989.png ، http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...a1429e8a91.png برانگیخته می‌شود. http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...bd16fa184c.png 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.
مباحث مرتبط با عنوان

• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• پیدایش لیزر
• فیزیک لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر شیمیایی
• لیزر گاز دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزر یاقوت
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی

ایمنی لیزری

مقدمه

هر چند لیزرها سابقه خوبی از نظر ایمنی دارند، بسیاری از خطرات مربوط به عملیات لیزری بطور مستقیم به خود باریکه ارتباط ندارد. در واقع ، بزرگترین خطر اغلب ناشی از منبع تغذیه ولتاژ بالایی است که معمولا برای لیزرها و تجهیزات الکترواپتیکی مربوط همراه آنها بکار می‌رود. در ضمن مشخص شده که بیشتر حوادث جدی که کاربران لیزر تاکنون با آن مواجه بوده‌اند، ناشی از برق گرفتگی بوده است. اغلب خطرهای اضافی دیگری نیز وجود دارند، مانند خطرهای کار با تجهیزات سرمازایی مورد استفاده برای خنک کردن منابع پرتوان و مواردی از این قرار که با اتخاذ روشهای پیشگیرانه واضح و کاملا مدون می‌توان بیشتر چنین خطرهایی را رفع کرد. لذا بیشتر به خطرهای ناشی از تابشهای نوری همراه باریکه لیزر توجه می‌کنیم.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...aser-intro.jpg



ایمنی باریکه لیزری

بیشتر لیزرها تابشی گسیل می‌دارند که با احتمال خطر همراه است. درجه خطرناکی بستگی به مشخصات خروجی لیزر ، طریق استفاده از آن و تجربه فردی که با آن کار می‌کند، دارد. روشی که تابش لیزر ایجاد صدمه می‌نماید، شبیه به همه دستگاههای بیولوژیکی است و با فرآیندهای حرارتی ، صوتی - حرارتی و شیمیایی - نوری همراه است. درجه‌ای که هر یک از این مکانیسمها باعث خسارت می‌شود، بستگی به مشخصات چشمه لیزر مانند طول موج ، زمان پالس ، توان و اندازه تصویر و چگالی انرژی دارد. اولین عامل صدمه ، جذب تابش توسط سیستم بیولوژیکی است. جذب در تراز اتم و یا مولکول است و بنابراین به طول موج بستگی دارد. بنابراین در مرحله اول این طول موج لیزر است که تعیین می‌کند بافت آسیب پذیر کدام است.

بطور کلی ، ارتباط بین مکانیزم خسارت به دلیل در معرض نور قرار گرفتن بسیار پیچیده می‌باشد. احتمال ورود باریکه موازی شده لیزر ، هم بطور مستقیم و هم در اثر بازتاب به درون چشم ، بزرگترین عامل نگرانی است. بسته به طول موج ، شدت و زمان قرار گرفتن چشم در معرض باریکه ، انواع آسیبهای مختلف می‌تواند به چشم وارد شود. مکانیسم دقیق آسیب دیدن بافتها در نواحی زیر قرمز و مرئی ناشی از آثار گرمایی یا حتی در بعضی موارد به علت ضربه‌های فوتوآکوستیکی است. در حالیکه در فرابنفش ، آسیب در اثر فرآیندهای نور شیمیایی آغاز می‌شود.

با توجه به اینکه اکثر تابشهای لیزر در فرابنفش یا زیر قرمز قرار دارند، به دلیل نامرئی بودن نور احتمال آسیب دیدگی تصادفی چشم زیاد است. چنین تابشی روی شبکیه متمرکز نمی‌شود، بلکه قرنیه و عدسی آنرا جذب می‌کنند و این باعث آسیب می‌شود. در حالیکه تابش در ناحیه مرئی و نزدیک مادون قرمز ، باعث صدمه به شبکیه می‌شود. به بیان عمومی ، پوست بیشتر از چشم می‌تواند مورد تابش قرار گیرد، که در این مورد میزان خسارت به طول موج و به خصوص به تابش ماورا بنفش بستگی دارد. هر سازمانی که از لیزرها استفاده می‌کند باید که ایمنی تجربه را ارائه کند که بایستی براساس دسته بندی لیزرها باشد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ea/laser02.jpg
دسته بندی لیزر بر اساس "Bss4803"

کلاس1

توان خروجی به قدری کم است که ذاتا ایمن است.
کلاس2

چنین لیزرهایی در قسمت مرئی بیناب کار می‌کنند و توان خروجی آن 1mW (میلی ولت) محدود برای کارکرد به صورت مداوم (Cw) می‌شود. چنین لیزرهایی ذاتا ایمن نیستند. اما بعضی محافظهای چشمی توسط عکس‌العمل طبیعی چشم ، مانند عکس‌العمل پلکها وجود دارد. خطرات را می‌توان با مراحل نسبتا ساده‌ای کنترل نمود.
کلاس 3A

این لیزرها در قسمت مرئی بیناب (400nm - 700nm) کار می‌کنند و خروجی آنها به 5mW برای عمل به صورت مداوم (CW) می‌باشد. بعضی از حفاظها از طریق عکس‌العمل ذاتی صورت می‌گیرد. نگاه کردن مستقیم به کمک تجهیزات نوری ممکن است خطرناک باشد.
کلاس 3B

این لیزرها در قسمتی از طیف الکترومغناطیسی بین طول موجهای 200nm تا 1mm، عمل می‌کنند. توان خروجی آنها 500mW برای عملکرد مداوم (CW) است. نگاه کردن مستقیم به آن زیانبار است و باید از آن پرهیز شود. بازتابهای مستقیم ممکن است خطرناک باشد. اما بازتابهای پخش شده عموما خطرناک نیستند. در هیچ شرایطی باریکه نور بوسیله تجهیزات نوری نباید دیده شود. کنترل بیشتر و دقیقتر در اندازه‌ گیریها ضروری است.
کلاس 4

این لیزرها هم در طول موجهای ناحیه 200nm و هم در 1mm کار می‌کنند و توان خروجی آنها از 500mW تجاوز می‌کند. نه تنها مشاهده مستقیم باریکه ، بازتابهای مستقیم آن خطرناک است در بعضی از شرایط مشاهده بازتابهای پخش شده نیز برای چشم مضر است. به علاوه احتمال خطر برای پوست ، در اثر تابش مستقیم لیزر و بازتابهای غیر مستقیم مرتبه اول نیز وجود دارد. باریکه چنین لیزرهایی قادر به ایجاد شعله در مواد است، لذا باید احتمال خطر و آتش سوزی را کاهش داد. استفاده از لیزرهای کلاس 4 احتیاج به احتیاط بسیار زیاد برای ایمنی هم برای کاربر و هم برای پرسنل دیگر دارد. در صورت امکان باید سیستم کلا جدا باشد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...9/lasermov.gif
احتیاطهای ایمنی

استفاده ایمن لیزرها غالبا با تهیه قفلهای داخلی و چراغ اخطار در درهای ورودی اتاقها ، جائیکه لیزرها مورد استفاده قرار می‌گیرند، به همراه متوقف کننده پرتو و ایجاد حصار همراه است. موادی که پخش کننده بازتاب هستند، باید حتی‌الامکان بکار برده شوند. عینکهای محافظ چشم خاص برای ناحیه طول موجهای به خصوص استفاده شوند.
مباحث مرتبط با عنوان

• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• ایمنی لیزری
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• سلاحهای لیزری
• طیف سنجی جرمی با لیزر
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• پیدایش لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر گاز دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزر یاقوت
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی
• همدوسی
• ماهیت نور همدوس لیزر
• کاربرد پزشکی لیزر
• کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی
• کاربرد لیزر در هولوگرافی
• کاربرد لیزر در مصارف نظامی

تمام نگاری

نگاه اجمالی

واژه holography ریشه یونانی دارد و در اصل به معنی"تصویر سراسری" است، که معادل فارسی آن را تمام نگاری گفته‌اند که نتیجه عمل تمام نگاشتها است. تمام نگاشتها انواع بسیار متفاوتی دارند، ولی جملگی در یک ویژگی شاخص مشترکند و آن این است، تصویرهای واقعی سه بعدی اجسام اصلی را باز آفرینی می‌کنند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...phy-record.png
تاریخچه

مبحث تمام نگاری در سال 1947 با ابتکار عمل دیش گابور کشف شد. وی در سال 1971 جایزه نوبل در فزیک را دریافت کرد. در اوایل دهه 1960 امت لایث (Emet - Lais) و جوریس پویا تنیکس ( Joris -yopatniks) از ایلات متحده آمریکا و جود نیس یوک (u - ***** - yok) از روسیه بطور مستقل از یکدیگر روشهای دیگر را برای بهره گیری از نور لیزر در ساختن تمام نگاشتها کشف کردند.
تمام نگاشت چیست؟

دو یا چند باریکه نور که از چشمه لیزر یکسانی سرچشمه می‌گیرند، تنشهایی تداخلی می‌سازند و تمام نگاشت محیطی حساس نسبت به نور ( قبل امولسیون عکاسی) است که این نقش را روی خودش ثبت می‌کنند. در طرح متداول ساخت تمام نگاشت، باریکه‌ای لیزری با استفاده از آینه نیم بازتابنده به دو باریکه تقسیم می‌شود. یکی از باریکه‌ها پس از گستره شدن بوسیله عدسی یا آینه خمیده ، یه سمت لایه امولسیون که روی یک سطح شیشه‌ای قرار دارد تابانده می‌شود. این باریکه مربع را (R) می‌گویند.

بقیه نور گسترده می‌شود تا به جسم سه بعدی که می‌خواهیم تصویر آنرا تشکیل دهیم، تابانده شود. نوری را که از جسم پراکنده می‌شود به سمت صفحه عکاسی می‌رود، باریکه جسم (O) می‌گویند. نظر به اینکه تمام پرتوهای نور از یک چشمه لیزر می‌آیند، دو باریکه نسبت به هم همدوس هستند و نقشهای تداخلی مشخصی را بوجود می‌آورند.
نحوه ایجاد تمام نگاشت

برای درک بهتر این فرآیند ، ابتدا ساده‌ترین جسم یعنی یک نقطه در فضا در نظر بگیرید که در فاصله زیادی از صفحه عکاسی قرار گرفته‌اند و تحت زاویه 90ْ نسبت به یکدیگر باهم تداخل می‌کنند. نقش تداخلی ایجاد شده ، دقیقا همانند نقش تداخلی حاصل از دو شکاف یانگ برای حالتی است که فاصله بین فریزها بسیار زیاد باشد. تمام نگاشتی که تحت تابش قرار گرفته و ظاهر شده است، توری پراشی است با d = λ (برابر با طول موج) که در آن d فاصله بین فریزها و λ طول موج نور است.

نور لیزر که از نقطه R می‌آید تمام نگاشت را روشن می‌کند. نور پراشیده بنابر معادله mλ = d SinΘ به ازای زاویه Θ = 90ْ بدست می‌دهد. پراش مرتبه‌های بالاتر ممکن نیست به این ترتیب تمام نور پراشیده شده تصویر مجازی از O بوجود می‌آورد. اگر پرتوها به سمت عقب و بسوی R جهت داده شوند (′R .(O نیز بسوی عقب بازسازی می‌شود، اگر پرده‌ای حل ′O قرار گیرد، تصویر حقیقی جسم را نشان خواهد داد.
تمام نگاشت تراگسیلی

اگر بجای نقطه O یک جسم سه بعدی که با نور لیزر روشن شده است قرار دهیم، باریکه جسم O در این حالت از مجموعه وسیعی از چشمه‌های نقطه‌ای تشکیل می‌شود که نشان دهنده نقاط پراکندگی جسم است. اکنون آنچه روی صفحه عکاسی ثبت می‌شود، برهمنهی از توریهای پراش خواهد بود. در صورتی که این صفحه را به کمک R یا ′R روشن کنیم به ترتیب ، تصویر مجازی یا حقیقی از جسم را می‌توان مشاهده کرد. حاصل ثبت تصویر به روش بالا را تمام نگاشت تراگسیلی می‌نامند.

این تمام نگاشت دارای این خاصیت که هر قسمت کوچکی از آن می‌تواند تصویر کامل جسم را بازسازی کنند. این موضوع را می‌توان با تشخیص این نکته که هر مساحت کوچکی از تمام نگاشت خود تمام نگاشت کوچکتری است درک کرد.
ساخت تمام نگاشتهای ساده

• نور لیزر هلیوم - نئونی با توان 1 تا 5 میلی وات به کمک آینه کاری ، که سطح جلوی آن نقره اندود شده پخش می‌شود. قسمتی از نور مستقیما به صفحه عکاسی می‌رسد باریکه مرجع را تشکیل می‌دهد. که در اینجا R همان کانون آینه است. قسمت دیگری از نور ، جسم مورد نظر را روشن می‌کند و پس از پراکندگی از آن به صفحه عکاسی می‌رسد و باریکه جسم را تشکیل می‌دهد. صفحه عکاسی و جسم را روی صفحه فولادی قرار داده که خود آن روی تیوب لاستیک باد شده‌ای مستقر شده است تا ارتعاشات مکانیکی را از زیر جذب کند.
  
  تمام اجزای این آزمایش ، به کمک آهنربا یا بوسیله چسب سر جای خود ثابت نگه داشته می‌شوند. این کار ضروری است زیرا در خلال نور دهی که ممکن است چندین ثانیه طول بکشد، هر حرکت نسبی جسم و صفحه عکاسی سبب محو شدن آن نقشهای تداخلی میکروسکوپیکی که در حال ثبت شدن است می‌شود و کار بی‌نتیجه می‌ماند. در حالت کلی برای روشن کردن صفحه‌های بزرگ به صورتی هنرمندانه یا مقیدتر ، به تجهیزات نوری بسیار مفصلتری نیاز است.
• با بهره گیری از لیزر یاقوتی ، که می‌تواند بیش از 1 ژول انرژی نوری را در زمانی کوتاهتر از 20 نانو ثانیه گسیل دارد. می‌توان تمام نگاشتی از توده‌ای از اجسام متحرک مانند اشخاص زنده ، را تهیه کرد. زمان نور دهی بسیار کوتاه ، امکام ثبت نقشهای تداخلی را بدون محو شدگی بدست می‌آورد. واضح است که در این موارد ، اقدامات احتیاطی لازم جهت محافظت از چشم اشخاص باید صورت بگیرد. توجه کنید که در اینجا جسم در تماس با صفحه عکاسی و در طرف مقابل نور مرجع R قرار دارد.
  
  نظر به اینکه تمام نگاشت ، تمام نگاشت حجمی است، فاصله میان صفحات براگ منجر به تعیین طول موج بازسازی شده می‌شود. اگر از انبساط و انقباض امولسیون در مراحل عملیاتی جلوگیری کنیم، تصویر بازسازی به کمک نور سفید ، به رنگ نور لیزری خواهد بود که هنگام ثبت مورد استفاده قرار گرفته است. با استفاده از امولسیونی که نسبت به طول موجهای سرخ ، سبز و آبی حساس شده باشد می‌توان به تصاویر تمام رنگی است را که بطور شگفت آوری واقعی هستند.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...econstruct.png
انواع تمام نگاشت

گونه‌های ترکیبی فراوانی از تمام نگاشتهای تراگسلی بازتابی وجود دارد. متداولترین نوع تمام نگاشت آنهایی هستند که برای مقاصد امنیتی ، مانند مورد کاستهای اعتباری ، بکار گرفته می‌شوند. اینگونه تمام نگشاتها در واقع نگاشتهای تراگسیلی هستند که روی سطحی بازتابان برجسته کاری شده‌اند و معمولا در این نوع تمام نگاشتها از اختلاف نظر قائم صرف نظر می‌شود.

• نوع دیگری از تمام نگاشتهای رایج ، تمام نگاشت انتگرالی است. این نوع تمام نگاشت با استفاده ا از ترکیب تعدادی تصویرهای دو بعدی (مانند عکس ، تصویرهای گرافیکی رایانه‌ای) بطور مصنوعی ساخته می‌شود.

کاربردها

علاوه بر موارد استفاده آشکار تمام نگاری در هنر و تولید تصویر در کنار استفاده فرعی آن در امور امنیتی ، سه زمینه اصلی کاربرد آن به شرح زیر است:
ذخیره اطلاعات

وقتی ′R به سوی 1mm2 از تمام نگاشت تراگسیلی تابانده شود. تصویر حاوی هشت مگابیت اطلاعات با سرعت نور روی پرده تصویر (صفحه عکاسی) پدید می‌آید. در فاصله 30 سانتیمتری بین تمام نگاشت و پرده تصویر ، این مقدار اطلاعات در حکم تخلیه یک مگا بایت اطالاعات در هر نانو ثانیه است! به لحاظ نظری ، هر مکعبی به حجم λ3 می‌تواند مقدار یک اطلاعات تمام نگاشتی را در خود ذخیره کند.

به این ترتیب ، تمام نگاشتی با حجم 1Cm3 می‌تواند مقدار یک ترابایت (1012 بایت) اطلاعات در خود ذخیره کند که بدون استفاده از سیم در فضا قابل انتقال است (اتصال در فضای تهی)، این توانایی امروزه در آزمایشگاه به نمایش گذاشته می‌شود. با بهره‌گیری از بلورهای مصنوعی خارق العاده ، این سیستم حافظه تمام نگاشتی می‌تواند بخواند و بنویسد. به این ترتیب ، تمام نگاشتها در رایانه‌های اپتیکی که در آینده نزدیک وارد عرصه فعالیت می‌شوند، نقش پیشگامانه بر عهده خواهند داشت.
عناصر اپتیکی تمام نگاشتی (HOE)

تمام نگاشتها را می‌توان چنان ساخت که مانند عدسی و یا اینکه عمل کنند. به علاوه اپتیک تمام نگاشتی را می‌توان بوسیله رایانه چنان طراحی کرد که انجام عملیاتی که در اپتیک استاندارد غیر ممکن است امکان پذیر شود. در حال حاضر تراشه‌های الکترواپتیکی که در آنها الکترونیک با لیزرهای میکروسکوبیکی و تارهای نوری و تمام نگاری طراحی شده با رایانه ترکیب شده است، فعالانه مورد مطالعه هستند.

توانمندی ذاتی اپتیک در پردازش موازی ، برای برطرف کردن مشکل تراکم ورودی - خروجی که هم اکنون در رایانه‌های الکترونیکی وجود دارد، کمک خواهد کرد. علاوه بر رایانه عناصر اپتیکی تمام نگاشتی بطور موفقیت آمیزی در روبش ، صفحه نمایش سر بالا (پنجره شفافی که از طریق آن یک راننده می‌تواند همینطور که سرش بالاست و به جلو نگاه می‌کند اطلاعات مورد نیازش را بخواند و در ابزارهای گوناگون پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است.)
تداخل سنجی

درست به همان ترتیبی که آلبرت مایکسون با بهره گیری از تداخل سنجی قادر بود طول متر را با بیشترین دقت تعیین کند، تداخل سنجی تمام نگاشتی (تمام سنجی) را نیز می‌توان برای اندازه گیری سه بعدی با دقت بسیار زیاد مورد استفاده قرار داد. این به این صورت امکان پذیر است که از تمام نگاشت نگاه کنیم و بطور همزمان تصویر مجازی ذخیره شده و جسم حقیقی را مشاده کنیم. تصویر مجازی ، در زمان حقیقی با نور پراکنده شده از جسم حقیقی تداخل می‌کند و اختلاف دما را به کمک فریزهای زنده نشان می‌دهد.
مباحث مرتبط با عنوان

• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• فیزیک لیزر
• همدوسی
• ماهیت نور همدوس لیزر
• کاربرد لیزر در هولوگرافی

خواص نور لیزر


مقدمه

لیزر این نور شگفت از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر ، آنرا از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر ، به خواص مشخصه آن پی برده شد. و ما بصورتی گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده ، در علوم مختلف بخصوص صنعت و پزشکی و ... ایجاد کرده است. به جرأت می‌توان گفت پیشرفت علوم بدون تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../f/f1/demo.jpg
پهنای باریکه

از آنجا که نشر القایی ، فوتونهایی را با راستای انتشار دقیقا یکسان تولید می‌کند، استفاده از پیکربندی آینه انتهایی به تقویت گزینشی باریکه محوری که تنها قطری در حدود 1mm دارد منجر می‌شود. بدین ترتیب لیزر ، باریکه‌ای نازک و اساس موازی از نور را که معمولا دارای توزیع گاوسی از شدت است، از آینه خروجی به بیرون منتشر می‌کند. زاویه واگرایی باریکه لیزر مقداری در حدود 1mrad است، که در فاصله یک کیلومتری ، تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن می‌کند.

هر چند که میزان واگرایی باریکه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجی تعیین می ود، ولی به ازا اپتیکی مناسب می توان همین واگرایی اندک را به مقدار زیادی تصحیح کرد. شدت زیاد، خاصیتی است که بیش از سایر موارد همراه نور لیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدتهای روی زمین ایجاد می‌کنند. از آنجا که لیزر باریکه‌ای اصولا موازی از نور را نه در تمام جهتها بلکه در راستای مشخصی نشر می‌کند، مناسبترین معیار شدت ، تابیدگی است. توان: انرژی در واحد زمان.

سطح/توان = I تابیدگی

در این اینجا منظور از توان ، توان خروجی لیزر است، نه توان ورودی به آن. با متمرکز کردن باریکه تا رسیدن به حد پراش ناشی از ابزار اپتیکی متمرکز کننده می‌توان تابیدگی را افزایش داد. به عنوان یک اصل کلی ، حداقل شعاع باریکه متمرکز شده قابل قیاس با طول موج می‌باشد. خروجی لیزرها که دارای یک توزیع گوسی از شدت می‌باشد، ماکزیمم شدت (قله یا پیک) تنها برای زمان بسیار کوتاهی قابل حصول است. و این شدت ماکزیمم (پیک) حاصل از یک لیزر تپی بطور وارون با مدت تپ متناسب است، روشها گوناگونی برای کاستن از طول تپ وجود دارد تا شدت آن افزایش یابد.
همدوسی

همدوسی خاصیتی است که به بهترین وجه نور لیزر را از سایر انواع نور متمایز می‌کند و باز هم این خاصیت ، نتیجه ماهیت فرآیند نشر القایی است. نور حاصل از منابع معمولی که توسط نشر خود به خودی کار می‌کنند، به نور غیر همدوس آشفته موسم است. در این موارد ، هیچ همبستگی بین فاز فوتونهای گوناگون وجود ندارد و در اثر تداخلهای اساسا تصادفی بین آنها ، افت و خیز محسوسی در شدت پدید می‌آید. در مقابل در لیزر ، فوتونهایی که توسط محیط برانگیخته لیزر نشر می‌شوند، با سایر فوتونهای موجود در حفره ، همفازند.

مقیاس زمانی که طی آن همبستگی فاز برقرار می‌ماند، به عنوان زمان همدوسی شناخته می‌شود. بنابراین دو نقطه در طول باریکه لیزر به فاصله‌ای کمتر از طول همدوسی ، باید فاز مرتبطی داشته باشند. طول همدوسی برای انواع مختلف لیزر متفاوت است. مهمترین کاربرد همدوسی لیزری تمام نگاری (هولوگرافی) است، که روش برای تهیه تصاویر سه بعدی به شمار می رود.
تکفامی

مشخصه بارز نور لیزر و خاصیتی که بیشترین ارتباط را با کاربردهای شیمیایی دارد، تکفامی اساسی آن است. این خاصیت از این حقیقت منشأ می‌گیرند که تمام فوتونها در اثر گذار بین دو تراز انرژی اتمی یا مولکولی مشابه ، نشر می‌شوند و بنابراین تقریبا فرکانسهای دقیقا یکسانی دارند. تعداد کمی از فرکانسها با فواصل اندک از یکدیگر ، ممکن است در عمل لیزر حضور داشته باشند، بطورری که برای رسیدن به تکفامی بهینه باید وسیله اضافی دیگری را برای گزینش فرکانس لیزر تعبیه کرد. معمولا برای این کار از یک نسخه استفاده می‌شود که عنصری اپتیکی است که درون حفره لیزر قرار می‌گیرد و به گونه‌ای تنظیم می‌شود، که تنها یک طول موج معین بتواند بین دو آینه انتهایی ، بطور نامتناهی به جلو و عقب حرکت کند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...-war-laser.jpg
کاربردهای مهم پهنای کم باریکه

در صنعت سازه مثلا در حفر تونلها دریابی و فاصله‌ یابی و نظارت بر آلودگی اتمسفر (امکان نظرات بر گازهای خروج از دودکش کارخانه‌ها ، با تجزیه و تحلیل نور پراکنده از روی سطح زمین امکان پذیر است.
کاربرد لیزر بر اساس شدتهای زیاد

برش و جوشکاری با لیزر ، صنعت هوافضا و نساجی ، جراحی چشم و جراحیهای دیگر، مزایای بسیار زیادی برای استفاده از لیزر در چپنین جراحیهایی وجود دارد، روش لیزری تخریبی نیست و نیازی به بیهوشی ندارد و با توجه به مدت زمان کوتاه تپها ، نیازی به بی حرکت نگهداری طولانی عضو نیست.
کاربرد همدوس لیزر

هولوگرافی (تمام نگاری) ، که از خود این روش درست قطعات خودرو تأسیسات ، ترکیدگی داخلی لاستیکهای هواپیما ، فشرده سازی اطلاعات (اعم از تصاویر و متن و ...) و بازسازی اطلاعات.
کاربرد تکفامی نور لیزری

جداسازی ایزوتوپها ، صنایع هسته‌ای.
مباحث مرتبط با عنوان

• میزر
• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• ایمنی لیزری
• تمام نگاری
• سلاحهای لیزری
• طیف سنجی جرمی با لیزر
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• پیدایش لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر گاز دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزر یاقوت
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی
• همدوسی
• ماهیت نور همدوس لیزر
• کاربرد پزشکی لیزر
• کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی
• کاربرد لیزر در هولوگرافی
• کاربرد لیزر در مصارف نظامی

طیف سنجی جرمی با لیزر







http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...99/msmat95.jpg نوعی طیف سنج جرمی
نگاه کلی

بعد از اینکه دانشمندان توانستند عمل یونیزاسیون را توسط لیزر انجام دهند، با تلفیق این روش با طیف سنجی‌ جرمی توانستند با تبخیر نمونه و ایجاد یون ، از طریق طیف‌سنجی قادر به شناسایی یونهای ایجاد شده گردند. در روش طیف‌سنجی جرمی از یک منبع لیزر ضربانی با شدت زیاد برای تبخیر و یونش مقدار کمی از جسم جامد استفاده می‌شود. سپس یونهای مولکولی و عنصری توسط یک طیف سنج جرمی ، مجهز به تحلیلگر زمان پرواز مورد تجزیه قرار می‌گیرد. حساسیت بالا ، سرعت زیاد در کاربرد در زمینه تجزیه مواد آلی و معدنی از مزایای این روش می‌باشد.

در روش طیف‌سنجی جرمی لیزری یونهای فراوانی را می‌توان با استفاده از یک لیزر ضربانی با عمر ضربه زیاد بدست آورد. این یونها دارای انرژی جنبشی متفاوت هستند، بطوری که یک تجزیه جرمی موفق ، به دستگاههای تمرکز دهنده مضاعف همراه با عبور طیف جرمی خیلی کم بستگی دارد.
تاریخچه

اولین مطالعات راجع به سیستم لیزر به کار رفته در طیف سنجی جرمی لیزری درسال 1963 توسط "هانینگ" گزارش شد. در این روش از یک لیزر ضربانی یاقوت با قطر پرتو 150µm و عمر ضربه 50µs به همراه یک طیف‌سنج جرمی با تمرکز دهنده مضاعف استفاده شده بود. با مطالعات فراوان روی کاهش عمر ضربات لیزر و کاهش قطر نقاط متمرکز درسال 1966 اولین استفاده حقیقی از طیف سنج جرمی لیزری ، با استفاده از یک لیزر یاقوت با طول ضربانهایی درحدود نانوثانیه و قطر پرتو در حدود 20µm ، گزارش شد.

"هایلن کامپ" و همکارانش در سال 1975 با استفاده از تمرکز دهنده‌های مخصوص ، قطر پرتو لیزر را به 0.5µm رساندند. با این روش حد تشخیص 0.2ppm برای لیتیم روی سطح نازکی ( 1µm - 0.1 ) از رزین اپوکسی بدست آمد. توسعه بعدی در این زمینه توسط "خزورنگ" و همکارانش درسال 1978 صورت گرفت. ایشان با استفاده از یک بازتابشگر یون ( تمرکر دهنده زمانی ) در یک طیف‌سنجی جرمی زمان پرواز ، درجه تفکیک جرم را افزایش دادند.
روشهای طیف سنجی جرمی با لیزر

در چندین سال اخیر ، توجه زیادی در میان دانشمندان شیمی تجزیه‌ای به دو شاخه جدید در طیف‌سنج جرمی لیزری معطوف شده است.
روشهای چند فوتونی

این روش شامل برهمکنش مستقیم بین فوتونهای تابش لیزر با مولکولها ، اتمها و یونها در فاز گاز می‌باشد و خود شامل دو روش می‌باشد:

• یونیزاسیون: یونیزاسیون چندفوتونی که ممکن است رزونانسی یا غیر رزونانسی باشد و برای تجزیه عنصری در حساسیت‌های بالا بکار می‌رود.
• تفکیک نوری: این روشها شامل جهش‌های الکترونی هستند و برای اتمها یا مولکولهای خاصی گزینش پذیری دارند.

روشهای دفع سطحی

این روش شامل برهمکنش پرتو لیزر با نمونه در فاز جامد می‌باشد که بدین وسیله یونهای مولکولی و تکه‌های ساختاری مهم از مولکولهای پیچیده ، فرار و بسیار بزرگ تولید می‌شوند. بطور کلی حالتهای مختلفی برای ایجاد یون از جسم جامد بکار برده می‌شوند که از همه مهمتر روش دفع سطحی با لیزر و تبخیر با لیزر می‌باشد.
طیف‌سنجی جرمی رزونانس - یونیزاسیون

برای متخصصان طیف‌سنجی روشهای چند فوتونی امکان مطالعه جهش‌های الکترونی در مولکولهای خنثی را فراهم می‌سازد. یونیزاسیون چند فوتونی حساسیت طیف‌های جذبی جهش‌های غیر مجاز را افزایش می‌دهد. روشهای رزونانسی بازده زیادی از نظر یونیزاسیون داشته و از گزینش پذیری بالایی برخوردارند، درحالیکه یونیزاسیون غیررزونانسی حساسیت و گزینش پذیری کمتری داشته و تکه‌های کمتری ایجاد می‌کند.

با استفاده از روش یونیزاسیون رزونانسی طیف‌سنجی جرمی می‌توان فراوانی ایزوتوپی عناصر را حتی در غلظتهای بسیار کم و یا در حضور مزاحمتهای ایزوباری حذف نمود. تکنیکهای رزونانس - یونیزاسیون بر مبنای برانگیختن نوری الکترونها در اتمهای آزاد (حالت گازی) پایه‌ریزی شده است. در این روش تعداد الکترونهای آزادی که در مرحله برانگیختگی یونی ایجاد می‌شود، می‌تواند افزایش یافته ، توسط یک شمارشگر نسبی گازی تشخیص داده شود.
زمان تجزیه

مهمترین مزیت طیف‌سنجی جرمی با لیزر ، توانایی این روش در تجزیه بسیار سریع و فوق‌العاده مواد آلی و معدنی موجود در مقدار اندکی از نمونه است. در فاصله چند دقیقه بعد از برقراری خلأ ، بعد از انتخاب سطح تجزیه‌ای ، نمونه تجزیه شده ، طیف حاصله به کامپیوتر منتقل می‌گردد.
مزایای روش

مزایای عمده یونیزاسیون و طیف‌سنجی جرمی با لیزر ، قابل تغییر بودن قدرت لیزر برای ایجاد محدوده‌ای از شرایط یونیزاسیون می‌باشد. یکی از خصوصیات جالب این روش ، توانایی آن در ایجاد پیکهای اصلی از بسیاری از ترکیبات غیر فرار با وزن مولکولی بالاست که امکان دیدن آنها با طیف‌سنجهای جرمی معمولی وجود ندارد.
مزاحمتها

دو نوع مزاحمت در این روش وجود دارد.

• مزاحمتهای طیفی ناشی از تفکیک جرمی محدودی است که اغلب برای تشخیص تکه‌های عنصری و مولکولی ممکن کافی نیست.
• مزاحمتهای شیمیایی همواره به خاطر اثرات زمینه مقادیر بسیار کم ناخالصیها بوجود می‌آیند.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../c/c1/hplc.jpg نوعی دگیر از انواع طیف سنج جرمی
حد تشخیص

روشهای طیف سنجی جرمی لیزری در زمره حساس‌ترین روشها برای تجزیه مقادیر کم به حساب می‌آید. حد تشخیص در حدود 20-10 تا 8-10 می‌باشد، ولی از لحاظ تکرار پذیری این روش دقت خوبی ندارد و این ، به علت تغییرات (در چگالی پرتو) تابیده شده به نمونه می‌باشد.
کاربردها

• تجزیه کیفی و نیمه کیفی برای تشخیص و حدس درباره زمینه و عناصر با مقادیر بسیار کم نمونه
• به عنوان وسیله‌ای برای دنبال کردن تغییرات ناشی از عوامل خارجی در ساختار نمونه
• به عنوان وسیله‌ای برای تشخیص ( اثر انگشت خاص ) ، یک نمونه
• برای حصول اطلاعات مربوط به اجزای مولکولی موجود
• به عنوان وسیله‌ای برای ترسیم ساختار شیمیایی نمونه‌های ناهمگن

این روش در تجزیه فلزات به منظور تعیین کربن و اکسیژن و نیتروژن آنها بکار می‌رود. در اندازه گیری ایزوتوپی ، عناصری مانند اورانیوم و پلوتونیوم استفاده می‌شود. برای تعیین ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا در ریز بلورها استفاده می‌شود. دسته زیادی از ترکیبات معدنی شامل غیرفلزات ، فلزات ، اکسیدهای فلزی و نمکها و کمپلکسها و همچنین پلیمرها توسط روش دفع سطحی با لیزر ، طیف‌سنجی جرمی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.
مباحث مرتبط باعنوان

• آرایشهای لیزری
• اصول کار لیزر
• انواع لیزر
• ایمنی لیزری
• تمام نگاری
• خواص نور لیزر
• سلاحهای لیزری
• طیف سنجی جرمی با لیزر
• فاصله یاب لیزری
• فیزیک لیزر
• پیدایش لیزر
• لیزر الکترون آزاد
• لیزر دی اکسید کربن
• لیزر گاز دی اکسید کربن
• لیزر نیم رسانا
• لیزر هلیوم - نئون
• لیزر یاقوت
• لیزرهای حالت جامد
• لیزرهای دیودی
• لیزرهای گازی
• میزر
• همدوسی
• ماهیت نور همدوس لیزر
• کاربرد پزشکی لیزر
• کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی
• کاربرد لیزر در هولوگرافی
• کاربرد لیزر در مصارف نظامی

فاصله یاب لیزری

ریشه لغوی

لیزر در واقع حروف اول عبارت: Light Amplification by Stimulation Emission Of Radiation به معنای تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش می‌باشد.
http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../laser_war.jpg
دید کلی

کاربردهای نظامی لیزر همواره رقم سنگینی را در تولید سیستمهای لیزری به خود اختصاص داده است. یکی از مهمترین کاربردهایی که امروزه در زمینه‌های نظامی وجود دارد فاصله یاب لیزری است. توانایی لیزر در تعیین موقعیت هدف با دقت بالا و سرعت بالا غیر قابل انکار است. لیزرها به علت داشتن واگرایی کم بعد از طی مسافت زیاد به عنوان فاصله یاب مورد استفاده قرار می‌گیرند. اینک وضعیت به گونه‌ای است که هر هواپیمای جنگی که برای ضربه زدن به هدفهای زمینی از روش فرود و خیز استفاده می‌کنند، شانس زیادی به مصون ماندن در مقابل موشکهای زمین به هوای پیچیده پدافند موجود در اکثر نیروهای مسلح دنیا ندارد. در اینجا می‌خواهیم بطور ساده ساز و کار فاصله یاب لیزری و استفاده آن صحبت کنیم.
مسیر تحولی در رشد

تکنولوژی نبرد مدرن تانک از جنگ جهانی دوم به این طرف تا چنان حدی پیشرفت کرده است که اینک رای بر کمال مطلوب برای تانکها اختصاص اولین ضربه به خود و تخریب ماشین زرهی دشمن پیش از امکان واکنش آن است. بیشتر حملات آمریکائیها در ویتنام شمالی با استفاده از سلاحهای هدایت شده با لیزر صورت گرفت و کارایی آن بسیار خوب بود. در آن زمان از بمبهای معمولی دستکاری شده که با کلاهکهای جستجو گر لیزری مجهز شده بود استفاده شد. این توانایی اندازه گیری سریع و دقیق که با جدیت بسیار در دستگاههای مسافت یاب و هدف یاب مورد استفاده قرار می‌گیرند، اکنون بر روی هواپیماهای جنگی نظیر هاریر (Harriers) و جگوار ( Jagvars of R.A.F (Royal Air Craft Force قرار داده می‌شوند.
نقش در زندگی

لیزرهای فاصله یاب معمولا کاربرد نظامی دارند. اینک از لیزرها به عنوان ضد موشک و برد و هدایت اسلحه و ... استفاده می‌شود. هواپیماهای جنگی برای مصون ماندن از پدافندهای مجهز به لیزر باید در ارتفاع کم و با سرعت زیاد حرکت کنند، لذا خلبان ممکن است فقط چند ثانیه برای پیدا کردن هدف ، نشانه گیری و انداختن مهمات خود دقت داشته باشد. با یک لیزر خوب این کار می‌تواند تقریبا بطور آنی با اندازه گیری فاصله زمانی بین روشن کردن لیزر و آشکار ساختن تابش برگشتی پراکنده از هدف انجام گیرد. بنابراین حتی در سرعتهای خیلی زیاد هواپیماهای مدرن ، اگر لیزر به خوبی خنک سازی شود اندازه گیری فاصله می‌تواند 10 تا 20 بار در ثانیه انجام شود.
بنابراین آخرین اطلاعات را به مقدار کافی در اختیار خلبان یا کامپیوتر قرار می‌دهند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../a2/radyab.JPG
طرز کار

طرز کار فاصله یاب لیزری براساس همان اصولی است که د ر رادارهای معمولی بکار می‌رود. یک تپ لیزری YAG و یا CO2 به هدفی که نشانه روی شده است ارسال می‌شود. پس تپ ارسالی به هدف خورده باز می‌گردد و سپس توسط یک سیستم مناسب گیرنده نوری آشکار می‌شود. فاصله مورد نظر با تعیین مدت زمانی که طول می‌کشد تا تپ ارسالی مسیر رفت و برگشت را طی کند، بدست می‌آید. طرح کلی یک فاصله یاب Nd: YAG متشکل از فرستنده (لیزر) ، گیرنده و دوربین است. پس با ارسال تپ ارسالی به هدف ، نور پراکنده شده از هدف توسط عدسیهای L1 و L2 روی یک آشکار ساز تمرکز یافته و یک سیگنال الکتریکی حاصل می‌شود. اگر لحظه t0 تپ لیزری از سیستم به سمت هدف ارسال شود و سیگنال بازگشتی در لحظه t1 آشکار شود، با توجه به اینکه نور با سرعت C در مدت زمان t1 - t0 فاصله 2x (رفت و بازگشت سیگنال) را پیموده است، فاصله x بدست می‌آید:

(X = (1/2) C(t1 - t0

مشاهده می شود که دقت در تعیین فاصله به دقت در تعیین زمان بستگی دارد. سیستمهای نظامی با شمارش نوسانهای یک بلور کوارتز در مدت زمان t1 - t0 فاصله مورد نظر بصورت عددی روی دستگاه ظاهر می‌شود.
مزایا و اشکالات فاصله یاب های لیزری

مزایا

1. وزن سبک دستگاه و قیمت و پیچیدگی بسیار کمتر آن نسبت به رادارهای عادی.
2. قدرت کاری دستگاه در شرایط نه چندان مساعد ، حتی وقتی هدف در بالای سطح آب و یا روی زمین در حال حرکت باشد.

معایب

اشکال فاصله یاب لیزری در آن است که کاربرد دستگاه متضمن دید مستقیم است و باریکه لیزر در شرایط نامساعد به شدت در محیط جذب می‌شود. فاصله یابهایی که با برد تا تقریبا 15Km بکار برده می‌شوند عبارتند از:

1. فاصله یاب های دستی با برد ماکزیمم 10Km و دقت کمتر از 10m.
2. فاصله یابهایی که روی تانک سوارند.
3. فاصله یابهای ضد هوایی.

یک کاربرد عالی از کاربرد تکنولوژی لیزر

یک مثال بسیار عالی از کاربرد تکنولوژی لیزر در فن استفاده از دستگاههای الکتریکی و خودکار در هوانوردی نظامی ال. ار. تی. اس (مسافت یاب و هدف مارکدار یاب لیزری) Laser Ranger Marked Target Seeker است که به آر. ا. اف (نیروی هوایی سلطنتی) توسط شرکت فرانتی (Ferranti Limited) تحویل می‌شود. این سیستم دارای یک خاصیت خیلی مهم و اضافی است و آن اینکه هدفی مانند تانک ، خودرو یا ساختمان می‌تواند توسط سربازی در زمین با یک لیزر نئودیمیوم و یک دوربین دو چشمی مستقر در یک جعبه قابل حمل که نشانگذار زمین نام دارد، مشخص شود.

با نگاه کردن در چشمی ، سرباز یک تصویر بزرگ شده از محل را که روی آن مجموعه‌ای از خطوط متعامد بر هم نصب شده است و مشخص کننده دقیق نقطه‌ای است که لیزر بر روی آن هدف گیری می‌شود، می‌بیند. البته خود خال لیزری نامرئی است. در هواپیما سکویی وجود دارد که نسبت به چرخش پایدار است که بر روی آن تلسکوپ منعکس کننده‌ای نصب شده است که از پنجره‌ای در نوک هواپیما به بیرون سمتگیری شده است. تلسکوپ ، نور لیزری پراکنده شده (باز گشته) از علامتگذار زمینی را از طریق هدف دریافت می‌کند. در تلسکوپ یک آشکار ساز ویژه که به وضوح حساس است قرار دارد و علامات حاصل از آن در نشانه گیری مستقیم تلسکوپ به روی هدف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بدین ترتیب با مرکزی کردن تصویر هدف ، تلسکوپ نشانه گیری هدف را بدون توجه به حرکت هدف یا هواپیما ادامه می‌دهد. حال هم محور با سیستم جستجوگر در هواپیما ، یک بردیاب لیزری مجهز به یک لیزر نئودیمیوم خنک شده با آب - گلیکول وجود دارد که به محض پیدا شدن هدف توسط جستجوگر بطور خودکار روشن می‌شود و بدون وقفه برد و موضع لحظه‌ای هدف را بررسی و به کامپیوتر متصل به سلاح که در خارج هواپیما قرار دارد، اطلاع می‌دهد. یک صفحه علایم در بالای سر خلبان برای نشان دادن موضع هدف قرار دارد و دستگیره‌هایی برای تشکیل اسلحه نصب شده‌اند. بدین ترتیب خلبان می‌تواند برای انجام مأموریت رزمی بر علیه علامت در صفحه علایم پرواز کند و اصلا نیازی به دیدن هدف اصلی در پشت علامت نیست.
چشم انداز آینده

در اینکه در چند سال آینده پیشرفت زیادی در هدف گیری سلاحها و شلیک آنها با استفاده از لیزر انجام خواهد گرفت، تردیدی وجود ندارد. در حال حاضر بر همگان معلوم است که رده‌های توپخانه هدایت شده با لیزر بطور موفقیت آمیزی به نمایش گذارده شده‌اند و دلیلی ندارد که هدایت لیزری در زمانی کوتاه و بطور نیمه در بیشتر انواع ساز و برگ جنگی بکار برده نشود.

فیزیک لیزر





ریشه لغوی

کلمه لیزر (LASER) از حروف ابتدای عبارت "تقویت نور بوسیله 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 می‌باشد. به گسیلهای لیزر گونه طول موجهای بلندتر ناحیه میکروویو "میزر" (MASER) گفته می‌شود. لیزر اصولاً به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می‌شود.

دید کلی

• هیچ می‌دانید با لیزر معجزه می‌کنند!
• فکر می‌کنید لیزر برای چه تولید شده است؟
• به نظر شما برتری تانکهای مجهز به سیستم مسافت یاب لیزری در چیست؟

بد نیست بدانید که همه شما با لیزر زندگی می‌کنید و رد پایی که لیزر از خود بر جای می‌گذارد به زندگی امروزی معنا می‌دهد. برای همین بشر زندگی خود را در دنیای امروزی مدیون لیزر می‌داند.

تاریخچه لیزر

پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل بوسیله وبر (Weber) ، جوردون (Gordon) ، زیگر (Zeiger) ، تاونز (Townes) ، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی 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 مقاله‌ای 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

پیدایش لیزر





دیدکلی

لیزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می‌باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است. لیزر دسته نوری است که می‌تواند بدون اینکه از شدت آن در اثر انتشار کاسته شود، بطور موازی منتشر گردد. سالیان درازی است که در این خصوص بحث و گفتگو می‌شود و حتی هر روز شاهد اختراعات جدید هستیم و پیش بینی می‌شود که در آینده چندین کیلومتر از درختان جنگلی برای ایجاد جاده در یک چشم بر هم زدن قطع شوند یا با بیماری سرطان بطور قطعی مبارزه شود. در روزگاز ما در نتیجه پیشرفت تکنولوژی دامنه استفاده از برخی اختراعات و اکتشافات چنان گسترش یافته که می‌توان گفت انقلابی بزرگ در علم و صنعت پدید آورده است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...9/lasermov.gif




سرگذشت لیزر

با اینکه نظریه انیشتن در مورد امکان تابش اجباری از خیلی قبل بیان شده و معلوم بود، لیکن پس از چندین دهه و در سال 1954اولین بار دانشمندان شوروی سابق ه.گ باسوف و آ.ام پروخوف همزمان با دانشمندان آمریکایی ج.تائونس امکان پیدا کردند، تابش اجباری را مشاهده کنند. پانزده سال قبل از آن در سال 1939 فیزیکدان جوان مسکوئی وآ. فابریکانت در تز دکترای خود استدالال کرد که می‌توان محیط‌های فعالی برای ایجاد تابش اجباری بوجود آورد و اشعه تقویت شده تهیه کرد.

شروع جنگ موجب تعطیلی این کار شد. ولی در سال 1951 و.آ.فابریکانت با عده‌ای از دستیاران خود بیانیه‌ای منتشر ساخته و اختراع خود را به نام در اصول صنعتی تقویت تابش الکترومغناطیسی پیشنهاد کرد. این اصول قبلا از نظر تئوری در سال 1917 توسط انیشتین بیان شده بود. این یشنهاد شامل راههای تقویت اشعه فرابنفش ، مرئی ، فروسرخ و امواج رادیویی بود. در این زمان در انستیتوی فیزیک آکادمی علوم شوروی سابق شاگرد و معلم آ.م پروخوف ، و.گباسوف روی تقویت امواج بطور آزمایش کار می‌کردند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...aser-intro.jpg




کشف اولین مولد

اولین مولد توسط پروخوف و باسوف در سال 1954 کشف شد که توانستند با آمونیاک اولین مولد امواج فرکانس بالا را بسازند. در این مولد ، مواد فعال را مولکولهای تحریک شده آمونیاک تشکیل می‌دادند که از مولکولهای تحریک نشده بوسیله میدان الکتریکی غیر یکنواخت جدا می‌شدند. دستگاه فوق هنوز مولد کوانتایی اشعه مرئی و یا لیزر نبود. ولی مولد میکرو موجها یعنی میزر بود و به مولد ساخته شده توسط ه.گ باسوف و ا.م پروخوف شبیه بود.

همچنین دانشمندان آمریکایی آ.اشا و الوف و ج.تائونس در سال 1958 محرز ساختند که می‌توان اشعه مرئی را از طریق مولدهای فوق بدست آورد و اولین مولد نیرو با نیروی محرکه داخلی توسط ت.میمن بوسیله یاقوت ساخته شد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ghot-laser.jpg




مولفه‌های مختلف لیزر

1. پمپ انرژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپاژ اپتیکی یا شیمیایی و یا حتی یک لیزر دیگر باشد.
2. ماده پایه و فعال که نامگذاری لیزر بواسطه ماده فعال صورت می‌گیرد.
3. مشدد کننده اپتیکی: شامل دو آینه بازتابنده کلی و جزئی می‌باشد.

کشف اولین مولد گازی

در پایان سال 1361 علی جوان اولین مولد گازی دائمی را ساخت (علی جوان از انستیتو تکنولوژی ماساچوست ، یکی از پژوهنده‌های نخستین در زمینه توسعه لیزر گازی بود. روز بعد او لیزر گازی را بوسیله فرستادن پیغامی تلفنی امتحان کرد (در آزمایشگاه بل تلفن). چهل سال بعد ارتباطات بوسیله لیزر بصورت خیلی عادی در آمده و از آن در صنایع اینترنتی استفاده‌های بسیار می شود. شاید لیزر یکی از بزرگترین اختراعات تکنولوژی امروزه باشد. دکتر علی جوان هنوز هم بطور زیادی درگیر در اختراعات جدید است و پیش بینی می‌کند که روزی بجای مگاهرتز رادیویی ، جای آنرا گیگاهرتزهای لیزری خواهند گرفت.

ایشان از والدینی اهل آذربایجان (تبریز) در شهر تهران متولد شد و در سال 1949 به آمریکا آمد و چندی بعد دکترای خود را از دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک گرفت. از سال بعد هم در شوروی سابق و هم در آمریکا اولین مولدهای نوری با نیم هادیها مورد استفاده قرار گرفتند. عده‌ای از دانشمندان که در ایجاد اشعه لیزر موفق شدند، در سال 1964 موفق به دریافت جایزه لنین شدند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../af/javan1.jpg دکتر علی جوان در آزمایشگاهش
در انستیتوی ماساچوست

تکامل لیزر

دانشمندان شوروی سابق در پیشبرد اثر جدید ، فعالیتهای بیشتر می‌کردند. پروخوف همچنین تائومنس برای کارهای اولیه که در خصوص الکترونیک کوانتایی انجام دادند، جایزه نوبل گرفتند. الکترونیک کوانتایی با ایجاد اشعه لیزر در محلول بلورهای آبی به موفقیت عظیمی نائل شدند. در سالهای بعد لامپهای مخصوص از این مواد ساخته شد. در پایان سال 1967 در آزمایشگاه ب.ای.اپستانوف برای تولید اشعه لیزر بیش از 50 نوع بلور مورد استفاده واقع شد. این کوششها امکانات بزرگی از لحاظ تولید لیزر با طول موجهای مختلف از فرابنفش گرفته تا مرز فرو سرخ را میسر ساخت.

لیزر در فیزیک و شیمی

اختراع لیزر و تکامل آن وابسته به معلومات پایه‌ای است که در درجه اول از رشته فیزیک و بعد از شیمی گرفته شده‌اند. بنابراین طبیعی است که استفاده از لیزر در فیزیک و شیمی از اولین کاربردهای لیزر باشند. رشته دیگری که در آن لیزر نه تنها امکانات موجود را افزایش داده بلکه مفاهیم کاملا جدیدی را عرضه کرده است طیف نمایی است. اکنون با بعضی از لیزرها می‌توان پهنای خط نوسانی را تا چند ده کیلوهرتز باریک کرد ( هم در ناحیه مرئی و هم در ناحیه فرو سرخ ) و با اینکار اندازه گیریهای مربوط به طیف نمایی با توان تفکیک چند مرتبه بزرگی ( 3 تا 6) بالاتر از روشهای معمولی طیف نمایی امکان پذیر می‌شوند.

لیزر همچنین باعث ابداع رشته جدید طیف نمایی غیر خطی شد که در آن تفکیک طیف نمایی خیلی بالاتر از حدی است که معمولا با اثرهای پهن شدگی دوپلر اعمال می‌شود. این عمل منجر به بررسیهای دقیقتری از خصوصیات ماده شده است. در زمینه شیمی از لیزر هم برای تشخیص و هم برای ایجاد تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر استفاده شده است. ( فوتو شیمی لیزری) بویژه در فنون تشخیص باید از روشهای (پراکندگی تشدیدی رامان) و (پراکندگی پاد استوکس همدوس رامان) (CARS) نام ببریم. بوسیله این روشها می‌توان اطلاعات قابل ملاحظه‌ای درباره خصوصیات مولکولهای چند اتمی بدست آورد (یعنی فرکانس ارتعاشی فعال رامن - ثابتهای چرخشی و ناهماهنگ بودن فرکانس).

روش CARS همچنین برای اندازه گیری غلظت و دمای یک نمونه مولکولی در یک ناحیه محدود از فضا بکار می‌رود. از این توانایی برای بررسی جزئیات فرآیند احتراق شعله و پلاسما (تخلیه الکتریکی) بهره برداری شده است. شاید جالبترین کاربرد شیمیایی (دست کم بالقوه) لیزر در زمینه فوتو شیمی باشد. اما باید در نظر داشته باشیم بخاطر بهای زیاد فوتونهای لیزری بهره برداری تجاری از فوتوشیمی لیزری تنها هنگامی موجه است که ارزش محصول نهایی خیلی زیاد باشد. یکی از این موارد جداسازی ایزوتوپها است.

لیزر الکترون آزاد



مقدمه

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../8/89/fel1.JPG



در 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

لیزرهای الکترون آزاد ، علت تشعشع انرژی الکترومغناطیسی ، شتاب الکترونها در میدان متناوب است. نمونه مشابه برای چنین تشعشعی ، تشعشع سینکروترون الکترونهایی است که در یک میدان مغناطیسی حرکت دایره‌ای انجام می‌دهند ولی این تشعشع طیف وسیعی را می‌پوشاند، لذا برای نوسان لیزری مناسب نیست. در لیزر الکترون آزاد ، الکترونها مجبورند در جهت عرضی (x یا y) حرکت موجی انجام دهند، در حالیکه با سرعتهای نسبیتی در جهت محور اصلی (z) حرکت می‌کنند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../e/ee/fel2.JPG



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 < c است، الکترون نسبت به موج عقب می‌افتد و بایستی تغییر علامت دهد (جهت سرعت تغییر می‌کند)، لذا تبادل خالص انرژی بین الکترون و باریکه متوسط گیری می‌شود.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../5/5e/fel3.JPG



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 و ExVx > 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.
• تقویت نور در FEL ها در خلأ صورت می‌گیرد، لذا اثرات ماده فعال روی نور وجود ندارد و پراش نیز کم است. لذا این لیزر برای طی مسیر طولانی و توانهایی بالا مناسب است، ولی در لیزرهای معمولی بخاطر پراکندگی ماده فعال توان خروجی کم است، ولی مشکل عمده FEL ها تکنیک شتاب دهنده الکترونی است.
• بهره FEL ها بالای 100% است، ولی محدودیتهای موجود (نه از نظر فیزیکی) باعث شده که رکورد بهره از 34% تجاوز نکند.

از این لیزرها در علم و صنعت ، مانند فعل و انفعالات مواد میکرو لیتوگرافی ، جداسازی ایزوتوپها ، کاربردهای شیمیایی ، گرمایش پلاسما و ... استفاده می‌شود.

لیزر دی اکسید کربن

مقدمه

لیزر وسیله‌ای برای تولیدی پرتوی تکفام و همدوس در نواحی نور فرابنفش ، مرئی و یا فروسرخ از طیف امواج الکترومغناطیسی است. کلمه لیزر در حقیقت از حروف اول کلمه‌های عبارت انگلیسی زیر گرفته شده است:

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...onsprinzip.jpg
این عبارت به معنی "تقویت نور با روش گسیل الفایی تابش" گرفته شده است، که همه آنها اصطلاحهایی فیزیکی هستند. از آنجا که باریکه نور لیزر همدوس است (یعنی امواج آن همفاز هستند و به عبارت دیگر مانند سربازانی هستند که باهم پا می‌کوبند، با واگرایی بسیار کم پیش می‌رود و مانند نور معمولی نبوده و کمتر پخش می‌شود) و در نتیجه چگالی و یا تراکم آن در فضا ثابت می‌باشد. پرتو لیزر همچنین مزیت تمرکز زیاد انرژی در واحد سطح را دارد.
مبانی نظری

اتمها در حالتهای گسسته‌ای از انرژی وجود دارند. وقتی یک اتم که در حالت پایه (پایین‌ترین حالت انرژی) است انرژی جذب کند، به حالت انرژی برانگیخته‌ای صعود می‌کند. به دنبال آن در بازگشت به حالت پایه چه بطور مستقیم و چه از طریق حالتهای انرژی میانی ، فوتونهای تابشی با بسامد و طول موجی گسیل می‌دارد که بستگی به اختلاف انرژی بین حالتهای انرژی "شبه پایدار" می‌باشند.گسیل فوتون از اتمها در حالتهای انرژی شبه پایدار گاه به تأخیر می‌افتد تا در نهایت به گسیل تابش فلورسنانسی یا فسفرسانسی منجر شود.

اتمهایی که برای عملکرد لیزر مناسب می‌باشند، باید حداقل دارای چنین حالت شبه پایداری باشند. وقتی یک فوتون که از حالت شبه پایدار اتمی گسیل شده ، از نزدیکی یک اتم دیگر که در همان حالت است عبور کند می‌تواند آن اتم را ترغیب کند تا یک فوتون تابشی گسیل دارد که دارای انرژی (و طول موج) ، جهت ، قطبش و فاز یکسان مانند خودش باشد. هر یک از چنین فوتونهای ترغیب شده‌ای خود نیز می‌توانند باز هم فوتون مشابه دیگری را ترغیب کنند. این فرآیند که اساس عملکرد لیزر است یک فرآیند جمع شونده و پیوسته است و می‌توان با ایجاد شرایط مناسب آن را تقویت کرد.

تهیه تعداد لازم از اتمهایی که در حالت انرژی شبه پایدار صحیح باشند، ضرورت اساسی برای عملکرد لیزر است. عملکرد لیزر بستگی به ایجاد یک "وارونی تعداد" دارد که در آن بیشتر اتمها در حالت شبه پایدار می‌باشند. انرژی را باید به این تعداد "پمپ کرد" تا وارونی لازم را ایجاد کنند. بنابراین حالت شبه پایدار مستقیما و یا با تنزل از یک حالت بالاتر بوجود می‌آید.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../CO2_laser.JPG
لیزرهای دی اکسیدکربن

لیزر دی اکسیدکربن (CO2) نمونه‌ای از یک لیزر گاز مولکولی پر قدرت است. باریکه خروجی وقتی کانونی شود می‌تواند صفحات الماس و فولاد ضخیم را در عرض چند ثانیه برش دهد. نمودار تراز انرژی یک گاز مولکولی بطور قابل توجهی پیچیده‌تر از آن برای یک اتم است. حالتهای انرژی مه قبلا توضیح داده شده بصورت ترازها منجر به گسیل نور مرئی می‌شوند. هر تراز الکترونی در یک مولکول گاز بطور کلی دارای زیر ترازهایی مربوط به ارتعاشات مجاز ملکولی می‌باشد و هر یک از این ترازهای ارتعاشی نیز زیر ترازهایی بر اساس دوران مجاز مولکولی دارند.

عملکرد لیزر از طریق گذارهای بین ترازهای ارتعاشی - دورانی مختلف امکان پذیر می‌شود و تابش خروجی به صورت فرو سرخ (فوتونهای کم انرژی) می‌باشد. لیزر CO2 با استفاده از این نوع گذار یک باریکه خروجی مثلا به طول موج 10.6 میکرومتر در عملکرد موج پیوسته (CW) می‌دهد. طراحی لیزر ، CO2 شبیه He - Ne است، با این تفاوت که مخلوط گاز (9% دی اکسید کربن ، 15% نیتروژن ، 76% هلیوم) پیوسته و بطور یکنواخت از داخل لوله عبور می‌کند. پمپ کردن این لیزر مانند لیزر هلیوم- نئون با برانگیزش dc انجام می‌گیرد. لوله را باید خنک کرد، این کار معمولا با جریان آب بطور یکنواخت از میان یک پوشش به دور لوله صورت می گیرد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...rmal_laser.jpg
لیزر زایی در CO2

عمل لیزر کنندگی در لیزر CO2 بواسطه انتقال انرژی از اتمهای نیتروژن برانگیخته به ترازهای انرژی مجاور مولکولهای CO2 صورت می‌گیرد. بهره توان بالای لیزر CO2 (حدود 15%) به دلیل پایین قرار داشتن حالتهای انرژی ارتعاشی و دورانی دی اکسیدکربن که انرژی کمی برای برانگیختگی لازم دارند. با قرار دادن یک Q - سوئیچ می‌توان لیزر CO2 را از عملکرد موج پیوته به عملکرد پالسی (ضربه‌ای) تبدیل کرد. با استفاده از این شیوه یک لیزر 100 واتی CW می‌تواند پالسهای 100 کیلو واتی در عرض 150 نانو ثانیه و با 400 پالس در ثانیه ایجاد کند.

لیزر CO2 نمونه‌ای از یک نوع طیفی غنی از منبع انرژی است، زیرا تعداد بسیار زیادی از انتقالهای لیزری امکان پذیر می‌باشند. لیزرهای با چنین مشخصه‌ای را لیزرهای قابل تنظیم می‌گویند. لیزرهای CO2 جدید بعضا روی بیش از 85 طول موج مختلف قابل تنظیم هستند. تنظیم ممکن است با شیوه خوش ساختی از طیف نگار "لیترو" که در آن از یک منشور و یا از یک توری پراش برای پراکندگی استفاده می‌شود، انجام گیرد. در یک انتهای لیزر ، منشور تمام نقره اندودی که قابل چرخش است قرار دارد و نور را طوری پراکنده (پاشنده) می‌کند که فقط خط طیف با محور لیزر هم خط می‌شود و به دنبال آن تقویت می‌گردد و امواج ایستاده بجای می‌گذارد.

لیزر نیم رسانا

دید کلی

در سال 1341 دو گروه از پژوهشگران بطور جداگانه و تقریبا همزمان با یکدیگر در شهر نیویورک اعلام کردند، نوع سومی از لیزر را که اساس کار آن با تمام لیزرهای پیشین متفاوت است ساخته‌اند. آنها مدعی شدند که این لیزر جریان برق را مستقیما به جریان منظمی از فوتونها تبدیل می‌کند (این عمل صرفا به گذر جریان نیرومند و صیقل دادن و جو انتهایی بلور آرسیند گالیوم به عنوان آینه‌های لیزر صورت می‌گیرد).

کشف این لیزر تا حدی تصادفی بود، زیرا برخی از فیزیکدانان و پژوهشگران متوجه شده بودند که از دو قطبیها نیم رسانا ، درخششهایی با طول موجی در حدود 7000 آنگستروم خارج می‌شود و آن را به گسیل القایی نسبت دادند و بر همین پایه لیزر نیم رسانا را طراحی نمودند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...31/picarro.jpg
مواد لیزری

این لیزرها از اجسامی که در الکترونیک کاملا شناخته شده‌اند ساخته می‌شوند و همه این اجسام نیم رساناها هستند، مانند: آرسیند گالیوم و ژرمانیوم. لیزرهای نیم رسانا بجز اجسام یاد شده از اجسام دیگری که مناسب تشخص داده شده‌اند نیز تهیه می‌شوند، مثل PbSe ، PbTe ، InAS ، InP لیزرهای نیم رسانا دارای پیوند p-n می‌باشند، که وجه n به پتانسیل منفی بسته می‌شود و وجه p نیز به پتانسیل مثبت متصل می‌گردد. عنصرهایی که ناحیه p را تشکیل می‌دهند الکترونهای ظرفیتی کمتری نسبت به ناحیه n و حالت خالی از الکترون و به عبارت دیگر و پر از حفره (یا جای خالی الکترون) در ناحیه p بوجود می‌آید.
چه خاصیتی از نیم رساناها آنها را در ساخت لیزرهای نیم رسانا ، ممتاز می‌کند؟

نیم رساناها از نظر مقاومت الکتریکی جایی بین مواد رسانا و نارسانا دارند. در آنها فاصله بین نوار رسانش و نوار ارزش یا ظرفیت در حدود یک الکترون ولت است و این امر اندکی رسانایی الکتریکی را موجب می‌شود، ولی نه به اندازه رساناهای خوب مانند فلزها. میزان رسانایی ماده‌ای نیم رسانا ، هم چون ماده رسانا ، بستگی به دما دارد. ولی بر عکس آنها ، زیرا رسانایی اجسام رسانا با افزایش دما معمولا کاهش می یابد در حالیکه رسانایی نیمه رساناها با افزایش می یابد.
مراحل لیزر زایی

برای شروع گسیل القایی بلور ، جریان بسیار بالایی از آن می‌گذرانند و این جریان باعث ایجاد گرما می‌شود. همین گرما منجر به تغییر شکل بلوری این اجسام نسبت به حالت نخستین می‌گردد و حال آنکه اندکی تغییر شکل باعث از کار افتادگی لیزر می‌گردد. بنابراین باید شیوه‌ای یافت که لیزر را خنک کند. شرایط لازم برای عمل این مجموعه ، بدین ترتیب یافته شد که در دمای زیر 20 درجه کلوین (یعنی دمای منهای 253 درجه سانتیگراد) جریانی در حدود 200 آمپر لازم است، ولی در دمای نیتروژن مایع این جریان می‌تواند به 750 آمیر و در 300 درجه کلوین به 50000 آمپر بر سانتیمتر مربع برسد، در این هنگام است لیانی یا نورتابی الکتریکی آغاز می‌شود و لیزر بکار می‌افتد و تابشهایی تولید می‌کند.

برخی از لیزرهای نیم رسانا به لیزرهای ساختگی معروفند. هسته مرکزی این لیزرها را نیم رسانای سرشتی را تشکیل می‌دهد که اتمهای برخی مواد بیگانه از جمله آلومینیوم یا فسفر یعنی اتمی با یک ظرفیت کمتر نسبت به نیم رسانای بی آلایش مثلا ژرمانیوم با ظرفیت چهار و یا اتمی با یک ظرفیت بیشتر مانند فسفر و ایندیوم پنج ظرفیتی آنرا آغشته کرده باشد. این عمل را فرآیند آلایش و یا ایجاد ناخالصی می‌نامند. وقتی که آلایش صورت می‌گیرد لیزر در ناحیه n دارای الکترون و ناحیه P دارای حفره (یعنی همان جای خالی الکترون که معادل ذره‌ای فرضی با بار الکتریکی مثبت است) پیدا می‌کند و در نتیجه نیم رسانا آلایشی (یعنی ناخالص) دارای دو تراز انرژی ناخالصی دهنده و پذیرنده ایجاد می‌کند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...2e/laser_e.jpg
تنظیم لیزر

تنظیم اینگونه لیزرها نسبت به لیزرهای دیگر آسانتر است، زیرا با تغییر میدان مغناطیسی یا با اعمال دما و یا فشار می‌توان آنها را تنظیم کرد. آنها برای تنظیم لیزرهای گازی و جامد تنها با تغییر ضریب کیفیت می‌توان عمل تنظیم را انجام داد، اما باید توجه داشت که همه اینها باید در شرایط و اوضاع تنظیم شده ویژه‌ای انجام پذیرد، اما برتری لیزرهای نیم رسانا بیشتر بخاطر دگرآهنگی (مدوله سازی) بالا و بازدهی بالای در حدود 30 درصد است. جمع و جور بودن آن و بهای اندک آنها از دیگر مزایای این نوع لیزرهاست.

لیزر هلیوم - نئون






نگاه اجمالی

معروفترین لیزر (در حقیقت یکی از معروفترین لیزرها) لیزر He - Ne است. ماده فعال آن مخلوطی از هلیوم و نئون است که با نسبت حدود 10 قسمت هلیوم و 1 قسمت نئون بدست می‌آید. این مخلوط در یک لوله نازک از جنس B (بور) با قطر حدود چند میلیمتر صدای حدود 0.1 تا 1 متر در فشار حدود 10 میلیمتر جیوه قرار می‌گیرد. تخلیه الکتریکی در آن بوقوع می‌پیوندد و فقط نکته قابل توجه اینکه به دلیل کم شدن مقاومت لوله وقتی تخلیه الکتریکی شروع می‌شود. مقاومت باید بطور سری با منبع تغذیه قرار می‌گیرد تا جریان را محدود سازد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...Neلیزر.JPG

تئوری لیزرهای هلیوم - نئون

گذارهای لیزری بین ترازهای انرژی نئون با چندین گذار مختلف ممکن است. این گذارها بین گروه ترازها که با 3S به 2S نشان داده شده‌اند، اتفاق می‌افتد. متأسفانه تحریک کردن مستقیم اتمهای Ne به این ترازها بسیار مشکل ناکارآمد است و لذا از یک روش کمکی باید استفاده نمود و خوشبختانه ترازهای هلیوم (21S و 23S) که کاملا نزدیک به ترازهای 2S و 3S نئون هستند و به علاوه به آسانی در تخلیه الکتریکی دمش می‌شود. وقتی هلیومهای تحریک شده به اتمهای نئون در حالت پایه برخورد می‌کنند، ممکن است انرژی خود را به آنها بدهند و آنها را به تراز تحریکی مورد نظر Ne بفرستند.

ترازهای هلیوم و نئون دقیقا بر روی هم منطبق نیستند، ولی اختلاف آنها کم است و این اختلاف با انرژیهای جنبشی اتمها در تبادل انرژی تقریبا جبران می‌شود. فرآیند تحریک اتمهای نئون را می‌توان با معادلات زیر نشان داد:

e1 + He → He* + e2

He* + Ne → Ne* + He

که e1 و e2 انرژیهای الکترون قبل و بعد از برخورد می‌باشد. و علامت ستاره نشان از تحریک اتم و حضور در حالت تحریکی دارد.

مکانیزم لیزرهای چهار ترازی

هر یک از گذارهای چهار گانه لیزر (3.39 میکرون ، 1.150 میکرون ، 832.8 نانومتر ، 543.5 نانومتر) با دیگری از شروع و یا پایان گذار شریک است. و از اینرو است که این گذارها همواره باهم رقابت می‌کنند و دقت خاص باید اعمال شود تا از گذارهای ناخواسته جلوگیری شود. بهترین راه این است که آینه‌های لیزر برای طول موج مورد نظر بازتاب کننده بسیار خوبی باشند.

لیزر هلیم- نئون مثال دیگری از لیزرهای 4 ترازی است. و بنابراین لازم است جمعیت تراز پایینی لیزر در حداقل ممکن نگه داشته شود، بدین معنی که الکترونها در تراز پایین لیزر باید به سرعت به حالت پایه برگردند. در نئون یک فرآیند پله‌ای وجود دارد، فرآیند اول از 2P به 1S که گذار انتقال سریع است و دومی 1S به حالت پایه که خیلی سریع نیست، گذار دوی با برخورد به جداره لوله تقویت می‌شود. در واقع نشان داده شده است که بهره لیزر با قطر لوله نسبت عکس دارد و بنابراین قطر لوله تخلیه باید در حداقل ممکن نگه داشته شود.

مکانیزم ترازهای لیزر هلیوم - نئون

گذار 2P به 1S مورد توجه است، به دلیل اینکه رنگ لامپهای نئون را دارد. بنابراین تراز 2P توسط تخلیه الکتریکی معمولا دمش می‌شود و این باعث افزایش جمعیت تراز 2P و متعاقبا کاهش جمعیت معکوس می‌شود (لااقل برای طول موجهای 5 میکرون و 632.8 نانومتر و 543.5 نانومتر). در حقیقت نیز باعث کاهش توان لیزر در لوله‌های با جریانهای زیاد می‌گردد. بنابراین ما نمی‌توانیم با افزایش جریان ، توان خروجی لیزر را افزایش دهیم و از اینرو لیزر He - Ne همچنان یک لیزر نسبتا کم توان باقی می‌ماند. گر چه لیزرهای هلیوم - نئون توان کمی ، اساسا بین 0.5 تا 10 میلی وات دارند. دارای ویژگیهای دیگری از قبیل پهنای باریک خط و کیفیت بسیار خوبی هستند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...8/84/he_ne.jpg

ساختار لیزر هلیوم - نئون

گر چه گاهی لیزرهای هلیوم - نئون با آینه‌های خارجی ، برای وقتی که لازم است قطعات اپتیکی ما در داخل کاواک قرار دهیم ساخته می‌شود. ولی بهتر است آینه‌های بر روی لوله نصب شوند، طرح این لیزر در شکل زیر نشان داده شده است. در این مورد لوله شیشه‌ای استوانه‌ای آینه‌ها را که به محفظه متصل شده‌اند محکم نگه می‌دارد. ماده فعال در لوله موئینه شیشه‌ای سخت که از آند به سمت کاتد کشیده شده است، قرار دارد. لوله کاتد از جنس آلیاژی از آلومینیم است که گسیلهای الکترونی از داخل آن بوجود می‌آید.

چندین فرآیند از جمله گسیل فوتوالکتریک و الکترونهای تونلی از لایه اکسید روی سطح کاتد گسیل این الکترونها را توضیح می‌دهد. خیلی مهم است که آینه‌های با کیفیت عالی و مقاوم در برابر تخلیه الکتریکی بکار گرفته می‌شود. اینگونه آینه‌ها معمولا از چندین لایه با ضخامتهای ربع طول موج و از جنس دی اکسید تیتانیوم و دی اکسید سیلیکان ساخته می‌شود. اگر نوری پلاریزه مورد نیاز است باید پنجره‌های بروستر بکار گرفته شود.

لیزر یاقوت

نگاه اجمالی

اولین لیزری که بکار انداخته شد، لیزر یاقوت بود و هنوز نیز مورد استفاده است. یاقوت که متجاوز از صدها سال به عنوان سنگ طبیعی پر بها شناخته شده است، بلور http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...214be3538a.png (سنگ سنباده) است که بعضی از یونهای http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...2fd40ef192.png آن با یونهای http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...5ce0b4ede3.png عوض شده‌اند. به عنوان ماده لیزری ، این بلور را معمولا از رشد مخلوط مذاب http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...060157803d.png (تقریبا 0.05% وزنی) و http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...214be3538a.png تهیه می‌کنند. لیزر یاقوت یک دستگاه سه ترازی است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ghot-laser.jpg

مکانیزم لیزر یاقوت

ماده فعال این لیزر http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...214be3538a.png با حدود 0.05% وزنی کروم به عنوان ناخالصی در آن بدست می‌آید. یونهای فعال http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...5ce0b4ede3.png هستند که با یونهای آلومینیوم در شبکه جایگزین می‌شوند. ترازهای مهمی در انجام ، عمل لیزر را نشان می‌دهد. گذار لیزری (در 694 میلیمتر) بین ترازهای اخیر 2E و 4A2 و ترازهای حالت پایه واقع می‌شود و لذا یاقوت یک دستگاه لیزری سه ترازی است. به همین دلیل لازم است بیش از نصف تعداد یونها به حالت 2E دمش شوند، تا جمعیت معکوس شود.

عمل دمش از طریق دو باند پهن 4T1 و 4T2 انجام می‌گیرد. (مانند لیزر Nd:YAG ) با استفاده از لامپ فلاش می‌توانیم لیزر ضربانی بدست آوریم. ایجاد لیزر با پرتو مداوم به دلیل نیاز به پمپاژ بیشتر بسیار مشکل است. برای این منظور لامپ جیوه با فشار بالا که خروجی آن با باندهای جذبی یاقوت مطابقت دارد، کاملا مناسب است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../f9/leizer.jpg نور لیزر

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

ساختار لیزر یاقوت

یاقوت از نظر ساختار شیمیایی از http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...214be3538a.png تشکیل شده است که در آن درصد کمی از http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...2fd40ef192.png با http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...5ce0b4ede3.png جایگزین می‌شود. برای این کار مقداری پودر http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...060157803d.png به http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...214be3538a.png خیلی خالص ذوب شده ، اضافه می‌کنند.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...4145ec8636.png

بلور یاقوت و اکثر بلورهای لیزری ، به روش رشد بلور چکرالسکی قابل تولید هستند.

ساختار بلوری یاقوت

تک بلورهای میزبان ، تک محور و دارای ساختاری شش گوش می‌باشند. بلور دارای یک محور تقارن است. در فرایند آلایش به جای یکی از یونهای آلومینیم یون ناخالصی (مانند http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...5ce0b4ede3.png) می‌نشیند. به روش چکرالسکی میله‌های لیزری به طول 15 سانتیمتر و قطر 3.5 سانتیمتر قابل رشد می‌باشد. در فرایند رشد ، بلور بر روی نطفه اولیه با خلوص بالا رشد داده شده و به آهستگی از داخل ماده مذاب مایع بیرون کشیده می‌شود. مقدار آلایش ، 0.05 درصد وزنی http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...4a2fb8f746.png است.

لیزرهای شبیه یاقوت

بلور http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...214be3538a.png با یون http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...31aad66d07.png نیز آلائیده می‌شود و فرایند رشد آن شبیه یاقوت است. لیزر http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...989f9855ca.png یکی از سیستمهای لیزری حالت جامدی است که ناحیه قابل تنظیم طول موجی آن خیلی وسیع و در حدود 300 نانومتر می‌باشد.

جایگزین لیزرهای یاقوت

لیزرهای یاقوت که زمانی بسیار مورد توجه بوده‌اند، امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. چه رقبایشان لیزرهای Nd:YAG یا نئودیمیم _ شیشه (Nd:glass) جانشین آنها شده‌اند. در واقع از آنجا که لیزر یاقوت با طرح سه ترازی کار می‌کند، انرژی آستانه دمش مورد نیاز در حدود یک مرتبه بزرگی از انرژی آستانه دمش برای لیزر Nd:YAG به همان ابعاد بزرگتر است. ولی لیزرهای یاقوت هنوز هم برای برخی از کاربردهای علمی نظیر تمام نگاری تپی و آزمایشهای فاصله یابی (مثال فاصله یابهای نظامی) استفاده می‌شوند.

لیزرهای حالت جامد





لیزر حالت جامد لیزری است که در آن ماده لیزری بلور یا شیشه‌ای است که دارای خط طیفی فلوئورسان تیزی است. این ماده تحت برانگیختگی اپتیکی قوی به منزله یک نوسانگر یا تقویت کننده در طول موج فلوئورسانس عمل می‌کند. لیزرهای نیم رسانا و پلاستیکی با وجود اینکه ماده جامدند، معمولا جزو لیزرهای حالت جامد محسوب نمی‌شوند.

سیر تحولی رشد

اولین لیزر حالت جامد که در ژوئن 1960 با موفقیت عمل کرد، لیزر یاقوت بود. اخیرا تحقیق روی لیزر حالت جامد با اندازه کوچک انجام گرفته است که در آن یون http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...977c9996f1.png نه به عنوان یک ناخالصی با غلظت پایین بلکه به عنوان یک جز متشکله اصلی برای آهنگ بالای تکرار یک یا عملیات CW بکار می‌رود. اگرچه در اکثر لیزرها طول موج می‌تواند فقط در محدوده یک درصد تغییر یابد، ولی اخیرا لیزرهای حالت جامد قابل تنظیم روی یک گسترده خیلی پهنتر نیز ساخته شده‌اند.

لیزرهای قابل تنظیم حالت جامد در طیف سنجی‌های فیزیکی و شیمیایی بکار گرفته شده‌اند و کاربرد آنها تحول شگرفی را در طیف سنجی اتمها و مولکولها ایجاد کرده است. طیف سنجی رامانه و طیف سنجی پیکووفمتر ثانیه‌ای بیش از همه از وجود لیزرهای قابل تنظیم بهره برده‌اند. لیزرهای حالت جامد موجب پیشرفت و توسعه چشمگیر مخابرات تار نوری شده است. ساخت لیدارهای پیشرفته کشف و سنجش از راه دور مرهون بکارگیری سیستمهای لیزری تمام حالت جامد می‌باشد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ghot-laser.jpg

انواع لیزرهای جامد.

لیزر یاگ (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...b28666d54b.png)

در حال حاضر ، کاربردی‌ترین لیزر حالت جامد که برای پردازش و ماشین کاری مواد بکار می‌رود، لیزر یاگ http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...b28666d54b.png است که از بلور http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...d702347ca3.png (سنگ آلومینیوم ایتریم) که به آن 0.1 تا 1 درصد یون نئودیمیم http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...0d46287096.png اضافه شده است، ساخته می‌شود. طول موج گسیلی این لیزر 1.06 میکرون و گاهی 1.32 میکرون است.

لیزر حالت جامد یون فلزی

لیزرهای حالت جامد فلزی از نظر تنوع مواد لیزری ، امکان ساخت انواع مختلف سیستمهای لیزری و بالا بردن کیفیت پرتوهای خروجی از پتانسیل بالایی برخوردارند. هر سیستم لیزری حالت جامد یون فلزی دارای سه بخش مهم زیر است:

1. ماده میزان با خواص ماکروسکوپیکی ، مکانیکی ، حرارتی و اپتیکی مناسب
2. یونهای فعال
3. چشمه‌های دمش اپتیکی

• لیزر http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...e8f6a73676.png :
  
  در میان لیزرهای حالت جامد یون فلزی ، لیزر http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...e8f6a73676.png بیشترین کاربرد را دارد. لعل یوتریم آلومینیم (http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...b28666d54b.png) آلاییده به نئودیمیم دارای خواص ویژه‌ای است که آن را برای عمل لیزری مناسب ساخته است. بلور میزبان http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...b28666d54b.png سخت است و کیفیت اپتیکی خوب و ضریب هدایتی بالایی دارد. این لیزر پهنای خط باریک ، بهره بالا و آستانه لیزری پایینی دارد.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...2/YAG-pict.JPG

لیزرهای Er

لیزرهای ایربیوم بخاطر داشتن دو طول موج ویژه اهمیت دارند، اما از نظر انرژی خروجی مانند لیزرهای http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...dd0d23705d.png خیلی قابل توجه نیستند. بلور http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...b28666d54b.png که با چگالی بالا به یونهای ایربیوم آلاییده شده است یک خروجی در 2.9 متر و شیشه فسفات آلاییده به ایربیوم خروجی در 1.54 میکرومتر دارند. هر دو این طول موجها توسط آب جذب می‌شوند که باعث می‌شود این لیزرها کاربردهای جالبی در پزشکی برای طول موج 2.9 میکرومتر و برای فاصله یابهای ایمن چشم در طول موج 1.54 میکرومتر داشته باشند.

لیزر نئودیمیم

لیزرهای نئودیمیم متداولترین نوع لیزر حالت جامد هستند. محیط لیزری معمولا یا بلوری از http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...d702347ca3.png است (که غالبا http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...b28666d54b.png نامیده می‌شود) که در آن یونهای http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...977c9996f1.png جایگزین برخی یونهای http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...814113ee88.png شده‌اند، یا شیشه‌ای است که با یونهای http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...977c9996f1.png در آن ناخالصی بوجود آورده‌اند. لیزرهای نئودیمیم روی چندین خط می‌توانند نوسان کنند که قویترین و لذا متداول‌ترین آنها در طول موج 1.06 میکرومتر است. طرح تراز انرژی برای نئودیمیم _ شیشه (Nd:glass) بسیار نزدیک به http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...e8f6a73676.png است، چون ترازهای انرژی درگیر ، زیاد تحت تأثیر میدان بلور قرار نمی‌گیرند.

لیزرهای دیودی

مقدمه

لیزرهای دیودی نیم رسانا پرفروشترین نوع لیزر در جهان هستند. این لیزرها اولین بار در سال 1962 ساخته شدند و گفته می‌شود اکنون در مرحله‌ای هستند که از بسیاری جهات قابل قیاس با موقعیت صنعت الکترونیک سیلیسیومی در حدود 25 سال پیش است. بدون تردید نیروی اصلی در پس این پیشرفت ، رشد سریع صنعت مخابرات است، اما ذخیره سازی اطلاعات (خواندن/نوشتن CD ، پویشگرهای رمز میله‌ای) ، اشاره به دور (نشانگرهای لیزری) و کاربردهای ماشین کاری نیز اهمیت روزافزونی یافته‌اند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...5d/laser_d.jpg



طی چند سال اخیر لیزرهای دیودی به توانایی خروجی بالاتر ، ابعاد کوچکتر ، کارایی بالاتر ، اعتماد پذیری بیشتر و از همه اینها مهمتر به پوشش طول موجی پهنتر از IR میانه تا انتهای آبی رنگ طیف الکترومغناطیس ، دست یافته‌اند. برای سالهای متمادی ، دستیابی به منابع نوری تکفام کوک همدوس ، با عملکرد آسان و ارزان از IR میانه تا UV ، هدفی برای متخصصان طبف بینی بوده است. به غیر از طیف بینیهای متداول جذبی و فلوئورسانی ، طیف بینی رامان و بیضی سنجی نیز از لیزرهای دیودی به عنوان منابع نور همدوس بهره‌مند شده‌اند.

به تازگی متخصصان طیف بینی ، فنون با حساسیت زیاد مثل طیف بینی درون حفره را با لیزرهای دیودی ترکیب کرده‌اند. در طیف بینی بنیادی ، کاربرد منابع لیزری جدید به تعیین ساختار رادیکالهای آزاد یا گونه‌های خوشه‌ای عجیب و غریب منجر شده است. برای نظارتهای اتمسفری ، لیزرهای دیودی دمای اتاق که در 8 تا 13µM نشر می‌کنند، پیشرفتی اساسی به سمت بهبود کیفیت هوا هستند.

در پزشکی ، کاربرد لیزرهای دیودی در مقطع نگاری نوری و در تجزیه غیر تزریقی خون ، مثلا پیش بینی سطح گلوکز خون ، تشخیص پزشکی را با انقلابی مواجه کرده است. در صنعت ، حسگرهای شیمیایی ارزان قیمت در کنترل فرآیند اهمیت یافته‌اند، برای کنترل در محل فرآیندهای احتراقی ، آشکار سازی پسماندهای گازی در نقطه تخلیه و کنترل کیفیت در صنایع دارویی و غذایی لیزرهای دیودی دیگری نیز هستند که برای اندازه گیریهای جریان ، شمارش و سنجش ابعاد ذرات سودمندند.
ارتعاشهای خوب

IR میانه، یکی از محدوده‌های طیف الکترومغناطیسی است که لیزرهای دیودی در آن به ایفای نقش پرداخته‌اند. مطالعه ارتعاشهای بنیادی مولکولها که در این ناحیه اتفاق می‌افتد، تا کنون بر لیزرهای دیودی ساخته شده از نمکهای سرب که با سرمازایی خنک شده‌اند متکی بوده است. با این حال تجهیزات خنک کننده با سرمازایی بر هزینه‌های خرید و عملیاتی چنین لیزرهایی بسیار می‌افزاید. لیزرهای دیودی IR میانه که از ترکیبات همانند ساخته شده‌اند و در دمای اتاق کار می‌کنند، کم کم به عنوان جانشینی برای حسگرهای شیمیایی ارزان مطرح می‌شوند.

گفتنی است این حسگرها برای آشکار سازی اتمسفری و آلودگی و همچنین نظارت بر فرآیندهای صنعتی بکار می‌روند. مثلا ، نیم رساناهایی مانند aLgAssB/iNgAaSb که تا زیر 3000nm کار می‌کنند. دستیابی به اکثر ارتعاشهای کششی C_H را مقدور می‌سازند. نشر لیزر در این طول موجها ، به دلیل وجود گاف نوار باریک که ساختار الکترونی این مواد را می‌سازد، امکان پذیر است. در نتیجه فقط مقدار بسیار کمی انرژی برای ارتقای الکترونها به انرژی بالاتر نوار رسانش ، مورد نیاز است.

با این حال مهیجترین پیشرفت در آشکارسازی IR میانه ، ساخت لیزرهای آبشار کوانتومی (QCL) است. این لیزرها را اولن بار دانشمندان بل لبز - لوسنت در آمریکا در سال 1994 ارائه کردند که با روشی کاملا متفاوت از لیزرهای دیودی نیم رسانای معمول کار می‌کنند. طول موج نوری که آنها نشر می‌کنند به گاف نوار نیم رسانا بستگی ندارد، بلکه بیشتر به ضخامت لایه‌های سازنده نیمرسانا در قطعه وابسته است.
لیزرهای دیودی در عمل

یک لیزر نیم رسانا اساسا از اتصال بین یک نیم رسانای نوع P (غنی از "حفره‌های" مثبت) و یک نیم رسانای نوع n (غنی از الکترونها) تشکیل می‌شود. بر اثر عبور جریان الکتریکی از محل اتصال ، الکترونها و حفره‌ها می‌توانند باز ترکیب شوند که در این فرآیند نور نشر می‌شود. طول موج نشر با گاف نوار ماده نیم رسانایی که دیود را می‌سازد، تفاوت انرژی لازم برای صعود الکترون از نوار انرژی والانس پایینتر به نوارهای رسانش پرانرژی‌تر در بالا تعیین می‌شود. در وسایل ساده با تغییر جریان الکتریکی بکار رفته یا دمای لیزر ، تنظیم طول موج مقدور می‌شود.

با ماده گالیم آرسنید (GaAs) خالص یک طول موجی ساخته شد، اما در عمل به علت نیاز و دشواری در تطابق شبکه ، این امر با محدودیت مواجه می‌شود. لیزرها با هر دو روش رشد همراستای بلور با باریکه مولکولی و رسوب دهی شیمیایی بخار فلز - آلی ساخته می‌شوند. این لیزرها با داشتن 50 درصد تبدیل الکتریسیته به نور ، کارآمدترین نوع لیزرند که در نتیجه باعث کاهش هزینه عملیاتی می‌شود.

هرگاه لایه به اندازه کافی نازک باشند (کمتر از 20nm) مکان الکترونهای نیم رسانا فقط در یک بعد محدود می‌شود: حالتهای انرژی در نوارهای والانس و رسانش کوانتیده شده و فقط ترازهای انرژی معینی مجاز می‌شود. لذا لایه‌های نیم رسانا مانند چاههای کوانتومی خواهند بود و می‌توان آنها را با لایه‌های غیر فعال (غیر لیزر ساز) روی هم چید و لیزرهایی ساخت که قادرند نور خروجی پر توانتری تولید کنند. در این QCL ها ، الکترونها از چند مرحله پی در پی افت انرژی ، می‌گذرند و همزمان با حرکت در نوعی آبشار الکترونی ، فوتون نشر می‌دهند. فاصله نزدیک نوارهای انرژی الکترونی ، نشر نور در گستره IR میانه تا دور را ممکن می‌سازد. چندین گروه پژوهشی ، در حال رقابت برای تولید نوع تجاری QCL در گستره 6 تا 12µm هستند که دریچه مهمی را بر روی نظارت اتمسفری ، خواهد گشود.

در سال 1998 گروه فدریکاکاپاسوازبل لبز - لوسنت تکنولوژی ، لیزری تولید کرد که دارای شبکه بلوری AlInAs/InGaAs با فواصل بین اتمی منطبق با شبکه InP بود و می‌توانست در 8,3µm با توان تپی 180mW در دمای اتاق ، نشر کند. امروزه می‌توان لیزرهایی را که در این محدوده کار می‌کنند از GaAs/AlGaAs تهیه کرد، که هم ارزانترند و هم آسانتر ساخته می‌شوند. هر چند نتایج اخیر گروه کاپاسو در آشکارسازی مقادیر ناچیز گازهایی مانند CH4 ، N2O هنوز به حد حساسیت آشکارسازی لیزرهای نمک سرب ، یعنی در حد ppb یا کمتر ، نرسیده است.
لیزرهای حفره عمودی نشر کننده از سطح (VCSEL) نوعی لیزر جدید هستند. آنها که عمدتا برای مخابرات نوری ساخته شده‌اند، برای کار در طول موج بلند و با خروجی تپی 2,9µm در دمای اتاق ، نیز بکار می‌روند. آنها کیفیت باریکه بهتری ایجاد می‌کنند و از بسیاری از لیزرهای جانشین که در طول موجهای بلندتر کار می‌کنند، آسانتر ساخته می‌شوند. در سال 1997، دیرک رله ، برند زومپف و هاینتس - دتلف کرونفلت ، از دانشگاه صنعتی برلین ، روش دیگری برای تولید تابش IR میانه برای آشکارسازی گازی ، ارائه دادند. آنها در یک بلور AgGaSe2 ، خروجی دو لیزر دیودی IR نزدیک (یکی در 1290µm و دیگری 1572nm) را باهم مخلوط و نوری با فرکانس متفاوت در حدود 7,2µm) 1380cm-1) برای شناسایی SO2 تولید کردند.
کنترل در خط

هم اکنون لیزرهای دیودی نیم رسانا در IR نزدیک ، به ویژه در حوالی طول موجهای مخابراتی 1300 و 1550nm ، کاملا توسعه یافته‌اند. بهبود فنون ساخت در حال حاضر به معنی امکان پذیر شدن ساخت لیزرهایی است که در طول موجهای بسیار دقیقی کار می‌کند. مثلا ، لیزرهای پسخوری توزیع یافته (DFB) که معمولا با قرار دادن یک شبکه گزینشگر درون حفره لیزر ، برای صاف کردن طول موجهای مطلوب ، ساخته می‌شوند، به عنوان حسگرهای شیمیایی ارزان قیمت در نظارت بر انتشار آلاینده‌ها و کنترل فرآیند، بالقوه مفیدند.

گروه من در دانشگاهها درزفیید ، برای استفاده از لیزرهای دیودی در کنترل فرآیند در خط از طریق نظارت در محل ، به ویژه در محیطهای خطرناک که در آن باریکه لیزر با استفاده از تار نوری به درون واکنشگاه هدایت می‌شود، فنونی را توسعه داده است. برای کنترل فرآیند و بهبود کارایی ، می‌توان تجزیه سریع محتوی واکنشگاه را به یک حلقه پسخور متصل کرد. با همکاری مارتین پمبل از دانشگاه سالفورد ، توانستیم به واکنشهایی که درون واکنشگاهها به طریق رسوب دهی شیمیایی بخار انجام می‌گیرند نظر بیندازیم. گفتنی است این واکنشها ، فهم مهمی برای تولید بسیاری از پوشش دهیهای ظریف سطحی را فراهم می‌سازند.
محدویتهای طیف بینی با لیزر دیودی

یکی از محدویتهای طیف بینی با لیزر دیودی آن است که به علت باریکی گستره تنظیم طول موج ، یک لیزر معمولا فقط می‌تواند یک گونه شیمیایی را شناسایی کند. رانالد هانسون و همکاران در دانشگاه استانفورد با بکار گیری روشی موسوم به تقسیم چندگانه طول موج (WDM) بر این مشکل غلبه کردند و توانستند در یک اتاقک احتراق ، چند گونه مختلف و خواص آنها را مشاهده کنند. روش WDM عبارت است از ارسال همزمان چند طول موج مختلف از درون یک تار نوری. هانسون و گروهش با استفاده از سه لیزر دیودی با تنظیبم جداگانه ، توانستند بطور همزمان غلظت H2O ، O2 و نیز دما و فشار را در شعله H2 _ O2.

مسئله دیگر در آشکار سازی همزمان چند گونه شیمیایی ، احتمال "خط روی خط افتادن" یا تداخل علائم است. دانشمندان CSO Mesure در فرانسه ، برای اجتناب از این مشکل به هنگام اندازه گیری تابش زیر قرمز در فضا ، از یک لیزر دیودی IR نزدیک که روی مقادیر جذبی چرخشی - ارتعاشی C2H2 (در حدود 1530nm) تثبیت شده بود، به عنوان منبع مرجع استفاده کرده‌اند.

کار آنها بخشی از یک پژوهش 5 ساله مربوط به تداخل سنج زیر قرمز ارزیابی اتمسفری (IASI) اما مهندسان مخابرات برای جلوگیری از مشکل خط روی افتادن ، وقتی که چند طول موج مدوله شده کم فاصله در فرکانسهای GHz از درون یک تار نوری ارسال می‌شود، از همین رویکرد استفاده می‌کنند. "قفل کردن" طول موج لیزر روی استانداردهای مولکولی نظیر HCN و C2H2 ، هر گونه تداخل بین علائم مختلف را متوقف می‌کند.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...3/laser_d1.jpg
خروجی پر انرژی

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا در سانتریابارا با استفاده از بلورهای لیتیم نیوبات (LiNbOsub>3) یا پتاسیم فسفات. فرکانسای خروجی از لیزرهای دیودی را در انتهای پر انرژی‌تر طیف الکترومغناطیسی دو برابر کرده‌اند. این کار می‌تواند در ناحیه آبی فرابنفش طیف الکترومغناطیسی ، توانهای خروجی در حد 0,1mW تولید کند. در این طول موجها ، لیزرهای دیودی قادرند عناصری مانند آلومینیم (394nm) ، گالیم (403nm) و ایندیم (410nm) را شناسایی و رشد لایه‌های نیمرسانا ، از جمله ساخت سایر لیزرهای دیودی را تعقیب کنند. در مقایسه با لامپهای کاتد تو خالی متداول که در طیف بین جذب اتمی بکار می‌روند.

لیزرهای دیودی ، کوک پذیرند (شناسایی چند گونه‌ای امکان پذیر می‌سازند)، پر شدت ترند (بنابراین داده‌ها را سریعتر کسب می‌کنند) و کنترل دقیقتری را مقدور می‌سازند. انتهای آبی طیف الکترومغناطیسی ، یکی از فعالترین حوزه‌های پژوهشی درباره لیزرهای دیودی است که در آن ، لیزرهای بر پایه GaN ، شدت و سرعت انتقال داده‌های ذخیره شده را به حداکثر می‌رسانند. برای شیمیدانان ، لیزرهای آبی ، عملا برای دستیابی به گذارهای الکترونی مولکولهایی مانند O3 و NO2 مفید است و به ساخت سیستمهای قابل حمل نظارت اتمسفری می‌انجامد.
حسگرهای تار نوری

گسترش سریع صنعت مخابرات ، جدا از کابلهای تار نوری برای انتقال داده‌ها ، به توسعه حسگرهای تار نوری برای ارسال نور به مکانهای دور دست منجر شده است. حسگرهای تار نوری می‌توانند یا ذاتی باشند یا عارضی ، در اولی ، تغییرات در محیط مستقیما بر خواص تار اثر می‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغییر در محیط مستقیما بر خواص تار اثر می‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغییر شکل ناشی از خمش خود را حس می‌کند. بر اثر خم شدن تار ، نور به بیرون از آن نشت می‌کند. از طرف دیگر ، حسگرهای عارضی تغییر محیطی را به تغییر در خواص عبور نور در تار تبدیل می‌کنند.

تارهای نوری بر اساس بازتاب درونی کلی باریکه نور عمل می‌کنند، بنابراین هرگاه ضریب شکست نور در تار تغییر کند، نور می‌تواند به بیرون نشت کند. از این مسئله می‌توانیم برای آشکار سازی تغییر ارتفاع سطح مایع یا برای اندازه گیری با تفکیک پایین فشار درون مایع استفاده کرد. بخشی از میدان الکترومغناطیسی نور لیزر به خارج از تار هم گسترش می‌یابد و مولکولهای در سطح یا نزدیک تار می‌توانند این موج محو شونده را جذب کنند.

در سال 1997، یواخیم کاستز و ماوروس تا که از مؤسسه فرانهوفر در آلمان از این پدیده برای آشکار سازی هیدروکربنها در آب استفاده کردند. روشی که آنها استفاده کردند یعنی تجزیه موج محو شونده با لیزرهای دیودی (Ewald) ، عبارت است از استفاده از تارهای نقره هالید در IR میانه که با فیلم بسیاری نازکی روکش شده است. هیدروکربنها درون این اندود بسپاری نفوذ می‌کنند و از روی جذبهای اثر انگشتی‌شان شناسایی می‌شوند. به علت جذب قوی آب در ناحیه IR استفاده از طیف بینی معمولی عبوری IR امکان پذیر نیست.
حکایتهای درونی

طیف بینی جذب درون حفره ای لیزر (Iclas) فناوری حساسی است که طیف بینی سال با لیزرهای گازی بزرگ و لیزرهای رنگینه‌ای بکار برده می‌شده است. این روش شامل تقویت جذب نور لیزر ، با قرار دادن نمونه درون حفره لیزر به جای خارج آن است. فوتونهای لیزر بین دو آینه انتهایی سازنده حفره لیزر به جلو و عقب بازتابیده می‌شوند و عملا طول مسیر جذب را هزاران مرتبه افزایش می‌دهند. پیترتوشک و والری بف در دانشگاه هامبورگ ، از این اصل برای ساختن یک آشکار ساز بسیار کوچک و حساس آلودگی گازی استفاده کرده‌اند.

لیزر دیودی مورد استفاده ، عملا برای تأمین توان لیزر 20cm آنهاست که از یک تار نوری فلوئور و زیرکوناتی دوپه شده با اتمهای پروزئودیمیم و ایتربیم تشکیل شده بود. نور لیزر دیودی در 850nm ، اتمهای دوپه کننده را در تار برانگیخته و نور مرئی نشر می‌کند. گفتنی است همانطوری که که تقویت می‌شود، اگر نمونه یک گاز در یک انتهای حفره در جلوی آینه نیم باز تابیده قرار داده شود، متخصصان طیف بینی می‌توانند طیف جذبی تقویت شده را آشکار کنند.

لیزرهای گازی



نگاه اجمالی

حتماً تا کنون درباره DVD یا CD و یا جراحی چشم با لیزر و غیره چیزهایی شنیده‌اید و حتما این بزرگترین اختراع علوم را تا کنون به عناوین مختلف استفاده کرده‌اید؛ 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 می‌شود) که توسط آقای علی جوان متخصص فیزیک اختراع شد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...9/lasermov.gif



لیزر هلیوم _ نئون اولین لیزری بود که در دسامبر 1960 با خروجی 1.15 میکرومتر بطور پیوسته عمل کرد. عمل برانگیختگی در این لیزر از طریق تخلیه الکتریکی ، در مخلوط از هلیوم و نئون انجام می‌شد. از آن زمان انواع زیادی از لیزرهای گازی در گستره وسیعی از طول موج از 100 نانومتر فرابنفش خلا تا فروسرخ دور یا حتی امواج میلیمتری ، تولید شده‌اند. بیش از 5000 خط لیزری شناسایی شده‌اند. در بیشتر موارد گاز بوسیله تخلیه الکتریکی یا دمش اپتیکی ، به یاری ساز و کارها و روشهای متعددی برانگیخته می‌شود.
گزیده‌ای از سخنان پروفسور علی جوان در مورد اختراع لیزر

در دنیای علمی و علوم ، این مثل همیشه گفته می‌شود 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 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 بوسیله 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 بعدا راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند. اگر من در همان سالها بودم مطمعنا آنرا اختراع می‌کردم، مبالغه نمی‌کنم و می‌دانم که آنرا انجام می‌دادم.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../Gas_Lazer.jpg

نمایی از لیزر گازی دکتر علی جوان.
مجله "Smithsonian" آوریل 1971.




من می‌دانم که این دانشمندان چرا آنرا از دست دادند؛ آنها عمیقا درگیر با داراییهای موضوع در تعادل گرمایی بودند. با این وجود در لیزرها ، اتمها باید در یک حالت تعادل غیر گرمایی باشند؛ که این قدری پیچیده می‌شود و از حوصله این بحث خارج است. البته تمام آنها اکنون تمام شده است، ولی آن دانشمندان پیشروان این راه بوده‌اند. موقعی که من نظریه‌ام را در رابطه با لیزر گازی دادم، بعضی از قسمتهای آنرا ، نه تمام آن ، بر اساس گرفتاری من در کارهایی بود که مشغول انجام آن بودم. اما من می‌دانستم که بالاخره این لیزر گازی را می‌توانم اختراع کنم، در غیر اینصورت اصلا دنبال آن کار را نمی‌گرفتم.

کسانی که از همان ابتدا نظر من را می‌دانستند، خیلی به آن بدبین بودند. حتی آنهایی که در تیم من بودند و با من کار می‌کرند، در این رابطه شک داشتند. من این شک را در بسیاری از آنها دیده‌ام. حتی فیزیکدانان خوب هم بعضی وقتها در عقاید خودشان نامطمئن هستند و آنها با تردید منزلزل می‌شوند.
تفاوت لیزر گازی با جامدات

استفاده از گازها به عنوان ماده فعال لیزری تفاوت جالبی با جامدات دارد. به دلیل آنکه جمعیت معکوسی که می‌توان در گازها بدست آورد، خیلی کمتر از جامدات است، یک میله Nd-YAG تقریبا 6X1025 اتم Nd در مترمکعب دارد، ولی در لیزر He_Ne فقط 1021 اتم Ne در هر مترمکعب وجود دارد. بنابراین انتظار داریم که لیزرهای گازی پرقدرت خیلی حجیم و بزرگ باشند. از سوی دیگر ، گازها بسیار یکنواخت‌تر و همگن‌تر از جامدات هستند و می‌توان برای خنک کردن و دوباره پر کردن آنها را در یک مدار بسته به حرکت در آورد.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...8/84/he_ne.jpg
تئوری لیزر گازی

برای گازها بطور کلی پهن شدگی ترازهای انرژی نسبتا کوچک است (در مرتبه چند گیگا هرتز یا کمتر) چون ساز و کارهای پهن شدگی خط ضعیفتر از جامدات است، برای گازهایی در فشار پایین (چند تور) که اغلب در لیزرها بکار می‌روند، پهن شدگی القا شده در اثر برخورد خیلی کوچک است و بنابراین پهناهای خط اساسا با پهن شدگی دوپلری تعیین می‌شوند. بدین دلیل دمش اپتیکی با لامپهای بکار رفته برای لیزر حالت جامد ، در مورد گازها انجام نمی‌شود.

این لامپها زیاد کارآیی ندارند، چون طیف گسیلشان کم و بیش پیوسته است. در حالی که در محیط فعال هیچ نوار جذب پهنی وجود ندارد. تنها موردی که عمل لیزر در گاز بوسیله این نوع دمش اپتیکی حاصل شده است، دمش Gs با لامپ حاوی He است. در این مورد وضعیت برای دمش اپتیکی کاملا مناسب است، چون برخی از خطوط گسیل He منطبق بر خطوط جذب Cs هستند، ولی اهمیت این لیزر بیشتر از جنبه تاریخی آن است.
مکانیزم لیزرهای گازی

لیزرهای گازی معمولا با ابزارهای الکتریکی برانگیخته می‌شوند، یعنی دمش با عبور جریان به اندازه کافی قوی (dc یا تپی) از گاز انجام می‌شود. ساز و کارهای اصلی دمشی که در لیزرهای گازی صورت می‌گیرد، با عبور جریان الکتریکی مناسبی از گاز حاصل می‌شود. یونها و الکترونهای آزاد بوجود می‌آیند و چون این ذرات در اثر میدان الکتریکی شتابدار می‌شوند، انرژی جنبشی اضافی بدست می‌آورند و می‌توانند با برخورد و به اتمهای خنثی آنها را برانگیخته کنند. دمش الکتریکی گاز معمولا با یکی از دو فرآیند زیر انجام می‌گیرد:

• در گازی که تنها شامل یک گونه باشد، برانگیختگی فقط با برخورد الکترونی ایجاد می‌شود.
• گازی که شامل دو گونه باشد (مثلا نوع A و نوع B) در اثر برخورد بین اتمهای دو نوع گاز نیز برانگیختگی ایجاد می‌شود.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...Neلیزر.JPG

ترازهای لیزر زایی لیزر هلیوم _ نئون
ساختار یک لیزر گازی

از آنجایی که اتمها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند، تقریبا غیر ممکن است که بتوان به کمک تحریک (دمش) نوری در آنها جمعیت معکوس ایجاد نمود و به جای آن معمولا از روش تخلیه الکتریکی استفاده می‌شود. یک طرح شماتیک لیزر گازی با فشار کم مانند لیزر هلیوم _ نئون که در آن گاز تحت فشار تقریبا کم ، داخل لوله تخلیه با آند و کاتد در دو طرف آن قرار دارد. اگر آینه‌های تشدید کننده خارج از لوله تخلیه باشند، پنجره‌های بروستر در دو انتهای لوله قرار می‌گیرند تا اتلاف در اثر بازتاب را کاهش دهند، این عمل البته باعث پلاریزه شدن نور خروجی می‌شود.

ولتاژ چندین کیلوولت در سرتاسر لوله اعمال می‌شود تا تخلیه الکتریکی انجام شود. در بعضی موارد گاز ممکن است قبلا کمی یونیزه شود. این عمل به کمک پالس ولتاژ بالا که به یکی از الکترودها اعمال شود و یا یک سیم کوتاهی که به دور لوله پیچیده شود، انجام می‌گیرد. در این روش تخلیه الکتریکی هم الکترونها و هم یونها و هم اتمهای خنثی وجود دارند. الکترونهای آزاد توسط میدان الکتریکی در تخلیه شتاب می‌گیرند و به سمت آند حرکت می‌کنند و اگر در بین راه به اتمها و یونها برخورد کنند، مقداری و یا همه انرژی خود را از دست می‌دهند و آن را به تراز بالای لیزری دمش می‌کنند.
طبقه بندی مواد لیزر گازی

• لیزرهای اتم خنثی : معمولترین لیزر گازی خنثی لیزر هلیوم _ نئون است.
• لیزرهای یونی : در اتم یونیده ، مقیاس ترازهای انرژی گسترده می‌شوند و در اولین برخورد اتم خنثی را یونیزه می‌کنند.
• لیزرهای مولکولی : در این لیزرها از گذار بین ترازهای انرژی مولکول استفاده می‌شود.
• لیزرهای اگزیمر : کلمه اگزیمر از عبارت « دیمر تحریک شده » بدست آمده است، یعنی یک مولکول دو اتمی وقتی در حالت تحریکی واقع است، پایدار است و در حالت پایه ، ناپایدار است.

طبقه بندی روش برانگیختگی لیزر گازی

• لیزر تخلیه الکتریکی
• لیزر شیمیایی
• لیزر دمش اپتیکی
• لیزر دمش باریکه الکترونی

همدوسی



اگر نوری را که از یک چشمه خارج می‌شود، بطریقی به دو قسمت تقسیم کنیم و با هر یک از آنها یک چشمه جدید ایجاد کنیم، به اصطلاح دو چشمه ثانویه از یک چشمه اولیه ساخته می‌شود. هر نوع تغییر کاتوره‌ای در فاز که در یکی از آنها ایجاد شود، در دیگری نیز عینا تکرار می‌شود، لذا فاز چشمه‌های ثانویه ثابت می‌مانند. دو چشمه را که به این ترتیب از یک چشمه اولیه مشتق شده‌اند و رابطه فاز ثابتی دارند، همدوس و امواج نوری حاصل از آنها را امواج همدوس می‌گویند.
مقدمه

یکی از بارزترین نمونه‌های امواج همدوس لیزر است. باریکه نور خارج شده از لیزر می‌تواند دارای خاصیت تقریبا همدوس کامل باشند. اما منابع نوری معمولی مانند لوله فلورسانس ، لامپ الکتریکی تنگستن ، خورشید و همدوس هستند. البته می‌توان از این منابع نیز نور همدوس ایجاد کرد. ولی شدت نور حاصل به اندازه‌ای ضعیف خواهد بود که زیاد مفید نخواهد بود. برای مقاصد علمی فقط نور لیزر است که می‌تواند باریکه نور همدوس و پرقدرتی ایجاد کند. این خواص که قبل از کشف لیزر قابل حصول بودند، لیزر را در رده کشفیات بسیار مهم فیزیک نوین قرار می‌دهد.
شرایط همدوسی

برای همدوس بودن موج باید دو شرط زیر برقرار باشند:

1. موج حاصل باید با تقریب زیادی تک فرکانس باشند. یعنی پاشیدگی فرکانس با پهنای خطی کوچک باشند.
2. جبهه موج باید شکل خاصی داشته باشند، به گونه‌ای که نسبت به زمان تغییر نکنند. جبهه موج سطحی است که از نقاط با فاز یکسان تشکیل شده است. یک منبع نور نقطه‌ای موجی تولید می‌کند که فاز آن در فواصل یکسانی از منبع ثابت است.

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...oherenc-9b.gif
انواع همدوسی

با توجه به شرایط همدوسی دو نوع همدوسی قابل تصور است.
همدوسی زمانی

در شرایط همدوسی ، اولین شرط همدوسی را تک فرکانس بودن موج بیان کردیم. اگر این شرط برقرار باشد، در این صورت همدوسی را همدوسی زمانی می‌گویند. منظور از همدوسی زمانی این است که باید فازهای نسبی بین دو نقطه زمانی در فاصله زمانی نسبتا طویلی ثابت باشند. به این ترتیب با همدوسی زمانی امکان پیش بینی فاز و دامنه پس از فاصله زمانی معلوم بین شاهدات اولیه و نهایی ممکن است. اگر این فرایند پیش بینی بتواند مدتی بعد تکرار شود، در این صورت گفته می‌شود که همدوسی زمانی به بزرگی مساوی و با فواصل پیش‌بینی‌ها موجود است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../coherence.gif
همدوسی مکانی

به عنوان اولین شرط از شرایط همدوسی گفتیم که باید شکل جبهه موج نسبت به زمان تغییر نکند. اگر این شرط برقرار باشد، در این صورت نور حاصل را همدوسی فضایی می‌گویند. به بیان دیگر یک موج زمانی همدوس فضایی خوانده می‌شود که اختلاف فاز ثابتی بین هر دو نقطه انتخابی در روی جبهه موج وجود داشته باشند. عبارت ثابت ، متضمن مدت زمان کافی برای انجام عملیاتی در روی جبهه موج از قبیل مشاهده با چشم یا عکسبرداری است. به بیان دیگر همدوسی فضایی مستلزم ثابت ماندن فازهای نسبی بین دو نقطه فضایی در فاصله زمانی نسبتا طولانی است. در هر یک از این موارد هر چه فاصله زمانی طولانی تر باشد، همدوسی بزرگتر است. برای اینکه یک منبع نوری همدوس کامل باشد، باید علاوه بر همدوس زمانی دارای همدوس فضایی نیز باشد.

ماهیت نور همدوس لیزر

مقدمه

عمل لیزرها بستگی به گسیل القایی دارد. که بوسیله ضریب انیشتین B21 مشخص می شود. میزر ‏به معنی تقویت کهموج بوسیله گسیل القایی تابش است و لیزر به همان معنی برای نور است. ‏میزرها مدتی قبل از لیزرها بوجود آمدند. علت عمده اینکه ، اتلاف انرژی حاصل از فرآیند رقیب گسیل خود به خودی در طول موجهای بلند خیلی کمتر است (A21.B21 = V3).‏

مجموعه‌ای از اتمها یا مولکولها با ترازهای انرژی (1) و (2) را در نظر می‌گیریم که تحت ‏تابش نوری به فرکانس V12 قرار گرفته‌اند. هر اتم در حالت (1) دارای احتمال در واحد زمان (B12P (V12 برای اضافه کردن یک فوتون و در نتیجه تضعیف نور است در حالی که هر اتم حالت (2) دارای ‏احتمال (B12P(V12 برای اضافه کردن یک فوتون و در نتیجه تقویت نور است.‏



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i.../f/f1/demo.jpg
مکانیزم تابش همدوس لیزری

سرشتیهای تابش لیزر بطور کامل از این واقعیت ناشی می‌شود که تابش گسیل شده دقیقا دارای ‏همان فاز و جهت تابش القایی است. به عبارتی اگر تقویت بر تضعیف فزونی یابد اتمهای بسیاری را ‏می‌توان وادار به تابش همدوس کرد. در حالتهای عادی ، تعداد اتمها در حالت (1) بیشتر از اتمهای حالت (2) هستند. بطوری که در تعادل گرمایی ، جذب با ضرب e-hv/KT که گسیل القایی غالب می‌آید. برای بدست آوردن تقویتی خالص باید تجمع معکوس گردد.

این کار ، به هر میزانی ، در ناحیه مرئی ، به تنهایی کافی نیست. زیرا تعداد زیادی از اتمهای ‏برانگیخته بطور خود به خودی یعنی غیر همدوس فرو می‌افتند و از نقطه نظر تقویت همدوس تلف ‏می‌شوند. برای جبران کردن این اتلاف ، تقویت همدوس را ، با در برگرفتن تابش یک در حفره تشدید ‏کوک شده به فرکانس V12 ، می‌افزایند. در نواحی مرئی و فرو سرخ یک چنین حفره‌ای زوج آینه ‏موازی با ضریب انعکاس بالا ، هر کدام واقع در یک انتهای ماده مورد تجمع معکوس حاصل می‌شود.‏


امواج ایستاده حاصل از انعکاسات متعدد بین دو انتهای این حفره دامنه‌ای به مراتب بیشتر از امواج ‏متحرکی دارند که تنها عبور ساده‌ای از درون ماده را ارائه می‌کنند. از آنجایی که حفره برای نور ‏دقیقا عمود بر آینه تنظیم شده است. لذا باریکه فرودی از انتهای آینه (یکی از آینه‌ها کمی قابلیت ‏عبور دارد) به شدت جهت دار است.
عوامل اتلاف تابش لیزری

پاشندگی را می‌توان تا حد ده سانتیمتر در هر کیلومتر کوچک کرد. علاوه بر آن چون رفتار تابش ‏طوری است که گویی از یک نوسانگر غیر میرای تنها ، بجای تعداد زیادی نوسانگر نامربوط به هم ‏، منشأ گرفته است. لذا ناشی از جابه جایی دوپلر یا فشار ، یا حتی ناشی از طول عمر طبیعی ، هیچ ‏پاشندگی فرکانسی بوجود نمی‌آید. بنابرین نوار طول موج می‌تواند فوق العاده باریک باشد و ‏محدودیت آن اساسا توسط پارازیتهای گرمایی یا پایداری حفره تشدید معین می‌شود.

برای یک لیزر گازی ν/ν∆ که معرف پاشندگی نوری لیزر می‌باشد، ممکن است از مرتبه 14-10 ‏باشد. که همان مرتبه افت و خیز گرمایی و مکانیکی آینه است. این را می‌توان با حد دوپلر عادی که ‏حدود 6-10 است، مقایسه کرد. این چگالش انرژی چه از نظر فضایی و چه طیفی علت اصلی شدت ‏زیاد میزرها و لیزرهاست.

در اکثر موارد انرژی به صورت تپه‌هایی به طول عمر چند میکرو ثانیه یا کمتر گسیل می‌شود، یعنی ‏چگالش نیز زود گذر است. قدرت قله‌ای تابش حاصل از یک لیزر یاقوت چند مگاواتی چیزی حدود 1012 مرتبه بیشتر از قدرت تابش خورشید در همان زاویه باریک فضایی و نوار فرکانسی است. اما این ‏تپه فقط -710 ثانیه عمر دارد. از طرق مختلف دستیابی به تجمع معکوس در اینجا بحث نخواهد شد، ‏زیرا تعداد کتابهای قابل دسترس در این زمینه بسیار زیاد است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...aser-intro.jpg
پمپاژ لیزر

اصل عمومی ، عبارت از انتخاب یک تراز فرا پایدار (2) و تجمع آن از طریق فروافت از تراز بالاتر ‏‏(3) است که خود بوسیله جذب تابش به طول موجهای کوتاه تر ، از حالت پایه به آن حالت رسیده ‏است، این فرآیند به پمپاژ نوری (1) موسوم است. بطور مثال ، در لیزر یاقوت نور قرمز 6943 ‏آنگستروم از طریق فرو افت اتمهای ناخالص کرومیوم از یک تراز فرا پایدار (2) به حالت پایه (1) بوجود می‌آید.

روش دیگر پمپاژ نوری بوسیله لیزر گازی هلیوم - نئون نشان داده شده است. از آنجایی که تمام ‏ترازها تیزند. لذا انرژی فقط می‌تواند در نوارهای بسیار باریک فرکانس جذب شود و برانگیزش ‏توسط درخشی از تابش پیوسته بسیار نامؤثر خواهد بود. در عوض تراز (2) در نئون از طریق ‏برخورد با اتمهای هلیوم فرا پایدار به همان انرژی ، حاصل از یک تخلیه الکتریکی مداوم تجمع می‌یابد. گذار لیزری (1) <--- (2) به حالت پایه پایان نمی‌یابد. بنابراین تراز (1) تجمع نسبتا کوچکی دارد ‏و عمل معکوس کردن تجمع می‌تواند بدون فرا پایدار شدن تراز (2) تحقق پذیرد. در واقع هر دو ‏تراز (1) و (2) به زیر ترازهای متعددی شکافته می‌شوند. در این فرآیند خطوط متعدد فروسرخ و لیزر با نور قرمز ایجاد می‌شود.

لیزر پالسی
‏برخلاف آنچه در حالت جامد انتظار می‌رود تراز (2) به جای نوار ، یک تراز تیز است، زیرا تراز پر ‏3d یون کرومیوم توسط الکترونهای خارجی از تأثیر میدانهای بلور محفوظ می‌ماند. این تراز بوسیله گدازهای غیر تابشی از نوار عریض (3) تجمع می‌یابد، در این حالت انرژی به شبکه کریستالی ‏منتقل می شود. درخشی از تابش پیوسته برای برانگیختن اتمها به تراز (3) بکار می‌رود. به علت ‏برانگیزش درخشی و نیاز به اتلاف انرژی شبکه ، این لیزر به صورت تپش کار می‌کند. بازتابهای ‏متعدد به صیقل کردن و نقره اندود کردن سطوح انتهایی خود یاقوت حاصل می‌شود.
طیف نمایی با لیزرها و میزرها

• گونه‌های وسیعی از میزرها و لیزرهای گازی و جامد تا کنون ساخته و پرداخته شده‌اند که تمامی ‏ناحیه طیفی از کهموج تا فرابنفش نزدیک را ، هر چند عموما در فرکانسهای ثابت معینی ، در بر می‌‏گیرند.
• ایجاد لیزرها برای ناحیه فرابنفش دور موضوع به مراتب مشکلتری است. زیرا در فرکانسهای بالا ‏گسیل خود به خودی و اتلاف از طریق بازتاب به سرعت افزایش می‌یابند.
• تا این اواخر استفاده از لیزرها در طیف نمایی به علت عدم قابلیت کوک آنها به فرکانسهای دلخواه ‏، محدود بود و معمولا بطور تصادفی می‌شد از یک منبع با فرکانس ثابت برای تجربه معین استفاده ‏کرد.
• طیف نمایی رامان یک استثناء در این مورد است: طول موج تابش فرودی می‌تواند کاملا دلخواه ‏انتخاب شود و شدت زیاد لیزر بطور قابل توجهی مشکلات ناشی از ضعیف بودن خطوط رامان را ‏کاهش می‌دهد.

کاربردهای نور همدوس لیزر

• برای سایر شاخه های طیف نمایی توسعه لیزرهای رنگین دورنمای هیجان انگیزی را عرضه می ‏دارد. لیزرهای رنگین در گستره وسیعی از طول موجها نور تاباند، و تقویت در هر طول موج دلخواه ‏از نور مرئی تا فروسرخ را می توان با انتخاب یک رنگ مناسب و جدا کردن نوار موجی مورد نیازاز ‏طریق توری پراش تا تداخل سنج بدست آورد.
• از طریق روش دو برابر کردن فرکانس می‌توان گستره طول موج را به ناحیه فرابنفش گسترش داد. ‏با بکار بردن یک لیزر رنگین کوک پذیر به عنوان منبع پایه برای طیف نمایی جذبی می‌توان از یک ‏طیف نگار متعارف صرف نظر کرد.
• شدت یک لیزر رنگین را می‌توان به آسانی تا حدی بزرگ کرد که بتواند تجمع هر حالت ‏برانگیخته شده مناسبی را ، که از طریق یک گذار تابشی از حالت اساسی بدست می‌آید، اشباع ‏کند. این بدان معنی است که می‌توان تجمع حالت پایه و حالت برانگیخته شده را واقعا با همدیگر ‏برابر کرد. در این صورت می‌توان اثرهای گوناگونی را در حالت برانگیخته نظیر جذب به حالتی ‏باز هم بالاتر ، فرآیندهای فرو پاشی برخوردی و تابشی و انتقال انرژی برانگیختگی به حالتهای مجاور را مورد بررسی قرار داد.
• باید اضافه کرد که لیزرها وسیله‌ای فوق العاده مفید در یک آزمایشگاه طیف نمایی برای کارهای ‏ساده ولی اساسی نظیر تنظیم طیف نگارها ، میزان کردن تداخل سنجها و بدست آوردن شکلهای خطی ، دستگاههای مفیدی هستند.
• از لیزرها بطور وسیعی در طیف سنج پلاسما به عنوان وسایل تشخیص برای اندازه گیری ‏مستقیم دما و چگالی الکترونی استفاده می‌شود.‏

کاربرد پزشکی لیزر


دید کلی

امروزه بطور نسبی همه لیزر و موارد کاربرد آن را می‌دانند. در تمام دنیا استفاده از لیزر و مشتقات آن بطور شگفت انگیزی افزایش داشته است. هر کس خالی داشته باشد که آن را مزاحم بداند به سراغ لیزر می‌رود. بنابراین بررسی علمی این موضوع مفید و لازم به نظر می‌آید. البته نور و طیف آن می‌تواند اثرات مفید و مضر برای بدن و پوست ایجاد کند. اثرات نور بنفش نقش تعیین کننده و مفیدی بر تغذیه و متابولیسم سلولی ایفا می‌کند. اینگونه اثرات سلامت بخش و مفید نور از زمانهای کهن نیز برای انسان تا حدود زیادی روشن بوده است.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...9/lasermov.gif



بر اساس شواهد و مدارک موجود یونانیها و رومیها هر دو از اثرات مفید و درمانی نور بطور تجربی اطلاع داشته و از آن در درمانهای مختلف بهره می‌جستند. در اوایل سال 1903 دانشمندان اثرات درمانی نور را در شکلی علمی مطرح نمودند و در همین سالها یک فیزیکدان بنام Nife finsen Ryberg بخاطر کشفها و تحقیقاتش روی قابلیتهای درمانی اشعه‌های ناشی از طیفهای مختلف نور موفق به دریافت جایزه نوبل گردید. او دستگاهی را اختراع کرد که طول موجهای مختلف نور خورشید را مجزا نموده و آنها را در مسیرهای معین هدایت می‌نمود.
کاشف واقعی لیزر کیست؟

انیشتین نخستین دانشمندی بود که مقوله لیزر را در قالبی علمی مطرح کرد و در سالهای بعد از آن آمریکاییها و روسها در طول جنگ سرد تحقیقات و پژوهشهای متعددی در مورد چگونگی بکارگیری لیزر در صنایع جنگی انجام دادند. نخستین لیزر طبی به نام Robust که در قالب یک ماشین ثابت با حجمی سنگین و در اندازه‌ای بزرگ طراحی شده بود در درمانهای جراحی مورد استفاده قرار گرفت.



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...ea/laser02.jpg



پس از آن جهان طب شاهد تکامل سریع و غیر منتظره در تولید انواع لیزر طبی و ارائه شدن نسلهای مختلف لیزر به جامعه پزشکی بوده به رغم اشکال متنوع و چند کاره بودن دستگاه لیزر در حوزه‌های مختلف پزشکی یک اصل اساسی از ابتدا تا کنون هرگز تغییر نکرده و آن بکار گیری بهینه از انرژی حاصل از لیزر در حوزه‌های مختلف علمی ، پزشکی ، جراحی و زیباسازی پوست می‌باشد.
اثرات لیزر روی بدن

• تحریک سلولی: لیزر باعث تشدید رشد و ترمیم مجدد سلول در پوست ، اتصالات ، مفاصل ، بافتها و ... می‌گردد.
• افزایش فعالیت بافتها: تولید سلولهای زایا افزایش تولید آنزیمها و پروستا گلاندینها و ... را باعث می‌شود.
• ترمیم و تشدید فعالیت DNA : لیزر در RNA بافت کلاژن تغییراتی را ایجاد می‌نماید.

آثار ضد التهابی لیزر

• کاهش بافت فیبروز: درمان زخمها توسط لیزر امکان پذیر می‌باشد.
• آثار استریلیزاسیون و میکروب کشی
• اثرات ضد ویروسی
• تحریک فعالیتهای بافت عصبی
• افزایش قدرت دفاعی بدن: تولید اینترفرون (مولکول واسطه در سیستم ایمنی) را باعث می‌شود.
• تقویت نمودن رشد مجدد موها
• کاهش دادن رشد موها و محو موهای ناخواسته
• ایجاد واسکولاریزاسیون: شکل گیری عروق جدید خونی که باعث خونگیری بهتر بافتها می‌گردد را باعث شده که این خاصیت لیزر عامل اساسی در جوان شدن مجدد پوست می‌باشد.
• افزایش تراکم بافتی با لیزر

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...18/laser01.jpg
استفاده از لیزر در درمان بیماریها

• کاربرد در درماتولوزی: درمان سوختگیها و زخمهای مقاوم به درمان آکنه ، اگزما ، پسوریاسیس ، ضایعات و اقدامات پیشگیرانه مثل جلوگیری از پیر شدن پوست توسط لیزر امکان پذیر شده است.
• بیماریهای عضلانی - اسکلتی و ارتوپدی: در درمان کشیدگیهای تاندونی آرتریت روماتوئید ، رفع اختلالات موجود در اتصالات عضلانی کمر دردها و کشیدگیها بکار می‌رود.
• بیماریهای دهان و دندان: درمان پوسیدگیهای دندانی پریودنتیتها بیماریهای مخاط دهان اختلالات جویدن و ... توسط لیزر صورت می‌پذیرد.
• در حوزه عصبی:درمان سردردها و میگرن توسط لیزر امکان پذیر می‌باشد.
• بیماریهای عروقی:درمان واریسهای وریدی ضایعات عروقی حاصله از بدو تولد و ... .

موارد منع استفاده از لیزر در پزشکی

• تقریبا هیچ موردی در منع استفاده از لیزر وجود نداشته و فقط به هنگام حاملگی به علت عدم وجود اطلاعات کافی بهتر است این وسیله با احتیاط استفاده شود.
• در مورد انواع مختلف پوست و یا داروهایی که فرد مورد استفاده قرار می‌دهد باید لیزر را با احتیاط بیشتری بکار برد. برای مثال استفاده از هپارین و وارفارین (داروهایی که معمولا برای رقیق کردن خون بکار می‌روند) منعی در استفاده از لیزر ندارند.
• پس از کشف پنی سیلین کشف لیزر و شناخت قابلیتهای آن در طب بزرگترین انقلاب می‌تواند باشد.

کاربرد لیزر در اندازه گیری و بازرسی

خصوصیات جهت‌مندی، درخشایی، و تکفامی لیزر باعث کاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته‌مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی کنترل ابزار ماشینی شده است. در این بخش تعیین فاصله بین دو نقطه و بررسی آلودگی را نیز مد نظر قرار می دهیم.

هم محور کردن


:یکی از معمولترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور کردن است. برای اینکه یک خط مرجع مستقیم برای هم محور کردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پلها و یا تونلها داشته باشیم استفاده از جهتمندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند کلیماتور و تلسکوپ را گرفته است. معمولا از یک لیزر هلیم - نئون با توان کم استفاده می شود و هم محور کردن عموما به کمک آشکارسازهای حالت جامد به شکل ربع دایره ای انجام می شود. محل برخورد باریکه لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یک اندازه گیری الکتریکی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست. در عمل دقت ردیف شدن از حدود 5µm تا حدود 25µm به دست آمده است.

مسافت سنجی


:از لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد.

:برای مسافتهای کوتاه تا 50 متر روشهای تداخل سنجی به کار گرفته می شوند که در آن ها از یک لیزر هلیم - نئون پایدار شده فرکانسی به عنوان منبع نور استفاده می شود. برای مسافتهای متوسط تا حدود 1 کیلومتر روشهای تله متری شامل مدوله سازی دامنه به کار گرفته می شود. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را که از لیزر گسیل شده است و از جسمی بازتابیده می شود اندازه گیری کرد.

در اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایکلسون استفاده می شود. باریکه لیزر به وسیله یک تقسیم کننده نور به یک باریکه اندازه گیری و یک باریکه مرجع تقسیم می شود باریکه مرجع با یک آینه ثابت بازتابیده می شود در حالی که باریکه اندازه گیری از آینه ای که به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می کند. سپس دو باریکه بازتابیده مجددا با یکدیگر ترکیب می شوند به طوری که با هم تداخل می کنند و دامنه ترکیبی آن ها با یک آشکار ساز اندازه گیری می شود. هنگامی که محل جسم در جهت باریکه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر کند سیگنال تداخل از یک ماکزیموم به یک مینیموم می رسد و سپس دوباره ماکزیموم می شود. بنابراین یک سیستم الکترونیکی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولا در کارگاههای ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و امکان اندازه گیری طول با دقت یک در میلیون را می دهد. باید یادآوری کرد که در این روش فقط می توان فاصله را نسبت به یک مبدا اندازه گیری کرد. برتری این روش در سرعت دقت و انطباق با سیستم های کنترل خودکار است.

:برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریکه لیزر مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریکه گسیل شده و بازتابیده معین می شود. باز هم دقت یک در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه کشی استفاده می شود. برای فواصل طولانی تر از 1 کیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یک تپ کوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2 انجام می گیرد. این کاربردها اغلب اهمیت نظامی دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد کاربردهای غیر نظامی مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود 20 سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذکر است.


سرعت سنجی


:درجه بالای تکفامی لیزر امکان استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت مایعات و جامدات به روش سرعت سنجی دوپلری فراهم می سازد. در مورد مایعات می توان باریکه لیزر را به مایع تابانده و سپس نور پراکنده شده از آن را بررسی کرد. چون مایع روان است فرکانس نور پراکنده شده به خاطر اثر دوپلر کمی با فرکانس نور فرودی تفاوت دارد. این تغییر فرکانس متناسب با سرعت مایع است. بنابراین با مشاهده سیگنال زنش بین دو پرتو نور پراکنده شده و نور فرودی در یک آشکار ساز می توان سرعت مایع را اندازه گیری بدون تماس انجام می شود. و نیز به خاطر تکفامی بالای نور لیزر برای برد وسیعی از سرعتها خیلی دقیق است.

:یکی از سرعت سنجهای خاص لیزر اندازه گیری سرعت زاویه ای است. وسیله ای که برای این منظور طراحی شده است ژیروسکوپ لیزرینامیده می شود و شامل لیزری است که کاواک آن به شکل حلقه ای است که از سه آینه به جای دو آینه معمول استفاده می شود. این لیزر می تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامین کند. فرکانسهای تشدیدی مربوط به هر دو جهت انتشار را می توان با استفاده از این شرط که طول تشدید کننده ( حلقه ای ) برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زمانی که لازم است نور یک دور کامل بزند زاویه آینه های تشدید کننده به اندازه یک مقدار خیلی کوچک ولی محدود حرکت خواهد کرد. طول موثر برای باریکه ای در همان جهت چرخش تشدید کننده می چرخد کمی بیشتر از باریکه ای است که در جهت عکس می چرخد. در نتیجه فرکانس های دو باریکه ای که در خلاف جهت یکدیگر می چرخند کمی تفاوت دارد و اختلاف این فرکانسهای متناسب با سرعت زاویه ای تشدید کننده است . با ایجاد تپش بین دو باریکه می توان سرعت زاویه ای را اندازه گیری کرد. ژیروسکوپ لیزری امکان اندازه گیری با دقتی را فراهم می کند که قابل مقایسه با دقت پیچیده ترین و گرانترین ژیروسکوپ های معمولی است.


دیسکهای تصویری و صوتی


:کاربرد مصرفی دیگر و یا به عبارت بهتر کاربرد مصرفی واقعی عبارت از دیسک تصویری و دیسک صوتی است. یک دیسک ویدئو حامل یک برنامه ویدئویی ضبط شده است که می توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسک ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یک سابنده روی آن ضبط می کنند که این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یک روش معمول ضبط شامل برشهای شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها 4/1 طول موج لیزری است که از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریکه لیزر طوری کانونی می شود که فقط بر روی یک شیار بیفتد. هنگامی که شیار در مسیر لکه باریکه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن کاهش پیدا می کند. به عکس نبودن شیار باعث یک بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط کرد.


نوشتن و خواندن اطلاعات


:کاربرد دیگر لیزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوری در کامپیوترهاست لطف ای حافظه نوری هم در توان دسترسی به چگالی اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تکنیک ضبط عبارت است از ایجاد سوراخ های کوچکی در یک ماده مات یا نوعی تغییر خصوصیت عبور و بازتاب ماده زیر لایه که با استفاده از لیزرهای با توان کافی حاصل می شود. و حتی می تواند فیلم عکاسی باشد. اما هیچ یک از این زیر لایه ها را نمی توان پاک کرد. حلقه های قابل پاک کردن بر اساس گرما مغناطیسی فروالکتریک و فوتوکرومیک ساخته شده اند. همچنین حافظه های نوری با استفاده از تکنیک تمام نگاری نیز طراحی شده اند. نتیجتا اگر چه از لحاظ فنی امکان ساخت حافظه های نوری به وجود آمده است ولی ارزش اقتصادی آن ها هنوز جای بحث دارد.

گرافیک لیزری


:آخرین کاربردی که در این بخش اشاره می کنیم گرافیک لیزری است. در این تکنیک ابتدا باریکه لیزر بوسیله یک سیستم مناسب روبشگر بر روی یک صفحه حساس به نور کانونی می شود و در حالی که شدت لیزر به طور همزمان با روبش از نظر دامنه مدوله می شود به طوری که بتوان آن را بوسیله کامپیوتر تولید کرد.( مانند سیستم های چاپ کامپیوتری بدون تماس ) و یا آنها را به صورت سیگنال الکتریکی از یک ایستگاه دور دریافت کرد( مانند پست تصویری). در مورد اخیر می توان سیگنال را به وسیله یک یک سیستم خواننده مناسب با کمک لیزر تولید کرد. وسیله خواندن در ایستگاه دور شامل لیزر با توان کم است که باریکه کانونی شده آن صفحه ای را که باید خوانده شود می روبد. یک آشکارساز نوری باریکه پراکنده از نواحی تاریک و روشن روی صفحه را کنترل می کند و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. سیستم های لیزری رونوشت اکنون به طور وسیعی توسط بسیاری از ناشران روزنامه ها برای انتقال رونوشت صفحات روزنامه به کار برده می شود.

کاربرد لیزر در هولوگرافی

مقدمه

تمام نگاری یک تکنیک انقلابی است که عکسبرداری سه بعدی (یعنی کامل) از یک جسم و یا یک صحنه را ممکن می‌کند. این تکنیک در سال 1948 توسط گابور ابداع شد (در آن زمان به منظور بهتر کردن توان تفکیک میکروسکوپ الکترونی پیشنهاد شد) و بصورت یک پیشنهاد عملی در آمد، اما قابلیت واقعی این تکنیک پس از اختراع لیزر نشان داده شد.
ایجاد هولوگرام

برای ایجاد هولوگرام به یک چشمه نور همدوس که در آن ، امواج همفاز هستند (نور لیزر) نیاز داریم. اساس تمام نگاری به این صورت است که باریکه لیزر بوسیله آینه که قسمتی از نور را عبور می‌دهد، به دو باریکه (بازتابیده و عبوری) تقسیم می‌شوند. باریکه بازتابیده مستقیما به صفحه حساس به نور برخورد می‌کند، در حالی که باریکه عبوری جسمی را که باید تمام نگاری شود روشن می‌کند. به این ترتیب قسمتی از نوری که از جسم پراکنده شده هم روی صفحه حساس (فیلم) می‌افتد. به علت همدوس بودن باریکه‌ها یک نقش تداخلی از ترکیب دو باریکه روی صفحه تشکیل می‌شود.

حالا اگر این فیلم ظاهر شود و تحت بزرگنمایی کافی بررسی شود، می‌توان این فریزهای تداخلی را مشاهده کرد. فاصله بین دو فریز تاریک متوالی معمولا حدود 1 میکرومتر است. این نقش تداخلی پیچیده است و هنگامی که صفحه را بوسیله چشم بررسی می‌کنیم به نظر نمی‌رسد که حامل تصویر مشابه با جسم اولیه باشد، اما این فریزهای تداخلی در واقع حامل ضبط کاملی از جسم اولیه است (هولوگرام انعکاسی یکی از انواع فراوان هولوگرامهاست).



http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...animation3.gif
مشاهده هولوگرام

برای مشاهده هولوگرام باید نور را تحت همان زاویه دسته پرتو اصلی که به هنگام عکسبرداری بر فیلم تابانده‌ایم، بر فیلم بتابانیم. در این صورت نمونه‌های تداخلی مضبوط بر فیلم نور را پراش داده چنان منعکس می‌کنند که جهت و شدت امواج تابشی اصلی ، که به هنگام عکسبرداری ایجاد شده است، مجددا بوجود آید. حال فرض کنید که صفحه ظاهر شده را دوباره به محلی که در معرض نور قرار داشت باز گردانیم و جسم تحت مطالعه را برداریم..

باریکه بازتابیده اکنون با فریزهای روی صفحه برهمکنش می‌کنند و دوباره در پشت صفحه یک باریکه پراشیده ایجاد می‌کند. بنابراین ناظری که به صفحه نگاه می‌کند جسم را در پشت صفحه می‌بیند، طوری که انگار هنوز هم جسم در آنجاست. هر یک از دو چشم ، هر نقطه مفروض را بواسطه یک نمونه تداخلی جداگانه مشاهده می‌کند. بدین ترتیب برای هر نقطه از تصویر ، ناظر یک تصویر مجازی سه بعدی را پشت صحفه هولوگرافی شناور است، می‌بیند. با تغییر شدت نور که در نتیجه تغییر زاویه مشاهده ، ایجاد می‌شود، چنین می‌نماید که شی در پشت هولوگرام واقعا وجود دارد.
خصوصیات تمام نگاری

یکی از جالبترین خصوصیات تمام نگاری این است که جسم بازسازی شده رفتار سه بعدی نشان می‌دهد، بنابراین با حرکت دادن چشم از محل تماشا می‌توان طرف دیگر جسم را مشاهده کرد. توجه کنید که برای ضبط تمام نگار باید سه شرط اصلی را برآورد:.

1. درجه همدوسی نور لیزر باید به اندازه کافی باشد تا فریزهای تداخلی در روی صفحه تشکیل شود.
2. وضعیت نسبی جسم ، صفحه و باریکه لیزر نباید در هنگام تاباندن نور به صفحه که حدود چند ثانیه طول می‌کشد تغییر کند. در واقع تغییر محل نسبی باید کمتر از نصف طول موج لیزر باشد تا از در هم شدن نقش تداخلی جلوگیری کند.
3. قدرت تفکیک صفحه عکاسی باید به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند فریزهای تداخلی را ضبط کند.

کاربرد

http://daneshnameh.roshd.ir/mavara/i...olographic.jpg



تمام نگاری به عنوان یک تکنیک ضبط و بازسازی تصویر سه بعدی بیشترین موفقیت را تا کنون در کاربردهای هنری داشته است تا در کاربردهای علمی. اما بر اساس تمام نگاری از یک تکنیک تداخل سنجی تمام نگاشتی در کاربردهای علمی به عنوان وسیله‌ای برای ضبط و اندازه گیری واکنشها و ارتعاشات اجسام سه بعدی استفاده شده است. عکس دو بعدی ، نور را در همه جهات، با شدتی یکسان منعکس می‌سازد.