سلاحهای لیزری

[رزیتا]

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.

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.

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.

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.

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.

[رزیتا]

لیزر الکترون آزاد



مقدمه

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.

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.

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.

[رزیتا]

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

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.

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.

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.

[رزیتا]

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.

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.

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.

[رزیتا]

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.

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.

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.

[رزیتا]

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

(سنگ سنباده) است که بعضی از یونهای

آن با یونهای

عوض شده‌اند. به عنوان ماده لیزری ، این بلور را معمولا از رشد مخلوط مذاب

(تقریبا 0.05% وزنی) و

تهیه می‌کنند. لیزر یاقوت یک دستگاه سه ترازی است.

مکانیزم لیزر یاقوت

ماده فعال این لیزر

با حدود 0.05% وزنی کروم به عنوان ناخالصی در آن بدست می‌آید. یونهای فعال

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.

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

تشکیل شده است که در آن درصد کمی از

با

جایگزین می‌شود. برای این کار مقداری پودر

به

خیلی خالص ذوب شده ، اضافه می‌کنند.

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

) 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

است.

لیزرهای شبیه یاقوت

بلور

با یون

نیز آلائیده می‌شود و فرایند رشد آن شبیه یاقوت است. لیزر

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.

[رزیتا]

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

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.

انواع لیزرهای جامد.

لیزر یاگ (

)

در حال حاضر ، کاربردی‌ترین لیزر حالت جامد که برای پردازش و ماشین کاری مواد بکار می‌رود، لیزر یاگ

است که از بلور

(سنگ آلومینیوم ایتریم) که به آن 0.1 تا 1 درصد یون نئودیمیم

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

لیزرهای Er

لیزرهای ایربیوم بخاطر داشتن دو طول موج ویژه اهمیت دارند، اما از نظر انرژی خروجی مانند لیزرهای

خیلی قابل توجه نیستند. بلور

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

است (که غالبا

نامیده می‌شود) که در آن یونهای

جایگزین برخی یونهای

شده‌اند، یا شیشه‌ای است که با یونهای

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

است، چون ترازهای انرژی درگیر ، زیاد تحت تأثیر میدان بلور قرار نمی‌گیرند.