سلاحهای لیزری

[رزیتا]

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).

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.

[رزیتا]

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.

[رزیتا]

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

[رزیتا]

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.

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

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

[رزیتا]

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.

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.

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:

و

که در آن انتشار در راستای Z بوده و کمیت

مشخص کننده اندازه لکه باریکه است. هر قدر که اندازه

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

[رزیتا]

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.

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.

لیزر شیمیایی

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

) و

توسط نور را می‌توان به عنوان مثال ذکر نمود. در تجزیه هالید نیتروزیل

و در تجزیه

،

برانگیخته می‌شود.

می‌تواند کلر یا برم باشد.
لیزر کی‌لیتی

به دلیل وجود تابشهای فلورسانس پرشدت حاصل از بعضی ترکیبات کی‌لیتی لانتانیدها ، استفاده از این سیستمها چندان مورد توجه نبوده است. این ترکیبات ایجاد پرتو لیزر را ممکن ساخته است. یکی از مکانیسمهای پیشنهادی برای این فرآیند آن است که ابتدا لیگاند برانگیخته شده و سپس یک جهش بدون تابش درون مولکولی به تراز برانگیخته فلز صورت گیرد و به دنبال آن یون فلزی با گسیل تابش فلورسانس به تراز پایه برمی‌گردد.

این تابش سرچشمه پرتو نور لیزر است. β - دی‌کتونها از جمله لیگاندهایی هستند که با لانتانیدها تولید ترکیبات کی‌لیتی می‌نمایند. در چنین سیستمهایی می‌توان با استفاده از یونهای فلزی گوناگون ، لیزرهای کنترل شده) بدست آورد. لکن نیاز به درجه حرارت پایین جهت تامین کارآیی خوب ، از توجه و مطالعه در مورد این سیستمها کاسته است.
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