مبانی لیزر

درسالیان خیلی دور انسان بطور اتفاقی آتش را کشف کرد و به مرور زمان با یادگیری استفاده از آتش و بکار بردن آن در مراحل مختلف زندگی، کیفیت زندگی خود را متحول کرده بود. از جمله، استفاده از نور و روشنایی آتش بود که در تاریکی شب به کمک آن دل غارهای محل سکونت خود را روشن و نورانی میکرد. چند صد قرن زمان لازم بود تا انسان بتواند با اختراع الکتریسیته منبع قویتری برای تولید نور و روشنایی در شب داشته باشد. بفاصلة زمانی نسبتاً کوتاهی انسان توانست این منبع نورانی را متحول کرده و با استفاده از آن ابزار قدرتمند و کارآمدی به نام لیزر را بسازد.

شروع اختراع لیزر به زمان آلبرت انیشتن و نظریة نشر القایی بازمی‌گردد (1917) ولی شاید خود انیشتن هم نمیتوانست در ذهن کاربردی به این وسعت برای لیزر در نظر بگیرد تا اینکه بعد از سالها مطالعه و تلاش، دانشمند آمریکایی میمن موفق به ساخت اولین لیزر و استفاده از طئوری نشر القایی گردید (1960).
 در این زمان بود که نظرات فراوانی در مورد استفاده‌های مختلف از لیزر در ذهن دانشمندان و نویسندگان داستانهای علمی تخیلی شکل میگرفت و هر یک با ابداع وسیله‌ای تخیلی نحوة استفاده از نور لیزر را در آینده توصیف می‌کردند. ساخت فیلمهای علمی تخیلی که در آنها فضا‌نوردان با در دست داشتن تفنگهای لیزری با مهاجمان به کرة زمین مبارزه میکردند و!!!! به اوج خود رسیده بود. البته ارزش این داستانها و تخیلات در پیشبرد علم و تنولوژی بر هیچ‌کس پوشیده نیست و بسیاری از دانشمندان و مخترعین بزرگ با پیروی از این پیشگویی‌ها بود که موفق به اختراع وسیله‌ای جدید و یا کشف پدیده‌ای نادر گردیدند.

بدلیل هزینه‌های خیلی سنگین در راه تولید لیزر‌های پرتوان، لیزر در سالهای اولیه کاربرد زیادی نداشت و استفاده از نور لیزر محدود به مراکز دانشگاهی و آزمایشگاههای تحقیقاتی بود. ولی به تدریج با پیدا کردن کاربردهای جدید و سرمایه‌گذاری در تولید صنعتی آن بتدریج هزینه‌ها کاسته شده و با گذشت کمتر از نیم قرن از ساخت اولین لیزر، این تکنولوژی به کارآمدترین ابزار مورد استفادة بشر در آمده است. امروزه لیزر با زندگی بشر متمدن آمیخته شده به ترتیبی که در کلیة مراحل زندگی بشر بصورت غیرقابل انکاری وابسته به لیزر شده است. بعنوان مثال می‌توان از دستگاههای CD-ROM و DVD-ROM در مصارف خانگی ویا دستگاههای Barcode Reader در فروشگاههای زنجیره‌ای یا فیبرهای نوری در مخابرات و بمبهای لیزری در صنایع نظامی نام برد.
جدید‌ترین وسیلة تولید نور لیزر دیودهای لیزر هستند که با طول‌موجهای متفاوت و توانهای از 0.5 میلی وات تا 50 وات بیشترین کاربرد را در صنعت و پزشکی پیدا کرده‌اند. بعلت سهولت کار با این دیودها، قیمت نسبتاً مناسب و حجم کوچک آنها، امکان بهره‌گیری از این کشف بزرگ در جایجای زندگی بشر فراهم شده است.
امروزه لیزرهای قدرت‌مندی در حد ده‌ها و حتی صدها وات ساخته شده که در صنعت کاربردهای فراوان دارد. از جمله سوراخکاری و برش فلزات ضخیم تا قطر 2 سانتیمتر و در مواردی هم در جوشکاری و اتصال سخت بین فلزات  بکار میروند.

بعد از این مقدمة به شرح طئوری نشرالقایی و مبانی فیزیکی لیزر می‌پردازیم. در این مقاله بیشتر سعی در توضیح طئوری و اصول فیزیک لیزر و نحوة تولید آن شده است بنحوی که مقاله بیشتر کاربرد آموزشی بعنوان مبانی فیزیک  لیزر داشته باشد. مقالة دوم در رابطه با کاربرد لیزر و بخصوص کاربرد لیزر در پزشکی خواهد بود.

فیزیک لیزر

 نام Laser برگرفته از حروف :

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

معنی و مفهوم آن تقویت نور از طریق تحریک انتشار موج القایی میباشد. ماهیت امواج لیزر از نوع امواج الکترومانیتیک می‌باشد. از انواع دیگر امواج الکترومانیتیک می‌توان امواج رادیویی و مایکروویو ( در محدودة نامرئی ) و امواج نور مرئی مثل نور خورشید را نام برد. نور لیزر از نوع امواج غیر یونیزه بوده و با امواج یونیزه مثل موج گاما و X  فرق دارد. تفاوتهای موجود بین امواج مرئی و امواج لیزر باعث اثرات ویژه و منحصربفرد آن می‌شود.
این تفاوتها عبارتند از :
1- نور لیزر تک رنگ یا Monochrome  میباشد ولی نور مرئی از ترکیب چند رنگ تشکیل شده است. اگر نور مرئی مثلاُ نور خورشید را از یک منشور عبور دهیم در طرف دیگر منشور طیف رنگی ( هفت رنگ اصلی ) تشکیل دهندة آن قابل تشخیص است در حالی که در مورد نور لیزر بعد از عبور از منشور تنها یک رنگ مشاهده میشود.

2- نور لیزر بصورت موازی یا Collimated منتشر میشود در حالی که نور مرئی بصورت واگرا منتشر میشود. (مثل نوری که از چراغ‌قوه یا پروژکتور منتشر میشود)

3- نور لیزر ماهیت یگانه یاCoherent  داشته و همجنس میباشد در حالی که نور مرئی بعلت چند رنگ بودن از ماهیت یگانه‌ای برخوردار نیست.( منظور هم‌فاز بودن و داشتن طول موج یکسان است)

همانطور که اطلاع دارید، ساختمان مواد بصورت اتم از دو جزء هسته و الکترونها که بدور هسته در گردش هستند تشکیل شده است. هسته محل قرار گرفتن ذرات با وزن سنگینتر و با بارهای مثبت و یا خنثی میباشد.(پروتونها و نوترونها)
الکترونها با وزن خیلی سبکتر ولی با بار منفی در فضایی بصورت ابر الکترونی با فاصلة ثابت بدور این هسته در گردش هستند. این حالت را حالت پایدار یا Ground State مینامند.

 
Ground State

بر طبق طئوری نشر القایی الکترونهای لایة خارجی بعضی مواد (بصورت مولکول یا اتم) میتواند با جذب انرژی (بصورت نور) برانگیخته شده و به مدار بالاتری از لحاظ سطح انرژی بروند. این حالت ماده را حالت بر‌انگیخته یا Excitation State مینامند.

 
Excitation State

این مدار بالاتر از لحاظ سطح انرژی خیلی پایدار نبوده و الکترون می‌تواند با از دست دادن انرژی (بصورت فوتون نوری) به سطح اولیه و پایدار خود بازگردد. این پدیده در مورد بعضی الکترونها خودبخودی صورت میگیرد که به آن  Spontaneous Emission یا نشر خودبخودی میگویند.

 
Spontaneous Emission

فوتونهای حاصل از نشر خودبخودی به هر سمت و جهتی ممکن است منشتر شوند (درست مثل فوتونهای نور معمولی) ولی در هنگام حرکت اگر با الکترون برانگیخته‌ای که در حالت سطح بالاتر انرژی قراردارد برخورد کنند آنرا وادار به از دست دادن انرژی بصورت فوتون نوری و بازگشت به سطح Ground State می‌کنند. این حالت را نشر القایی یا Induced Emission می‌نامند.

 
Induced Emission

در نشر القایی از برخورد یک فوتون به یک الکترون بر‌انگیخته دو فوتون که در تمام خصوصیات با هم مشابه هستند بوجود می‌آید. یعنی این دو فوتون از لحاظ سطح انرژی و طول موج کاملاً با هم یکسان بوده با هم هم‌جهت بوده و هم فاز نیز هستند Coherent. این مرحلة اول تقویت موج نور بوده، نور حاصل دور برابر نور اولی قدرت دارد. ولی برای تبدیل شدن این نور به نور لیزر هنوز راه زیادی در پیش است!
هرگاه بتوان به وسیله‌ای این فوتونهای نوری را میلیونها بار با یکدیگر ترکیب و تقویت نماییم، نور حاصل از قدرت و توانی فوق‌العاده برخوردار خواهد شد و بدین ترتیب موفق به ساخت نور لیزر خواهیم شد. پیدا کردن راهی برای انجام این مهم سالیان سال در دستور کار آزمایشگاههای تحقیقاتی فیزیک و دانشمندان این رشته قرارداشت.
سرانجام در سال 1960 یک دانشمند آمریکایی بنام میمن با استفاده از کریستال یاقوت موفق به انجام این کار شد و برای اولین بار نور لیزر را در آزمایشگاه تولید کرد.
در این روش نور حاصل از انتشار القایی را میلیونها بار بین دو آینة موازی به حرکت در آورده و عمل تقویت را تا رسیدن به نتیجة نهایی ادامه می‌دهند.

در ساختمان یک لیزر چهار جزء اصلی وجود دارد که عبارتند از:

1- منبع انرژی یا Power Source که ممکن است نور حاصل از یک Flash Lamp یا انرژی حاصل از تخلیة بار الکتریکی و یا حتی نور یک لیزر دیگر باشد. وظیفة منبع انرژی تحریک الکترونهای مادة واسط و انتقال آنها به سطح انرژی بالاتر از طریق فوتونهای نوری پر قدرت است.
2- مادة واسطه یا Lasing Medium که می‌تواند از نوع گاز(CO2) ، یا مایع(Dye) ، یا جامد (Nd-YAG, Alexindrite) باشد. مادة واسط باید خصوصیات ویژه‌ای داشته باشد از جمله اینکه باید قابلیت عبوردادن نور را داشته باشد(شفاف باشد) و از طرفی در ساختمان مولکولی خود الکترونهایی داشته باشد که قابلیت تحریک شدن توسط فوتون و افزایش سطح انرژی را دارا باشند.
3- فضای اپتیک (Optical Cavity)  مناسب برای تشدید و تقویت نور یا فضایی که منبع انرژی و مادة واسط را در داخل آن قرار می‌دهند تا نور تولید شده توسط منبع انرژی بطور تقریباً کامل به Laser Media تابانده شود و به اصطلاح برای ایجاد راندمان بیشتر طراحی شده است.
4- سیستم انتقال انرژی یا Delivery System یا جزئی که عمل جمع‌آوری انرژی حاصل و هدایت آن تا محل مصرف را به عهده دارد و ممکن است از نوع فیبر نوری یا Articulated Arm و لنزهای فوکوس کنندة متعدد باشد.

در یک Laser Head منبع انرژی، الکترونهای موجود در مولکولهای مادة  واسط را تحریک کرده و بصورت بر‌انگیخته در می‌آورد. تعدادی از الکترونها بصورت خودبخودی به مدار اولیه برگشته و از خود فوتون آزاد می‌کنند.(Spontaneous Emission)
این فوتونها در طول Laser Medium به حرکت در آمده و با برخورد به الکترونهای دیگر که در حالت برانگیخته قرار دارند آنها را وادار به از دست‌دادن انرژی و برگشت به حالت اولیه می‌کنند. بنابراین از برخورد یک فوتون به الکترون پر انرژی دو فوتون بوجود می‌آید.(Induced Emission)
در یک انتهای Laser Medium ،آینة کامل (Max Reflector) قرار گرفته که 100% نوری را که به آن برخورد میکند منعکس می‌نماید و در انتهای دیگر نیمه‌آینه یا Partial Reflector قرار دارد که 70% نور را منعکس کرده و 30% آنرا از خود عبور می‌دهد. فوتونهای حاصل از Induced Emission هزاران بار بین این دو آینه حرکت کرده و هر بار با برخورد با الکترونهای بر‌آنگیخته شده آنها را وادار به از دست‌دادن انرژی می‌کنند و این روند بصورت واکنش زنجیره‌ای تا جایی که الکترونی در حالت برانگیخته وجود داشته باشد ادامه پیدا می‌کند.
30% انرژی نورانی که از سمت Partial Reflector یا نیمه آینه خارج میشود همان نور لیزر بوده که با حرکت بین این دو آینه توان و قدرت فوق‌العاده زیادی پیدا کرده و سه ویژگی نور لیزر را دارا می‌باشد. تک‌رنگ است ، بصورت موازی منتشر شده و ماهیتی یکسان دارد.

با کمی دقت میتوان متوجه شد که چرا این ویژگی‌ها در نور لیزر وجود دارد:

1- نور لیزر تک رنگ است زیرا تمام فوتونهای تشکیل دهندة آن از یک واسطه خارج شده‌اند بعبارت دیگر تمام الکترونها در Laser Media تراز تحریک شده و تراز پایدار مشابهی داشته و در برگشت به Ground State  فوتونهایی با طول موج مشابه تولید می‌کند که علاوه بر آن هم‌فاز هم هستند بنابر این اثر تجمعی داشته و در هر رفت‌و برگشت به قدرت و توان آنها اضافه میشود. (Coherent + Monochrome)

2- نور لیزر بصورت موازی منتشر می‌شود زیرا تنها فوتونهایی که جهت حرکت آنها در امتداد محور طولی Laser Media قرار داشته باشد شانس اینرا داشته‌اند که در طول این مسیر میلیونها بار حرکت کرده و در هر رفت‌و برگشت قدرت آنها تقویت شود.  (Collimated)
به عبارت دیگر در انتشار خودبخودی و انتشار القایی فوتونهایی هم بوجود می‌آیند که مسیر حرکت آنها در جهت محور طولی  واسطة لیزر نبوده و بعد از چند رفت‌و برگشت از محدودة محور طولی واسطة لیزر خارج شده باشند و آنقدر عمل تقویت در آنها صورت نمی‌گیرد که تبدیل به نور لیزر شوند.

 بطور کلی لیزرها از نظر تولید نور لیزر به دو دسته بزرگ Pulsed و Continuous تقسیم می‌شوند. در نوع اول منبع انرژی بصورت متناوب عمل کرده (مثل فلاش دوربین عکاسی) و نور لیزر فقط در کسری از ثانیه تولید میشود. در حالی که در نوع دوم تولید نور توسط منبع انرژی و در نتیجه تولید نور لیزر بصورت ممتد ادامه دارد.
بعد از تولید نور لیزر در Laser Head نور حاصل توسط لنزهای مخصوصی بنام Focusing Lens جمع آوری شده و به کمک Optic Fiber یا Articulated Arm (آینه‌های متعدد نصب شده در داخل بازوی متحرک) به محل مصرف  آن انتقال داده می‌شود.

سئوالات خودرا به این آدرس ارسال فرمایید:                     آدرس ایمیل جهت جلوگیری از رباتهای هرزنامه محافظت شده اند، جهت مشاهده آنها شما نیاز به فعال ساختن جاوا اسکریپت دارید