موضوع مقاله: لیزر | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # لیزر | مقدمه: لیزر، نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع می‌کند. | ## بخش 1: لیزر | این دستگاه از ماده‌ای جمع‌کننده یا فعال‌کنندهٔ نور تشکیل شده که درون محفظهٔ تشدید نور قرار دارد. این ماده پرتو نور را که به وسیلهٔ یک منبع انرژی بیرونی (از نوع الکتریسیته یا نور) به وجود آمده، تقویت می‌کند. کار لیزر به این‌گونه است که با تابش یک فوتون به یک ذره (اتم یا مولکول یا یون) برانگیخته، یک فوتون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوتون با هم، هم‌فرکانس هستند. با ادامهٔ این روند شمار فوتون‌ها افزایش می‌یابد که می‌توانند باریکه‌ای از فوتون‌ها را به وجود بیاورند. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر، به خواص ویژهٔ آن پی برده شد که خود این خواص، بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده در علوم گوناگون به ویژه صنعت و پزشکی ایجاد کرده است. اما این باعث ناپایداری الکترون‌ها شده و آن‌ها ترجیح می‌دهند با از دست دادن انرژی به صورت نشر نور یا گرما به مدار اصلی خود برگردند. پس اگر با تعداد زیادی از اتم‌ها هم‌زمان این کار را انجام دهیم، می‌توانیم پرتو نوری تک‌فرکانس ایجاد کنیم. ویژگی‌های منحصربه‌فرد لیزر آن را از نورهای دیگر متمایز می‌سازد که در هیچ منبع نور دیگری یافت نمی‌شود. لیزر چهار ویژگی دارد: همدوسی تک‌رنگی (تکفامی) جهتمندی درخشایی (روشنایی) همچنین لیزرهایی که طول موج کوتاهی دارند مانند لیزر آبی می‌توانند طی چند روز تابش سرطان‌زا باشند. در سطح بالاتر می‌توان از شتاب‌دهنده‌های اتمی نیز برای تابش از ذرّات کوارک استفاده کرد تاریخچه پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سامانه با جمعیت وارون برای تقویت امواج مایکروویو به‌طور مستقل را وبر، جوردون، زیگر، باسو، تانز و پروخورو دادند. نخستین استفادهٔ عملی از چنین تقویت‌کننده‌هایی توسط گروه جوردون، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. مبانی نظری لیزر را آلبرت اینشتین در ۱۹۱۶ طی مقاله‌ای مطرح کرد ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعت و فناوری امکان ساخت نخستین لیزر را فراهم کند. چارلز تاونز در سال ۱۹۵۳ میزر (تقویت‌کنندهٔ موج مایکروویو) را اختراع کرد و خواست آزمایش‌های خود را حول جایگزینی نور مرئی به جای فروسرخ ادامه دهد و هم‌زمان این امر میان آزمایشگاه‌های گوناگون در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد. نخستین لیزر با استفاده از گذار مایکروویو در مولکول‌های آمونیاک ساخته شد در سال ۱۹۵۸ نخستین بار پیشنهاد فعالیت لیزر در فرکانس‌های نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو و تاونز داده شد. عبارت لیزر در همان زمان در مقاله‌ای از «گوردون هولد»، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و تئودور میمن (Theodore H. نخستین لیزر گازی را نیز علی جوان فیزیکدان ایرانی (ملقب به علی جون) در سال ۱۹۶۱ با استفاده از هلیوم و نئون ساخت. از سال ۱۹۶۶ لیزر نیم‌رسانا در مخابرات نوری در ژاپن و آمریکا مورد توجه قرار گرفت و نسبت به امکان مد گردانی مستقیم آن تا فرکانس‌های بسیار زیاد شناخت حاصل شده است. با پیشرفت روزافزون مکانیک کوانتومی و جنبه‌های ذره‌ای نور و تولید آینه‌هایی با توان بالا دانشمندان لیزرهایی را با توان خروجی بهتر (لیزرهای توان بالا) و همدوسی بالاتر ساختند. اختراع لیزر به سال ۱۹۵۸ با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر پرتو فروسرخ و نوری برمی‌گردد. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابرهٔ الکتریکی شود، تأیید نمودند. پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مانند بارندگی، مه، ابرهای کم ارتفاع، چیزهای موجود در آزمایش‌های مربوط به هوا مانند پرندگان قرار گیرد. دانشمندان نیز طرح‌های نویی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. | ## بخش 2: لیزر | اختراع مهم دیگر موج‌بر فیبر نوری بود که شرکت‌های مخابراتی برای ارسال صدا، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگ‌های گوناگون نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند. تقویت موج نور یا میدان تابش فوتون تنها در یک محیط لیزری که در آن وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی وجود داشته باشد روی می‌دهد. برای این‌که لیزر کار کند لازم است تعداد اتم‌های در تراز انرژی از تعداد اتم‌های در تراز انرژی بزرگ‌تر باشد. وارونی جمعیت و گسیل القائی با هم در محیط لیزری کار می‌کنند و باعث تقویت نور می‌شوند. دمنده‌ها می‌توانند از نوع اپتیکی، الکتریکی، شیمیایی یا گرمایی باشند به شرط این که انرژی لازمی را فراهم کنند که بتواند با محیط لیزری برای برانگیختن اتم‌ها و ایجاد وارونی جمعیت لازم همراه شود. در لیزرهای گازی مانند لیزر هلیوم-نئون، دمنده‌ای که از همه بیشتر به کار می‌رود از نوع تخلیهٔ الکتریکی است. عوامل مهم حاکم بر این نوع دمش مقطع‌های برانگیزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضی از لیزرهای گازی، الکترون‌های آزادی که در فرایند تخلیه تولید شده‌اند با اتم‌ها، یون‌ها یا مولکول‌های لیزر مستقیماً برخورد و آن‌ها را برانگیخته می‌کنند. در سایر لیزرها، برانگیزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم یا مولکول-مولکول روی می‌دهد. محیط لیزری محیط تقویت‌کننده یا ناحیهٔ فعال لیزر بخش مهمی از ابزار لیزر است که منبع ساطع‌کنندهٔ نور است و می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد و طول موج تابش لیزری را تعیین می‌کند. بسیاری از لیزرها از روی نوع محیط لیزری به کار رفته در آن‌ها نامگذاری می‌شوند، برای نمونه لیزر هلیم-نئون (He-Ne)، لیزر کربن دی‌اکسید و لیزر نئودیمیم: ایتریم آلومینیم گارنت (Nd:YAG). خروجی لیزر برای کاربردهای مختلف لیزر نیازمند آن هستیم که باریکهٔ لیزر را به نحوی مطلوب کنترل کنیم. پدافند لیزری یکی از کاربردهای نوظهور لیزر در صنایع نظامی است، پدافند لیزری سامانه ای می‌باشد که با پرتو متمرکز لیزر، تهدیدهای هوایی مثل پهپاد یا راکت رو در لحظه سوزونده یا از کار می‌اندازه. این سامانه‌ها به‌جای موشک از انرژی هدایت‌شده استفاده می‌کند و هزینهٔ هر شلیک بسیار پایین است. دیسک‌های تصویری و صوتی و لوح‌های فشرده؛ یک دیسک ویدئو حامل یک برنامهٔ ویدئویی ضبط‌شده است که می‌توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسک ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یک سابنده روی آن ضبط می‌کنند که این اطلاعات به وسیلهٔ لیزر خوانده می‌شود. هنگامی که شیار در مسیر لکهٔ باریکهٔ لیزر واقع شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن کاهش پیدا می‌کند. این گاز هنگامی که تحت تأثیر لیزر و میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد به دماهای منفی می‌رسد. آخرین فناوری‌ها شرکت نظامی راین متال آلمان با موفقیت یک لیزر پرقدرت نظامی را طراحی و تولید کرد. این نوع لیزر تخریبی از فاصلهٔ یک مایلی (۱۶۰۰ متر) قادر است بدنهٔ فولادی پهپاد را شکافته و به داخل هواپیما نفوذ کند. این شرکت قصد دارد با گسترش تحقیقات خود کارایی این لیزر را در جهت تخریب دیگر وسایل نقلیهٔ نظامی در میدان‌های جنگی افزایش دهد. | ## بخش 3: لیزر | از مهم‌ترین لیزرهای حالت جامد می‌توان از لیزر یاقوت که یک لیزر سه‌ترازی است و لیزرهای نئودیمیم نام برد. لیزر گازی ماده در لیزرهای گازی یک گاز است که به صورت خالص یا همراه با گازهای دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. بعضی از این مواد عبارت‌اند از: نئون به همراه هلیوم (لیزر هلیوم نئون)، کربن دی‌اکسید به همراه نیتروژن و هلیوم، آرگون، کریپتون، هگزافلورئید و …. لیزر مایع از مایعات به‌کار رفته در این نوع لیزرها اغلب به منظور تغییر طول موج یک لیزر دیگر استفاده می‌شود. 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 یا رنگ‌های کومارین هستند. نیم‌رساناها از دو ماده که یکی کمبود الکترون داشته، (نیم‌رسانای نوع p) و دیگری الکترون اضافی دارد، (نیم‌رسانای نوع n) تشکیل شده‌اند. وقتی این دو به یکدیگر متصل می‌شوند، در محل اتصال ناحیه‌ای به نام منطقهٔ اتصال p_n به وجود می‌آید. الکترون هنگام ورود به منطقهٔ اتصال، انرژی کسب می‌کند و هنگامی که می‌خواهد به ناحیهٔ p وارد شود، این انرژی را به‌صورت فوتون از دست می‌دهد. اگر ناحیهٔ p به قطب مثبت و ناحیهٔ n به قطب منفی یک منبع الکتریکی وصل شود، الکترون‌ها از ناحیهٔ n به ناحیهٔ p حرکت کرده و باعث می‌شوند تا در منطقهٔ اتصال، غلظت زیادی از مواد فعال به وجود آید. چنانچه دو انتهای منطقهٔ اتصال را صیقل دهند، آن‌گاه یک کاواک لیزری به وجود خواهد آمد. اصولاً 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 نیم‌رسانا همین است، زیرا با تغییر دما، میزان ضریب شکست و به دنبال آن خواص پرتو حاصله، تفاوت خواهد کرد. در یک نوع از این لیزرها از بلور گالیم-آرسنیک استفاده می‌شود که در آن تلوریم و روی به عنوان ناخالصی وارد می‌شوند. هنگامی که در بلور فوق به‌جای برخی از اتم‌های آرسنیک، اتم تلوریم قرار داده شود، جسم حاصل نیم‌رسانایی از نوع n بوده و وقتی که اتم‌های روی مستقر می‌گردند، مادهٔ به‌دست آمده از خود خاصیت نیم‌رسانای p را نشان خواهد داد. لیزر شیمیایی در این نوع لیزرها، تغییرات انرژی حاصل از یک واکنش شیمیایی باعث برانگیزش بعضی از فراورده‌ها و در نتیجه وارونگی جمعیت می‌شود که به دنبال آن عمل لیزر اتفاق می‌افتد. لیزر کی‌لیتی به دلیل وجود تابش‌های فلورسانس پرشدت حاصل از بعضی ترکیبات کی‌لیتی لانتانیدها، استفاده از این سیستم‌ها چندان مورد توجه نبوده است. یکی از مکانیسم‌های پیشنهادی برای این فرایند آن است که ابتدا لیگاند برانگیخته شده و سپس یک جهش بدون تابش درون مولکولی به تراز برانگیختهٔ فلز صورت گیرد و به دنبال آن یون فلزی با گسیل تابش فلورسانس به تراز پایه برمی‌گردد. 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) به‌دست‌آورد. | ## جمع‌بندی | نیاز به دمای پایین جهت تأمین کارایی خوب، از توجه و مطالعه در مورد این سیستم‌ها کاسته است.