M.A.H.S.A
08-06-2011, 12:19 PM
در فيلم‌ها و كتاب‌‌هاي علمي - تخيلي، فناوري ليزر نقش محوري بازي مي‌كند. شكي نيست كه همين باعث مي‌شود كه اين نوع داستان‌ها همراه با پيش‌بيني كاربرد ليزر مثلا در نبردهاي فضايي يا صيقل دادن فضاپيماها باشد.http://www.roshd.ir/roshd/Portals/0/0and1/olympiad/physics/BreakTime/Bt-ph-056-0.jpg ولي ليزر ها نقش محوري در زندگي روزمره‌ي دارند. حقيقت اين است كه ليزرها كاربردهاي وسيع و جالبي در توليدهاي صنعتي و فناوري دارند. آن‌ها را مي‌توانيد در همه‌جا ببينيد. از سي‌دي‌خوان‌ها گرفته تا مته‌هاي دندان‌پزشكي يا ماشين‌هاي اصلاح پرسرعت موهاي بدن يا دستگاه‌هاي اندازه‌گيري، وسايل كاشت مو، عمل چشم و بسياري ديگر.
در همه‌ي اين‌ها از ليزر استفاده مي‌شود.
ولي ليزر چيست؟
چه عاملي باعث مي‌شود نور ليزر با نور معمولي تفاوت داشته باشد؟ مخصوصا نور ليزر چه تفاوتي با نوفه‌ي جرقه‌هاي نوري دارد؟ ليزرها چگونه طبقه‌بندي مي‌شوند؟
بياييم درباره‌ي انواع مختلف ليزر، طولموجهاي متفاوت و استفاده‌هاي آن مطالبي بررسي‌هايي داشته باشيم. ولي ابتدا ار مباني فناوري ليزر شروع مي‌كنيم:
اساس يك اتمفقط حدود 100 نوع اتم در كُل عالم وجود دارد. هرچيزي كه مي‌بينيم از اين 100 نوع اتم در بي‌نهايت تركيب در عالم ساخته شده است. چگونه اين اتم‌ها چيده شده و به‌هم پيوند خورده و يك فنجان آب، يك تكه فل، يا گاز نوشابه و ... را مي‌سازند!
اتم‌ها حركت ثابت دارند. آن‌ها بهطور پيوسته در حال ارتعاش، حركت و چرخش هستند. اتم‌ها مي‌توانند در حالت‌هاي مختلف برانگيخته شوند. به‌عبارت ديگر آن‌ها انرژي‌هاي متفاوتي دارند.
اگر انرژي زيادي به يك اتم اعمال كنيم، الكترون از اصطلاحا تراز «حالت پايه‌ي» انرژي كنده شده و به تراز بالاتري خواهد رفت. تراز برانگيختگي بستگي به مقدار انرژي دارد كه به‌واسطه‌ي گرما، نور يا الكتريسيته اعمال مي‌كنيم.
در اين‌جا تعبيري از شكل اتم داريم:
http://www.roshd.ir/roshd/Portals/0/0and1/olympiad/physics/BreakTime/Bt-ph-056-01-350.gif
اين اتم ساده شامل يك هسته (پرتون‌ها و نوترون‌ها) و ابر الكتروني است. براي درك بهتر مي‌توان فرض كرد الكترون‌ها در ابر الكتروني دور هسته در مدارهاي مختلفي در گردش هستند.
انرژي جذبديدگاه‌هاي نوين فيزيك كوانتم از اين تعبير ساده‌انگارانه‌ي «مدارهاي گسسته» براي الكترون‌ها ديگر استفاده نمي‌كنند ممكن است براي توضيح راحت‌تر اين مدارها از ترازهاي مختلف انرژي در اتم استفاده كنيم (شكل 1).
به‌عبارت ديگر اگر مقداري گرما به اتم بدهيم بايد انتظار داشته باشيم كه تعدادي الكترون در مدارهايي با انرژي پايين‌تر به مدارهايي با انرژي بالاتر گذر خواهند كرد. بدين‌ترتيب از هسته دور خواهند شد.
اين مدلي كه ارائه داديم شمايه‌اي واقعا ساده‌انگارانه است از آن‌چه واقعا وجود دارد. ولي كاملا نشان‌دهنده‌ي ايده‌ي اصلي است كه چگونه اتم‌ها در ليزر تغيير حالت مي‌دهند.
http://www.roshd.ir/roshd/Portals/0/0and1/olympiad/physics/BreakTime/Bt-ph-056-02.gif
وقتي يك الكترون به مداري با انرژي بالاتر حركت مي‌كند به‌تدريج مي‌خواهد كه به حالت پايه برگردد. وقتي اين اتفاق مي‌افتد انرژي به‌صورت فوتون آزاد مي‌شود (فوتون: بسته‌ي موج كه در فيزيك اصطلاحا مي‌گوييم حامل انرژي است). شما اتم‌هايي را مي‌بينيد كه كاهش انرژي به‌صورت فوتون دايما در حال انتقال است.
براي مثال وقتي الماني در توستر نان داغ مي‌شود به‌تدريج قرمز خواهد شد. رنگ قرمز نشانه‌اي از برانگيختگي اتم‌ها توسط گرماست كه در آن فوتون‌هاي قرمز آزاد مي‌شوند.
وقتي تصويري را در تلويزيون مي‌بينيد آن‌چه مشاهده مي‌كنيد اتم‌هاي فسفر هستند كه توسط الكترون‌هاي سرعت بالا برانگيخته شده و رنگ‌هاي مختلفي در طيف مرئي نور گسيل مي‌كنند.
هر چيزي كه نور توليد مي‌كند (از جمله نورهاي فلوئورسانت، چراغ‌هاي گازي، لامپ‌هاي ملتهب) در كنش با الكترون‌هايي است كه مدار خود را تغيير داده و فوتون آزاد مي‌كنند.
ليزر - اتصال اتميليزر ابزاري است براي كنترل مسير فوتون‌هايي كه از اتم آزاد مي‌شوند. ليزر مخفف عنوان فوق است: «تقويت نور به‌وسيله‌ي تابش گسيل حاصل از برانگيختگي» كه بهطور خيلي خلاصه، چگونگي كاركرد ليزر را توصيف مي‌كند.
اگرچه ليزر انواع مختلفي دارد ولي همگي يك مشخصه‌ي اساسي و مشترك دارند. در يك ليزر محيط ليزري طوري پمپ مي‌شود كه اتم‌ها به حالت برانگيخته مي‌روند.
نوعا فلاش‌هاي بسيار شديد نور يا پمپ دشارژ الكتريكي محيط ليزري را فراهم كرده مجموعه‌ي بزرگي از اتم‌هاي برانگيخته را خلق مي‌نمايد (اتم‌ها با الكترون‌هاي انرژي‌هاي بالاتر). ضروري است كه تعداد زيادي اتم در حالت برانگيخته به‌وجود مي‌آيد كه ليزر را فراهم آورده و كار مي‌كند.
عموما اتم‌ها در يك تراز برانگيخته مي‌شوند به‌طوري كه دو يا سه تراز بالاتر از حالت پايه است. اين درجه‌ي واروني جمعيت را افزايش مي‌دهد. جمعيت واروني، تعداد اتم‌هايي است كه در حالت پايه نسبت به تعداد در حالت پايه است.
وقتي محيط ليزري پمپ مي‌شود اتم‌هاي زيادي با الكترون‌هايي در حالت برانگيخته دارد. الكترون‌هاي برانگيخته انرژي‌‌هايي بالاتر از الكترون‌هاي عادي در اتم دارند.
وقتي الكترون انرژي مي‌گيرد تا به اين حالت برانگيختگي برسد همين مقدار انرژي را آزاد خواهد كرد تا به حالت قبلي بازگردد.
همان‌طور كه در شكل 3 مي‌بينيد الكترون به‌سادگي به حالت عادي برگشته و مقداري انرژي آزاد مي‌كند. اين انرژي برانگيخته به‌صورت فوتون (بسته‌هاي نور) ظاهر مي‌شود . فوتون برانگيخته، طول موج (رنگ) خاصي دارد كه بستگي به حالت انرژي الكترون به‌هنگام آزادسازي فوتون دارد. دو اتم مشخص با الكترون‌هايي در حالت‌هاي كاملا معين فوتون‌هايي آزاد مي‌كنند كه طولموجهاي مشخصي دارند.
http://www.roshd.ir/roshd/Portals/0/0and1/olympiad/physics/BreakTime/Bt-ph-056-3.gif
در همه‌ي اين‌ها از ليزر استفاده مي‌شود.
ولي ليزر چيست؟
چه عاملي باعث مي‌شود نور ليزر با نور معمولي تفاوت داشته باشد؟ مخصوصا نور ليزر چه تفاوتي با نوفه‌ي جرقه‌هاي نوري دارد؟ ليزرها چگونه طبقه‌بندي مي‌شوند؟
بياييم درباره‌ي انواع مختلف ليزر، طولموجهاي متفاوت و استفاده‌هاي آن مطالبي بررسي‌هايي داشته باشيم. ولي ابتدا ار مباني فناوري ليزر شروع مي‌كنيم:
اساس يك اتمفقط حدود 100 نوع اتم در كُل عالم وجود دارد. هرچيزي كه مي‌بينيم از اين 100 نوع اتم در بي‌نهايت تركيب در عالم ساخته شده است. چگونه اين اتم‌ها چيده شده و به‌هم پيوند خورده و يك فنجان آب، يك تكه فل، يا گاز نوشابه و ... را مي‌سازند!
اتم‌ها حركت ثابت دارند. آن‌ها بهطور پيوسته در حال ارتعاش، حركت و چرخش هستند. اتم‌ها مي‌توانند در حالت‌هاي مختلف برانگيخته شوند. به‌عبارت ديگر آن‌ها انرژي‌هاي متفاوتي دارند.
اگر انرژي زيادي به يك اتم اعمال كنيم، الكترون از اصطلاحا تراز «حالت پايه‌ي» انرژي كنده شده و به تراز بالاتري خواهد رفت. تراز برانگيختگي بستگي به مقدار انرژي دارد كه به‌واسطه‌ي گرما، نور يا الكتريسيته اعمال مي‌كنيم.
در اين‌جا تعبيري از شكل اتم داريم:
http://www.roshd.ir/roshd/Portals/0/0and1/olympiad/physics/BreakTime/Bt-ph-056-01-350.gif
اين اتم ساده شامل يك هسته (پرتون‌ها و نوترون‌ها) و ابر الكتروني است. براي درك بهتر مي‌توان فرض كرد الكترون‌ها در ابر الكتروني دور هسته در مدارهاي مختلفي در گردش هستند.
انرژي جذبديدگاه‌هاي نوين فيزيك كوانتم از اين تعبير ساده‌انگارانه‌ي «مدارهاي گسسته» براي الكترون‌ها ديگر استفاده نمي‌كنند ممكن است براي توضيح راحت‌تر اين مدارها از ترازهاي مختلف انرژي در اتم استفاده كنيم (شكل 1).
به‌عبارت ديگر اگر مقداري گرما به اتم بدهيم بايد انتظار داشته باشيم كه تعدادي الكترون در مدارهايي با انرژي پايين‌تر به مدارهايي با انرژي بالاتر گذر خواهند كرد. بدين‌ترتيب از هسته دور خواهند شد.
اين مدلي كه ارائه داديم شمايه‌اي واقعا ساده‌انگارانه است از آن‌چه واقعا وجود دارد. ولي كاملا نشان‌دهنده‌ي ايده‌ي اصلي است كه چگونه اتم‌ها در ليزر تغيير حالت مي‌دهند.
http://www.roshd.ir/roshd/Portals/0/0and1/olympiad/physics/BreakTime/Bt-ph-056-02.gif
وقتي يك الكترون به مداري با انرژي بالاتر حركت مي‌كند به‌تدريج مي‌خواهد كه به حالت پايه برگردد. وقتي اين اتفاق مي‌افتد انرژي به‌صورت فوتون آزاد مي‌شود (فوتون: بسته‌ي موج كه در فيزيك اصطلاحا مي‌گوييم حامل انرژي است). شما اتم‌هايي را مي‌بينيد كه كاهش انرژي به‌صورت فوتون دايما در حال انتقال است.
براي مثال وقتي الماني در توستر نان داغ مي‌شود به‌تدريج قرمز خواهد شد. رنگ قرمز نشانه‌اي از برانگيختگي اتم‌ها توسط گرماست كه در آن فوتون‌هاي قرمز آزاد مي‌شوند.
وقتي تصويري را در تلويزيون مي‌بينيد آن‌چه مشاهده مي‌كنيد اتم‌هاي فسفر هستند كه توسط الكترون‌هاي سرعت بالا برانگيخته شده و رنگ‌هاي مختلفي در طيف مرئي نور گسيل مي‌كنند.
هر چيزي كه نور توليد مي‌كند (از جمله نورهاي فلوئورسانت، چراغ‌هاي گازي، لامپ‌هاي ملتهب) در كنش با الكترون‌هايي است كه مدار خود را تغيير داده و فوتون آزاد مي‌كنند.
ليزر - اتصال اتميليزر ابزاري است براي كنترل مسير فوتون‌هايي كه از اتم آزاد مي‌شوند. ليزر مخفف عنوان فوق است: «تقويت نور به‌وسيله‌ي تابش گسيل حاصل از برانگيختگي» كه بهطور خيلي خلاصه، چگونگي كاركرد ليزر را توصيف مي‌كند.
اگرچه ليزر انواع مختلفي دارد ولي همگي يك مشخصه‌ي اساسي و مشترك دارند. در يك ليزر محيط ليزري طوري پمپ مي‌شود كه اتم‌ها به حالت برانگيخته مي‌روند.
نوعا فلاش‌هاي بسيار شديد نور يا پمپ دشارژ الكتريكي محيط ليزري را فراهم كرده مجموعه‌ي بزرگي از اتم‌هاي برانگيخته را خلق مي‌نمايد (اتم‌ها با الكترون‌هاي انرژي‌هاي بالاتر). ضروري است كه تعداد زيادي اتم در حالت برانگيخته به‌وجود مي‌آيد كه ليزر را فراهم آورده و كار مي‌كند.
عموما اتم‌ها در يك تراز برانگيخته مي‌شوند به‌طوري كه دو يا سه تراز بالاتر از حالت پايه است. اين درجه‌ي واروني جمعيت را افزايش مي‌دهد. جمعيت واروني، تعداد اتم‌هايي است كه در حالت پايه نسبت به تعداد در حالت پايه است.
وقتي محيط ليزري پمپ مي‌شود اتم‌هاي زيادي با الكترون‌هايي در حالت برانگيخته دارد. الكترون‌هاي برانگيخته انرژي‌‌هايي بالاتر از الكترون‌هاي عادي در اتم دارند.
وقتي الكترون انرژي مي‌گيرد تا به اين حالت برانگيختگي برسد همين مقدار انرژي را آزاد خواهد كرد تا به حالت قبلي بازگردد.
همان‌طور كه در شكل 3 مي‌بينيد الكترون به‌سادگي به حالت عادي برگشته و مقداري انرژي آزاد مي‌كند. اين انرژي برانگيخته به‌صورت فوتون (بسته‌هاي نور) ظاهر مي‌شود . فوتون برانگيخته، طول موج (رنگ) خاصي دارد كه بستگي به حالت انرژي الكترون به‌هنگام آزادسازي فوتون دارد. دو اتم مشخص با الكترون‌هايي در حالت‌هاي كاملا معين فوتون‌هايي آزاد مي‌كنند كه طولموجهاي مشخصي دارند.
http://www.roshd.ir/roshd/Portals/0/0and1/olympiad/physics/BreakTime/Bt-ph-056-3.gif