لیزر چیست

واژه لیزر از سر کلمه‌های انگلیسی در عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنی «تقویت نور به روش گسیل القایی تابش» است.

لیزر به وسیله‌ای گفته می‌شود که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع می‌کنند. این دستگاه از ماده‌ای جمع کننده یا فعال کنده نور تشکیل شده که درون محفظه تشدید نور قرار دارد. این ماده پرتو نور را که به وسیله یک منبع انرزی بیرونی (از نوع الکتریسیته یا نور) به وجود آمده، تقویت می‌کند.

مبانی نظری لیزر را آلبرت ایشتین در سال ۱۹۱۶ میلادی طی مقاله‌ای مطرح کرد٫ ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعث و فناوری امکان ساخت اولین لیزر را فراهم کند. در سال ۱۹۵۳ چارلز تاونز میزر (تقویت‌کننده موج میکروویو) را اختراع کرد و می‌خواست آزمایشات خود زا حول جایگزینی نور مرئی به جای مادون قرمز ادامه دهد و هم‌زمان این امر بین آزمایشگاه‌های مختلف در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد که عبارت لیزر در همان زمان در مقاله‌ای از گوردون هولد، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و در سال ۱۹۶۰ اولین لیزر (که با موفقیت کار کرد) توسط تئودور میمن (Theodore H. Maiman) ساخته شد. و اولین لیزر گازی(با استفاده از هلیوم و نئون) هم توسط علی جوان فیزیکدان ایرانی در همان ۱۹۶۰ ساخته شد. نخستین بار طرح اولیه لیزر (میزر) توسط انیشتن داده شد،کار لیزر به این گونه‌است که با تابش یک فوترون به یک ذره (اتم یا مولکول یا یون)برانگیخته یک فوترون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوترون با هم همفرکانس می‌باشند در صورت ادامه این روند تعداد نوترونها افزایش می‌یابند که می‌توانند باریکه‌ای از فوتونها را به وجود بیاورند.

کاربرد لیزر در پزشکی : چاقوی لیزری ، مته لیزری و ...
کاربرد لیزر در صنعت : جوشکاری لیزری ، برشهای لیزری ، برش الماس ، مسافت یاب لیزری و ...
کاربردهای نظامی : ردیاب لیزری ، تفنگ لیزری و ...
کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی:اندازه گیری ، سنتز مواد و ...


انواع لیزر
تقسیم بندی از روی تنوع :

- لیزر های حالت جامد، بلوری یا شیشه ای - لیزرهای گازی - لیزرهای نیمرسانا - لیزرهای الکترون آزاد - لیزرهای رزینه ای رنگین - لیزرهای شیمیایی - لیزرهای مرکز رنگی - پرتو X


عناصر اساسی لیزر
ابزار لیزریک نوسانگر اپتیکی است که باریکه ی بسیار موازی شده ی شدیدی از تابش همدوس را گسیل میکند.این ابزار اساسا از 3 عنصر ساخته شده است: چشمه ی انرژی خارجی یا دمنده ، محیط تقویت کننده ، و کاواک اپتیکی یا تشدیدگر.


دمنده
دمنده یک چشمه ی انرژی خارجی است که وارونی جمعیت را در محیط لیزری به وجود می آورد. 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 می دهد.(برای اینکه لیزر کار کند لازم است تعداد اتمهای N2 در تراز انرژی E2 از تعداد اتمهای N1 در تراز انرژی E1 بزرگتر باشد.این وضعیت را وارونی جمعیت می نامند.) وارونی جمعیت و گسیل القائی با هم در محیط لیزری کار می کنند و باعث تقویت نور می شوند. در غیر این وضعیت موج نور عبور کننده از محیط لیزری تضعیف خواهد شد.

دمنده ها می توانند 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 لیزر های گازی مانند He-Ne ، دمنده ای که از همه بیشتر به کار می رود از نوع تخلیه ی الکتریکی است. عوامل مهم حاکم بر این نوع دمش مقطع های برانگیزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضی از لیزرهای گازی ، الکترون های آزادی که در فرایند تخلیه تولید شده اند با اتمها ، یونها یا مولکول های لیزر مستقیما برخورد و آنها را برانگیخته می کنند . در سایر لیزرها ، برانگیزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم ( یا مولکول-مولکول) روی می دهد.


محیط لیزری
محیط تقویت کننده یا محیط لیزری یک قسمت مهم از ابزار لیزر است . بسیاری از لیزرها از روی نوع محیط لیزری به کار رفته در آنها نامگذاری می شوند ، بعنوان مثال ، هلیم-نئون (He-Ne ) ، دی اکسیدکربن (Co2 ) و نئودیمیم : نارسنگ ایتریم آلومینیم (Nd:YAG) . محیط لیزری ، که می تواند گاز،مایع یا جامد باشد ، طول موج تابش لیزری را تعیین می کند.

مهمترین لازمه ی محیط تقویت کننده توانایی آن برای ایجاد وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی اتمهای لیزری است.این وضعیت با برانگیختن ( یا دمیدن ) اتمهای بیشتری به تراز انرژی بالاتر نسبت به اتمهای موجود در تراز پایین تر تحقق می یابد.( چنانکه معلوم شده است ، حتی با دمش قوی ، به علت اختلاف زیاد طول عمرهای ترازهای انرژی اتمهای قابل استفاده ، تنها جفت های مشخصی از ترازهای انرژی با طول عمرهای خودبه خودی مناسب را می توان " وارون " کرد.


تشدیدگر
یعنی یک "ابزار پسخور " اپتیکی که فوتون ها را در محیط ( تقویت کننده ی ) لیزری به جلو و عقب میراند. این تشدیدگر یا کاواک اپتیکی ، از یک جفت آینه ی تخت یا خمیده تشکیل شده است که دقیقا همردیف شده اند و مراکز آنها روی محور اپتیکی دستگاه لیزر قرار دارند. بازتابندگی آینه ی انتهایی باید تا حد امکان نزدیک به 100% باشد. آینه ی دیگر با بازتابندگی اندکی کمتر از 100% انتخاب می شود تا قسمتی از باریکه ی بازتابنده ی داخلی بتواند ، بعنوان باریکه ی لیزری مفید خروجی ، از آن عبور کند . هندسه ی آیینه ها و فاصله ی آنها تعیین کننده ی ساختار میدان الکترومغناطیسی داخل کاواک لیزری هستند.

مناسب است که تشدیدگر لیزری را یک تشدیدگر فابری-پرو با چند متغیر در نظر بگیریم. در تشدیدگر لیزری ، کاواک بطور کلی با آیینه های خمیده بجای آیینه های تخت محصور شده است ، و بجای کاواک تهی که مشخصه ی تشدیدگر فابری-پرو است کاواک پر (یا تقریبا پر) از ماده ی بهره به کار میرود. با وجود این ، وضعیت تشدید برای مدهای محوری (یا طولی) برای دو تشدیدگر یکسان است.


توصیف ساده ی کار لیزر
اساسا میدانیم که فوتونها با انرژی تشدیدی مشخصی باید در کاواک لیزری تولید شوند ، باید با اتمها برهم کنش کنند ، و باید از طریق گسیل القائی تقویت شوند ، و تمام اینها در حین رفت و برگشت بین آینه های تشدیدگر روی می دهند.

شکل (الف) آنچه را که برای یک اتم نوعی در محیط لیزری هنگام تولید فوتون لیزری اتفاق می افتد در چهار مرحله نشان می دهد. سپس همین فرایند چهار مرحله ای با تمرکز روی رفتار اتمها در محیط لیزری و جمعیت فوتون در کاواک لیزری در شکل (ب) نشان داده شده است.

اکنون این شکلها را به ترتیب بررسی می کنیم :


در مرحله ی 1 از شکل (الف) انرژی از یک دمنده ی مناسب به محیط لیزری جفت میشود.

این انرژی به اندازه ی کافی هست تا بتواند تعداد زیادی اتم را از حالت پایه ی E0 به چندین حالت برانگیخته ، که دسته جمعی با E3 نشان داده شده اند ، ببرد. همین که اتمها در این ترازها قرار گرفتند خودبه خود ، از طریق زنجیره های مختلف ، دوباره به حالت پایه ی E0 فرو می افتند. اما بسیاری از آنها سفر بازگشت را ترجیحا با یک فروافت بسیار سریع ( و معمولا بی تابش) از ترازهای دمنده ی E3 به یک تراز بسیار خاص مانند E2 شروع می کنند. این فرایند فروافتادن در مرحله ی 2 نشان داده شده است. تراز E2 را "تراز لیزری بالاتر " می نامیم. این تراز به این معنی یک تراز خاص است که طول عمر زیادی دارد. بنابراین ، وقتی اتمها از ترازهای دمنده ی E3 به E2 سرازیر می شوند در این تراز شبه پایدار ، که به منزله ی تنگه عمل میکند ، تدریجا جمع می شوند. در این فرایند ، N2 به مقدار زیادی افزایش می یابد. وقتی تراز E2 مثلا با گسیل خودبه خودی فروافت می کند ، به تراز E1 ، که " تراز لیزری پایین تر" نامیده می شود ، فرو می افتد. تراز E1 یک تراز عادی است که سریعا به حالت پایه فرو می افتد و در نتیجه جمعیت N1 نمی تواند چندان زیاد شود. اثر نهایی عبارت است از وارونی جمعیت ( N2 > N1 ) که برای تقویت نور از طریق گسیل القائی لازم است.

همینکه وارونی جمعیت برقرار شد اگر فوتونی با انرژی تشدیدی hν = E2 − E1 از کنار یکی از اتمهای N2 که در تراز لیزری بالاتر هستند بگذرد ( مرحله ی 3 ) گسیل القائی می تواند روی بدهد . با وقوع گسیل القائی ، تقویت لیزری شروع می شود.

شکل (الف ) اساسا همین کنش را بر حسب رفتار اتمها در محیط لیزری و جمعیت فوتون در کاواک نشان می دهد. در ( الف ) محیط لیزری واقع در آیینه های تشدیدگر اپتیکی نشان داده شده است. آیینه ی 1 اساسا 100% بازنابنده است ، در حالیکه آیینه ی 2 بطور جزئی بازتابنده و بطور جزئی ترا گسیلنده است . بیشتر اتمها در محیط لیزری در حالت پایه اند . این حالت با نقطه های سیاه نشان داده شده است. در ( ب ) ، انرژی خارجی ( نور ناشی از درخشزن یا از تخلیه ی الکتریکی ) به محیط دمیده می شود و بیشتر اتمها را به ترازهای برانگیخته ( E3) بالا می برد. حالت های برانگیخته با دایره نشان داده شده اند . در فرایند دمش ، وارونی جمیت برقرار می شود . فرایند تقویت نور در (ج) ، وقتی اتمهای بر انگیخته ( تراز E2 ) خودبه خود به تراز E1 فرو می افتد ، شروع می شود . چون این یک گسیل خودبه خودی است فوتون های تولید شده در این فرایند بطور کاتوره ای در تمام راستا ها منتشر می شوند. بنابراین ، بسیاری از آنها با عبور از جدار جانبی کاواک لیزر از دست می روند. با این همه ، بطور کلی چند فوتون -که آنها را فوتونهای "بذر" می نامیم- در راستای محور اپتیکی لیزر انتشار می یابند. این در شکل (ج) با پیکانهایی که عمود بر آینه هستند نشان داده شده اند. با وجود فوتونهای بذر با انرژی (تشدیدی) صحیح که دقیقا در بین آینه ها جهت گرفته اند و مقدار بسیاری اتم N2 که هنوز در حالت وارون E2 هستند ، مرحله ی گسیل القائی شروع می شود. همچنانکه فوتونهای بذر از کنار اتمهای وارون N2 می گذرند، گسیل القائی فوتونهای یکسانی را در همین راستا اضافه می کند، و در نتیجه جمعیت دائما افزایش یابنده ی فوتونهای همدوسی که بین آینه ها به جلو و عقب بازتابیده می شوند فراهم می آید. این فرایند سازندگی ، که در شکلهای (د) و (ه) نشان داده شده است، تا وقتی اتمهای وارون و فوتونهای انرژیِ تشدیدی در کاواک وجود داشته باشند ادامه می یابد. چون آینه ی خروجیِ 2 تا حدی شفاف است، کسری از فوتونهای فرودی به این آینه از آن عبور می کنند. این فوتونها باریکه ی لیزری خارجی را که در شکل (و) نشان داده شده است تشکیل می دهند. آن فوتونهائی که از آینه ی خروجی بازتابیده می شوند، حرکت رفت و برگشت را در ماده ی بهره ی کاواک تکرار می کنند.


خواص باریکه ی لیزر
1- نور لیزر تکفام است.

2- همدوس است.

3- جهت مند است.

4- درخشان است.(درخشائیِ یک چشمه ی امواج الکترومغناطیسی عبارت است از توان گسیل شده از واحد سطح چشمه در واحد زاویه فضائی.)


کاربردهای لیزر
کاربرد در فیزیک و شیمی ،
کاربرد در زیست شناسی و پزشکی ،
کاربرد در فرآوری مواد ،
کاربرد در ارتباطات نوری ،
کاربرد در اندازه گیری و بازرسی ،
کاربرد در گداخت گرما هسته ای ،
کاربرد فرآوری اطلاعات نوری و ضبط آنها ،
کاربردهای نظامی ،
تمام نگاری (هولوگرافی) ،
کاربردهای صنعتی و الکتریکی.

منبع
« آشنائی با اپتیک » ،فرانک ال.پدروتی،لئون اس.پدروتی. ترجمه:محی الدین شیخ الاسلامی
«مرگ مخترع، تولد تاریخ»، هم‌میهن، ۲۶ اردیبهشت ۱۳۸۶. شمارهٔ ۶۸


برشهای لیزری
لیزر در برش انواع مواد مانند فلزات و مواد غیر فلزی همچون کامپوزیت‌ها کاربرد دارد. روش کلی کار بدین صورت است که ابتدا پرتو لیزر را به‌وسیله لنزی متمرکز کرده سپس بر روی ماده مورد نظر می‌‌تابانند وبریدگی تقریبآ به اندازه قطر پرتو متمرکز گردیده ایجاد می‌گرددو در حین کار از یک گاز کمکی نیز به منظور سرد کردن قطعه کار ونیز زدودن فوری زائده‌ها استفاده می‌شود. از انواع گازهایی که به عنوان گاز کمکی استفاده می‌گردد می‌توان از اکسیژن و نیتروژن و یا آرگون نام برد.

چاقوی لیزری
چاقوی لیزری وسیله‌ای است برای برش با استفاده از لیزر توسط جراحان.

جوشکاری لیزری
جوشکاری توسط پرتو لیزر در تولیدات صنعتی بشکل روزافزونی در حال گسترش است و دامنهٔ استفادهٔ آن از میکرو الکترونیک تا کشتی سازی گسترده شده است. تولید انبوه خودکار در این بین از بیشترین توسعه برخوردار گشته‌اند که این پیشرفتها را می‌توان مرهون عوامل زیر دانست:


حرارت ورودی محدود منطقهٔ حرارت پذیرفتهٔ کوچک میزان ناصافی اندک سرعت بالای جوشکاری این خصوصیات جوشکاری لیزری را گزینهٔ منتخب بسیاری از قسمتهای صنعتی کرده که از جوشکاری مقاومتی در گذشته استفاده میکردند. با توجه به خصوصیات منحصر به فرد این روش می‌توان بکارگیری گستردهٔ آنرا در زمینهٔ کاربردهای مختلف انتظار داشت.

فرآیندهای ترکیبی که از ترکیب لیزر و قوس MIG استفاده می‌کنند برای قرار گرفتن بر سطحی که بایستی جوشکاری در آن انجام شود طراحی شده اند. علاوه بر این تجهیزات .یژهٔ بکار گرفته شده بشکل قابل توجهی ابزارهای مورد نیاز برای آماده سازی لبهٔ مورد نظر برای جوشکاری را کاهش می‌دهند. آلیاژهایی که برای سیمهای پر کننده در قسمت درز گیری بکار میروند باعث یکدست شدن فیزیکی آن ناحیه میشوند. علاوه بر این فرآیندهای ترکیبی بکار گرفته شده قادر اند سرعت انجام کار را بشکل قابل توجهی افزایش دهند. همچنین در نفوذ عمقی و درزگیری کلی هم موثرند. پیشرفتهای بی نظیر اخیر در زمینهٔ دیودهای لیزری موقعیت جدیدی را برای حل مشکلات همیشگی صنعتی فراهم کرده است. البته باید در نظر داشت که این فرآیندها برای همگون شدن با قسمتهای مورد نظر بایستی بشکلی اختصاصی تغییر یابند.

لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند(۲-۱۰kW) در حال حاضر در جوشکاری بدنهٔ اتومبیلها، قسمتهای حمل و نقل، مبادله کننده‌های حرارتی و پر کردن حفره‌ها مورد استفاده قرار میگیرند. سالها لیزرهای یاقوتی کمتر از ۵۰۰W برای جوش بخشهای کوچک مورد استفاده قرار می‌گرفتند. برای مثال قسمتهای کوچک و ظریف ابزارهای پزشکی، بسته‌های الکترونیکی و حتی تیغ های اصلاح صورت. لیزرهای یاقوتی چند کیلوواتی از گذراندن پرتو از فیبرهای نوری استفاده میکردند. اینکار بسادگی توسط روبوت ها انجام می‌شد و دامنهٔ وسیعی از کاربردهای سه بعدی مثل برش لیزری و جوش بدنهٔ اتومبیلها را ممکن میکرد.

پرتو لیزر در نقطهٔ کوچکی متمرکز می‌شود و باشدتی که در آن نقطه ایجاد می‌کند باعث ذوب و حتی بخار کردن فلز می‌شود. برای تمرکز نیروی لیزرهای دی اکسید کربنی قدرتمند، آینه‌های خنک شونده توسط آب بجای عدسی ها مورد استفاده قرار می‌گرفتند. جوشکاری بطور کلی به دو شکل انجام می‌شود. در شکل هدایتی جوشکاری، حرارت از طریق هدایت گرمایی به فلز منتقل می‌گردد. این روش مختص لیزرهای یاقوتی نسبتا کم انرژی تر است کهم معمولا جوشکاری های کم عمق تر با آنها انجام می‌شود. جوشکاری با لیزرهای پر انرژی معمولا در پر کردن حفره‌ها مورد استفاده قرار میگیرد. در این قسمت است که ذوب و تبخیر فلز اتفاق می‌‌افتد.