سایت علمی و پژوهشی آسمان

تحقیق رایگان سایت علمی و پژوهشی آسمان , تحقیقات دانش آموزی ، فرهنگیان و دانشجویان اقدام پژوهی گزارش تخصصی

laser

 کلمهلیزر (laser) در واقع از حروف نخستکلمات Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation که به معنی تقویت نور توسطگسیل القایی تابشاست، گرفته شدهاست.

لیزر کشفی علمی می‌باشد که به عنوان یک تکنولوژی در زندگیمدرن جا افتاده است. لیزرها به مقدار زیاد در تولیدات صنعتی ،ارتباطات،نقشه ‌برداریوچاپمورد استفاده قرار می‌‌گیرند. همچنینلیزر در پژوهشهای علمی و برای محدوده وسیعی از دستگاههای علمی‌ ، موارد مصرف پیداکرده است. برتری لیزر در این است که از منبعی براینورو تابشهای کنترل شده ،تکفام و پرتوان تولید می‌کند. تابشلیزر، با پهنای نوار طیفی باریک و توان تمرکزیابی شدید ، چندین برابر درخشانترازنور خورشیداست.

تاریخچه

انیشتیندر 1917 میلادی نظریه گسیل القاییرا بیان داشت و روابط مشهور جذب و نشر را به جهان عرضه نمود. بر پایه این تئوری چهلسال بعد ،تاونزو همکاران او ، نخستین تقویت کننده گسیل القایی را با بکارگیریآمونیاکمورد آزمایش قرار داده و سیستمی‌ به اسممیزرپدید آوردند که درفرکانس 2.3X10¹¹Hz کار می‌کرد.

نخستین لیزر در 1960بوسیلهمیلمن، با استفاده ازیاقوت قرمز (ترکیبی ازاکسید آلومینیومخالص به همراه 5 درصداکسید کروم III ساخته شد و اولینلیزر گازی He - Ne توسطدکتر علی جواندر آزمایشگاه شرکت Bell درآمریکا ساخته شد. در سال 1986 کشف شد که منبع لیزر می‌تواندنور همدوستابشکند، به گونه‌ای که دامنه و فاز آن در تمامی‌ نقاط فضا ، قابل سنجش و تعیین باشد. یکی دیگر ازخواصلیزر، همگرایی بالای آن است. به دلیل این ویژگی ، تمامی انرژی پرتو لیزرتقریبا در یکفرکانسمتمرکز می‌‌شود. لذا تکفامی و بالا بودن شدت آن ایده‌آل است.

نحوه ایجاد پرتو لیزر

اولین شرط ایجاد لیزر ، داشتن ماده یا محیطی است کهبتواند انرژی را در خود ذخیره کند. نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از: بلورهاییمثل یاقوت ،ایتریوم،آلومینیوم گارنت، () یا گازهاییمثل CO₂ و He - Ne و ... و مایعاتی مانند رنگهایرودآمین– 6G می‌‌باشد. انیشتین در سال 1916 نشان داد که گسیل القایی نور را می‌توان ازیک اتم برانگیخته بدست آورد.

چنانچه اتم و یا مولکول در تراز بالاتر E₂ واقع شود و فوتونی با فرکانس‌vبا اتم برانگیخته واردبرهمکنش شود. بطوری که
hv = E₂ _ E₁ باشد، در اینصورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز پایینتر بیافتد. در نتیجه ، دوفوتونحاصلمی‌‌شود، فوتون القا کننده و القا شونده ، که هر دو همفاز هستند.در عین حال ، اگراتمهایی به تعداد N₂ در تراز E₁ باشند،می‌توانند با جذب فوتونهای فوق ، برانگیخته شده و به تراز انرژی E₂ برسند.

چنانچه هدف به دست آوردن تابش همدوس باشد، بایدسعی شود که N₂ >> N₂ گردد، به عبارتدیگر ،تجمع معکوسرخ دهد. فرآیندی که طی آن تجمع معکوس صورت می‌‌گیرد،دمشمی‌نامند. وقتی یکسیستم دوترازیبا محیط اطراف خود در حالتعادل گرماییباشد، جمعیت تراز انرژی بالاتر N_j کمتر از جمعیت تراز N_i خواهد بود. بااستفاده از فرآیند اشباع شدن می‌توان N_i را با N_j مساوی گردانید. بطوری که مقدار جذب به صفر تنزلیابد.

چنانچه بتوان مقدار N_j را بیشتر از N_i نمود، اکثر اتمهای سیستم که به حالت برانگیخته می‌‌روند،تمایل خواهند داشت که به حالت انرژی کمتر برگردند. بدیهی است که این تمایل به وسیلهکوانتای تابش فرودی تشدید می‌گردد. بدین معنی که سیستم نه تنها فوتون فرودی را جذبنمی‌کند بلکه فوتون فرودی باعث برانگیختگی سیستم برانگیخته شده که با سقوط به حالتپایینتر دو کوانتا انرژی تابشی از دست می‌دهد (فوتون مربوط به اتم برانگیخته بههمراه فوتون فرودی). تمام این فرآیندها تابش لیزر را بوجود می‌آورند.

قراردادن محیط تولید لیزر در یکمشدد نوریبا انتهایآینه‌ایکه تابش را در محیط تولید لیزر بهجلو و عقب می‌فرستد، سبب تراکم تابش سطوح بالا در تشدید کننده بوسیله ادامه گسیلالقایی می‌شود. سپس تابش لیزر از طریق آینه‌ای نیمه شفاف ، از یک انتهایکاواکبه بیرون گسیل می‌شود.

تفاوت پرتو لیزر با نور معمولی

پرتو لیزردارای چهار خاصیت مهم است کهعبارتند از: شدت زیاد ، مستقیم بودن ، تکفامی‌ و همدوسی. لیزرها در اشکال گوناگونوجود دارند. ممکن است تصور شود که پرتو لیزر هماننداشعهایکس،گاما،ماورا بنفش (UV) ومادون قرمز (IR) ، جایگاهی معین درطیفالکترومغناطیسیرا داراست، حال آنکه این پرتو می‌تواند هر کدام از فرکانسهایمحدوده طیف نامبرده را در برگیرد، با این تفاوت که دارای مشخصاتی از قبیل تکفامی ،همدوسی و شدت زیاد است.

اینکه چگونه می‌توان پرتو لیزری با فرکانسهای دلخواهرا تولید نمود، کار دشواری است که عملا با آن روبرو هستیم. مشکل دیرپا در تابشلیزری ، فقدان پوشش گسترده طول موجی در آن است. به دلیل اینکه لیزرها به‌ خودی ‌خودفاقد قابلیت تنظیمطول موجهستند، پوشش کل طیف نورانی نیاز به ابزارهای متعدد و جداگانه دارد.

نمونه‌هایی از لیزرهای متداول

·         لیزرهای متدوال مادون قرمز (IR (2 _ 10μm: لیزر مونو اکسید کربن (CO) ،لیزردی اکسید کربن (CO₂) و بلورهای هالیدهای قلیایی وابزار دیودی. لیزر نئودنیوم یق () تابشی درطول موج 1.06 میکرومتر تولید کرده و لیزرهای الکساندریت یادیودهای مخابراتیقابل تنظیم در IR نزدیکهستند. (طول موج از 2000nm تا 700nm)
<BR
>

·         لیزرهای محدوده نامرئی(400 _ 700nm): لیزرهای آرگون _ کریپتونولیزر هلیوم _ نئون، لیزرهای رنگی ولیزر تیتانیوم_یاقوت کبود.

·         لیزرهای محدوده ماورای بنفش(200 _ 400nm): لیزرهای اگزایمر (لیزر هالید گاز نادر) ،نیتروژن، لیزر رنگی با فرکانس دو برابر شده، لیزرهایبا فرکانسچندین برابر شده.

طبقه بندی لیزر در حالت کلی

·         لیزر پیوسته کار

·         لیزر پالسی

هولوگرام

هولوگرامیک تصویر سه بعدی است که بااستفاده از لیزر ایجاد می شود . نور دستگاه لیزر به دو پرتو می شکند . یکی ازپرتوها با انعکاس از روی یکآینهاز روی شی به صفحهعکاسی می تابد . پرتو دیگر به وسیله آینه دیگری بدون برخورد به شی به صفحهعکاسیفرستاده میشود . صفحه عکاسی در جایی قرار داده می شود که دو پرتو تلاقی می کنند . سپس صفحهعکاسی ظاهر می شود و ، در صورتی که به طریق صحیح به آن نور تابانده شود ، هولوگرامرا پدیدار می کند.

چگونگی ایجاد این دو دسته تا حدود زیادی بستگی به ساختاردرونی محیط تولید لیزر ، مکانیزم ایجاد لیزر و پارامترهای دیگر دارد که بررسی آنهاخارج از این مقوله است. از لحاظ کاربردی ، لیزر‌های پالسی با مدت پالس^12-10 ثانیه در دسترس هستند. چنین لیزرهایی در جهت پژوهش درفرایندهایی که درگازهاومایعات، باسرعتهای بسیار بسیار سریع رخ می‌‌دهد، بکار برده می‌شوند.

لیزرهای رنگی:
آخرین دسته از لیزرهای موجود در بازار، لیزرهای رنگینه ای اند.اصولاً‌ این لیزرها با انواعی که تاکنون بررسی کردیم تفاوت بنیادی   دارند. تمام تفاوتها را می توان ناشی از ماهیت نامتعارف محیط فعال  دانست که محلولی از رنگینه آبی است. برای این منظور می توان از بیش از 200 رنگینه استفاده کرد، تنها شرط عمومی وجود نوار جذب  در مرئی و طیف پهن فلوئورسانی است. موادی که به بهترین وجه با این معیارهای همخوانی دارند، از مولکولهای چند اتمی نسبتاً بزرگ با عدم استقرار زیاد الکترون تشکیل می شوند. پرمصرفترین مثال در این زمینه رنگینه ای است که معمولاً به نام رودآمین G 6   (Cl3O2N31H28C)  شناخته شده است. این گونه با 64 اتم، 168 (6 –N 3) مد ارتعاشی متمایز دارد. البته درحالت محلول، ترازهای انرژی مربوط به دلیل برهم کنشهای مولکولی قوی با حالت مایع پهن می شوند و در اثر برهمپوشانی آنها، برای هر حالت الکترونی، یک پیوستار انرژی ایجاد می شود. به طور کلی، جذب نور توسط رنگینه های چند اتمی، پیش از هر چیز باعث گذار از حالت پایه یکتا یی S0  به پیوستار انرژی متعلق به اولین حالت برانگیخته یکتایی 1S   می شود. نماد یکتایی از این واقعیت ناشی میشودکه حالت با اسپین الکترونی جفت نشده، نا هم تراز است ( یعنی 1 = 1 +    S2 اگر 0=S ). به دنبال این گذار به سرعت یک واپاشی سریع غیر تابشی به پایینترین تراز انرژی در پیوستار1Sرخ میدهد، در رودآمین G 6 این فرایند در ps 20 پس از برانگیختگی آغازی تکمیل می شود. سپس در اثر گذار رو به پایین به ترازهای درون پیوستار S0  و به دنبال آن توسط واپاشی بدون تابش بیشتر، به نشر فلوئورسان منجر می شود. فرایند نشر فلوئورسان می تواند به عنوان مبنایی برای عمل لیزر به کار برده شود، به شرط اینکه بین ترازهای بالایی و پایینی درگیر در گذار، وارونگی جمعیت ایجاد شود، بنابراین اصولاً‌ با لیزری چهار ترازی سروکار داریم. واضح است که چون فوتونهای نشر شده انرژی کمتری دارند، فلوئورسانی باید همواره در طول موجهای بلندبر در مقایسه با برانگیختگی اولیه انجام شود.
با این حال، همان طور که پیکانهای خط چین در نمودار نشان می دهند، معمولاً‌ وقوع چند فرایند دیگر وضعیت را پیچیده می کند. یکی از مهمترین فرایندهای رقابتی به نام عبور بین سیستمی شناخته می شود، زیرا مولکول از یکی از حالتهای یکتایی سیستم به یک حالت سه تایی تغییر می یابد که در آن اسپین دو الکترون موازی است.( 3 = 1 + S2 اگر 1 = S ) . چنین گذارهای یکنایی به سه تایی که بنا به قاعده غیر مجازند، به مقدار کم ولی مؤثری انجام می شوند. حالت 1T    با فرایند نسبتاً آهسته فسفر سانس که از لحاظ اسپینی غیر مجاز است و مولکول را به حالت الکترونی پایه S   0  باز می گرداند، تا حد اندکی عاری از جمعیت می شود. همچنین این حالت از طریق عبور بین سیتمی غیر تابشی به S   0    و با جذب تابش بیشتر که حالتهای سه تایی بالاتر را جمعیت دار می کند، بدون جمعیت می شود.علاوه بر تمام این فرایندها، همچنین مولکول در حالت یکتایی 1S   می تواند دچار تبدیل درونی غیر تابشی به حالت S 0   شود یا با جذب تابش بیشتر دچار گذار به حالت یکتایی بالاتر شود. این فرایندها همراه با هم، باعث بدون جمعیت شدن تراز بالایی 1S  لیزر، افزایش جمعیت ترازهای پایینی S 0 لیزر و افت شدت خروجی می شوند و تمام اینها درکاهش کارایی لیزر سهیم اند.
با این حال، فرونشانی حالتهای برانگیخته، در اثر برهم کنش با سایر مولکولها نیز رخ میدهد و این اثر به ویژه هنگامی که محلول رنگینه حاوی اکسیژن حل شده باشد، مهم است. گاهی فرونشاننده های سه تایی مانند دی متیل سولفوکسید ( DMSO ) به ویژه برای افزایش توان خروجی از طریق جمعیت دار کردن مجدد حالتهای یکتایی، به محلول رنگینه افزوده می شوند. پایداری نور شیمیایی و گرمایی رنگینه های مورد مصرف در لیزرهای رنگینه ای، عامل بسیار مهم دیگری است. گرمای حاصل از گذارهای واپاشی غیر تابشی قادر است به سرعت رنگینه را درهم شکند و به همین علت معمولاً در عمل، محلول رنگینه به طور پیوسته در حال گردش است و خنک می شود. تابش حاصل از لامپ درخشی یا منبع لیزری اولیه با نشر درمرئی یا فرابنفش نزدیک، در نقطه ای روی محل عبور عرضی فواره محلول رنگینه، که نوعاً غلظتی در حدود 10 تا mol   10 دارد، متمرکز می شود. معمولاً حلال رنگینه بر پایه اتیلن گلیکول است که گرانروی مطلوبی برای برقراری یک جریان فواره ای تخت مناسب برای کارهای اپتیکی ایجاد میکند.
نشر فلوئورسان از فواره رنگینه، با قرار دادن دو آینه انتهایی حفره در هر دو سمت فواره برانگیخته می شود. با وجود این، در این مرحله است که خواص منحصر به فرد لیزر رنگینه ای آشکار می شود. چون فلوئورسانی در گستره ای از طول موجها رخ می دهد، نشر تکفام لیزر را تنها می توان با قرار دادن ابزار اپتیکی پاشنده اضافی مانند توری پراش یا سنجه در درون حفره به دست آورد. بدیهی است که با چرخش این عنصر، طول موجهای تقویت شده در لیزر رنگینه ای تغییر می کند، بدین ترتیب نشر کوک پذیر به دست می آید. برای مثال، لیزر رنگینه ای بر پایه محلول رودآمینG6  در متانول، به طور پیوسته در گستره 570 تا nm 660 کوک پذیر است. گستره کامل لیزرهای رنگینه ای موجود در بازار، به طور کامل گستره nm 200 تا mm 1 را می پوشانند، در شکل 3. 5 منحنی کوک برخی از لیزرهای رنگینه ای مهم ارائه شده است. در کتاب مائدا می توان به فهرست جامعی از لیزرهای رنگینه ای و گستره های کوک دست یافت.
کارایی یک لیزر رنگینه ای اغلب در حدود 5% است و توان خروجی اصولاً به منبع تابش دمش بستگی دارد. برای خروجی CW وسیله دمش متداول، لیزر یون گاز بی اثر است، سایر دمشهای لیزری مانند لیزرهای نیتروژن، اکسی پلکس  یا لیزر حالت جامد یون فلز واسطه، یا حتی لامپهای درخشی زنون، که به طور عادی به کار می روند معمولاً‌ باعث ایجاد خروجی تپی می شوند. با استفاده از دمش خاصل از هماهنگی یک لیزر Nd بالاترین توانها قابل حصول است. لیزرهای رنگینه ای CW  پهنای خطی درگستره 10 تا GHz 20 ( در حدود cm 5/0 ) نشر می کنند، هر چند با ابزار اپتیکی مناسب می توان این مقدار را تا حدود GHz  1 کاهش داد. ترکیب پهنای خط باریک، پایداری خوب فرکانس و کوک پذیری، ویژگی مطلوبی به ویژه برای بسیاری از کاربردهای طیف بینی به شمار می رود. یک عیب لیزر رنگینه ای آن است که در مقایسه با لیزر گازی پایداری کمتری در دامنه دارد، به طوری که روشهای طیف بینی غیر مستقیم مانند فلوئورسانی یا اثر فوتوآکوستیکی، اغلب مناسبترین کاربردهای آن هستند.
تغییری جالب در مفهوم لیزر رنگینه ای، لیزر رنگینه ای حلقه ای است که در آن تابش لیزر به جای حرکت رفت وبرگشتی ساده بین دو آینه، دور ساعت و خلاف آن حرکت می کنند حضور داشته باشند، معمولاً فرکانس آنها یکسان است. با این حال، هرگونه چرخاندن خود لیزر، باعث ایجاد اختلاف کوچکی بین این دو فرکانس می شود و از آشکار سازی این اختلاف می توان به عنوان مبنایی برای اندازه گیری بسیار دقیق چرخش استفاده کرد، در واقع این طرز کار ژیروسکوپ لیزر حلقه ای است. در روش دیگر، یک عنصر اپتیکی را که تا حدی شبیه به همتای اپتیکی دیود الکترونیکی کارمی کند، می توان برای گزینش راستای خاصی از انتشار ( جهت ساعت یا خلاف آن ) درون حفره قرار داد. در این مورد پهنای خط نشر لیزر حلقه ای، نوعاً دست کم ده مرتبه کمتر از مقدار مربوط به یک لیزر رنگینه ای است، اما در موارد با پایداری فعال بهینه، پهنای خط ممکن است به کمتر از c m  10 × 4  برسد