انواع لیزر و ویژگی های آن(بخش اول)

بدون شک یونانی ها اولین قومی بودند که به توضیح نور و اینکه اشیا چگونه دیده می شوند پرداختند. مدتها بعد تجربه های علمی، دو نظریه را راجع به نور مطرح ساخت. اولین نظریه مرتبط با نظریه ذره ای نور است که ابتدا توسط نیوتن مطرح گردید، وی پیشنهاد کرد که نور شامل جریانی از ذره است که از قوانین دینامیکی حرکت که خود از بنیان گذار آن بود تبعیت می کند. دومین نظریه توسط هوک و هویگنس پیشنهاد شد که فرض کردند که نور دارای طبیعت موجی است.

 

برای همین نظریه نور که بتواند قابل قبول باشد، لازم است که این نظریه پاسخگوی پدیده های مشاهده شده هم باشد. پراش واژه ایست که برای بیان انحراف نور از "لبه ها و گوشه ها" انتخاب شده است، بنابراین سایه های اجسام روی صفحه ای دور از جسم کاملا تیز نیستند. تداخل نور نیز نشان می دهد که نور دارای طبیعت موجی است. پدیده فوتوالکتریک، از جهت دیگر، با پذیرفتن طبیعت ذره ای نور قابل توضیح می باشد. بنابراین هر دو نظریه موجی بودن و ذره ای بودن نور قادرند به توضیح پدیده های فیزیکی که با نور سر و کار دارند بپردازند.

 

"حروف واژه لیزر(LASER) به ترتیب حرف اول کلمه های Light(نور) Amplification(تقویت)،  Stimulated (القایی)،)Emissionگسیل)) Radiation تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می باشد. لیزر دستگاهی است برای تولید، تقویت و انتقال باریکه های نوری همدوس باریک و با شدت زیاد گاهی عنوان میزر اپتیکی نیز به لیزر اطلاق می شود."

 

لیزرها را می توان به دسته های مختلفی دسته بندی کرد:
1. بر اساس حالت محیط فعال:جامد مایع گاز یا پلاسما که در این قسمت به آن می پردازیم.

2. گستردگی بینابی طول موج لیزر:مریی، فرو سرخ و نظایر آن

3.  روش تحریک یا پمپاژمحیط فعال(دمش): دمش نوری، دمش الکتریکی و غیره

4. مشخصه تابش صادر شده توسط لیزر

5. تعداد ترازهای انرژی که درفرآیند تقویت نور شرکت می کنند.

 

محیط فعال تعیین کننده نوع لیزر است و به همین دلیل در بعضی از تقسیم بندیها نام لیزر رابا نام محیط فعال آن مشخص می کنند. منظور ازمحیط فعال مجموعهای ازاتمها و یا مولکولها ست که می توان در آن جمعیت وارون ایجادکردو درنتیجه تابش الکترو مغناطیسی توسط گسیل القایی را حاصل نمود. از میان نمونه های متعدد می توان لیزر خاص پرتو ایکس را معرفی کرد.

در این لیزرها، هدف از یک ورقه نازک سلنیوم یا عنصر دیگری با عدد اتمی بالا که برای افزایش سختی روی زیر لایه ای از وینیل نشانده می شود، تشکیل می شود. هدف از دو طرف توسط یک جفت پالس لیزری از لیزر پر توان که تمرکز ان چند صد بار بزرگتر از عرض آن است، تحت تابش قرار می گیرد.

در اثر این تابش، ورقه سلنیوم منفجر می گردد و پلاسمایی از یون های سلنیوم که از 24 الکترون تهی شده است بوجود می آید. یون حاصل دارای بار الکتریکی بسیار زیادی است. اختلاف انرژی الکترون های بیرونی یون مناسب با مربع Z است(Z بار یون است) ، و این منجر به گسیل های پرتو ایکس با طول موج خیلی کوتاه می گردد.

 

از آنجا که آهنگ واپاشی یا فروافت خود به خودی متناسب با توان چهارم z است، منبع پمپاژ باید 1000 برابر انرژی بیشتری را در زمانی ده هزار بار سریعتر از لیزر اپتیکی به هدف تحویل دهد. حل این مسئله توسط یون های با z کم امکان پذیر است. ممکن است لازم نباشد که تعداد زیادی الکترون را از یک عنصر با عدد اتمی بالا جدا کنیم. می توان به وسیله  سایر گذارهای پرتوی ایکس، از جمله الکترون های داخلی که توسط الکترون های بیرونی حفاظ نشده اند و نیروی کامل بار هسته ای را احساس می کنند به عمل لیزر ایکس با جدیت کمتری دست یافت.

همچنین، نتایج امیدوار کننده ای از گذارهای پرتو ایکس قوی در الکترون های داخلی میکرو خوشه های اتمی بدست آمده است. در حال حاضر بازدهی اینگونه لیزرها خیلی کم است زیرا بیشتر بر اساس تحریک برخوردی استوار است. می توان با خنک سازی سریع که منجر به پمپاژ ترکیب مجدد سه ذره ای پلاسمای به شدت یونیزه می گردد، به بازدهی بسیار بیشتری دست یافت. به نظر می رسد که ترکیبی از روشها، شامل خنک سازی تماسی و انبساط بی در رو  از همه امیدوار کننده تر است.

 

با استفاده از کوتاه بودن طول موج لیزرهای پرتو ایکس پالسی می توان عکسهای فوری سه بعدی از یک بیومولکول تنها در داخل سلول زنده تهیه کرد. این امکان برای میکروبیولوژیستها فراهم می شود که مولکول های آلی لطیف و پیچیده را در محیط طبیعی خودشان، در حالی که در داخل سلول زنده باقی می مانند، بررسی و آزمایش کنند.

 

تحت شرایط مناسبی حتی می توان این مولکول ها را در حین تغییرات مهم شیمیایی و در طول عملکرد طبیعی خود، مورد مطالعه قرار داد. دیگر نیازی به کار مشکل منزوی سازی، خالص سازی و رشد بلورهای کامل در شاتل های فضایی و غیره نیست. اغلب بیومولکول های بزرگتر، وقتی از محیط آبی طبیعی خود یا از دیواره سلولها خارج می شوند، شکل خود را تغییر می دهند. در طول مدت فرایند خالص سازی، اطلاعات حیاتی در مورد عملکرد و مکان هندسی و آرایش داخل سلول زنده، از دست می رود.

 

تمام این مسائل و مشکلات با هولوگرافی پرتو ایکس برطرف می گردد. طول موج در داخل پنجره آبی جایی که ضریب جذب نا پیوسته، اجازه می دهد که پرتو ایکس نسبتا بدون مانع در مقایسه با دیگر مولفه های اتمی بیومولکولی مثل کربن، عبور کند، تنظیم می گردد. باریکه باید از لایه نسبتا نازک آب شامل سلول عبور کند. از مؤلفه های مختلف سلولی می توان همزمان تصویر برداری سه بعدی انجام داد. به احتمال بسیار زیاد بعد از تابش، سلول به طرز جبران ناپذیری صدمه خواهد دید. با این وجود، اطلاعات ساختاری ارزشمندی به طور پیوسته در هلوگرام ثبت خواهد شد.

 

تنها فناوری دیگری که امروزه این توانایی را دارد،بیناب سنجی تشدید مغناطیسی است. با این وجود توانایی آن برای تعیین ساختمان هندسی دقیق و مکان های بیومولکول ها در داخل سلول زنده تا حدودی غیر مستقیم و نظری است.

توانایی تصویر برداری مستقیم از بیو مولکول ها باعث می شود که پیشرفت های بسیار زیادی در ژنتیک و دیگر زمینه ها صورت گیرد.

 

داده های بدست آمده اخیر از گروه پژوهشی اخترشناسی با پرتوایکس نشان می دهد که لیزر پرتوایکس، در کوازارهای در حال کارکردن است. این شاهد برجسته، تامین کننده و پشتیبان قوی نظریه ستاره لیزری  است: پدیده جمعیت وارون شدیدی می تواند در هر طول موجی، از میکروموج تا ناحیه مرئی و پرتوایکس، در جو ستاره ای به وجود آید.

 

قبل از اختراع لیزر یاقوت، تقویت در ناحیه میکرو موج در محیط گاز آمونیاک توسط تاونز مشاهده گردیده بود. به ابزاری که در این ناحیه از میکروموج کار می کرد میزر گفته شد. پس از آنکه لیزر یاقوت اختراع گردید، در واقع گستردگی فرکانس به ناحیه اپتیکی که بشر قادر به دیدن آن است رسید. به ابزاری که حاصل گردید "میزر اپتیکی" و یا لیزر گفته شد و از آن تاریخ به بعد، کم و بیش، به نور و یا دستگاهی که بتواند در هر فرکانسی بر اساس گسیل القایی فعال باشد "لیزر" گفته شد.

پس از آنکه شالو و تاونز مقاله خود را در مورد امکان عمل لیزری  در ناحیه فروسرخ و مرئی به چاپ رساندند، طولی نکشید که پژوهشگران فراوانی، به طور جدی کار بر روی دستگاه آزمایشی را شروع کردند. اغلب پژوهشگران فکر می کردند که گازها اولین تقویت کننده لیزری در ناحیه مرئی و فروسرخ می باشند. ولی با کمال تعجب یاقوت اولین ماده ای بود که نور لیزری را در ناحیه مرئی تولید کرد. یک درگیری قانونی تلخی در مورد کسی که این لیزر را اختراع کرد هم وجود داشت.

ابتدا تصور می شد که پمپاژ اپتیکی با نوار پهن ناکارا باشد، ولی دیده شد که این فقط در مورد یون های با تشدیدهای خیلی باریک مثل مورد گازها و پلاسماها صادق است. وقتی یون ها در داخل جامد قرار گیرند، می توانند تابش را در یک نوار وسیع تری از طول موج ها جذب کنند.

 

تابش اپتیکی با طول موجی حدود 550 نانومتر توسط یون های کروم که به صورت رقیقی در شبکه بلوری سنگ سنباده یا اکسید آلومینیوم تزریق شده اند، جذب می گردد و سپس انتقالی غیر حرارتی سریع به یک تراز شبه پایدار پایین تر با عمر 5 میلی ثانیه صورت می گیرد. چنانچه توان پمپاژ از مقدار آستانه بالاتر باشد، جمعیت وارون می تواند بین این حالت شبه پایدار و حالت پایه بوجود آید. با قرار دادن آن در یک تشدیدگر اپتیکی، عمل لیزری به میزان قابل توجهی بهبود می یابد.

 

اولین لیزر اپتیکی توسط مایمن در سال 1340 هجری(1960 میلادی) به طور موفقیت آمیز ساخته شد. این لیزر از بلور یاقوت در داخل لامپ درخشش مارپیچی شکل تشکیل شده و مجموعه در داخل حفره استوانه ای شکل آلومینیومی براق قرار گرفته است و استوانه توسط هوای فشرده خنک می شود. استوانه یاقوت تشکیل کاواک فابری-پرو را می دهد که دو انتهای آن به صورت اپتیکی صیقل داده شده است.

 

هریک از دو انتها توسط بخار نقره پوشیده می شود و یکی از دو انتها کمتر بازتاب کننده است، تا بخشی از تابش بتواند از آن خارج شود و به صورت یک پرتوی لیزری درآید. عمل پمپاژ توسط تخلیه سریع لامپ درخش صورت می گیرد. اولین لیزرهای یاقوت به دلیل پخش گرما و نیاز به توان پمپاژ بالا در حالت پالسی کار می کردند. در سال 1340 هجری(1961 میلادی)نلسون و بویل با جایگزین کردن لامپ درخشش توسط یک لامپ قوس الکتریک، لیزر پیوسته را ساختند. در شکل زیر نمایش طرز کار لیزر یاقوت که توسط مایمن طراحی، ساخته و شروع به کار کرده آورده شده است.

 

مدت کوتاهی پس از ساخت موفقیت آمیز اولین لیزر اپتیکی، آزمایشگاه های جهان آزمایش بر روی مواد و یونهای مختلف از قبیل خاک های کمیاب از گروه لانتانیدها و حتی اورامنیم را انجام دادند و عمل لیزری در آنها مشاده شد. مواد مختلفی در آزمایش قرار گرفتند که عبارتند از ایتریم آلومینیوم گارنت(YAG) و شیشه. با پیشرفت فناوری، ساخت این لیزرها به سرعت از آزمایشگاه خارج شده و کاربردهای تجاری پیدا کردند.
 

در بخش بزرگ و مهمی از لیزرها یک نوع گاز یا مخلوطی از گازها به عنوان محیط فعال مورد استفاده قرار می گیرند. عمل تحریک اتم ها معمولا با عبور جریان الکتریکی از داخل گاز صورت می گیرد. لیزرهای گازی هم به صورت پیوسته و هم به صورت پالسی می توانند کار کنند. یک نوع لیزر گازی شامل مخلوطی از گاز هلیوم و گاز نئون است که در شکل زیر نشان داده شده است.

مخلوط گازی، در داخل لوله شیشه ای محفظه بسته به نام لوله "پلاسما" و در فشار خیلی پایین وجود دارد. ساز و کار تحریک لیزر هلیم-نئون تخلیه جریان مستقیم در داخل گاز است و این جریان با عث تحریک اتمهای هلیم به حالتهای اتمی بر انگیخته می گردد. انرژی اتمهای هلیوم برانگیخته از طریق برخورد با اتمهای نئون به آنها منتقل می شود و در نتیجه اتمهای نئون به یک تراز انرژی پایین تر که منجر به عمل لیزری می گردد، انتقال می یابند. ساز و کار پس خوراند(feedback) شامل یک جفت آیینه است که در دو انتهای لوله ی پلاسما تعبیه شده اند. یکی از این آیینه ها به نام جفت کننده خروجی یک تا دو درصد نور را به شکل پرتو پیوسته عبور می دهد که پرتو خروجی لیزر را تشکیل می دهند.