لیزر 

منبع

اصول لیزر نوشته ی اوراسیو سوولتو ترجمه ی اکبر حریری و حسین گل نبی

لیزرها در شیمی  نوشته ی دیوید اندروز ترجمه ی رامین رامبد

 http://cph-theory.persiangig.ir

ریشه لغوی

کلمه لیزر

(LASER)

 از حروف ابتدای عبارت "تقویت نور بوسیله گسیل القایی تابش"

 (Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation)

 در لاتین ساخته شده است که معمولاً در طول موجهای مادون قرمز نزدیک ، مرئی و ماورای بنفش طیف الکترومغناطیس می‌باشد. به گسیلهای لیزر گونه طول موجهای بلندتر ناحیه میکروویو "میزر" (MASER) گفته می‌شود. لیزر اصولاً به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می‌شود.

دید کلی

• هیچ می‌دانید با لیزر معجزه می‌کنند!
• فکر می‌کنید لیزر برای چه تولید شده است؟
• به نظر شما برتری تانکهای مجهز به سیستم مسافت یاب لیزری در چیست؟

تاریخچه لیزر

پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل بوسیله وبر (Weber) ، جوردون (Gordon) ، زیگر (Zeiger) ، تاونز (Townes) ، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون ، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. این گروه نام میزر (MASER) را که از ابتدای حروف "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" تشکیل شده بود برای آن برگزیدند.

اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک (NH₃) ساخته شد. در سال 1958 اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو (Schawlow) و تاونز داده شد. در سال 1960 یعنی کمتر از دو سال دیگر ، میلمن (Mailman) موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر پیوسته کار (CW) که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال 1961 توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال 1962 نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه ‌هادی مطرح گردید.

سیر تحولی و رشد

اختراع لیزر به سال 1958 با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر اشعه مادون قرمز و نوری بر می‌گردد. نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سر تا سر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالسها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال 1960 دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر ، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشنتر از نور خورشید بود. متأسفانه پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مثل بارندگی ، مه ، ابرهای کم ارتفاع ، چیزهای موجود در آزمایشهای مربوط به هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.

دانشمندان نیز طرحهای جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنالهای تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موجبر فیبر نوری بود که شرکتهای مخابراتی برای ارسال صدا ، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می‌باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای مختلف نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند.

بعد از اینکه لیزر دی اکسید کربن در سال 1964 اختراع شد کاربرد لیزر در زمینه‌های پزشکی خیلی توسعه یافت و برای جراحان این امکان را فراهم نمود تا بجای استفاده از چاقوهای جراحی از فوتون استفاده نمایند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحی را انجام دهد، در صنایع و در کارهای ساختمانی ، در وسایل نظامی و غیره کاربردهای فراوان آنرا می‌توان مشاهده نمود.

همدوستی زمانی لیزر

همدوسی زمانی فوتونهای نور لیزر به معنی هماهنگی بین آنها از لحاظ وضعیت ارتعاشی (فاز) آنهاست. همدوسی مکانی نور لیزر به معنی هماهنگی بین فوتونهای تشکیل دهنده نور لیزر از لحاظ راستای انتشار آنهاست. به لحاظ همدوسی زمانی که در نور لیزر وجود دارد، قدرت تأثیر گذاری فوتونهای آن در نقطه هدف بسیار بالاتر از نورهای معمولی است؛ زیرا طبق اصل برهمنهی امواج ، به دلیل همفاز بودن این فوتونها ، میدانهای الکتریکی‌شان مستقیما باهم جمع شده و میدانی قوی را بوجود می‌آورند.

همدوسی مکانی لیزر

همچنین به لحاظ همدوسی مکانی نور لیزر ، نور خروجی بصورت باریکه‌ای جهتمند از آن خارج شده و می‌تواند تا مسافتهای طولانی‌تری بدون افت چشمگیر توانش طی کند و نیز بوسیله کانونی کردن آن در نقطه کوچکی می‌توان به شدتهای بسیار بالایی دست یافت. نور لیزر نوری تقریبا تکرنگ است. مشخصه رنگ در نور به فرکانس آن وابسته است، بنابراین نور فوتونهای لیزر در محدوده کوچک فرکانسی گسیل می‌شوند، در حالیکه منابع نور معمولی گستره فرکانسی بسیار بالایی را دارند.

معیار تکرنگی یا خلوص نور لیزر ، پهنای فرکانسی آن است که طبق تعریف ، فاصله دو فرکانسی است که منحنی توزیع فرکانسی نورهای گسیلی در نصف ماکزیمم آن دارند. این فاصله در لیزرها فوق‌العاده کمتر از منابع نور معمولی یا منابع نور گازی است. این به معنای آن است که اکثر انرژی تابشی لیزرها حول فرکانس مرکزی آن می‌باشد. در منابع معمولی ، برعکس لیزرها منحنی توزیع فرکانسی بسیار وسیع است و پهنای فرکانسی آن نیز نتیجتا بسیار زیاد است. بنابراین اگر بخواهیم که نور این منابع را با استفاده از مثلا فیلتر و یا یک تجزیه‌گر بصورت تقریبا تکرنگ در بیاوریم، از شدت آن به‌ مقدار زیادی کاسته خواهد شد. 
 

تقسیم بندی لیزرها

لیزرها بر اساس آهنگ خروج انرژی از آنها به دو دسته "پیوسته‌کار" و "پالسی" تقسیم ‌بندی می‌شوند. نور لیزرهای پیوسته‌ کار بطور پیوسته گسیل می‌شود، ولی نور لیزرهای پالسی در زمانهای کوتاه که به این زمان "دوام پالس" گفته می‌شود ارائه می‌گردد. فاصله زمانی ارائه دو پالس متوالی معمولاً خیلی بیشتر از زمان دوام پالس است. لیزرهای پالسی به‌دلیل اینکه می‌توانند انرژی خود را در زمان کوتاهی ارائه دهند، معمولاً دارای توانهای بالاتری می‌باشند.

لیزرها را براساس حالت ماده لیزر زا هم به لیزرهای حالت جامد ، لیزرهای گازی ، لیزر رزینه ، لیزرهای نیمه‌هادی (دیودهای لیزری)، و لیزرهای الکترون آزاد تقسیم ‌بندی می‌کنند. همچنین ممکن است لیزرها را براساس نوع ماده تشکیل‌دهنده محیط لیزر زایی نیز تقسیم‌ بندی کرد. لیزر یاقوت ، لیزر نئودیوم- یق ، لیزر دی اکسید کربن ، لیزر هلیوم- نئون و انواع لیزرهای دیگر بر این اساس نامگذاری شده‌اند.

کاربردهای لیزر

• کاربرد لیزر در صنعت: برشکاری ، جوشکاری ، تراشکاری ، سوراخ کردن با لیزر و ... .

• کاربرد لیزر در پزشکی: جراحی لیزری ، ساخت چاقوی ظریف لیزری ، جلوگیری از خونریزی جراحیها و ... .

• کاربرد لیزر در صنایع نظامی: ردیاب لیزری ، فاصله یاب لیزری ، بمب لیزری و ... .

• کاربرد اساسی لیزر در اسپکتروسکوپی است.

• سرمایش لیزری و تولید دماهای خیلی پایین

لیزر گازی

حتماً تا کنون درباره

DVD یا CD 

 و یا جراحی چشم با لیزر و غیره چیزهایی شنیده اید، و حتماً این بزرگترین اختراع علوم را تا کنون به عناوین مختلف استفاده کرده اید؛ بدون آنکه از خودتان سؤال کرده باشید که مخترع لیزر چه کسی بوده است. آیا میدانید که مخترع لیزر یک ایرانی بوده است؟ اولین نوع لیزر؛ لیزر گازی بود (که در سیستم درمانی و صنایع بطور گسترده بکار برده می شود)، که توسط آقای علی جوان متخصص فیزیک اختراع شد

لیزر - یک امکان در سال 1930

در دنیای علمی و علوم، این مثل همیشه گفته می شود که وقتی که زمان برای یک اختراع یا یک کشف درست شده و شما آنرا انجام ندهید، کس دیگری انجام خواهد داد. این مثل تا حد زیادی حقیقت دارد. اما همیشه اینطور نیست. بعضی وقتها آدمها یک فکر خوب را از دست میدهند.

وقتی که نوبت برسد به لیزر، لیزر گازی، میتوانست در سال 1930 اختراع شده باشد، نه پس از سی سال در سال 1960 که من آنرا اختراع کردم. اگر شما به تاریخ علمی نگاه کرده باشید، مخصوصاً به فیزیکدانان اروپایی، آنها به اختراع لیزر در سالهای 1937 و

1938

 خیلی نزدیک شده بودند. دانشمندان در حال مطالعه بر روی اتمها بودند، که چگونه امواج نوری را بیرون بدهند (تقویت نور در گازها به وسیله گسیل القائی پرتوافکنی)، و آنها به اختراع لیزر خیلی نزدیک شده بودند. از نوشتجات آنها شما میتوانید ببینید که آنها به راه درست رفته بودند، اما بعداً راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند. اگر من در همان سالها بودم مطمعناً آنرا اختراع میکردم. مبالغه نمیکنم و میدانم که آنرا انجام میدادم

من میدانم که این دانشمندان چرا آنرا از دست دادند؛ آنها عمیقاً درگیر با دارایی های موضوع در تعادل گرمایی بودند. با این وجود در لیزرها، اتم ها باید در یک حالت تعادل غیر گرمایی باشند؛ که این قدری پیچیده می شود و از حوصله این بحث خارج است. البته تمام آنها اکنون تمام شده است، ولی آن دانشمندان پیشروان این راه بوده اند.
لیزر و جنگ جهانی دوم

ما فقط میتوانیم فکر کنیم که اگر این تکنولوژی (لیزر) در زمان جنگ جهانی دوم وجود داشت، چگونه بکار برده می شد. امروزه لیزر در مقطع دفاعی خیلی استفاده دارد. پس بنابراین در آنموقع، مشکل است که گفته شود چه اتفاقی ممکن است افتاده باشد، مخصوصاً آنکه در آنموقع تکنولوژی امروزه را دارا نبوده اند. بدون هیچگونه شبهه، اگر لیزر در 65 سال پیش اختراع شده بود نه در

35

 سال پیش، کاربردهای آن نسبت به حالا بسیار گسترش یافته بود

علم همیشه در گذشته به توسعه کارها در آینده کمک کرده است. وقتی که نیوتون قانون جاذبه را کشف کرد، این را گفت که "او بر شانه های غولها ایستاده و دورترها را دیده بود". همیشه یک پایه ای برای دانش ما وجود داشته است که توسط گذشتگان بوجود آمده است.

لیزر نتیجه شناخت ما از طبیعت اتم ها است؛ مخصوصاً طبیعت موجی اتمها. اتم ها فیزیک امواج هستند، و طبیعت ذره ای آنها خاصیت فیزیک امواج خودشان است. ما طبیعت اتم ها را کشف کرده ایم و آنها چیزی اند که بوسیله ساتع شدن نور بیرون میدهند. در سال 1920 ساختار اتمها تا کوچکترین جزء، شناخته شده بود. کتابهایی در این رابطه نوشته شده بود. در آنزمان بزرگانی مانند

Bohr، Schrodinger،

و انشتین و دیگران بودند که این اکتشافات را دنبال و پیگیری میکردند

مشکل است که شما با دقت بخواهید بگویید که در چه موقع یک نظر خلاق ظهور کرده است. من تصور میکنم که نقطه آغازی در ابتدای این خط بوده است، اما چه کسی میداند. شما در لحظه ای همه چیز را درباره اختراعتان می شناسید؛ با وجود اینکه شما از انجام آن آگاه و باخبر نیستید و نمیدانید که در حال انجام آن هستید. و سپس بطور ناگهانی همه چیز درست از آب درآید و شما آن کشف را درست انجام داده باشید.
موقعی که من نظریه ام را در رابطه با لیزر گازی دادم، بعضی از قسمتهای آنرا، اگر تما آن را نه، بر اساس گرفتاری من در کارهایی بود که مشغول انجام آن بودم. اما من میدانستم که بالاخره این لیزه گازی را میتوانم اختراع کنم در غیر اینصورت اصلاً دنبال آن کار را نمیگرفتم.

کسانی که از همان ابتدا نظر من را میدانستند، خیلی به آن بدبین بودند. حتی آنهایی که در تیم من بودند و با من کار میکرند، در این رابطه شک داشتند. من این شک را در بسیاری از آنها دیده ام. حتی فیزیکدانان خوب هم بعضی از وقتها در عقاید خودشان نامطمئن هستند، و آنها با تردید منزلزل می شوند.

یادم می آید موقعی که با یکی از شاگردانم بر روی این لیزر گازی در حال کار کردن بودیم، و آن وقتی که برای آزمایش نهایی آماده شده بود، من بشوخی رو به آن کرده و گفتم "هی، اگر من سویچ را بزنم و هیچ اتفاقی بوجود نیاید، چه!"، ناگهان صورت آن سفید شده و آثار ترس در آن هویدا گردید. من شروع به خنده کردم، و گفتم "نه، نه. حتماً کار میکند". من این را بخاطر اطمینان او بیان کردم. سپس کلید را زدیم و همه چیز بخوبی انجام گرفت. اما این اغلب برای کسانی که در حال کشف و اختراع چیزی هستند اتفاق می افتد. آنها نامطمئن و مضطربند، حتی وقتی که هیچ چیزی برای ترسیدن و اضطراب وجود ندارد.
البته بعضی وقتها آزمایشات بزرگی هستند که ما درباره آنها صحبت میکردیم، و بعضی وقتها جای تردید وجود داشته است، بخاطر آنکه پایه علمی دانسته نیست. به عنوان یک دانشمند شما مجبور هستید که نظرات خود را آزمایش کنید و آنها را انجام دهید، حتی اگر شما دقیقاً ندانید که نتیجه چه خواهد بود. اما شما بهتر است که مطماً شوید که جواب بدست آمده حتماً شما را به راهی که دنبال میکنید نزدیک کند.

اما تنها چیزی که برای من مهم بود این بود که این لیزر گازی حتماً کار بکند. قبل از شروع هر گونه اقدامی و بکار گیری تیمی که بتواند در این اقدام من را یاری دهد، باید حتماً مطمعاً میشدم که پروژه کار می کند.

در آن موقع، من تازه به گروهی که در حال تحقیق در لابراتوار تلفن بل در هیل موری نیوجرسی بودند ملحق شدم؛ و در آنجا آنها را متقاعد کردم که دستهای من را در راه این کار باز گذارند که من بتوانم هر گونه آزمایشی که لازم است در رابطه با این لیزر گازی انجام دهم.

درست در همان زمان دو محقق دیگر آقایان چارلز اچ. تاونس و آرتور ال. شاولو راهی دیگر را برای دست یابی به لیزر پیشنهاد کردند. در واقع نظریه آنها مبنی بر این اساس بود که، ما اکنون آنرا بعنوان �پمپ کردن لیزرهای نوری) می شناسیم، نور لیزرها را با توسط مکش با یک منبع نور زیاد استخراج کرد.

نظریه من تماماً با آنها متفاوت بود. من در این راه از جریانات برقی استفاده کردم (نه یک منبع نور زیاد)، که انرژی الکتریکی را تبدیل می کند به نور لیزری، که همگان حالا آنرا به نام "لیزر گازی" می شناسند. این دو اختراع "پمپ کردن لیزرهای نوری" و "لیزر گازی" بطور کلی با همدیگر تفاوت زیادی دارند و برای مقاصد تماماً متفاوت بکار گرفته می شوند