مقدمه ای بر لیزر

مقدمه ای بر لیزر

ليزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است.
اولين ليزر جهان توسط تئودور مایمن اختراع گرذيد و از ياقوت در ان استفاده شده بود در سال ۱۹۶۲ پرو فسورعلی جوان اولين ليزر گازی را به جهانيان معرفی نمود وبعدها نوع سوم وچهارم
ليزرها که ليزرهای مايع ونيمه رسانا بودند اختراع شدند.در سال ۱۹۶۷ فرانسویان توسط اشعه لیزر ایستگاههای زمینی شان دو ماهواره خود را در فضا تعقیب کردند بدین ترتیب لیزر بسیار کار بردی به نظر امد.
نوری که توسط ليزر گسيل می گردد در يک سو وبسيار پر انرژی و درخشنده است که قدرت نفوذ بالايی نیز دارد بطوريکه در الماس فرو ميرود . امروزه استفاده از ليزر در صنعت بعنوان جوش اورنده فلزات و بعنوان چا قوی جراحی بدون درد در پزشکی بسيار متداول است.
لیزرها سه قسمت اصلی دارند:
۱-پمپ انر ژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپ اپتیکی یا شیمیا یی و یاحتی یک لیزر دیگر باشد
۲- ماد پایه وفعال که نام گذاری لیزر بواسطه ماده فعال صو رت می گیرد
۳- مشدد کننده اپتیکی : شامل دو اینه بازتابنده کلی و جزئی می باشد
طرز کار یک لیزر یاقوتی:
پمپ انرژی در این لیزر از نوع اپتیکی میباشد ویک لامپ مارپیچی تخليه است(flash tube) که بدور کریستال یاقوت مدادی شکلی پیچیده شده(ruby) کريستال ياقوت نا خالص است و ماده فعال ان اکسید برم و ماده پایه ان اکسید الو مینم است.
بعد از فعال شدن این پمپ انرژی کریستال یا قوت نور باران می شودو بعصی از اتمها رادر اثرجذب القایی-stimulated absorptionبرانگیخته کرده وبه ترازهای بالاتر می برد.

پدیده جذب القایی: اتم برانگیخته = اتم+فوتون

با ادامه تشعشع پمپ تعداد اتمهای برانگیخته بیشتر از اتمهای با انرژی کم میشود به اصطلاح وارونی جمعیت رخ می دهد طبق قانون جذب و صدور انرژی پلانک اتمهای برانگیخته توان نگهداری انرژی زیادتر را نداشته وبه تراز با انرژی کم بر میگردند وانر ژی اصافی را به صورت فوتون ازاد می کنند که به این فرایند گسیل خودبخودی گفته می شودولی از انجایی که پمپ اپتیکی
مرتب به اتمها فوتون می تاباند پدیده دیگریزودتر اتفاق می افتد که به ان گسیل القایی-stimulated emission گفته می شود همانطور که در شکل انیمیشین زیر می بینید وقتی یک فوتون به اتم برانگیخته بتابد ان را تحریک کرده وزودتر به حالت پایه خود بر می گرداند.

گسیل القایی: اتم+دو فوتون = اتم برانگیخته+ فوتون

این فوتونها دوباره بعضی از اتمها را بر انگیخته میکنند و واکنش زنجیر وار تکرار می شود.
بخشی از نور ها درون کریستال به حرکت در می ایند که توسط مشددهای اپتیکی درون کریستال برگرداننده می شوند واین نورها در همان راستای نور اولیه هستد بتدرج با افزایش شدت نور لحظه ای می رسد که نور لیزر از جفتگر خروجی با روشنایی زیاد بطور مستقیم خارج می شود .

ماهيت ذره ای بودن نور :

اسحاق نيوتن در سال ۱۶۷۲نظريه ذره ای بودن نور را ارائه داد وی معتقد بود که يک منبع نور ذرات نور را با سرعت ثابت روی خط راست گسيل می کند وهنگامی که اين ذرات به شبکيه چشم برخورد نمايند چشم قادر به ديدن خواهد بود وی برای اثبات نظريه خود ازمايش اتاق تاريک را انجام داد بعدها انيشتين نيز با ازمايش اثر فتوالکتريک ومعرفی فوتون بعنوان ذرات نور مهر تاييدی بر نظريه ذره ای نيوتن زد

نظريه موجی نور:

کريستيان هويگنس فيزيکدان هلندی ماهيت نور را موجی دانست وپخش وبازتابش نور نور وشکست نور را نشانه موجی بودن نور می دانست.سپس توماس يانگ با استفاده ازمايش پراش نور در شکاف مصاعف توانست طول موج نور را اندازه گيری نمايدوبين ترتيب ماهيت موجی نور نيز اثبات گرديد.

جنس امواج نور:

امواج نور از نوع امواج الکترو مغناطيسی است که برای انتشار احتياج به محيط مادی ندارد يک موج الکتر مغناطيسی ترکيبی است از دو ميدان عمود برهم الکتريکی  و مغناطيسی که در شکل زير به ترتيب با موجهای زرد رنگ و ابی رنگ نشان داده شده است

خواص امواج الکترو مغناطيسی نور:

۱- نوردر خلاء دارای سرعت ثابت ۳۰۰۰۰۰کيلومتر برساعت هستند که بالاترين سرعت است

۲- نورهای مختلف  دارای طول موجهای مختلف وشدت نور متفاوت هستند

۳-سرعت نور درمحيط های شفاف مختلف تغيير ميکند

طيف الکترومغناطيسی نور سفيد:

همانطور که در شکل زير ديده می شود نور قرمز دارای بيشترين طول موج۷۰۰نانومتر ونور بنفش دارای کمترين طول موج ۴۰۰ نانومتر می باشند

=c / f

 

همانطور که در فرمول فوق می بينيد هر چقدر طول موج کمتر  بسامد يا فرکانس بيشتر است وطبق فرمول  انرژی فوتونهای نور انيشتين  E=nhf انرژی نيز بيشتر خواهد شد به همين علت پرتوهای نوری بنفش پر انرژی تر از پرتوهای نور قرمز هستند   (n=تعداد فوتونهاو h=ثابت پلانک هست)