لیزر چیست؟

مقدمه:
از گذشته ها معلوم است  که فزیک در زندگی بشر کاربرد بیشتری دارد، دانشمندان و علما کوشیده اند تا مفاهیمی فزیکی را برای متباقی بشر کشف و تقدیم نماید.
چون موضوع بحث ما مفاهیم اپتیکی است بنا باید در رابطه به فزیک اپتیک ابراز نظر نماییم.
از همان بدو خلقت اپتیک نقش و تاثیر خودش را در زندگی داشته و از همان اوایل نیز بررسیها و مطالعات در این زمینه شروع و اختراعاتی به ثبت رسیده است، یکی از شاخه‌های اساسی فیزیک در تمام سطوح تحصیلی ، اپتیک می‌باشد. اغلب ما و شما در زندگی روزمره پدیده‌های اپتیکی و وسایل اپتیکی(قطعات نوری)را دیده و بکار گرفته‌ایم.

برخی ها دنبال این هستند که چرایی این پدیده‌ها را پیدا کنند، اما برخیها دنبال ابزارهایی هستند که این پدیده‌ها را مشاهده کنند. علم جدید پیشنهاد می‌کند که هر دو گروه خودش را به معادله عدسی نازک، قوانین اسنل، چگونگی ردیابی پرتو و …  مجهز نماید. یک فرد کنجکاو وقتی پدیده اپتیکی را می‌بیند سریعا دنبال طراحی دستگاه های اپتیکی می‌رود.
اما باید بدانیم که بدون مجهز شدن به علم اپتیک نمی‌توانیم سیستم اپتیکی بسازیم و بدون سیستم اپتیکی زندگی نیز برای بشر مشکل خواهد بود.
پس همصنفان عزیز: با وجود مشکلات روز افزون در کشور یعنی، نبود امکانات چون: کتابخانه، انترنت، لابراتوار و …. ما باید تلاش نماییم از طریقه های مختلف به اطلاعات رشته که داریم بیافزایم تا بتوانیم از طریق رشته فزیک تمام مفاهیم کشف نشده در طبیعت را کشف و در خدمت مردم قرار دهیم. تا خود مایه رشد جامعه گردد و با کمک وسایل اپتیکی تغییرات چندی را در زندگی خود رو نما نماییم.  
اینک ما باوجود مشکلات به نحوی توانستیم معلومات چندی در رابطه به یکی از اجزای اپتیکی که به نام لیزر می باشد، جمع آوری نموده و خدمت تقدیم می دارم.

لیزر چیست؟
در طبیعت انواع مختلف از نور وجود دارد که در سمستر قبلی با نور و خواص آن آشنایی پیدا کردیم، و اکنون بنده که  در رابطه به لیزر معلومات چندی را از منابع مختلف به دست آوردم، تشریح می نمایم که لیزر چیست و چگونه نور تولید می کند؟
نورلیزر کاملا متفاوت، قویتر و درخشانتر از هر نوع نوری که در طبیعت یافت می شود است. این نور قابلیت این را دارد که اجسام بسیار سخت و فلزی حتا الماس را که درجه سختی بلندی که دارد، با درخشش شان سوراخ کند، چون این نور به صورت دسته جمعی  منعکس می نمایید بنا به یکجا بودن و تکفام بودن شان می تواند بر هرچیز دیگر غالب شود و آنرا سوراخ کند، این دسته جمعی پخش شدن و تکفام بودن نور یگانه فرق نور لیرزی با انواع دیگر نور که در طبیعت است را به اثبات می رساند. و همچنان نور لیزر را می‌توان خیلی دقیق کنترل کرد و به صورت باریکه مداومی به نام موج ـ پیوسته یا انفجارهای سریعی به نام تپ (پالس) در آورد.
بنابراین نور لیزر در طبعیت کاربرد زیاد دارد.

کاربرد لیزر:
از جمله کاربرد لیزر را می توان طور ذیل نام برد.
لیزر در طبعت دو نوع کاربرد دارد ۱- برای جوشکاری اجسام فلیزی و سوراخ کردن اجسام سخت ۲- باریکه‌های کم قدرت و فوق‌العاده دقیق انواع دیگر لیزر را می‌توان برای انجام دادن کارهای بسیار ظریف مثل جراحی روی چشم انسان به کار برد و در دستگاههای ویدیویی از نور لیزر برای “خواندن” دیسکهای ویدیویی و ایجاد تصویر متحرک همراه با صدا استفاده می‌کنند. مقدار زیادی اطلاعات را روی دیسکهای لیزری ضبط می‌کنند تا بعدا روی صفحه کامپیوتر خوانده شوند یا توسط چاپگرهای لیزری به شکل نسخه سخت روی کاغذ چاپ شوند.  داکتران از نور لیزر به عنوان نوع جدیدی “چاقوی جراحی” بدون خونریزی استفاده می‌شود و وقتی که نسجی مثل قسمت معیوب کیسه صفرا در خلال جراحی برداشته می‌شود رگهای خونی بسته می‌شوند. کارهای داکتران دندان با لیزر درد کمتری دارند و برای پرکاری دندان بعد از گذاشتن مواد مخصوص، از لیزر استفاده می کنند تا محکم و ثابت بیاید.

استفاده  از لیزر در صنعت:
قسمی که در کاربرد لیزر در قسمت بالا ذکر شد، در صنعت نیز از لیزرها برای عملیات گرمایی فلزات، جوش دادن قسمتها به یکدیگر، و وسایل همترازی دقیق استفاده می‌شود. لیزرها را برای اندازه‌گیری دقیق فاصله‌های خیلی بزرگ و نیز فاصله‌های خیلی کوچک به کار می‌برند. علاوه بر اینها، لیزرها را همراه با تارهای نوری برای انتقال بهتر داده‌ها و بهبود ارتباط تلیفونی به کار می‌گیرند.

لیزر چگونه کار می کند:
هر لیزر قسمت های مشخص دارد، اول این که یک لیزر باید یک چشمه انرژی وجود داشته باشد که این چشمه اغلبا یک الکتریسته است ولی بجای ان می توان یک چشمه پر قدرت نوری معمولی را استفاده کرد و یا حتا می توان از لیزر دیگر استفاده  کرد.
قسمت لازم دیگر لیزر را به نام محیط فعال یاد می کند که محیط فعال عبارت از ماده است که میتواند انرژی را جذب و یا آزاد بتواند. که این محیط می تواند جامد باشد مثل یاقوت و یا بلور های دیگر، میتواند مایع باشد مثل بعضی رنگینه ها و می تواند گاز باشد مثل کار بن دای اکساید. که باریکه  لیزر در حقیقت در همان قسمت محیط فعال تولید می شود.
آخرین قسمت اساسی لیزرساز و کار پسخوراند است. ساز و کار پسخوراند از دو آینه یا سطوح بازتابنده دیگر تشکیل شده است که در دو انتهای محیط فعال قرار می‌گیرند. یکی از آینه‌ها، به نام جفتگر خروجی بازتابنده جزیی است.
در حقیقت دستگاه لیزر حکم یک منبع تابش کننده را پیدا می‌کند. بطور خلاصه این دستگاه مولد نور، از اجتماع یک تقویت کننده و دو آینه تشکیل یافته است. فضایی که تقویت کننده و دو آینه را دربرمی‌گیرد حفره ‌گویند و محیط فعال هم، همین حفره است.
حالا می بینیم که لیزر چگونه کارمی کند.
عمل لیزر در چند مرحله انجام می گیرد. چشمه انرژی درخششی از خود می فرستد و محیط فعال آن را جذب  می کند و انرژی جذب شده بعضی از اتم های محیط فعال را بر می انگیزد و آنها به تراز انرژی زیاتر می پرند. درخشش مکرر نور برای  برانگیزش، یا پمپ محیط فعال ادامه می دهد. وقتی که در محیط فعال تعداد اتم های انرژی زیاد  بیشتر از انرژی کم باشد، برعکس جمعیت یا به اصطلاح وارونه جمعیت بوجود می آید. که پدیده وارونه یا برعکس برای عمل لیزری ضروری است.
در حین عمل لیزری، اتمهای با انرژی زیاد، در حال برگشتن به تراز انرژی کم، انرژی اضافی خود را به صورت مقادیر نوری ظریفی به اسم فوتون تابش می‌کنند. این نور به نوبه خود، اتمهای دیگری را در محیط فعال برمی‌انگیزد و همین اتمها نیز نور آزاد می‌کنند. به این ترتیب اتمهای بیشتر و بیشتری از محیط فعال فوتون تابش می‌کنند و واکنش زنجیره‌ای افزایش انرژی راه می‌افتد. این پدیده به گسیل(فرستادن نور) القایی موسوم است.
آینه‌های دو سر لیزر نور فرستاده شده را به محیط فعال بر می‌گردانند و نور باز هم پرشدت‌تر می‌شود، فرایندی که تقویت نام دارد. با بیشتر و بیشتر شدن شدت، نور ایجاد شده در لیزر آن قدر قوی می‌شود که از جفتگر خروجی که به طور جزیی نقره اندود است به صورت نور لیزر به بیرون می‌گریزد.
معمولا لیزرها را بر حسب محیط فعالشان نامگذاری می‌کنند. مثلا، در لیزر یاقوت محیط فعال تکه جامدی از یاقوت است. در لیزر رودامین از رودامین استفاده می‌کنند. رودامین مایع رنگینه فلویورسانی است که به عنوان محیط فعال به کار می‌رود. در لیزر گازی کربن دی اکسید از کربن دی اکسید به عنوان محیط فعال بهره می‌گیرند و در لیزر گازی هلیم نیون از مخلوط گازهای هلیم و نیون استفاده می‌شود.

فرق نور لیزری با نور معمولی:
فرق لیزر با دیگر به صورت اشاره در بالا ذکر شده است ولی به صورت مختصر می توان گفت که یگانه فرق نور لیزر و نور معمولی که در طبیعت یافت می شود تکفام بودن شان است. و همچنان نور لیزر به صورت منظم پخش می شود، اما نور معمولی به صورت غیر منظم پخش می شود. که منظم و غیر منظم بودن آن را میتوان به پخش صدای منظم و غیر منظم تشبه کرد.
ویژگی دیگر نور لیزر راستایی بودن آن است. لیزر با باریکه‌های مستقیم حرکت می‌کند و نظیر نور معمولی پخش نمی‌شود. مثلا، باریکه نور چراغ قوه که بر دیواری در فاصله حدود ۳۲۰ متر می‌افتد دایره‌ای به قطر ۶۵ متر را روشن می‌کند. ولی، باریکه لیزر بر همین دیوار و در همین فاصله دایره‌ای به قطر حدود ۳/۰ متر را می‌پوشاند.
یکی از فرق های عمده نور معمولی با نور لیزر این است که نور معمولی هنگام عبور از منشور به هفت رنگ دیگر تجزیه می شود، اما نور لیزر با گذشتن از منشور به همان صورت باریکه مستقیم تکفام وارد شده خارج می‌شود.

انواع لیزر های موجود:
در طبیعت لیزر های مختلف وجود دارد که نظر به محیط فعال آن تقسیم می شود.
۱-    لیزر های جامد:
قمسیکه گفتیم در محیط فعال می توان از جامدات نیز استفاده کرد، یعنی هر نوع جامد نمی تواند در این محیط استفاده شود، پس جامدات باید دارای خاصیت ذیل باشد. بلور باید شفاف باشد تا نور بتواند برای برانگیزش محیط فعال وارد آن شود و خود باریکه لیزر بتواند از آن بگریزد. علاوه  بر آن، اتمهای محیط فعال باید بتوانند طول موجهای مورد نظر را به وجود آورند.
جامدات و یا بلورهایی که برای ایجاد لیزر به کار می‌روند معمولا حاوی مقدار کمی ناخالصی هستند که در بلور خالص وجود ندارد. بلور خالص ماده میزبان، و فرایند افزودن ناخالصی آلایش نامیده می‌شود. در لیزر یاقوت ماده میزبان اکسید آلومینیم و ماده آلاینده یا ناخالصی اکسید کروم است. به همین منوال می توان بلور های دیگری را نیز در محیط فعال به کار برد. که هر یک دارای مقدار کمی ناخالص هستند.
۲- لیزرهای گازی
در لیزرهای گازی نوع خاصی گاز داخل یک اتاقک شفاف بی‌درز مانند لامپ های یا نیون های فلیورسنت در جریان است. وقتی که گاز جریان می‌یابد، از دو الکترود می‌گذرد، یکی با بار مثبت و دیگری با بار منفی. الکترونهایی که بین الکترودها جریان دارند الکترونهای داخل اتمهای گاز در حال جریان را به ترازهای انرژی بالا پمپ می‌کنند.
بر خلاف جامد، گاز می‌تواند جریان یابد یا حرکت کند. با جریان گاز در داخل لوله، اتمهای برانگیخته موقع دور شدن از الکترودها به تراز انرژی پایینتر می‌افتند. الکترونهای اتمهای گاز برانگیخته با افتادن به تراز انرژی پایینتر  نور های را  از  خود صادر میکند. این فوتونها یا نور ها بین آینه‌ها به جلو و عقب بازتاب می‌کنند و درست مثل لیزر جامد یاقوت تقویت می‌شوند.
وقتی که نور لیزری در سطح قابل استفاده برقرار شد، باریکه از طریق آینه خروجی نیم شفاف خارج می‌شود. اکنون لیزر گازی هلیم ـ نیون یکی از معمولترین لیزرهای گازی است. همان طور که از اسم آن برمی‌آید، محیط فعال شامل مخلوطی از تقریبا ده قسمت گاز هلیم و یک قسمت گاز نیون است. در لیزر گازی هلیم ـ نیون باریکه لیزری توسط اتمهای نیون ایجاد می‌شود.
۳- لیزرهای مایع
لیزرهایی که از مایعات به عنوان محیط فعال استفاده می‌‌کنند این مزیت را دارند که، یک مایع دارای خاصیت همگنی است و سرد کردن آن نیز به سهولت انجام می‌پذیرد. بعلاوه در مایعات می‌توان غلظت را به اختیار و به سهولت تغییر داد. بالاخره مایع را می‌توان به آسانی به هر شکل و حجمی درآورد. در صورتی که این خواص در بلورها بطور کامل وجود ندارد و بعلاوه عمل تبلور در آنها احتیاج بدقت و زمان زیادی دارد.
خطوط لیزر حاصله از مایع پهن‌تر از خطوط لیزر جامد است. زیرا در مایعات مواد احاطه کننده یونهای فعال مرتبا در حال تغییر حجم هستند. بنابراین مایعاتی را برای لیزر انتخاب می‌کنند که ترازهای انرژی آنها ثابت مانده و از اغتشاشات خارجی حتی‌الامکان مصون باشد.