انواع لیزر و ویژگی های آن

[Mohammad Aref 120,438]

دون شك يوناني ها اولين قومي بودند كه به توضيح نور و اينكه اشيا چگونه ديده مي شوند پرداختند. مدتها بعد تجربه هاي علمي، دو نظريه را راجع به نور مطرح ساخت. اولين نظريه مرتبط با نظريه ذره اي نور است كه ابتدا توسط نيوتن مطرح گرديد،وي پيشنهاد كرد كه نور شامل جرياني از ذره است كه از قوانين ديناميكي حركت كه خود از بنيان گذار آن بود تبعيت مي كند. دومين نظريه توسط هوك و هويگنس پيشنهاد شد كه فرض كردند كه نور داراي طبيعت موجي است.

براي همين نظريه نور كه بتواند قابل قبول باشد، لازم است كه اين نظريه پاسخگوي پديده هاي مشاهده شده هم باشد. پراش واژه ايست كه براي بيان انحراف نور از "لبه ها و گوشه ها" انتخاب شده است، بنابراين سايه هاي اجسام روي صفحه اي دور از جسم كاملا تيز نيستند. تداخل نور نيز نشان مي دهد كه نور داراي طبيعت موجي است. پديده فوتوالكتريك، از جهت ديگر، با پذيرفتن طبيعت ذره اي نور قابل توضيح مي باشد. بنابراين هر دو نظريه موجي بودن و ذره اي بودن نور قادرند به توضيح پديده هاي فيزيكي كه با نور سر و كار دارند بپردازند.

"حروف واژه ليزر(LASER) به ترتيب حرف اول كلمه هاي Light(نور) Amplification(تقويت)، Stimulated (القايي)،)Emissionگسيل)) Radiation تابش) و به معني تقويت نور توسط گسيل القايي تابش مي باشد. ليزر دستگاهي است براي توليد، تقويت و انتقال باريكه هاي نوري همدوس باريك و با شدت زياد گاهي عنوان ميزر اپتيكي نيز به ليزر اطلاق مي شود."

 

انواع مختلف ليزر:

ليزرها را مي توان به دسته هاي مختلفي دسته بندي كرد:

1. بر اساس حالت محيط فعال:جامد مايع گاز يا پلاسما كه در اين قسمت به آن مي پردازيم.

2. گستردگي بينابي طول موج ليزر:مريي، فرو سرخ و نظاير آن

3. روش تحريك يا پمپاژمحيط فعال(دمش): دمش نوري، دمش الكتريكي و غيره

4. مشخصه تابش صادر شده توسط ليزر

5. تعداد ترازهاي انرژي كه درفرآيند تقويت نور شركت مي كنند.

 

انواع مختلف ليزر بر حسب محيط فعال

محيط فعال تعيين كننده نوع ليزر است و به همين دليل در بعضي از تقسيم بنديها نام ليزر رابا نام محيط فعال آن مشخص مي كنند. منظور ازمحيط فعال مجموعهاي ازاتمها و يا مولكولها ست كه مي توان در آن جمعيت وارون ايجادكردو درنتيجه تابش الكترو مغناطيسي توسط گسيل القايي را حاصل نمود. از ميان نمونه هاي متعدد مي توان ليزر خاص پرتو ايكس را معرفي كرد.

 

ليزرهاي پرتو ايكس

در اين ليزرها، هدف از يك ورقه نازك سلنيوم يا عنصر ديگري با عدد اتمي بالا كه براي افزايش سختي روي زير لايه اي از وينيل نشانده مي شود، تشكيل مي شود. هدف از دو طرف توسط يك جفت پالس ليزري از ليزر پر توان كه تمركز ان چند صد بار بزرگتر از عرض آن است، تحت تابش قرار مي گيرد.

در اثر اين تابش، ورقه سلنيوم منفجر مي گردد و پلاسمايي از يون هاي سلنيوم كه از 24 الكترون تهي شده است بوجود مي آيد. يون حاصل داراي بار الكتريكي بسيار زيادي است. اختلاف انرژي الكترون هاي بيروني يون مناسب با مربع Z است(Z بار يون است) ، و اين منجر به گسيل هاي پرتو ايكس با طول موج خيلي كوتاه مي گردد.

از آنجا كه آهنگ واپاشي يا فروافت خود به خودي متناسب با توان چهارم z است، منبع پمپاژ بايد 1000 برابر انرژي بيشتري را در زماني ده هزار بار سريعتر از ليزر اپتيكي به هدف تحويل دهد. حل اين مسئله توسط يون هاي با z كم امكان پذير است.

ممكن است لازم نباشد كه تعداد زيادي الكترون را از يك عنصر با عدد اتمي بالا جدا كنيم. مي توان به وسيله ساير گذارهاي پرتوي ايكس، از جمله الكترون هاي داخلي كه توسط الكترون هاي بيروني حفاظ نشده اند و نيروي كامل بار هسته اي را احساس مي كنند به عمل ليزر ايكس با جديت كمتري دست يافت.

 

همچنين، نتايج اميدوار كننده اي از گذارهاي پرتو ايكس قوي در الكترون هاي داخلي ميكرو خوشه هاي اتمي بدست آمده است. در حال حاضر بازدهي اينگونه ليزرها خيلي كم است زيرا بيشتر بر اساس تحريك برخوردي استوار است. مي توان با خنك سازي سريع كه منجر به پمپاژ تركيب مجدد سه ذره اي پلاسماي به شدت يونيزه مي گردد، به بازدهي بسيار بيشتري دست يافت. به نظر مي رسد كه تركيبي از روشها، شامل خنك سازي تماسي و انبساط بي در رو از همه اميدوار كننده تر است.

 

بيوهولوگرافي

با استفاده از كوتاه بودن طول موج ليزرهاي پرتو ايكس پالسي مي توان عكسهاي فوري سه بعدي از يك بيومولكول تنها در داخل سلول زنده تهيه كرد. اين امكان براي ميكروبيولوژيستها فراهم مي شود كه مولكول هاي آلي لطيف و پيچيده را در محيط طبيعي خودشان، در حالي كه در داخل سلول زنده باقي مي مانند، بررسي و آزمايش كنند. تحت شرايط مناسبي حتي مي توان اين مولكول ها را در حين تغييرات مهم شيميايي و در طول عملكرد طبيعي خود، مورد مطالعه قرار داد. ديگر نيازي به كار مشكل منزوي سازي، خالص سازي و رشد بلورهاي كامل در شاتل هاي فضايي و غيره نيست.

اغلب بيومولكول هاي بزرگتر، وقتي از محيط آبي طبيعي خود يا از ديواره سلولها خارج مي شوند، شكل خود را تغيير مي دهند. در طول مدت فرايند خالص سازي، اطلاعات حياتي در مورد عملكرد و مكان هندسي و آرايش داخل سلول زنده، از دست مي رود.

تمام اين مسائل و مشكلات با هولوگرافي پرتو ايكس برطرف مي گردد. طول موج در داخل پنجره آبي جايي كه ضريب جذب نا پيوسته، اجازه مي دهد كه پرتو ايكس نسبتا بدون مانع در مقايسه با ديگر مولفه هاي اتمي بيومولكولي مثل كربن، عبور كند، تنظيم مي گردد. باريكه بايد از لايه نسبتا نازك آب شامل سلول عبور كند. از مؤلفه هاي مختلف سلولي مي توان همزمان تصوير برداري سه بعدي انجام داد. به احتمال بسيار زياد بعد از تابش، سلول به طرز جبران ناپذيري صدمه خواهد ديد. با اين وجود، اطلاعات ساختاري ارزشمندي به طور پيوسته در هلوگرام ثبت خواهد شد.

تنها فناوري ديگري كه امروزه اين توانايي را دارد،بيناب سنجي تشديد مغناطيسي است. با اين وجود توانايي آن براي تعيين ساختمان هندسي دقيق و مكان هاي بيومولكول ها در داخل سلول زنده تا حدودي غير مستقيم و نظري است.

توانايي تصوير برداري مستقيم از بيو مولكول ها باعث مي شود كه پيشرفت هاي بسيار زيادي در ژنتيك و ديگر زمينه ها صورت گيرد.

 

نجوم

داده هاي بدست آمده اخير از گروه پژوهشي اخترشناسي با پرتوايكس نشان مي دهد كه ليزر پرتوايكس، در كوازارهاي در حال كاركردن است. اين شاهد برجسته، تامين كننده و پشتيبان قوي نظريه ستاره ليزري است: پديده جمعيت وارون شديدي مي تواند در هر طول موجي، از ميكروموج تا ناحيه مرئي و پرتوايكس، در جو ستاره اي به وجود آيد.

ليزرهاي اپتيكي

قبل از اختراع ليزر ياقوت، تقويت در ناحيه ميكرو موج در محيط گاز آمونياك توسط تاونز مشاهده گرديده بود. به ابزاري كه در اين ناحيه از ميكروموج كار مي كرد ميزر گفته شد. پس از آنكه ليزر ياقوت اختراع گرديد، در واقع گستردگي فركانس به ناحيه اپتيكي كه بشر قادر به ديدن آن است رسيد. به ابزاري كه حاصل گرديد "ميزر اپتيكي" و يا ليزر گفته شد و از آن تاريخ به بعد، كم و بيش، به نور و يا دستگاهي كه بتواند در هر فركانسي بر اساس گسيل القايي فعال باشد "ليزر" گفته شد.

 

توصيف كوانتومي

پس از آنكه شالو و تاونز مقاله خود را در مورد امكان عمل ليزري در ناحيه فروسرخ و مرئي به چاپ رساندند، طولي نكشيد كه پژوهشگران فراواني، به طور جدي كار بر روي دستگاه آزمايشي را شروع كردند. اغلب پژوهشگران فكر مي كردند كه گازها اولين تقويت كننده ليزري در ناحيه مرئي و فروسرخ مي باشند. ولي با كمال تعجب ياقوت اولين ماده اي بود كه نور ليزري را در ناحيه مرئي توليد كرد. يك درگيري قانوني تلخي در مورد كسي كه اين ليزر را اختراع كرد هم وجود داشت.

 

ابتدا تصور مي شد كه پمپاژ اپتيكي با نوار پهن ناكارا باشد، ولي ديده شد كه اين فقط در مورد يون هاي با تشديدهاي خيلي باريك مثل مورد گازها و پلاسماها صادق است.

وقتي يون ها در داخل جامد قرار گيرند، مي توانند تابش را در يك نوار وسيع تري از طول موج ها جذب كنند. تابش اپتيكي با طول موجي حدود 550 نانومتر توسط يون هاي كروم كه به صورت رقيقي در شبكه بلوري سنگ سنباده يا اكسيد آلومينيوم تزريق شده اند، جذب مي گردد و سپس انتقالي غير حرارتي سريع به يك تراز شبه پايدار پايين تر با عمر 5 ميلي ثانيه صورت مي گيرد. چنانچه توان پمپاژ از مقدار آستانه بالاتر باشد، جمعيت وارون مي تواند بين اين حالت شبه پايدار و حالت پايه بوجود آيد.

با قرار دادن آن در يك تشديدگر اپتيكي، عمل ليزري به ميزان قابل توجهي بهبود مي يابد.

 

تشريح مكانيكي

اولين ليزر اپتيكي توسط مايمن در سال 1340 هجري(1960 ميلادي) به طور موفقيت آميز ساخته شد. اين ليزر از بلور ياقوت در داخل لامپ درخشش مارپيچي شكل تشكيل شده و مجموعه در داخل حفره استوانه اي شكل آلومينيومي براق قرار گرفته است و استوانه توسط هواي فشرده خنك مي شود. استوانه ياقوت تشكيل كاواك فابري-پرو را مي دهد كه دو انتهاي آن به صورت اپتيكي صيقل داده شده است. هريك از دو انتها توسط بخار نقره پوشيده مي شود و يكي از دو انتها كمتر بازتاب كننده است، تا بخشي از تابش بتواند از آن خارج شود و به صورت يك پرتوي ليزري درآيد. عمل پمپاژ توسط تخليه سريع لامپ درخش صورت مي گيرد. اولين ليزرهاي ياقوت به دليل پخش گرما و نياز به توان پمپاژ بالا در حالت پالسي كار مي كردند.

در سال 1340 هجري(1961 ميلادي)نلسون و بويل با جايگزين كردن لامپ درخشش توسط يك لامپ قوس الكتريك، ليزر پيوسته را ساختند. در شكل زير نمايش طرز كار ليزر ياقوت كه توسط مايمن طراحي، ساخته و شروع به كار كرده آورده شده است.

 

استفاده عملي

مدت كوتاهي پس از ساخت موفقيت آميز اولين ليزر اپتيكي، آزمايشگاه هاي جهان آزمايش بر روي مواد و يونهاي مختلف از قبيل خاك هاي كمياب از گروه لانتانيدها و حتي اورامنيم را انجام دادند و عمل ليزري در آنها مشاده شد. مواد مختلفي در آزمايش قرار گرفتند كه عبارتند از ايتريم آلومينيوم گارنت(YAG) و شيشه. با پيشرفت فناوري، ساخت اين ليزرها به سرعت از آزمايشگاه خارج شده و كاربردهاي تجاري پيدا كردند.

 

ليزهاي گازي

در بخش بزرگ و مهمي از ليزرها يك نوع گاز يا مخلوطي از گازها به عنوان محيط فعال مورد استفاده قرار مي گيرند. عمل تحريك اتم ها معمولا با عبور جريان الكتريكي از داخل گاز صورت مي گيرد. ليزرهاي گازي هم به صورت پيوسته و هم به صورت پالسي مي توانند كار كنند. يك نوع ليزر گازي شامل مخلوطي از گاز هليوم و گاز نئون است كه در شكل زير نشان داده شده است.

مخلوط گازي، در داخل لوله شيشه اي محفظه بسته به نام لوله "پلاسما" و در فشار خيلي پايين وجود دارد. ساز و كار تحريك ليزر هليم-نئون تخليه جريان مستقيم در داخل گاز است و اين جريان با عث تحريك اتمهاي هليم به حالتهاي اتمي بر انگيخته مي گردد. انرژي اتمهاي هليوم برانگيخته از طريق برخورد با اتمهاي نئون به آنها منتقل مي شود و در نتيجه اتمهاي نئون به يك تراز انرژي پايين تر كه منجر به عمل ليزري مي گردد، انتقال مي يابند. ساز و كار پس خوراند(feedback) شامل يك جفت آيينه است كه در دو انتهاي لوله ي پلاسما تعبيه شده اند. يكي از اين آيينه ها به نام جفت كننده خروجي يك تا دو درصد نور را به شكل پرتو پيوسته عبور مي دهد كه پرتو خروجي ليزر را تشكيل مي دهند.

[Mohammad Aref 120,438]

ليزرهاي جامد بلورين وشيشه اي در دسته ي مهم ديگري از ليزرها،جهت محيط فعال، از مواد شيشه اي يا جامد بلورين استفاده مي كنند. ياقوت و نئوديميوم- ياگ، دو مثال عمومي از ليزرهاي جامد با كاربرد صنعتي گسترده هستند. ياقوت، اكسيد آلومينيوم بلورين است كه در آن يون هاي كروم جايگزين بعضي از يون هاي آلومينيوم در شبكه ي بلوري، شده اند.اين يون هاي كروم، تشكيل دهنده ي عناصر فعال در ليزر ياقوت هستند.

 

بلور ايتريم- آلومينيوم- گارنت(YAG)، بلور ميزبان براي نئوديميوم در ليزرهاي نئوديميوم ياگ است، كه بعضي از يون هاي ايتريم توسط يون هاي سه بار يونيده نئودينيوم كه عنصر خاكي كمياب است، جايگزين شده است. از شيشه هم به عنوان ميزبان براي ليزرهاي نئوديميوم استفاده مي شود. در شكل زير موئلفه هاي مختلف ليزر نئوديميوم- ياگ در حالت موج پيوسته آن نشان داده شده است.

محيط فعال استوانه اي از بلور ليزر است كه دو انتهاي آن كاملا موازي و صيقلي است. براي كاهش تلفات، دو انتهاي ميله توسط مواد ضدبازتاب لايه گذاري شده است. عمل تحريك در اين ليزر خاص با لامپ رشته اي تنگستن متصل به منبع تغذيه متناوب، انجام مي شود. در نمونه هاي بزرگتر از لامپ هاي قوس الكتريكي كريپتون(تخليه گازي) به عنوان منبع پمپاژ استفاده مي شود. هر دو نوع لامپ، پمپاژاپتيكي پيوسته اي براي بلور ليزر فراهم مي سازد. آينه هاي ليزر نئوديميوم- ياگ معمولا جدا از محيط فعال قرار مي گيرند ولي گاهي يكي از آينه ها با تكنيك لايه گذاري روي يك انتهاي ميله ليزر تشكيل مي دهند.

ليزرهاي نئوديميوم- ياگ پالسي داراي همان پايه طراحي پمپاژ پيوسته هستند، جز آنكه لامپ پمپاژ پيوسته و منبع تغذيه پيوسته توسط لامپ درخش زينون و يك منبع تغذيه پالسي جايگزين مي شوند.

به عنوان مثال، اگر لامپ تخليه يد – تنگستن توسط لامپ درخش زينون يا ديود ليزر پالسي جايگزين گردد، مي توان عمل ليزري پالسي به جاي عمل پيوسته را به دست آورد. ليزرهاي ياقوت از تظر ساختماني بسيار شبيه اين نوع ليزر است، ولي معمولا آنها به عنوان ليزرهاي پالسي كار مي كنند.

 

ليزرهاي مايع رنگي(رزينه اي)

در ليزرهاي مايع رنگي از محلول مواد پيچيده به عنوان محيط فعال استفاده مي شود. رنگها مولكول هاي آلي بزرگي هستند كه وزن مولكولي آنها به چند صد مي رسد. رودامين G6 و سديم فلوئورسنت دو نمونه از اين رنگ ها هستند. مواد رنگي را در حلالي آلي مثل متيل- الكل حل مي كنند. بنابراين محيط فعال به صورت مايع است. ليزرهاي رزينه اي تنها نوع ليزرهاي مايعي هستند كه حالت توسعه يافته اي پيدا كرده اند. در شكل زير نموداري از طراحي رايج ليزر رزينه اي ديده مي شود.

منبع پمپاز براي دمش محلول رنگ يك ليزر آرگون است كه پرتو آن در باريكه اي كوچك كانوني مي شود. ليزر آرگون ليزر گازي است كه نور آبي و سبز تابش مي كند.محلول رنگ به صورت جت با سرعت بالا جريان مي يابد و همزمان پرتو ليزر آرگون بر روي محلول رنگي جت كانوني مي گردد. طول موج نور خروجي را مي توان به وسيله عناصر كوك شونده اي تنظيم كرد.

يكي از بزرگترين مزيت هاي ليزرهاي رزينه اي قابليت تنظيم يعني تغيير رنگ پرتو خروجي توسط عناصر تنظيم و هم چنين تغيير نوع رنگ مورد استفاده در ليزر است. خروجي تكفام حاصل از ليزرهاي رزينه اي در گستره وسيعي از فرابنفش تا نزديك فرو سرخ قابل تنظيم اند. ليزرهاي رزينه اي كه در طول موج مريي و بخش هايي از فرو سرخ و فرا بنفش قابل تنظيم هستند به طور تجاري در هر دو حالت پالسي و پيوسته قابل دسترس هستند. اين ليزرها براي كاربرد هايي همچون طيف نگاري كه در آن قابليت تنظيم طول موج بسيار حائز اهميت است، انتخاب مي شوند.

 

ليزرهاي نيم رسانا

محيط فعال ليزر نيم رسانا، پيوند بين دو نوع ماده نيم رساناي مختلف است. نيم رسانا ماده اي است كه رسانش الكتريكي آن بزرگتر از رسانش الكتريكي يك عايق، مثل شيشه يا پلاستيك است ولي از رسانش الكتريكي يك رسانا مثل نقره، يا مس كمتر است. گاليم آرسنايد (GaAs) نمونه اي از ماده نيمرساناي مورد استفاده در ساخت ليزرهاي نيم رسانا

بشمار مي رود. نيم رساناي نوع (p) دچار كمبود الكترون در شبكه بلوري است. اين كمبود الكترون بدين صورت وجود دارد كه مكان هايي در شبكه مي توانند الكترون پذير باشند. اين حفره هاي با بار مثبت، حامل جريان الكتريكي در نيمه رساناي نوع p هستند. در مقابل يك نيم رساناي نوع (n) داراي الكترون اضافي است كه به عنوان حامل جريان عمل مي كند. اگر دو تيغه از نوع n و نوع p به يكديگر پيوند بخورند، نتيجه پيوند pn ناميده مي شود.

وقتي جريان از پيوند pn عبور كند، الكترون هاي آزاد موجود در ماده نوع n با حفره هاي موجود در ماده نوع n تركيب مي شوند و انرژي آزاد مي كنند. اين انرژي ممكن است به صورت نور مريي در دايودهاي نور زا كه در نمايشگرهاي ماشين هاي حساب الكترونيكي استفاده مي شود ظاهر شود. دايود ليزري، از بلور گاليم آرسنايد مكعب مستطيل شكل، تشكيل مي شود كه شامل پيوند pn است. كل مجموعه به اندازه يك دانه شن است.

وجوه انتهاي دايود ليزري به موازات صفحات بلوري برش داده مي شود تا صفحات بازتابگر موازي كه به عنوان آينه هاي پس خوراند عمل مي كند را به وجود آورد. شيوه ي تحريك، با عبور جريان در امتداد پيوند حاصل مي شود. خروجي ليزرهاي نيم رسانا معمولا در ناحيه فرو سرخ است. اگرچه بعضي از نمونه هاي آن در ناحيه مريي عمل مي كنند.

 

منبع:تبيان

نويسنده: مژده اصولي