لیزر چیست؟
لیزر دستگاهی است که نور را از طریق یک فرآیند تقویت نوری بر اساس انتشار تحریک شده تابش الکترومغناطیسی ساطع می کند.
کلمه “لیزر” مخفف برای “تقویت نور با انتشار تحریک شده تابش” است. اولین بار در سال 1960 توسط تئودور اچ میمن در آزمایشگاه تحقیقاتی هیوز. بر اساس کارهای نظری چارلز هارد تاونز و آرتور لئونارد شاولو ساخته شد.
تفاوت لیزر با سایر منابع نور این است که نوری منسجم از خود ساطع می کند. انسجام فضایی به لیزر اجازه می دهد تا بر روی یک نقطه تنگ متمرکز شود. و کاربردهایی مانند برش لیزری و لیتوگرافی را ممکن می سازد. انسجام فضایی همچنین به پرتو لیزر اجازه می دهد تا در فواصل زیاد باریک بماند. (تصادف) و کاربردهایی مانند اشاره گر لیزری و لیدار را ممکن می سازد.
لیزرها همچنین می توانند انسجام زمانی بالایی داشته باشند که به آنها اجازه می دهد نور با طیف بسیار باریکی را ساطع کنند. متناوباً، انسجام زمانی می‌تواند برای تولید پالس‌های نوری فوق‌کوتاه. با طیف وسیع، اما مدت‌ها به کوتاهی یک فمتوثانیه استفاده شود.
لیزرها در درایوهای دیسک نوری، چاپگرهای لیزری، اسکنرهای بارکد، ابزار توالی‌یابی DNA، فیبر نوری، تولید تراشه‌های نیمه‌رسانا. (فتولیتوگرافی) و ارتباطات نوری در فضای آزاد، جراحی لیزر و درمان‌های پوست، برش و جوش مواد.، نظامی و حقوقی استفاده می‌شوند. دستگاه های اجرایی برای علامت گذاری اهداف و اندازه گیری برد و سرعت و در نمایشگرهای نور لیزر برای سرگرمی.
لیزرهای نیمه هادی در رنگ آبی تا نزدیک به UV نیز به جای دیودهای ساطع نور (LED) برای تحریک فلورسانس به عنوان منبع نور سفید استفاده شده است. این امر به دلیل تابش بسیار بیشتر لیزر، ناحیه ساطع بسیار کوچکتری را ایجاد می کند. و از افتادگی ناشی از LED ها جلوگیری می کند. چنین دستگاه هایی قبلاً در برخی از چراغ های جلو اتومبیل استفاده می شود.
—–لیزر چیست؟—–
مبانی
لیزرها به دلیل پیوستگی خود از سایر منابع نوری متمایز می شوند. پیوستگی فضایی (یا عرضی) معمولاً از طریق خروجی که یک پرتو باریک است. بیان می شود که پراش محدود است. پرتوهای لیزر می توانند به نقاط بسیار ریز متمرکز شوند و تابش بسیار بالایی به دست آورند. یا می توانند واگرایی بسیار کمی داشته باشند تا توان خود را در فاصله زیادی متمرکز کنند.
پیوستگی زمانی (یا طولی) دلالت بر یک موج پلاریزه در یک فرکانس دارد که فاز آن در فاصله نسبتاً زیادی (طول پیوستگی) در امتداد پرتو همبستگی دارد. یک پرتو تولید شده توسط یک منبع نوری حرارتی یا غیر منسجم دیگر دارای دامنه و فاز آنی است که با توجه به زمان و موقعیت به طور تصادفی تغییر می‌کند، بنابراین طول پیوستگی کوتاهی دارد.
لیزرها با توجه به طول موج آنها در خلاء مشخص می شوند. اکثر لیزرهای “تک طول موج” در واقع در چندین حالت با طول موج های کمی متفاوت تابش تولید می کنند. اگرچه انسجام زمانی دلالت بر درجاتی از تک رنگی دارد، لیزرهایی وجود دارند که طیف وسیعی از نور را ساطع می کنند یا طول موج های مختلف نور را به طور همزمان ساطع می کنند. برخی از لیزرها حالت تک فضایی ندارند و دارای پرتوهای نوری هستند که بیش از حد پراش مورد نیاز است. همه این دستگاه‌ها بر اساس روش تولید نور از طریق انتشار تحریک‌شده به عنوان «لیزر» طبقه‌بندی می‌شوند. لیزرها در جایی به کار می روند که نور انسجام مکانی یا زمانی مورد نیاز را نمی توان با استفاده از فناوری های ساده تر تولید کرد.
—–لیزر چیست؟—–
واژه شناسی
اولین وسیله ای که از تقویت توسط انتشار تحریک شد.ه استفاده می کرد در فرکانس های مایکروویو کار می کرد و “maser” نام گذاری شد، مخفف “تقویت مایکروویو با انتشار تحریک شد.ه تشعشع”. هنگامی که دستگاه های نوری مشابه توسعه یافتند، ابتدا به عنوان “میزرهای نوری” شناخت.ه شدند، تا اینکه “مایکروویو” با “نور” در مخفف جایگزین شد.
تمام این دستگاه‌هایی که در فرکانس‌های بالاتر از امواج مایکروویو کار می‌کنند، لیزر نامید.ه می‌شوند (از جمله لیزر مادون قرمز، لیزر فرابنفش، لیزر اشعه ایکس و لیزر پرتو گاما). تمام دستگاه هایی که در مایکروویو یا فرکانس های رادیویی پایین تر کار می کنند میزر نامید.ه می شوند.
لیزری که به خودی خود نور تولید می کند، از نظر فنی یک نوسانگر نوری است تا تقویت کنند.ه نوری همانطور که در نام اختصاری پیشنهاد شد.ه است. به طنز اشاره شد.ه است که مخفف LOSER، برای “نوسان نور توسط انتشار تحریک شد.ه تشعشع” صحیح تر بوده است. با استفاده گسترده از مخفف اصلی به عنوان یک اسم رایج، تقویت کننده های نوری به عنوان “تقویت کننده های لیزری” نامید.ه می شوند.
فعل پس‌شکلی به lase اغلب در میدان استفاد.ه می‌شود، به معنی «نور منسجم کردن»، به‌ویژه در اشاره به واسطه بهره لیزر. هنگامی که یک لیزر در حال کار است، گفت.ه می شود که لیزر است. کلمات لیزر و میزر همچنین در مواردی استفاده می شود که حالت منسجمی وجود دارد که با هیچ دستگاه ساخته شده ارتباطی ندارد، مانند میزر اخترفیزیکی و لیزر اتمی.
—–لیزر چیست؟—–
طراحی
لیزر شامل یک محیط افزایش، مکانیزمی برای انرژی داد.ن به آن و چیزی برای ارائه بازخورد نوری است. محیط افزایش ماده ای با خواصی است که به آن اجازه می دهد نور را از طریق انتشار تحریک شد.ه تقویت کند. نور با طول موج خاصی که از محیط بهره می گذرد تقویت می شود (قدرت افزایش می یابد). بازخورد، انتشار تحریک شد.ه را قادر می سازد تا فرکانس نوری را در اوج منحنی فرکانس بهره-فرکانس تقویت کند. همانطور که انتشار تحریک شد.ه رشد می کند، در نهایت یک فرکانس بر فرکانس های دیگر غالب می شود، به این معنی که یک پرتو منسجم تشکیل شد.ه است.
فرآیند انتشار تحریک شد.ه مشابه فرآیند یک نوسان ساز صوتی با بازخورد مثبت است که می تواند رخ دهد، برای مثال، زمانی که بلندگو در یک سیستم آدرس عمومی در مجاورت میکروفون قرار می گیرد. صدای جیغی که می شنود نوسان صوتی در اوج منحنی فرکانس بهره برای تقویت کنند.ه است.
برای اینکه محیط افزایش نور را تقویت کند، باید در فرآیندی به نام پمپاژ انرژی تامین شود. انرژی معمولاً به صورت جریان الکتریکی یا نور با طول موج های متفاوت تأمین می شود. نور پمپ ممکن است توسط یک لامپ فلاش یا لیزر دیگری تامین شود.
—–لیزر چیست؟—–
رایج ترین نوع لیزر از بازخورد یک حفره نوری استفاده می کند – یک جفت آینه در دو طرف محیط افزایش. نور بین آینه‌ها به عقب و جلو می‌چرخد، از محیط بهره می‌گذرد و هر بار تقویت می‌شود. به طور معمول یکی از دو آینه، کوپلر خروجی، تا حدی شفاف است. مقداری از نور از این آینه خارج می شود. بست.ه به طراحی حفره (اینکه آینه ها صاف یا منحنی هستند)، نوری که از لیزر خارج می شود ممکن است پخش شود یا یک پرتو باریک تشکیل دهد. در قیاس با اسیلاتورهای الکترونیکی، گاهی اوقات این دستگاه را اسیلاتور لیزری می نامند.
اکثر لیزرهای کاربردی حاوی عناصر اضافی هستند که بر خواص نور ساطع شد.ه مانند قطبش، طول موج و شکل پرتو تأثیر می‌گذارند.
فیزیک لیزری
انتشار تحریک شد.ه
در دیدگاه کلاسیک، انرژی الکترونی که به دور هسته اتم می چرخد برای مدارهای دورتر از هسته اتم بزرگتر است. با این حال، اثرات مکانیکی کوانتومی، الکترون‌ها را وادار می‌کند تا در اوربیتال‌ها موقعیت‌های مجزایی بگیرند. بنابراین، الکترون ها در سطوح انرژی خاص یک اتم یافت می شوند که دو مورد از آنها در زیر نشان داد.ه شد.ه است.
یک الکترون در یک اتم تنها در صورتی می تواند انرژی نور (فوتون) یا گرما (فونون) را جذب کند که بین سطوح انرژی انتقالی وجود داشته باشد. که با انرژی حمل شد.ه توسط فوتون یا فونون مطابقت داشته باشد. برای نور، این بدان معناست که هر گذار معین تنها یک طول موج خاص از نور را جذب می کند. فوتون هایی با طول موج مناسب می توانند باعث پرش الکترون از سطح انرژی پایین تر به بالاتر شوند. فوتون در این فرآیند مصرف می شود.
وقتی یک الکترون از یک حالت به حالتی در سطح انرژی بالاتر با اختلاف انرژی ΔE برانگیخت.ه می شود، برای همیشه به همین شکل باقی نمی ماند. در نهایت، یک فوتون به طور خود به خود از خلاء با انرژی ΔE ایجاد می شود. با حفظ انرژی، الکترون به سطح انرژی پایین‌تری که اشغال نمی‌شود، انتقال می‌یابد، با انتقال به سطوح مختلف دارای ثابت‌های زمانی متفاوت. این فرآیند «گسیل خود به خود» نامید.ه می شود. انتشار خود به خودی یک اثر مکانیکی کوانتومی و تجلی فیزیکی مستقیم اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است. فوتون ساطع شد.ه جهت تصادفی دارد، اما طول موج آن با طول موج جذبی انتقال مطابقت دارد. این مکانیسم فلورسانس و انتشار حرارتی است.
فوتونی با طول موج مناسبی که باید توسط یک انتقال جذب شود، می‌تواند باعث شود که یک الکترون از سطح بالاتر به پایین‌تر سقوط کند و فوتون جدیدی منتشر کند. فوتون ساطع شد.ه دقیقاً از نظر طول موج، فاز و جهت با فوتون اصلی مطابقت دارد. به این فرآیند انتشار تحریک شد.ه می گویند.
—–لیزر چیست؟—–
تاریخچه
پایه ها
در سال 1917، آلبرت انیشتین مبانی نظری لیزر و میزر را در مقاله Zur Quantentheorie der Strahlung (درباره نظریه کوانتومی تابش) از طریق استخراج مجدد قانون تشعشعات ماکس پلانک، به طور مفهومی بر اساس ضرایب احتمال (ضرایب انیشتین) پایه گذاری کرد. ) برای جذب، انتشار خود به خود، و انتشار تحریک شد.ه تابش الکترومغناطیسی. در سال 1928، رودولف دبلیو. لادنبورگ وجود پدیده های انتشار تحریک شد.ه و جذب منفی را تأیید کرد.
در سال 1939، Valentin A. Fabrikant استفاده از تابش تحریک شد.ه را برای تقویت امواج “کوتاه” پیش بینی کرد. در سال 1947، Willis E. Lamb و R.C. رترفورد انتشار تحریک‌شد.ه آشکاری را در طیف‌های هیدروژن پیدا کرد و اولین نمایش انتشار تحریک‌شد.ه را انجام داد. در سال 1950، آلفرد کاستلر (جایزه نوبل فیزیک 1966) روش پمپاژ نوری را پیشنهاد کرد که دو سال بعد توسط بروسل، کاستلر و وینتر به صورت تجربی نشان داد.ه شد.
میزر
الکساندر پروخوروف
در سال 1951، جوزف وبر مقاله ای را در مورد استفاد.ه از انتشارات تحریک شد.ه برای ساخت تقویت کنند.ه مایکروویو به کنفرانس تحقیقاتی لامپ خلاء موسسه مهندسین رادیو در ژوئن 1952 در اتاوا، انتاریو، کانادا ارسال کرد. پس از این ارائه، RCA از وبر خواست تا سمیناری در مورد این ایده برگزار کند و چارلز هارد تاونز از او یک نسخه از مقاله را درخواست کرد.
—–لیزر چیست؟—–
چارلز اچ تاونز
در سال 1953، چارلز هارد تاونز و دانشجویان فارغ التحصیل جیمز پی گوردون و هربرت جی زیگر اولین تقویت کننده مایکروویو را تولید کردند، دستگاهی که بر اساس اصول مشابه لیزر عمل می کرد، اما تشعشعات مایکروویو را به جای تشعشعات مادون قرمز یا مرئی تقویت می کرد. میزر تاونز قادر به خروجی مداوم نبود.
در همین حال، در اتحاد جماهیر شوروی، نیکولای باسوف و الکساندر پروخوروف به طور مستقل بر روی نوسانگر کوانتومی کار می کردند. و با استفاد.ه از بیش از دو سطح انرژی، مشکل سیستم های خروجی پیوست.ه را حل کردند.
این رسانه‌های افزایشی می‌توانند انتشارات تحریک شد.ه را بین حالت برانگیخت.ه و حالت برانگیختگی پایین‌تر، نه حالت پایه، آزاد کنند و حفظ وارونگی جمعیت را تسهیل کنند. در سال 1955، پروخوروف و باسوف پمپاژ نوری یک سیستم چند سطحی را به عنوان روشی برای به دست آورد.ن وارونگی جمعیت، که بعداً روش اصلی پمپاژ لیزری بود، پیشنهاد کردند.
تاونز گزارش می دهد که چندین فیزیکدان برجسته – از جمله نیلز بور، جان فون نویمان و لولین توماس – استدلال کردند که میزر اصل عدم قطعیت هایزنبرگ را نقض کرده است و بنابراین نمی تواند کار کند. دیگران مانند ایسیدور رابی و پلیکارپ کوش انتظار داشتند که این کار غیرعملی باشد و ارزش تلاش را نداشته باشد.
در سال 1964 چارلز اچ. تاونز، نیکولای باسوف و الکساندر پروخوروف جایزه نوبل فیزیک را به اشتراک گذاشتند. “برای کارهای اساسی در زمینه الکترونیک کوانتومی، که منجر به ساخت نوسانگرها و تقویت کنند.ه ها بر اساس اصل میزر-لیزر شد.ه است.”
—–لیزر چیست؟—–
تفنگ کلاشینکف لیزردار باطری خور 82 سانتی
کلت لیزری با سیبل چرخشی باطری خور
