up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله ليزر PDF
QR code - ليزر

ليزر

ماهيت ليزر چيست ؟

ليزر به وسيله اي گفته مي شود که نور را به صورت پرتوهاي موازي بسيار باريکي که طول موج مشخصي دارند ساطع مي کنند. اين دستگاه از ماده اي جمع کننده يا فعال کنده نور تشکيل شده که درون محفظه تشديد نور قرار دارد. اين ماده پرتو نور را که به وسيله يک منبع انرزي بيروني (از نوع الکتريسيته يا نور) به وجود آمده، تقويت مي کند.
مباني نظري ليزر را آلبرت انيشتين در سال ۱۹۱۶ ميلادي طي مقاله اي مطرح کرد٫ ولي سال هاي نسبتاً زيادي طول کشيد تا صنعت و فناوري امکان ساخت نخستين ليزر را فراهم کند. در سال ۱۹۵۳ چارلز تاونز ميزر (تقويت کننده موج ميکروويو) را اختراع کرد و مي خواست آزمايش هاي خود را حول جايگزيني نور مرئي به جاي فروسرخ ادامه دهد و هم زمان اين امر بين آزمايشگاه هاي گوناگون در سراسر جهان به عنوان رقابتي جدي در نظر گرفته شد که عبارت ليزر در همان زمان در مقاله اي از گوردون هولد، دانشجوي دکتراي دانشگاه کلمبيا، پيشنهاد شد و در سال ۱۹۶۰ نخستين ليزر (که با موفقيت کار کرد) توسط تئودور ميمن (Theodore H. Maiman) ساخته شد. و نخستين ليزر گازي(با استفاده از هليوم و نئون) هم توسط علي جوان فيزيکدان ايراني در همان ۱۹۶۰ ساخته شد. نخستين بار طرح اوليه ليزر (ميزر) توسط انيشتن داده شد،کار ليزر به اين گونه است که با تابش يک فوترون به يک ذره (اتم يا مولکول يا يون)برانگيخته يک فوترون ديگر نيز آزاد مي شود که اين دو فوترون با هم، هم فرکانس مي باشند در صورت ادامه اين روند تعداد نوترونها افزايش مي يابند که مي توانند باريکه اي از فوتونها را به وجود بياورند.
۱) کاربرد ليزر در پزشکي : چاقوي ليزري ، مته ليزري،فيزيوتراپي و ...
۲) کاربرد ليزر در صنعت : جوشکاري ليزري ، برشهاي ليزري ، برش الماس ، مسافت ياب ليزري و ...
۳) کاربردهاي نظامي : ردياب ليزري ، تفنگ ليزري و ...
۴) کاربردهاي آزمايشگاهي و پژوهشي:اندازه گيري ، سنتز مواد و ...
ليزر اين نور شگفت از نظر ماهيت هيچ تفاوتي با نور عادي ندارد و خواص فيزيکي ليزر ، آن را از نورهاي ايجاد شده از ساير منابع متمايز مي سازد. از نخستين روزهاي تکنولوژي ليزر ، به خواص ويژه آن پي برده شد. و ما بصورتي گزينشي به اين خواص از ماهيت فرآيند ليزر مي پردازيم که خود اين خواص بستري عظيم براي کاربردهاي وسيع اين پديده ، در علوم گوناگون به ويژه صنعت و پزشکي و ... ايجاد کرده است. به جرأت مي توان گفت پيشرفت دانش بدون تکنولوژي ليزر امکان پذير نيست.
شايد مهترين بخش فيزيک اتمي بحث مربوط به فيزيک ليزر باشد. مي دانيد که با دادن انرژي به الکترونهاي يک اتم مي توان آنها را به مدارهاي بالاتري برد. (حتماً با اين تصوير کلاسيک که الکترون ها مدارهايي با انرژي مشخصي به دور هسته وجود دارند، آشناييد.) اما اين خانه جديد براي الکترونها خيلي وضعيت پايداري ندارد و الکترونها ترجيح مي دهند با پس دادن انرژي به مدار اصلي خودشان برگردند. اين انرژي به صورت يک فوتون با فرکانس مشخص آزاد مي شود. يعني يک واحد انرژي ... اما مي دانيد که نور از همين فوتونها ساخته مي شود. پس اگر با تعداد زيادي از اتمها به طور هم زمان اين کار را انجام دهيم، مي توانيم پرتو نوري تک فرکانس ايجاد کنيم. علاوه بر اينکه با روشهايي و دقت هايي مي توان پرتوهاي هم فاز توليد کرد. زياد نمي خواهيم راجع به ليزر و ويژگي هاي آن توضيح دهيم اما همين مهم است که بدانيم که اين پديده اساس توليد پرتوهاي ليزر است. کلمه ليزر که انگليسي آن LASER است کوتاه شده عبارت: شدت بخشي نور با استفاده از انتشار تحريک شده تابش است. (Light Amplification by the stimulated Emission of Rodiation) آنچه که سبب مي شود پرتو ليزر از نورهاي ديگر متمايز شود در حقيقت ويژگي هاي منحصر بفرد آن است که در هيچ منبع نوري ديگر يافت نمي شود. چهار ويژگي عمده ليزر عبارت اند از:
۱) همدوسي
۲) تک رنگي
۳) واگرايي کم
۴) موازي بودن پرتو
● تاريخچه
ميمن براي نخستين بار ليزر ياقوت را در سال ۱۹۵۹ ساخت.پس از دو سال آقاي علي جوان، دانشمند ايراني براي نخستين بار ليزر گازي هليوم- نئون را ساخت.
از حدود سال ۱۹۶۶ ليزر نيم رسانا در مخابرات نوري در ژاپن و آمريکا مورد توجه قرار گرفت و نسبت به امکان مد گرداني مستقيم آن تا فرکانس هاي فوق العاده زياد شناخت حاصل شده است.
پيشنهاد استفاده از گسيل القايي از يک سيستم با جمعيت وارون براي تقويت امواج ميکروويو بطور مستقل به وسيله وبر، جوردون، زيگر، باسو، تانز و پروخورو داده شد. نخستين استفاده عملي از چنين تقويت کننده هايي توسط گروه جوردون، زيگر و تاونز در دانشگاه کاليفرنيا انجام شد.اين گروه نام ميزر را که از ابتداي حروف تشکيل شده بود براي آن برگزيدند: «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation»
نخستين ميزر با استفاده از گذار ميکروويو در مولکولهاي آمونياک ساخته شد. در سال ۱۹۵۸ اولين بار پيشنهاد فعاليت ميزر در فرکانسهاي نوري در مقاله اي توسط اسکاولو و تاونز داده شد. در سال ۱۹۶۰ يعني کمتر از دو سال ديگر، ميلمن موفق به ساخت ليزر پالسي ياقوت شد. اين ليزر کار که ليزر گازي هليوم نئون بود، در سال ۱۹۶۱ توسط علي جوان ايراني ساخته شد. در سال ۱۹۶۲ نيز پيشنهاد ليزرهاي نيمه هادي مطرح گرديد.
● سير تحول و رشد
با پيشرفت روزافزون مکانيک کوانتومي و جنبه هاي ذره اي نور و توليد آينه هايي با توان بالا دانشمندان ليزرهايي را با توان خروجي بهتر(ليزرهاي توان بالا) و همدوسي بالاتر ساخته شدند.
اختراع ليزر به سال ۱۹۵۸ با نشر مقالات علمي در رابطه با ميزر پرتو فروسرخ و نوري بر مي گردد. نشر مقالات ياد شده سبب افزايش تحقيقات علمي توسط دانشمندان در سراسر جهان گرديد. در بخش ارتباطات نيز کارشناسان توانايي ليزر را که جايگزين ارسال يا مخابره الکتريکي شود، تأييد نمودند. اما اينکه چگونه پالس ها را مخابره نمايند، مشکلات زيادي را بوجود آورد. در سال ۱۹۶۰ دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از ليزر استفاده کردند. ليزر، نور خيلي زيادي را توليد نمود که بيش از ميليونها بار روشن تر از نور خورشيد بود. متأسفانه پرتو ليزر مي تواند خيلي تحت تأثير شرايط جوي مثل بارندگي، مه، ابرهاي کم ارتفاع، چيزهاي موجود در آزمايش هاي مربوط به هوا از قبيل پرندگان قرار گيرد.
دانشمندان نيز طرحهاي نويي را جهت حمايت نور از برخورد با موانع را پيشنهاد نمودند. قبل از اينکه ليزر بتواند سيگنالهاي تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم ديگر موجبر فيبر نوري بود که شرکت هاي مخابراتي براي ارسال صدا، اطلاعات و تصوير از آن استفاده مي کنند. امروزه ارتباطات الکترونيکي بر پايه فوتونها استوار مي باشد. تکنولوژي تسهيم طول موج يا رنگهاي گوناگون نوري براي ارسال تريليون بيت فيبر نوري استفاده مي کند. بعد از اينکه ليزر دي اکسيد کربن در سال ۱۹۶۴ اختراع شد کاربرد ليزر در زمينه هاي پزشکي خيلي توسعه يافت و براي جراحان اين امکان را فراهم نمود تا بجاي استفاده از چاقوهاي جراحي از فوتون استفاده نمايند. امروزه ليزر مي تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحي را انجام دهد، در صنايع و در کارهاي ساختماني، در وسايل نظامي و غيره کاربردهاي فراوان آنرا مي توان مشاهده نمود.
● عناصر اساسي ليزر
ابزار ليزريک نوسانگر اپتيکي است که باريکهٔ بسيار موازي شدهٔ شديدي از تابش همدوس را گسيل مي کند.اين ابزار اساسا از ۳ عنصر ساخته شده است:
▪ چشمهٔ انرژي خارجي يا دمنده،
▪ محيط تقويت کننده،
▪ کاواک اپتيکي يا تشديدگر.
● دمنده
دمنده يک چشمهٔ انرژي خارجي است که واروني جمعيت را در محيط ليزري به وجود مي آورد. تقويت موج نور يا ميدان تابش فوتون تنها در يک محيط ليزري که در آن واروني جمعيت بين دو تراز انرژي وجود داشته باشد روي مي دهد.(براي اينکه ليزر کار کند لازم است تعداد اتمهاي N۲ در تراز انرژي E۲ از تعداد اتمهاي N۱ در تراز انرژي E۱ بزرگ تر باشد.اين وضعيت را واروني جمعيت مي نامند.) واروني جمعيت و گسيل القائي با هم در محيط ليزري کار مي کنند و باعث تقويت نور مي شوند. در غير اين وضعيت موج نور عبور کننده از محيط ليزري تضعيف خواهد شد.
دمنده ها مي توانند از نوع اپتيکي، الکتريکي، شيميايي يا گرمايي باشند به شرط اين که انرژي لازمي را فراهم کنند که بتواند با محيط ليزري براي برانگيختن اتم ها و ايجاد واروني جمعيت لازم همراه شود.
در ليزرهاي گازي مانند He-Ne، دمنده اي که از همه بيشتر به کار مي رود از نوع تخليهٔ الکتريکي است. عوامل مهم حاکم بر اين نوع دمش مقطع هاي برانگيزش الکتروني و طول عمرهاي ترازهاي انرژي مختلف هستند. در بعضي از ليزرهاي گازي، الکترون هاي آزادي که در فرايند تخليه توليد شده اند با اتمها، يونها يا مولکول هاي ليزر مستقيما برخورد و آنها را برانگيخته مي کنند. در ساير ليزرها، برانگيزش توسط برخوردهاي ناکشسان اتم-اتم (يا مولکول-مولکول) روي مي دهد.
● محيط ليزري
محيط تقويت کننده يا محيط ليزري يک قسمت مهم از ابزار ليزر است. بسياري از ليزرها از روي نوع محيط ليزري به کار رفته در آنها نامگذاري مي شوند، به عنوان مثال، هليم-نئون (He-Ne)، دي اکسيدکربن (Co۲) و نئوديميم: نارسنگ ايتريم آلومينيم (Nd:YAG). محيط ليزري، که مي تواند گاز، مايع يا جامد باشد، طول موج تابش ليزري را تعيين مي کند.
مهم ترين لازمهٔ محيط تقويت کننده توانايي آن براي ايجاد واروني جمعيت بين دو تراز انرژي اتمهاي ليزري است.اين وضعيت با برانگيختن (يا دميدن) اتم هاي بيشتري به تراز انرژي بالاتر نسبت به اتم هاي موجود در تراز پايين تر تحقق مي يابد.(چنانکه معلوم شده است، حتي با دمش قوي، به علت اختلاف زياد طول عمرهاي ترازهاي انرژي اتمهاي قابل استفاده، تنها جفت هاي مشخصي از ترازهاي انرژي با طول عمرهاي خودبه خودي مناسب را مي توان «وارون» کرد.
● خروجي ليزر
خروجي ليزرها به دو صورت پالسي و پيوسته مي باشد. پالس در واقع نوري است که در محدوده زماني کوتاه تابيده مي شود. اين محدوده زماني امروزه به کمتر از فمتوثانيه رسيده است.
● کاربردهاي ليزر
۱) کاربرد در فيزيک و شيمي
۲) کاربرد در زيست شناسي و پزشکي
۳) کاربرد در فرآوري مواد
۴) کاربرد در ارتباطات نوري
۵) کاربرد در اندازه گيري و بازرسي
۶) کاربرد در گداخت گرما هسته اي
۷) کاربرد فرآوري اطلاعات نوري و ضبط آنها
۸) کاربردهاي نظامي
۹) تمام نگاري (هولوگرافي)
۱۰) کاربردهاي صنعتي و الکتريکي

بسوي ليزر Light amptificationaly stimnlatcd emission of radiation فكر ساختن وسيله‌اي كه نور همدوس توليد كند ، مدتها دانشمندان قرن حاضر را به خود مشغول ...

بسمه تعالي کشاورزي به عنوان قديمي و اصلي ترين صنعت بشر، زيربنا و اساس خلق ساير صنايع بوده، انسان هرگز بي نياز از غذا نخواهد بود، امروزه در جهان کشورها ...

چاپگرهاي ليزري با توجه به ويژگي هاي منحصربفرد خود طي ساليان اخير با استقبال عموم كاربران كامپيوتر در سراسر جهان مواجه شده اند. شركت هاي توليدكننده اين ...

اين روزها ديگر ليزر کلمه اي نيست که تنها به گوش دانشمندان آشنا باشد. حالا رد پاي ليزر را در هر جايي مي توان پيدا کرد. از اسباب بازي هاي بچه گانه گرفته ...

حدود دو هفته از پنجاهمين سالگرد ايجاد فناوري ليزر مي گذرد و همين موضوع بهانه اي شد تا به پيشرفت هاي جديد در زمين ليزر(Laser) بپردازيم . واژه Laser مخف ...

استفاده از ليزر روز به روز گسترده تر مي شود، از بمب افکن هاي مجهز به تسليحات ليزري تا بزرگ ترين رصدخانه هاي جهان. شرکت بوئينگ اعلام کرد که در اواسط ما ...

ليزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation مي باشد و به معناي تقويت نور توسط تشعشع تحريک شده است.اولين ليزر جهان توسط تئو ...

وقتي که الکترون در يکي از مدارهاي مجاز يا حالت پايه قرار دارد هيچ انرژي توسط اتم ساتع نمي شود. هر يک از اين مدار هاي مجاز به يک تراز انرژي معين يا حال ...

دانلود نسخه PDF - ليزر