لیزر چگونه کار می‌کند؟

"جنگ ستارگان"، "پیشتازان فضا" و "نبردهای بین کهکشانی" – فناوری لیزر نقشی محوری در فیلم های علمی تخیلی بازی می کند. شکی نیست که این فیلم ها باعث شده اند لیزر با جنگ افزارهای آینده ارتباط نزدیکی پیدا کند.

اما لیزر نقشی مهم در زندگی روزمره ما نیز دارد. از سی دی خوان ها گرفته تا مته های دندانی و برش فوق سریع فلزات تا سیستم های اندازه گیری پیشرفته همه جا از فناوری لیزر استفاده می شود. برداشتن خالکوبی ها، کاشت مو، جراحی چشم و ... همه از انواع مختلفی لیزر استفاده می کنند.

اما لیزر چیست؟ چه چیزی لیزر را از یک پرتو نور معمولی متمایز می سازد؟ لیزرها چگونه رده بندی می شوند؟

لیزر و ساختار اتم

هر مداری از یک الکترون که به دور هسته اتم خود می گردد، با سطحی از انرژی مرتبط است. وقتی به اتمی انرژی داده شود، برخی الکترونهای ان به سطح انرژی بالاتری می روند. الکترونی که به مداری با سطح انرژی بالاتر رفته تمایل دارذ به وضعیت اصلی خود باز گردد. در این صورت انرژی جذب شده را به صورت یک فوتون (ذرات تشکیل دهنده نور) آزاد می کند.

آزاد شدن فوتوه توسط اتم ها را تقریبا همیشه می توانیم ببینیم. وقتی المنت حرارتی یک دستگاه توستر سرخ می شود، این رنگ توسط اتمهای برانگیخته شده توسط حرارت ایجاد شده که فوتونهایی با طول موج قرمز ساتع می کنند. تصویری که روی صفحه نمایش تلویزیون دیده می شود در اثر نورهایی با رنگ های مختلف است که از اتمهای فسفر برانگیخته ساتع می شوند.

هرچه که تولید نور می کند – نور فلورسان، چراغ گاز، لامپ حبابی – آن را از طریق عمل الکترونهایی انجام می‌دهد که مدار خود را تغییر داده و فوتون آزاد می کنند.

لیزر ابزاری است که روش آزاد کردن فوتونها توسط اتمهای برانگیخته را کنترل می کند. لیزر مخفف عبارت "تشدید نور توسط انتشار تابش تحریک شده" (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) است.

لیزر چگونه تولید می‌شود؟

کلید اصلی تولید لیزر یک جفت آینه است که هرکدام در یک انتهای محیط تولید لیزر قرار دارند. فوتونها با طول موج و فاز بسیار ویژه، روی این دو آینه بطور متوالی بازتابش حاصل می کنند و در این فرایند الکترونهای بیشتری را برانگیخته و باعث صعود آنها به سطوح انرژی بالاتر، برگشت به موقعیت پایدار و ساتع ساختن فوتونهای بیشتر با همان طول موج و فاز می کنند.

این اثر آبشاری مداوما رخ می دهد و در فاصله کوتاهی تعداد زیادی فوتون با طول موج و فاز یکسان تولید می شود. یکی از آینه های یاد شده اندکی نفود پذیر است و به بخشی از نور امکان عبور می دهد. فوتونهای بیشمار و تقویت شده در اثر بازتابش متوالی در نقطه ای می توانند از سد این آینه عبور کرده و پرتو نور قدرتمندی ایجاد کنند که به آن لیزر می گوییم.

یکی از نمونه های متداول لیزر، ruby laser یا لیزر یاقوت است. این نوع اسباب تولید لیزر از یک مولد فلاش، یک میله از جنس یاقوت و دو آینه در دو انتها – که یکی اندکی عبور دهنده نور است) ساخته شده است. میله یاقوت محیط تولید کننده لیزر و فلاش، مولد انرژی لازم برای برانگیختن الکترونها است.

تصاویر زیر مراحل تولید لیزر در این اسباب را نشان می دهند.

 

فلاش نور قوی به داخل میله یاقوتی می تاباند. نور باعث برانگیخته شدن اتمهای یاقوت می شود.

 

برخی از این اتمها فوتون صادر می کنند.

 

برخی فوتونها در مسیری موازی محور میله یاقوتی حرکت می کنند به گونه ای که پس از برخورد به آینه ها بازتاب می یابند.

با عبور از درون بلور یاقوت، باعث برانگیخته شدن اتمهای بیشتری می شوند.

 

یک نور انباشته شده تک رنگ و تک فاز از درون آینه ناقص (با کمی نفوذپذیری) عبور می کند که همان پرتو لیزر است.

انواع لیزر

لیزرها معمولا بر حسب محیط تولید کننده اتمهای برانگیخته شناخته می شوند.

لیزر حالت جامد (solid-state)

ماده مولد لیزر در یک ماده زمینه ای جامد (ماتریکس) پراکنده شده است. این ماتریس زمینه ای از یاقوت یا نئودیمیوم ساخته شده است و می تواند نور مادون قرمز با طول موج 1064 نانومتر تولید کند.

لیزر گازی

متداو ترین محیط های لیزر گازی عبارتند از هلیوم و هلیوم – نئون. خروجی آنها یک نور قرمز مرئی است. لیزر دی اکسید کربن می تواند برای برش مواد سخت به کار رود.

لیزر اکسایمر

اینها از گازهای فعال مانند کلر و فلوئور استفاده می کنند که با گازهای خنثا مانند آرگون، کریپتون و زنون مخلوط شده اند. نور تولیدی آنها در محدوده فرابنفش است.

لیزرهای رنگی

این لیزرها از رنگهای آلی مختلط مانند rhodamine 6G در یک حلال مایع یا بصورت مخلوط معلق به عنوان محیط مولد لیزر استفاده می کنند. آنها را می توان در گستره وسیعی از طول موجها تنظیم کرد.

لیزرهای نیمه هادی

که گاهی اوقات لیزر دیودی نامیده می شوند بسیار کوچک و کم توان هستند. در چاپگرهای لیزری یا پخش سی دی از این نوع لیزر استفاده می شود.

رده بندی لیزرها

لیزرها بسته به توان تولیدی از کلاس I تا IV رده بندی می شوند. کلاس IV پرتوان ترین بوده و تابش آن روی یک نقطه خطرناک است.

منبع:

https://science.howstuffworks.com/laser.htm

فوتون های پنهان می توانند نوری بر ماده تاریک رازآمیز بیافکنند

یک روش جدید می تواند به دانشمندان کمک کند نوری بر رازآمیزترین ماده عالم بیافکنند: با جستجوی یک داوطلب خاص ماده تاریک، یعنی فوتونهای تاریک.

ماده تاریک حدود 85 درصد محتوای ماده عالم را می سازد، با این وجود این ماده با نور، برهمکنش بسیار ضعیفی دارد و عملا غیرقابل مشاهده است. این حقیقت که، بنظر می رسد ماده تاریک برهمکنش الکترومغناطیسی با مواد دیگر ندارد به این معناست که نمی تواند از اتمهای سازنده ماده معمولی که ستارگان، سیارات یا بدن ما را می سازند ساخته شده باشد.

راز ماده تاریک مساله غامضی برای دانشمندان است، زیرا معنای آن این است که ماده ای که قادر به دیدن آن هستیم تنها 15 درصد دنیا را می سازد و تازه انرژی موجود در کیهان را بحساب نیاورده ایم. از این روست که باید به دنبال اشکال عجیب تری از ماده بود.

فوتونهای عادی ذرات بدون جرمی هستند که نور را می سازند اما فوتونهای تاریک دارای جرم هستند. جرم آنها بیست مرتبه کمتر از الکترون است. این ماهیت بسیار سبک آنهاست که از آنها کاندیدای خوبی برای ماده تاریک می سازد و آشکارسازی آنها را سخت تر می کند.

فوتونهای تاریک برهمکنش ضعیفی با فوتونهای عادی دارند بنابراین می توانند نقشی در گرم کردن عالم نخستین داشته باشند. این عمل می تواند توضیح دهد که چرا تار کیهانی، یعنی ساختار بزرگ مقیاسی در عالم که کهکشان ها را به هم پیوند می دهد وقتی توسط تلسکوپ فضایی هابل کشف شد، داغتر از مقدار پیش بینی شده بود.

یک تیم تحقیقاتی با استفاده از آمپلی فایرهای کوانتومی توانسته اند روشی برای شکار فوتونهای تاریک توسط رادیوتلسکوپ پروژه SHUKET بیابند. جستجوی آنها در محدوده دمایی منهای 272.9 و منهای 273.149 درجه یعنی تنها اندکی بالاتر از پایین ترین دمای ممکن – صفر مطلق – صورت می پذیرد. این محدوده دمایی سطح پایین ترین سیگنال قابل جستجو را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. اگر این جستجو به نتیجه برسد یکی از بزرگترین رازهای عالم فیزیک از پرده برون خواهد افتاد.

منبع:

https://news.yahoo.com/hidden-photons-could-shed-light-200051904.html

با کلیک بر روی برچسب های پایین این صفحه مقالات مرتبط با ماده تاریک را مطالعه کنید.

---

هزارمین پست وبلاگ دنیای علم و تکنولوژی

مطلبی که مطالعه کردید هزارمین پست وبلاگ من بوده است. از تمامی دو میلیون و نود و دو هزار و سیصد و پنجاه بازدید کننده گرامی که در طول 18 سال فعالیت این وبلاگ از آن بازدید کرده اند سپاسگزارم. یکی از صمیمانه ترین پیامهای دریافتی را در اینجا بازنشر می کنم:

سلام
آقا ما از اوایل دهه 90 یه روز تو وب می‌گشتیم و خیلی هم علاقه‌مند بودیم اتفاقی به وبلاگی با عنوان دنیای علم و تکنولوژی برخورد کردیم که از اون روز برای من تبدیل شد به یکی از بهترین وبلاگ‌های تو اینترنت و نگم که چه قدر خاطره از وبلاگ شما دارم و مخصوصا مقالات نظامی که منو با دنیای میلیتاری آشنا کرد و دنبال میلیتاری رفتیم
نگم که هی با گذر زمان و بزرگتر شدن وقتمون گرفته شد و درس و ... ریخت رو سرمون و یهو دیدیم بزرگ شدیم و اون وبلاگ رو فراموش کردیم و اون زمان هم قالب جذابی داشت نه الان که دیکتاتور طور بلاگ‌اسکای فقط یه نوع قالب داره ... و الان یادم اومد جستجو کنم آیا هنوز پابرجاست و وقتی که وبلاگ رو دیدم خیلی خوشحال شدم و باید بگم یک دنیا، یک دنیا به وسعت کل هستی از شما متشکرم بابت اداره این وبلاگ و نوشتن و آموزش دادن  خیلی مدیون شما هستم تشکر فراوان 

با آرزوی سلامتی و موفقیت مدام برای همگی شما دوستان و همراهان.