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