هیجان با نور و لیزر
لیزر (ادوات اپتیکی و فوتونیکی)

 

لیزر
لیزر یک منبع نور است که شیوه تولید نور در آن متمایز بوده و به همین دلیل هم ویژگیهای جالب و منحصربفردی دارد. علی رغم آنکه سابقه ی ساخت لیزر به سال 1960 میلادی بازمی گردد، اما ایده ی اساسی مربوط به طرز کار چنین دستگاهی مدتها پیش از آن توسط آینشتاین و در خلال معرفی مفهوم "گسیل تحریکی" مطرح شده بود. در مسئله ی گسیل تحریکی، آینشتاین عنوان کرد که اگر ماده ای تحریک شود، الکترون از یک تراز به تراز بالاتر منتقل می گردد و سپس به صورت خود به خودی به  تراز پائین سقوط کرده و فوتونی را گسیل می نماید. با این حال اگر پیش از سقوط خود به خودی آن، بتوانیم به کمک فوتونی دیگر از همین طول موج آن را وادار به سقوط کنیم، این گسیل را گسیل تحریکی می نامند که نتیجه ی آن ایجاد دو فوتون همسو و همفاز و همدوس است. ایده ی استفاده از فوتونهای تحریکی برای ایجاد فوتونهای همدوس و همفاز، سالها ذهن بشر را به خود مشغول کرده بود. در حقیقت، مشکل کار در ایجاد جمعیت وارونه نهفته بود. مظور از جمعیت وارونه آن است که نور با تحریک ماده، باعث افزایش جمعیت الکترونها در تراز بالا بشود به نحوی که تعداد الکترونهای موجود در تراز بالا بیشتر از تعداد الکترونهای موجود در تراز پایین گردد، در حالی که به طور معمول قوانین فیزیک اجازه ی این افزایش را نمی دهند. البته ممکن است شرایطی ایجاد شود که به کمک آن بتوان جمعیت را وارونه کرد. در این صورت با ایجاد اولین گسیل خود به خودی،  فوتون حاصله به اتمهای دیگر برخورد کرده و بقیه ی اتمها را وادار به گسیل می نماید. از آنجا که جمعیت تراز بالا بیشتر از تراز پائین است، این محیط به جای جذب نور، آن را تقویت می کند. با نصب دو آینه در دو سوی این محیط، با توجه به رفت و برگشت نور، هر بار به جمعیت فوتونهای همدوس اضافه شده و نور لیزر ایجاد می گردد.
 به دلیل شیوه ی ایجاد این نور و صورت گرفتن گسیل تحریکی، نور لیزر چند ویژگی جالب را دارا می باشد. مهمترین ویژگی آن است که نور لیزر همدوس است و این به آن معناست که نظم فازی میان فوتونها برقرار است. این نور همچنین دارای شدت زیادی است که به دلیل جهتمندی بالای نور لیزر ایجاد شده چون به جای آنکه نور در جهات مختلف پراکنده باشد، با شدت بالا در یک ناحیه ی بسیار کوچک متمرکز بوده و به دلیل نحوه ی ایجاد نور لیزر، واگرائی ناچیزی دارد. از طرف دیگر از آنجا که تمام فوتونهای تحریک شده مربوط به تراز خاصی هستند، نور لیزر تکفام محسوب شده و در یک طول موج خاص می باشد. البته تا حدودی این امر مفهومی ایده آل محسوب می شود و در واقع باریکه ی لیزر هم مانند تمام نورهای دیگر دارای یک گستره ی طول موجی است که البته در قیاس با سایر انواع نور میزان تکفامی بسیار بالائی دارد. از دیگر ویژگیهای لیزر که دارای کاربردهای زیادی است، قابلیت کنترل پروفایلهای زمانی و فضائی می باشد. منظور از این عبارت را می توان با ذکر یک مثال روشن کرد. برای روشن و خاموش کردن سریع یک لامپ با محدودیت سرعت مواجهیم و نمیتوانیم با سرعتی بالاتر از یک حد مجاز این کار را انجام دهیم و درصورتیکه با این روش یک پالس نورانی ایجاد کنیم، سرعت ابن پالس حداکثر در حد میلی ثانیه و یا نهایتاً میکروثانیه خواهد بود. اما مکانیزم ایجاد نور توسط لیزر قابلیت ایجاد پالسهای نانوثانیه، پیکوثانیه و فمتوثانیه و حتی بازه های زمانی کوتاهتر را به دست می دهد. منظور از پروفایل فضائی نیز آن است که در حین کار با نور معمولی، قابلیت کنترل شکل پرتوها چه در فاصله ی نزدیک و چه در دور دست ، زیاد نیست. ولی با استفاده از لیزر امکان کنترل سطح مقطع و شکل پرتو و آنچه که روی پرده می تابد، بیشتر است. برای مثال می توان یک توزیع یکنواخت، توزیعی با شدت بیشتر در مرکز و کمتر در اطراف و یا توزیعی با شدت کمتر در مرکز و بیشتر در اطراف را ایجاد کرد که هر کدام دارای کاربردهای خاص خود می باشند.
کاربردهای لیزر بیشمار بوده و تکنولوژی روز بر پایه ی این خواص منحصر به فرد نور ساطع شده از این ابزار استوار است. این کاربردها عمدتاً نتیجه ی ویژگیهائی است که ذکر شد. در بسیاری از کاربردها از جهتمندی نور لیزر به خصوص در تداخل سنجی، از همدوسی بالای نور لیزر و در برخی دیگر از کاربردها، از تکفامی و شدت بالای آن و نیز سایر خواص نور لیزر بهره گرفته می شود.
Top

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی

Shahid Beheshti University,دانشگاه شهید بهشتی

دانشگاه شهید بهشتی