لیزر و کاربردهای آن

 

در۱۶ مه ۱۹۶۰دکتر تئودور مایمن اولین لیزر را در آزمایشگاههای شرکت هواپیمایی هیوز در مالیبو در کالیفرنیا به کار انداخت . میله ای از یاقوت مصنوعی که کمتر از ۲٫۵ سانتیمتر طول و حدود ۰٫۸ سانتیمتر قطر داشت درون لامپ درخشی شیشه ای مارپیچی شکل قرار داده شده بود . دو انتهای تخت میله یاقوت به دقت صیقل و با نقره پوشش داده شده بود . ظهود ناگهانی نور در لامپ درخسی برقرار شد و پرتوی کوتاه و باریک از نور قرمز لیزر از انتهای میله یاقوت بیرون جست . به این طریق انرژی  نور مهار و لیزر اختراع شد .

نور لیزر نوع کاملا جدیدی از نور است درخشانتر و شدیدتر از هر چه که در طبیعت یافت میشود . میتوان نور لیزری انچنان قوی تولید کرد که هر ماده شناخته شده روی زمین را در کثری از ثانیه بخار کرد . میتواند سخت ترین فلزات را سوراخ کند یا به راحتی جسم سختی مثل الماس را سوراخ کند و از آن بگذرد .

برعکس . باریکه های کم قدرت و فوق الاده دقیق انواع دیکر لیزر را میتوان برای انجام دادن کارهای بسیار ظریف مثل جراحی روی چشم انسان به کار برد . تور لیزر را

میتوان خیلی دقیق کنتدل کرد و به صورت باریکه مداومی به نام موج – پیوسته یا انفجارهای سریعی به نام تپ (پالس)در آورد .

اگر چه اصول بنیادی لیزراز ۵۴ سال پیش شناخته شده بود. نمایش اولین لیزر دریچهای را به طرف یکی از هیجان انگیز ترین و پردامنه ترین  پیشرفتهای تکنولوژیکیقرن بیستم گشود . در ظرف چند سال پس از نمایش اولین لیزر انواع بسیار گوناگونی از لیزرها به صورت ابزارهای به صور گوناگون به کار گرفته شدند . و همان طور که خواهیم دید لیزرها تکنولوژی واقعا انقلابی جدیدی را پدید آوردند و تاثیر انها بر زندگی ما در آینده نیز ادامه خواهد داشت .

امروزه گستره وسیعی از لیزرها در همه جا یافت میشود . فروشگاههای بزرگ و بسیاری از انبارهای بزرگ خرده فروشی برای جست و جوی خود به خود. ثبت قیمتها

و صورت برداری از اقلام خریداری شده در قسمت حساب کننده از لیزر بهره میگیرند .در دستگاههای ویدئویی از نور لیزر برای خواندن دیسکهای ویدئویی و ایجاد تصویر متحرک همراه با صدا استفاده می کنند . مقدار زیادی اطلاعات را روی روی دیسکهای لیزری ضبط میکنند  تا بعدا  روی صفحه کامپیوتر خوانده شوند یا توسط چاپگرهای لیزری به شکل نسخه سخت روی کاغذ چاپ شوند .

در پزشکی . از نور لیزر به عنوان نوع جدیدی ( چاقوی جراحی ) بدون خون ریزی استفاده می شوند و وقتی که نسجی مثل فسمت معیوب کیسه صفرا در خلال جراحی

برداشته می شود رگهای خونی بسته می شود . کارهای دندان پزشکی به لیزر درد کمتری دارند و برای روکش و پل دندان از لیزرها استفاده می شود .

در صنعت از لیزرها برای عملیات گرمایی فلزات جوش دادن قسمتها به یکدیگر و وسایل همترازی دقیق استفاده میشوند . لیزره را برای اندازه گیری دقیق فاصله های خیلی بزرگ و نیز فاصله های خیلی کوچیک به کار میروند . افزون بر اینها لیزرها را همراه با تارهای نوری برای انتقال بهتر داده ها و بهبود ارتباط تلفنیبه کار میگیرند .

لیزرها در حال تغییر دادن نحوه پژوهش دانشمندان هستند . لیزرها می توانند چشمه جدیدی از قدرت الکتریکی بیافرینند . مشابه فرایندی که در خورشید ما برای ایجاد انرژیبه وجود می آید .

به ساده ترین بیان لیزررا میتوان به عنوان منبعی از نور یه (انرژی تابشی ) توصیف کرد . اما لیزر ویژگیهای خاص بسیار دارد که ان را از دیگر منابع نور مانند خورشید.شمع . چراغ برق یا لامپ مهتابی کاملا متمایز می کند .

آهنگ تابش انرژی در منابع نور را به عنوان توان می شناسیم و ان را با (w)اندازه می گیریم مثلا می گوییم لامپ ۱۰۰w توان حاصل از لیزرها در گستره وسیعی تغییر می کند و بسته به نوع لیزر می تواند در حدودمیکرووات(۱۱۰۰۰۰۰۰ وات ) تا تراوات ( ۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ وات ) باشد . روشن است که انتخاب لیزر مورد نیاز به مقدار به مقدار فضای دست رس پذیر بستگی دارد . در بعضی کاربردها مانند بریدن صفحه های فولادی یا جوش دادن ورقهای فلز به یکدیگر به لیزرهای قدرتمندی نیاز است که ممکن است بسیار بسیار بزرگ باشند . از طرفی این لیزرها برای انجام دادن کارهای ظریف در جراحی چشم یا (( خواندن )) دیسک لیزری در دستگاه ویدیو ابدا مناسب نیستند . بیشترارتباطهای  تلفنی میان شهراهای مهم اکنون با تارهای و به کمک لیزرهایی صورت می گیرد که کوچکتر از سر سوزند از سر سوزان اند و منبه سیگنالهای فرستنده اطلاعات به شمار می روند . این لیزرها برای جوشکاری ابدا مناسب نیستند .

برای دست یابی به دیدی اولیه در کارکرد لیزر لازم نیست فراتر از نام ان نظر بیفکنیم . لیزر به جای عبارت (( تقویت نور با گسیل برانگیخته تابش )) می نشیند . تقویت صرفا نام فرایندی است که در ان  (( شدت )) یا مقدار چیزی افزایش می یابد . بیشتر مردم با تقویت صوت در دستگاه مگافون یا های فی آشنا هستند . در لیزر نور- یا بهتر بگوییم شکل خاصی از نور- است که تقویت می شوند . برای درک چگونگی این عمل باید نخست ماهیت نور را درک کنیم .

کاربرد های لیزر

مقدمه

امروزه لیزر کاربردهای بیشماری دارد که همه زمینه های مختلف علمی و فنی فیزیک-شیمی-زیست شناسی – الکترونیک و پزشکی را شامل می شود. همه این کاربردها نتیجه مستقیم همان ویژگی های خاص نور لیزر است.

کاربرد لیزر در فیزیک و شیمی

اختراع لیزر و تکامل آن وابسته به معلومات پایه ای است که در درجه اول از رشته فیزیک و بعد از شیمی گرفته شده اند. بنابراین طبیعی است که استفاده از لیزر در فیزیک و شیمی از اولین کاربردهای لیزر باشند

رشته دیگری که در آن لیزر نه تنها امکانات موجود را افزایش داده بلکه مفاهیم کاملا جدیدی را عرضه کرده است طیف نمایی است. اکنون با بعضی از لیزرها می توان پهنای خط نوسانی را تا چند ده کیلوهرتز باریک کرد ( هم در ناحیه مرئی و هم در ناحیه فروسرخ ) و با این کار اندازه گیری های مربوط به طیف نمایی با توان تفکیک چند مرتبه بزرگی ( ۳ تا ۶) بالاتر از روش های معمولی طیف نمایی امکان پذیر می شوند. لیزر همچنین باعث ابداع رشته جدید طیف نمایی غیر خطی شد که در آن تفکیک طیف نمایی خیلی بالاتر از حدی است که معمولا با اثرهای پهن شدگی دوپلر اعمال می شود. این عمل منجر به بررسیهای دقیقتری از خصوصیات ماده شده است.

در زمینه شیمی از لیزر هم برای تشخیص و هم برای ایجاد تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر استفاده شده است. ( فوتو شیمی لیزری) به ویژه در فون تشخیص باید از روش های (پراکندگی تشدیدی رامان ) و ( پراکندگی پاد استوکس همدوس رامان ) (CARS) نام ببریم. به وسیله این روشها می توان اطلاعات قابل ملاحظه ای درباره خصوصیات مولکولهای چند اتمی به دست آورد ( یعنی فرکانس ارتعاشی فعال رامن – ثابتهای چرخشی و ناهماهنگ بودن فرکانس). روش CARS همچنین برای اندازه گیری غلظت و دمای یک نمونه مولکولی در یک ناحیه محدود از فضا به کار می رود. از این توانایی برای بررسی جزئیات فرایند احتراق شعله و پلاسما ( تخلیه الکتریکی) بهره برداری شده است.

شاید جالبتری کاربرد شیمیایی ( دست کم بالقوه ) لیزر در زیمنه فوتو شیمی باشد. اما باید در نظر داشته باشیم به خاطر بهای زیاد فوتونهای لیزری بهره برداری تجاری از فوتوشیمی لیزری تنها هنگامی موجه است که ارزش محصول نهایی خیلی زیاد باشد. یکی از این موارد جداسازی ایزوتوپها است.

کاربرد در زیست شناسی

از لیزر به طور روزافزونی در زیست شناسی و پزشکی استفاده می شود. اینجا هم لیزر می تواند ابزار تشخیص و یا وسیله برگشت ناپذیر مولکولهای زنده یک سلول و یا یک بافت باشد. ( زیست شناسی نوری و جراحی لیزری)

در زیست شناسی مهمترین کاربرد لیزر به عنوان یک وسیله تشخیصی است. ما در اینجا تکنیک های لیزری زیر را ذکر می کنیم :

الف) فلوئورسان القایی به وسیله تپهای فوق العاده کوتاه لیزر در DNA در ترکیب رنگی پیچیده DNA و در مواد رنگی موثر در فتوسنتز

ب) پراکندگی تشدیدی رامان به عنوان روشی برای مطالعه ملکولهای زنده مانند هموگلوبین و یا رودوپسین ( عامل اصلی در سازوکار بینایی)

ج) طیف نمایی همبستگی فوتونی برای بدست آوردن اطلاعاتی در مورد ساختار و درجه انبوهش انواع ملکولهای زنده

د) روشهای تجزیه فوتونی درخشی پیکوثانیه ای برای کاوش رفتار دینامیکی مولکولهای زنده در حالت برانگیخته

به ویژه باید از روشی موسوم به میکروفلوئورمتر جریان یاد کرد. در اینجا سلولهای پستانداران در حالت معلق مجبور می شوند که از یک اتاقک مخصوص جریان عبور کنند که در آنجا ردیف می شوند و سپس یکی یکی از باریکه کانونی شده لیزر یونی آرگون عبور می کنند. با قرار دادن یک آشکارساز نوری در جای مناسب می توان این کمیت ها را اندازه گیری کرد :

الف) نورماده ای رنگی که به یک جزء خاص تشکیل دهنده سلول یعنی DNA متصل ( که اطلاعاتی راجع بع مقدار آن جزء تشکیل دهنده سلول را به دست می دهد) امتیاز میکروفلوئورمتری جریان در این است که اندازه گیری ها را برای تعداد زیادی از سلولها در مدت زمان محدود میسر می سازد. به این وسیله می توانیم دقت خوبی برای اندازه گیری آماری داشته باشیم.

در زیست شناسی از لیزر برای ایجاد تغییر برگشت ناپذیر در ملکولهای زنده و یا اجزای تشکیل دهنده سلول هم استفاده می شود. به ویژه تکنیک های معروف به ریز – باریکه را ذکر می کنیم. در اینجا نور لیزر ( مثلا یک لیزر Ar+ تپی ) به وسیله یک عدسی شیئی میکروسکوپ مناسب در ناحیه ای از سلول با قطری در حدود طول موج لیزر (۰۵ µm) کانونی می شود منظور اصلی از این تکنیک مطالعه رفتار سلول پس از آسیبی است که با لیزر در ناحیه خاصی از آن ایجاد شده است.

در زمینه پزشکی بیشترین کاربرد لیزرها در جراحی است ( جراحی لیزری) اما در بعضی موارد لیزر برای تشخیص نیز به کار می رود. ( استفاده بالینی از میکروفلوئورمتر جریان – سرعت سنجی دوپلری برای اندازه گیری سرعت خون – فلوئورسان لیزری – آندوسکوپی نای برای آشکارسازی تومورهای ریوی در مراحل اولیه

در جراحی از باریکه کانونی شده لیزر ( اغلب لیزر CO2 ) به جای چاقوی جراحی معمولی ( یا برقی ) استفاده می شود. باریکه فروسرخ لیزر CO2 به شدت به وسیله ملکولهای آب موجود در بافت جذب می شود و موجب تبخیر سریع این ملکولها و در نتیجه برش بافت می شود. برتریهای اصلی چاقوی لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :

الف) دقت بسیار زیاد به ویژه هنگامی که باریکه با یک میکروسکوپ مناسب هدایت شود ( جراحی لیزر)

ب) امکان عمل در نواحی غیر قابل دسترس.. بنابراین عملا هر ناحیه از بدن را که با یک دستگاه نوری مناسب ( مثلا عدسی ها و آینه ها) قابل مشاهده باشد می توان به وسیله لیزر جراحی کرد.

ج) کاهش فوق العاده خونروی در اثر برش رگهای خونی به وسیله باریکه لیزر ( قطر رگی حدود ۰/۵ mm )

د) آسیب رسانی خیلی کم به بافتهای مجاور ( حدود چند میکرومتر) اما در مقابل این برتریها باید اشکالات زیر را هم در نظر داشت :

الف) هزینه زیاد و پیچیدگی دستگاه جراحی لیزری

ب) سرعت کمتر چاقوی لیزری

ج) مشکلات قابلیت اعتماد و ایمنی مربوط به چاقوی لیزری

با این اشاره اجمالی به جراحی لیزری اکنون می خواهیم به شرح مفصلتری از تعدادی از این کاربردها بپردازیم . در چشم بیماران مبتلا به مرض قند استفاده شده است در این مورد باریکه لیزر به وسیله عدسی چشم بر روی شبکیه کانونی می شود. پرتو سبز لیزر به شدت به وسیله گلبول های سرخ جذب می شود و اثر حرارتی حاصل باعث اتصال دوباره شبکیه یا انعقاد رگهای آن می شود. اکنون لیزر استفاده روزافزونی در گوش و حلق و بینی پیدا کرده است. استفاده از لیزر در این شاخه از جراحی جذابیت خاصی دارد. زیرا با اعضایی مانند نای – حلق و گوش میانی سروکار دارد که به علت عدم دسترسی به آن ها جراحی معمولی مشکل است. اغلب در این مورد لیزر همراه با یک میکروسکوپ استفاده می شود. همچنین لیزر برای جراحی داخل دهان نیز مفید است ( برای برداشتن غده های مخاطی ). امتیازات اصلی در اینجا جلوگیری از خونریزی و فقدان لختگی خون و درد پس از عمل جراحی و بهبود سریع بیمار است. لیزر همچنین اهمیت خود را در بهبود خونریزیهای سنگین در جهاز هاضمه ثابت کرده است. در این حالت باریکه لیزر ( معمولا لیزر نئودمیوم یا آرگون یونی ) به وسیله یک تار نوری مخصوص که در داخل یک آندوسکوپی داخلی قرار گرفته است پرتو لیزر را به ناحیه مورد معالجه هدایت می کند. لیزر همچنین در بیماری زنان مفید است درحالی که اغلب به همراه یک میکروسکوپ استفاده می شود. کاهش قابل ملاحظه درد و لخته شدن خون ارزش مجدد چاقوی لیزری را بیان می کند. در پوست درمانی اغلب از لیزر برای برداشتن خالها و معالجه امراض رگها استفاده می شود. بالاخزه استفاده از لیزرها در جراحی عمومی و جراحی غده امیدوار کننده است.

ارتباط نوری

استفاده از باریکه لیزر برای ارتباط در جو به خاطر دو مزیت مهم اشتیاق زیادی برانگیخت :

الف) اولین علت دسترسی به پهنای نوار نوسانی بزرگ لیزر است. زیرا مقدار اطلاعات قابل انتقال روی یک موج حامل متناسب با پهنای نوار آن است. فرکانس موج حامل از ناحیه میکروموج بخ ناحیه نور مرئی به اندازه ۱۰۴ برابر افزایش می یابد و در نتیجه امکان استفاده از یک پهنای بزرگتر را به ما می دهد.

ب) علت دوم طول موج کوتاه تابش است. چون طول موج لیزر نوعا حدود ۱۰۴ مرتبه کوچکتر از امواج میکرو موج است با قطر روزنه یکسان D واگرایی امواج نوری به اندازه ۱۰۴ مرتبه نسبت به واگرایی امواج میکرو موج کوچکتر است. بنابراین برای دستیابی به این واگرایی آنتن یک سیستم اپتیکی می تواند به مراتب کوچکتر باشد. اما این دو امتیاز مهم با این واقعیت خنثی می شوند که باریکه نوری تحت شرایط دید ضعیف در جو به شدت تضعیف می شود. در نتیجه استفاده از لیزرها در ارتباطات فضای باز ( هدایت نشده ) فقط در مورد این موارد توسعه یافته اند :

الف) ارتباطات فضایی بین دو ماهواره و یا بین یک ماهواره و یک ایستگاه زمینی که در یک شرایط جوی مطلوب قرار گرفته است. لیزرهایی که در این مورد استفاده می شوند عبارتند از :

Nd:YAG ( با آهنگ انتقال ۱۰۹ بیت در ثانیه ) و یا CO2 با آهنگ انتقال ۳*۱۰۸ بیت در ثانیه ). گرچه CO2 نسبت به Nd: YAG دارای بازدهی بالاتری است و لی دارای این اشکال است که نیاز به سیستم آشکارسازی پیچیده تری دارد و طول موج آن هم به اندازه ۱۰ مرتبه بزرگتر از طول موج Nd : YAG است.

ب) ارتباطات بین دو نقطه در یک مسافت کوتاه مثلا انتقال اطلاعات درون یک ساختمان. برای این منظور از لیزرهای نیمرسانا استفاده می شود.

اما زمینه اصلی مورد توجه در ارتباطات نوری مبتنی بر انتقال از طریق تارهای نوری است. انتقال هدایت شده نور در تارهای نوری پدیده ای است که از سالها پیش شناخته شده است اما تارهای نوری اولیه فقط در مسافت های خیلی کوتاه مورد استفاده قرار می گرفتند مثلا کاربرد متعارف آن ها در وسایل پزشکی برای اندوسکوپی است. بنابراین در اواخر سال ۱۹۶۰ تضعیف در بهترین شیشه های نوری در حدود ۱۰۰۰ دسی بل بر کیلومتر بود. از آن زمان پیشرفت تکنیکی شیشه و کوارتز باعث تغییر شگفت انگیز در این عدد شده است به طوری که این تضعیف برای کوارتز به ۵/۰ دسی بل بر کیلومتر رسیده است. این تضعیف فوق العاده کوچک آینده مهمی را برای کاربرد تارهای نوری در ارتباطات راه دور نوید می دهد سیستم ارتباطات تارهای نوری نوعا شامل یک چشمه نور یک جفت کننده نوری مناسب برای تزریق نور به تارها و درانتها یک فوتودیود است که باز هم به تار متصل شده است. تکرار کننده شامل یک گیرنده و یک گسیلنده جدید است. چشمه نور سیستم اغلب لیزرهای نیمرسانای نا هم پیوندی دوگانه است. اخیرا طول عمر این لیزرها تا حدود ۱۰۶ ساعت رسیده است. گرچه تا کنون اغلب از لیزر گالیم ارسنید GaAs استفاده شده است ولی روش بهتر استفاده از لیزرهای نا هم پیوندی است که در آنها لایه فعال ترکیبی از آلیاژ چهارگانه به صورت In1-x Gax Asy P1-y است. در این حالت لبه های P ,n پیوندگاه از ترکیب دوگانه InP تشکیل شده است و با استفاده از ترکیب y=2v2x می توان ترتیبی داد که چهار آلیاژ چهارگانه شبکه ای که با InP جور شود با انتخاب صحیح x طول موج تابش را طوری تنظیم کرد که در اطراف µm 3/1 و یا اطراف ۶/۱ µm واقع شود که به ترتیب مربوط به دو مینیموم جذب در تار کوارتز هستند. بسته به قطر d هسته مرکزی تار ممکن است از نوع تک مدباشد برای آهنگ انتقال متداول فعلی حدود ۵۰ مگابیت در ثانیه معمولا از تارهای چند مدی استفاده می شود. برای آهنگ انتقال های بیشتر تارهای تک مدی مناسبتر به نظر می رسند. گیرنده معمولا یک فوتودیود بهمنی است اگر چه ممکن است از یک دیود PIN و یک دیود تقویت کننده حالت جامد مناسب نیز استفاده کرد.

اندازه گیری و بازرسی

خصوصیات جهتمندی درخشایی و تکفامی لیزر باعث کاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی کنترل ابزار ماشینی شده است. در این بخش تعیین فاصله بین دو نقطه و بررسی آلودگی را نیز مد نظر قرار می دهیم

یکی از معمولترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور کردن است. برای اینکه یک خط مرجع مستقیم برای هم محور کردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پلها و یا تونلها داشته باشیم استفاده از جهتمندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند کلیماتور و تلسکوپ را گرفته است. معمولا از یک لیزر هلیم – نئون با توان کم استفاده می شود و هم محور کردن عموما به کمک آشکارسازهای حالت جامد به شکل ربع دایره ای انجام می شود. محل برخورد باریکه لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یک اندازه گیری الکتریکی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست. در عمل دقت ردیف شدن از حدود ۵µm تا حدود ۲۵µm به دست آمده است.

از لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد

برای مسافتهای کوتاه تا ۵۰ متر روشهای تداخل سنجی به کار گرفته می شوند که در آن ها از یک لیزر هلیم – نئون پایدار شده فرکانسی به عنوان منبع نور استفاده می شود. برای مسافتهای متوسط تا حدود ۱ کیلومتر روشهای تله متری شامل مدوله سازی دامنه به کار گرفته می شود. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را که از لیزر گسیل شده است و از جسمی بازتابیده می شود اندازه گیری کرد.

در اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایکلسون استفاده می شود. باریکه لیزر به وسیله یک تقسیم کننده نور به یک باریکه اندازه گیری و یک باریکه مرجع تقسیم می شود باریکه مرجع با یک آینه ثابت بازتابیده می شود در حالی که باریکه اندازه گیری از آینه ای که به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می کند. سپس دو باریکه بازتابیده مجددا با یکدیگر ترکیب می شوند به طوری که با هم تداخل می کنند و دامنه ترکیبی آن ها با یک آشکار ساز اندازه گیری می شود. هنگامی که محل جسم در جهت باریکه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر کند سیگنال تداخل از یک ماکزیموم به یک مینیموم می رسد و سپس دوباره ماکزیموم می شود. بنابراین یک سیستم الکترونیکی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولا در کارگاههای ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و امکان اندازه گیری طول با دقت یک در میلیون را می دهد. باید یادآوری کرد که در این روش فقط می توان فاصله را نسبت به یک مبدا اندازه گیری کرد. برتری این روش در سرعت دقت و انطباق با سیستم های کنترل خودکار است.

برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریکه لیزر مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریکه گسیل شده و بازتابیده معین می شود. باز هم دقت یک در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه کشی استفاده می شود. برای فواصل طولانی تر از ۱ کیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یک تپ کوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2 انجام می گیرد. این کاربردها اغلب اهمیت نظامی دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد کاربردهای غیر نظامی مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود ۲۰ سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذکر است.

درجه بالای تکفامی لیزر امکان استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت مایعات و جامدات به روش سرعت سنجی دوپلری فراهم می سازد. در مورد مایعات می توان باریکه لیزر را به مایع تابانده و سپس نور پراکنده شده از آن را بررسی کرد. چون مایع روان است فرکانس نور پراکنده شده به خاطر اثر دوپلر کمی با فرکانس نور فرودی تفاوت دارد. این تغییر فرکانس متناسب با سرعت مایع است. بنابراین با مشاهده سیگنال زنش بین دو پرتو نور پراکنده شده و نور فرودی در یک آشکار ساز می توان سرعت مایع را اندازه گیری بدون تماس انجام می شود. و نیز به خاطر تکفامی بالای نور لیزر برای برد وسیعی از سرعتها خیلی دقیق است.

یکی از سرعت سنجهای خاص لیزر اندازه گیری سرعت زاویه ای است. وسیله ای که برای این منظور طراحی شده است ژیروسکوپ لیزرینامیده می شود و شامل لیزری است که کاواک آن به شکل حلقه ای است که از سه آینه به جای دو آینه معمول استفاده می شود. این لیزر می تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامین کند. فرکانسهای تشدیدی مربوط به هر دو جهت انتشار را می توان با استفاده از این شرط که طول تشدید کننده ( حلقه ای ) برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زمانی که لازم است نور یک دور کامل بزند زاویه آینه های تشدید کننده به اندازه یک مقدار خیلی کوچک ولی محدود حرکت خواهد کرد. طول موثر برای باریکه ای در همان جهت چرخش تشدید کننده می چرخد کمی بیشتر از باریکه ای است که در جهت عکس می چرخد. در نتیجه فرکانس های دو باریکه ای که در خلاف جهت یکدیگر می چرخند کمی تفاوت دارد و اختلاف این فرکانسهای متناسب با سرعت زاویه ای تشدید کننده است . با ایجاد تپش بین دو باریکه می توان سرعت زاویه ای را اندازه گیری کرد. ژیروسکوپ لیزری امکان اندازه گیری با دقتی را فراهم می کند که قابل مقایسه با دقت پیچیده ترین و گرانترین ژیروسکوپ های معمولی است.

کاربرد مصرفی دیگر و یا به عبارت بهتر کاربرد مصرفی واقعی عبارت از دیسک ویدئویی و دیسک صوتی است. یک دیسک ویدئو حامل یک برنامه ویدئویی ضبط شده است که می توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسک ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یک سابنده روی آن ضبط می کنند که این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یک روش معمول ضبط شامل برشهای شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها ۴/۱ طول موج لیزری است که از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریکه لیزر طوری کانونی می شود که فقط بر روی یک شیار بیفتد. هنگامی که شیار در مسیر لکه باریکه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن کاهش پیدا می کند. به عکس نبودن شیار باعث یک بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط کرد.

کاربرد دیگر لیزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوری در کامپیوترهاست لطف ای حافظه نوری هم در توان دسترسی به چگالی اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تکنیک ضبط عبارت است از ایجاد سوراخ های کوچکی در یک ماده مات یا نوعی تغییر خصوصیت عبور و بازتاب ماده زیر لایه که با استفاده از لیزرهای با توان کافی حاصل می شود. و حتی می تواند فیلم عکاسی باشد. اما هیچ یک از این زیر لایه ها را نمی توان پاک کرد. حلقه های قابل پاک کردن بر اساس گرما مغناطیسی فروالکتریک و فوتوکرومیک ساخته شده اند. همچنین حافظه های نوری با استفاده از تکنیک تمام نگاری نیز طراحی شده اند. نتیجتا اگر چه از لحاظ فنی امکان ساخت حافظه های نوری به وجود آمده است ولی ارزش اقتصادی آن ها هنوز جای بحث دارد.

آخرین کاربردی که در این بخش اشاره می کنیم گرافیک لیزری است. در این تکنیک ابتدا باریکه لیزر بوسیله یک سیستم مناسب روبشگر بر روی یک صفحه حساس به نور کانونی می شود و در حالی که شدت لیزر به طور همزمان با روبش از نظر دامنه مدوله می شود به طوری که بتوان آن را بوسیله کامپیوتر تولید کرد.( مانند سیستم های چاپ کامپیوتری بدون تماس ) و یا آنها را به صورت سیگنال الکتریکی از یک ایستگاه دور دریافت کرد( مانند پست تصویری). در مورد اخیر می توان سیگنال را به وسیله یک یک سیستم خواننده مناسب با کمک لیزر تولید کرد. وسیله خواندن در ایستگاه دور شامل لیزر با توان کم است که باریکه کانونی شده آن صفحه ای راکه باید خوانده شود می روبد. یک آشکارساز نوری باریکه پراکنده از نواحی تاریک و روشن روی صفحه را کنترل می کند و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. سیستم های لیزری رونوشت اکنون به طور وسیعی توسط بسیاری از ناشران روزنامه ها برای انتقال رونوشت صفحات روزنامه به کار برده می شود.

کاربردهای نظامی

کاربردهای نظامی لیزر همیشه عمده ترین کاربردهای آن بوده است . فعلا مهمتریم کاربردهای نظامی لیزر عبارت اند از: الف) فاصله یا بهای لیزری ب) علامت گذارهای لیزری ج) سلاح های هدایت انرژی

فاصله یاب لیزری مبتنی بر همان اصولی است که در رادارهای معمولی از آن ها استفاده می شود. یک تپ کوتاه لیزری ( معمولا با زمان ۱۰ تا ۲۰ نانوثانیه) به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراکنده برگشتی بوسیله یک دریافت کننده مناسب نوری که شامل آشکارساز نوری است ثبت می شود. فاصله مورد نظر با اندازه گیری زمان پرواز این تپ لیزری به دست می اید. مزایای اصلی فاصله یاب لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه کرد :

الف) وزن – قیمت و پیچیدگی آن به مراتب کمتر از رادارهای معمولی است.

ب) توانایی اندازه گیری فاصله حتی برای هنگامی که هدف در حال پرواز در ارتفاع بسیار کمی از سطح زمین و یا دریا باشد.

اشکال عمده این نوع رادار در این است که باریکه لیزر در شرایط نامناسب رویت به شدت در جو تضعیف می شود. فعلا چند نوع از فاصله یابهای لیزری با بردهای تا حدود ۱۵ کیلومتر مورد استفاده اند :

الف) فاصله یاب های دستی برای استفاده سرباز پیاده ( یکی از آخرین مدل های آن در آمریکا ساخته شده که در جیب جا می گیرد و وزن آن با باتری حدود ۵۰۰ گرم است.

ب) سیستم های فاصله یاب برای استفاده در تانکها

ج) سیستم های فاصله یاب مناسب برای دفاع ضد هوایی

اولین لیزرهای که در فاصله یابی از آن ها استفاده شد لیزرهای یاقوتی با سوئیچ Q بودند. امروزه فاصله یابهای لیزری اغلب بر اساس لیزرهای نئودمیم با سوئیچ Q طراحی شده اند. گرچه لیزرهای CO2 نوع TEA در بعضی موارد ( مثل فاصله یاب تانک ها ) جایگزین جالبی برای لیزرهای نئودمیم است.

دومین کاربرد نظامی لیزر در علامت گذاری است. اساس کار علامت گذاری لیزری خیلی ساده است : لیزری که در یک مکان سوق الجیشی قرار گرفته است هدف را روشن می سازد به خاطر روشنایی شدید نور هنگامی که هدف به وسیله یک صافی نوری با نوار باریک مشاهده شود به صورت یک نقطه روشن به نظر خواهد رسید. سلاح که ممکن است بمب – موشک – و یا اسلحه منفجر شونده دیگری باشد بوسیله یک سیستم احساسگر مناسب مجهز شده است. در ساده ترین شکل این احساسگر می تواند یک عدسی باشد که تصویر هدف را به یک آشکارساز نوری ربع دایره ای که سیستم فرمان حرکت سلاح را کنترل می کند انتقال می دهد و بنابراین می تواند آن را به سمت هدف هدایت کند. به این ترتیب هدف گیری با دقت بسیار زیاد امکان پذیر است. ( دقت هدف گیری حدود ۱ متر از یک فاصله ۱۰ کیلومتری ممکن به نظر می رسد.) معمولا لیزر از نوع Nd: YAG است. در حالی که لیزرهای CO2 به خاطر پیچیدگی آشکارسازهای نوری ( که مستلزم استفاده در دماهای سرمازایی است) نامناسب اند. علامت گذاری ممکن است از هواپیما – هلیکوپتر و یا از زمین انجام شود. ( مثلا با استفاده از یک علامت گذار دستی ). اکنون کوشش قابل ملاحظه ای هم در آمریکا و هم در روسیه برای ساخت لیزرهایی که به عنوان سلاحههای هدایت انرژی به کار می روند اختصاص یافته است. در مورد سیستم های قوی لیزری مورد نظر با توان احتمالا در حدود مگا وات ( حداقل برای چند ده ثانیه ) یک سیستم نوری باریکه لیزر را به هدف ( هواپیما – ماهواره یا موشک ) هدایت می کند تا خسارت غیر قابل جبرانی به وسایل احساسگر آن وارد کند و یا اینکه چنان آسیبی به سطح آن وارد کند که نهایتا در اثر تنش های پروازی دچار صدمه شود سیستم های لیزر مستقر در زمین به خاطر اثر معروف به شوفایی گرمایی که در جو اتفاق می افتد فعلا چندان عملی به نظر نمی رسند. جو زمین توسط باریکه لیزر گرم می شود و این باعث می شود که جو مانند یک عدسی منفی باریکه را واگرا سازد با قرار دادن لیزر در هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع بالا و یا در یک سفینه فضایی می توان از این مساله اجتناب ورزید. اطالعات موجود در این زمینه ها به علت سری بودن آن ها اغلب ناقص و پراکنده اند. اما به نظر می رسد که این سیستم ها کلا شامل باریکه هایی پیوسته با توان ۵ تا ۱۰ مگا وات (برای چند ثانیه ) با یک وسیله هدایت اپتیکی به قطر ۵ تا ۱۰ متر باشند مناسب ترین لیزرها برای اینگونه کاربرد ها احتمالا لیزرهای شیمیایی اند ( DF یا HF) . لیزرهای شیمیایی به ویژه برای سیستم های مستقر در فضا جالب اند زیرا توسط آن ها می توان انرژی لازم را به صورت انرژی ذخیره فشرده به شکل انرژی شیمیایی ترکیب های مناسب تامین کرد.

تمام نگاری

تمام نگاری ( هولوگرافی http://www.holographer.org/ ) یک تکنیک انقلابی است که عکسبرداری سه بعدی (یعنی کامل ) از یک جسم و یا یک صحنه را ممکن می کند. این تکنیک در سال ۱۹۴۸ توسط گابور ابداع شد ( در آن زمان به منظور بهتر کرده توان تفکیک میکروسکوپ الکترونی پیشنهاد شد) و به صورت یک پیشنهاد عملی در آمدو اما قابلیت واقعی این تکنیک پس از اختراع لیزر نشان داده شد.

اساس تمام نگاری به این صورت است که باریکه لیزر بوسیله آینه که قسمتی از نور را عبور می دهد به دو باریکه ( بازتابیده و عبوری) تقسیم می شوند. باریکه بازتابیده مستقیما به صفحه حساس به نور برخورد می کند در حالی که باریکه عبوری جسمی را که باید تمام نگاری شود روشن می کند. به این ترتیب قسمتی از نوری که از جسم پراکنده شده هم روی صفحه حساس ( فیلم ) می افتد. به علت همدوس بودن باریکه ها یک نقش تداخلی از ترکیب دو باریکه روی صفحه تشکیل می شود حالا اگر این فیلم ظاهر شود و تحت بزرگنمایی کافی بررسی شود می توان این فریزهای تداخلی را مشاهده کرد. فاصله بین دو فریز تاریک متوالی معمولا حدود ۱ میکرومتر است. این نقش تداخلی پیچیده است و هنگامی که صفحه را به وسیله چشم بررسی می کنیم به نظر نمی رسد که حامل تصویر مشابه با جسم اولیه باشد اما این فریزهای تداخلی در واقع حامل ضبط کاملی از جسم اولیه است.

حال فرض کنید که صفحه ظاهر شده را دوباره به محلی که در معرض نور قرار داشت بازگردانیم و جسم تحت مطالعه را برداربم باریکه بازتابیده اکنون با فریزهای روی صفحه برهمکنش می کنند و دوباره در پشت صفحه یک باریکه پراشیده ایجاد می کندبنابراین ناظری که به صفحه نگاه می کند جسم را در پشت صفحه می بیند طوری که انگار هنوز هم جسم در آنجاست.

یکی از جالبترین خصوصیات تمام نگاری این است که جسم بازسازی شده رفتار سه بعدی نشان می دهد بنابراین با حرکت دادن چشم از محل تماشا می توان طرف دیگر جسم را مشاهده کرد. توجه کنید که برای ضبط تمام نگار باید سه شرط اصلی را براورد: الف) درجه همدوسی نور لیزر باید به اندازه کافی باشد تا فریزهای تداخلی در روی صفحه تشکیل شود. ب) وضعیت نسبی جسم – صفحه و باریکه لیزر نباید در هنگام تاباندن نور به صفحه که حدود چند ثانیه طول می شکد تغییر کند در واقع تغییر محل نسبی باید کمتر از نصف طول موج لیزر باشد تا از درهم شدن نقش تداخلی جلوگیری کند. ج) قدرت تفکیک صفحه عکاسی باید به اندازه کافی زیاد باشد تا بتواند فریزهای تداخلی را ضبط کند.

تمام نگاری به عنوان یک تکنیک ضبط و بازسازی تصویر سه بعدی بیشترین موفقیت را تاکنون در کاربردهای هنری داشته است تا در کاربردهای علمی . اما بر اساس تمام نگاری از یک تکنیک تداخل سنجی تمام نگاشتی در کاربردهای علمی به عنوان وسیله ای برای ضبط و اندازه گیری واکنشها و ارتعاشات اجسام سه بعدی استفاده شده است

آشنایی با لیزر و تاریخچه آن

حتماً تا کنون درباره (DVD) یا CD و یا جراحی چشم با لیزر و غیره چیزهایی شنیده اید، و حتماً این بزرگترین اختراع علوم را تا کنون به عناوین مختلف استفاده کرده اید؛ بدون آنکه از خودتان سؤال کرده باشید که مخترع لیزر چه کسی بوده است. آیا میدانید که مخترع لیزر یک ایرانی بوده است؟ اولین نوع لیزر؛ لیزر گازی بود (که در سیستم درمانی و صنایع بطور گسترده بکار برده می شود)، که توسط آقای علی جوان متخصص فیزیک اختراع شد.

لیزر – یک امکان در سال ۱۹۳۰

در دنیای علمی و علوم، این مثل همیشه گفته می شود که وقتی که زمان برای یک اختراع یا یک کشف درست شده و شما آنرا انجام ندهید، کس دیگری انجام خواهد داد. این مثل تا حد زیادی حقیقت دارد. اما همیشه اینطور نیست. بعضی وقتها آدمها یک فکر خوب را از دست میدهند.

وقتی که نوبت برسد به لیزر، لیزر گازی، میتوانست در سال ۱۹۳۰ اختراع شده باشد، نه پس از سی سال در سال ۱۹۶۰ که من آنرا اختراع کردم. اگر شما به تاریخ علمی نگاه کرده باشید، مخصوصاً به فیزیکدانان اروپایی، آنها به اختراع لیزر در سالهای ۱۹۳۷ و ۱۹۳۸ خیلی نزدیک شده بودند. دانشمندان در حال مطالعه بر روی اتمها بودند، که چگونه امواج نوری را بیرون بدهند (تقویت نور در گازها به وسیله گسیل القائی پرتوافکنی)، و آنها به اختراع لیزر خیلی نزدیک شده بودند. از نوشتجات آنها شما میتوانید ببینید که آنها به راه درست رفته بودند، اما بعداً راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند. اگر من در همان سالها بودم مطمعناً آنرا اختراع میکردم. مبالغه نمیکنم و میدانم که آنرا انجام میدادم.

من میدانم که این دانشمندان چرا آنرا از دست دادند؛ آنها عمیقاً درگیر با دارایی های موضوع در تعادل گرمایی بودند. با این وجود در لیزها، اتم ها باید در یک حالت تعادل غیر گرمایی باشند؛ که این قدری پیچیده می شود و از حوصله این بحث خارج است. البته تمام آنها اکنون تمام شده است، ولی آن دانشمندان پیشروان این راه بوده اند.

لیزر و جنگ جهانی دوم

ما فقط میتوانیم فکر کنیم که اگر این تکنولوژی (لیزر) در زمان جنگ جهانی دوم وجود داشت، چگونه بکار برده می شد. امروزه لیزر در مقطع دفاعی خیلی استفاده دارد. پس بنابراین در آنموقع، مشکل است که گفته شود چه اتفاقی ممکن است افتاده باشد، مخصوصاً آنکه در آنموقع تکنولوژی امروزه را دارا نبوده اند. بدون هیچگونه شبهه، اگر لیزر در ۶۵ سال پیش اختراع شده بود نه در ۳۵ سال پیش، کاربردهای آن نسبت به حالا بسیار گسترش یافته بود.

علم همیشه در گذشته به توسعه کارها در آینده کمک کرده است. وقتی که نیوتون قانون جاذبه را کشف کرد، این را گفت که “او بر شانه های غولها ایستاده و دورترها را دیده بود”. همیشه یک پایه ای برای دانش ما وجود داشته است که توسط گذشتگان بوجود آمده است.

لیزر نتیجه شناخت ما از طبیعت اتم ها است؛ مخصوصاً طبیعت موجی اتمها. اتم ها امواج هستند، و طبیعت ذره ای آنها خاصیت امواج خودشان است. ما طبیعت اتم ها را کشف کرده ایم و آنها چیزی اند که بوسیله ساتع شدن نور بیرون میدهند. در سال ۱۹۲۰ ساختار اتمها تا کوچکترین جزء، شناخته شده بود.  کتابهایی در این رابطه نوشته شده بود. در آنزمان بزرگانی مانند Bohr، Schrodinger، و انشتین و دیگران بودند که این اکتشافات را دنبال و پیگیری میکردند.

مشکل است که شما با دقت بخواهید بگویید که در چه موقع یک نظر خلاق ظهور کرده است. من تصور میکنم که نقطه آغازی در ابتدای این خط بوده است، اما چه کسی میداند. شما در لحظه ای همه چیز را درباره اختراعتان می شناسید؛ با وجود اینکه شما از انجام آن آگاه و باخبر نیستید و نمیدانید که در حال انجام آن هستید. و سپس بطور ناگهانی همه چیز درست از آب درآید و شما آن کشف را درست انجام داده باشید.

موقعی که من نظریه ام را در رابطه با لیزر گازی دادم، بعضی از قسمتهای آنرا، اگر تما آن را نه، بر اساس گرفتاری من در کارهایی بود که مشغول انجام آن بودم. اما من میدانستم که بالاخره این لیزه گازی را میتوانم اختراع کنم در غیر اینصورت اصلاً دنبال آن کار را نمیگرفتم.

کسانی که از همان ابتدا نظر من را میدانستند، خیلی به آن بدبین بودند. حتی آنهایی که در تیم من بودند و با من کار میکرند، در این رابطه شک داشتند. من این شک را در بسیاری از آنها دیده ام. حتی فیزیکدانان خوب هم بعضی از وقتها در عقاید خودشان نامطمئن هستند، و آنها با تردید منزلزل می شوند.

 علی جوان، ویلیام بنت و دونالد هریوت دستگاه لیزر هلیوم روشنایی را میزان می کنند، برای لیزر اول یک پرتوی نور پیوسته در ۱/۱۵ میکرون تولید میکند و بعداً شروع به پمپ کردن و تخلیه لیزرهای گازی می کنند.

یادم می آید موقعی که با یکی از شاگردانم بر روی این لیزر گازی در حال کار کردن بودیم، و آن وقتی که برای آزمایش نهایی آماده شده بود، من بشوخی رو به آن کرده و گفتم “هی، اگر من سویچ را بزنم و هیچ اتفاقی بوجود نیاید، چه!”، ناگهان صورت آن سفید شده و آثار ترس در آن هویدا گردید. من شروع به خنده کردم، و گفتم “نه، نه. حتماً کار میکند”. من این را بخاطر اطمینان او بیان کردم. سپس کلید را زدیم و همه چیز بخوبی انجام گرفت. اما این اغلب برای کسانی که در حال کشف و اختراع چیزی هستند اتفاق می افتد. آنها نامطمئن و مضطربند، حتی وقتی که هیچ چیزی برای ترسیدن و اضطراب وجود ندارد.

البته بعضی وقتها آزمایشات بزرگی هستند که ما درباره آنها صحبت میکردیم، و بعضی وقتها جای تردید وجود داشته است، بخاطر آنکه پایه علمی دانسته نیست. به عنوان یک دانشمند شما مجبور هستید که نظرات خود را آزمایش کنید و آنها را انجام دهید، حتی اگر شما دقیقاً ندانید که نتیجه چه خواهد بود. اما شما بهتر است که مطماً شوید که جواب بدست آمده حتماً شما را به راهی که دنبال میکنید نزدیک کند.

اما تنها چیزی که برای من مهم بود این بود که این لیزر گازی حتماً کار بکند. قبل از شروع هر گونه اقدامی و بکار گیری تیمی که بتواند در این اقدام من را یاری دهد، باید حتماً مطمعاً میشدم که پروژه کار می کند.

در آن موقع، من تازه به گروهی که در حال تحقیق در لابراتوار تلفن بل در هیل موری نیوجرسی بودند ملحق شدم؛ و در آنجا آنها را متقاعد کردم که دستهای من را در راه این کار باز گذارند که من بتوانم هر گونه آزمایشی که لازم است در رابطه با این لیزر گازی انجام دهم.

درست در همان زمان دو محقق دیگر آقایان چارلز اچ. تاونس و آرتور ال. شاولو راهی دیگر را برای دست یابی به لیزر پیشنهاد کردند. در واقع نظریه آنها مبنی بر این اساس بود که، ما اکنون آنرا بعنوان (پمپ کردن لیزرهای نوری) می شناسیم، نور لیزرها را با توسط مکش با یک منبع نور زیاد استخراج کرد.

نظریه من تماماً با آنها متفاوت بود. من در این راه از جریانات برقی استفاده کردم (نه یک منبع نور زیاد)، که انرژی الکتریکی را تبدیل می کند به نور لیزری، که همگان حالا آنرا به نام “لیزر گازی” می شناسند. این دو اختراع “پمپ کردن لیزرهای نوری” و “لیزر گازی” بطور کلی با همدیگر تفاوت زیادی دارند و برای مقاصد تماماً متفاوت بکار گرفته می شوند.

لیزر گازی هلیوم – شبیه روشنایی نئون

برای دلایل شدیداً فنی برای اولین مرتبه که میخواستم بر روی نظریه لیزر امتحان کنم، از دو گاز بی اثر هلیم و نئون استفاده کردم. و برای شما توضیح میدهم که چگونه کار می کند. داخل دستگاه لیزر، دو الکترود جریان برق را بصورت ملایم از میان گاز می فرستند و یک فعل و انفعالاتی در این رابطه انجام میگیرد. انرژی الکتریکی به عنوان یک انرژی درونی ذخیره، بصورت فعال در اتم های هلیم است، پس بنابراین خود را به اتم های شبیه روشنایی هلیم انتقال داده و سپس تغییر یافته و به یک نور لیزر تبدیل می شود. این اختراع من دو سال بطول انجامید و شرکت بل مبلغ دو میلیون دلار بر روی آن سرمایه گذاری کرد.

من نظریه ام را در جون سال ۱۹۵۹ در مجله “بررسی نامه های فیزیک” مطرح کردم و آن زمانی بود که من واقعاً درگیر در انجام آن نظریه بودم. قبلاً من یک تیم گرد آورده بودم و مشغول آزمایش و اندازه گیری بر روی پارامترهای گرداننده در ترکیب گازی بودیم. واقعی مهمی که در ماه فوریه و مارچ ۱۹۶۰ اتفاق افتاد، این بود که تیم ما موفق شد که آن نظریه ای را که در سال ۱۹۵۹ داده بودم با موفقیت به انجام برساند. اما چند ماه دیگر وقت لازم بود که یک دستگاه لیزر کاری که نور لیزر را از اتم ها میتوانست استخراج کند ساخته شود. من زمان را طوری تقسیم بندی کرده بودم که بتوانم این کار را قبل از کریسمس انجام دهم.  و آن واقعه درست طبق برنامه در روز ۱۲ دسامبر سال ۱۹۶۰ اتفاق افتاد. این برای اولین بار در تاریخ علم بود که نور لیزر از یک دستگاه لیزر گازی سرچشمه گرفته بود. من دقیقاً وقتی را که به ساعت مچی ام نگاه کردم بیاد می آورم. ساعت دقیقاً ۴ و بیست دقیقه بعدازظهر بود؛ و برف سنگینی در آن روز شروع به باریدن کرده بود.

موقعی که ما لیزر گازی را اختراع کردیم میدانستیم که این روش میتواند در ارتباطات تلفنی هم مورد استفاده قرار بگیرد. در واقع ما آنرا همان روز بعد امتحان کردیم. روزی که ما موفق به ساخت لیزر گازی شدیم من تا دیر وقت در آزمایشگاه بودم و نزدیکی های صبح به خانه مراجعت کردم. آن برای من معمولی بود. روز بعد موقعی که نزدیکیهای ظهر از خواب بیدار شدم به آزمایشگاه تلفن کردم. یکی از اعضای تیم وقتی که گوشی را برداشت از من خواهش کرد که چند لحظه ای گوشی را نگه دارم. لحظه ای بعد من صدایی را شنیدم، چیزی شبیه به ماشین، که به من میگفت که این لیزر گازی است که دارد با من سخن می گوید. این صدای آقای بلیک بود، که اکنون پروفسور در دانشگاه McAlaster در کانادا می باشد. برای تمام ما باور نکردنی بود. این اولین بار در تاریخ بود که یک مکالمه تلفنی به وسیله یک لیزر نوری انجام می شد. تاریخ دقیق آن روز سیزدهم دسامبر ۱۹۶۰ بود.

حال بعد از ۳۵ سال، در صنایع ارتباطات از fiber optics استفاده می شود که دهها هزار مرتبه از تکنولوژی مایکروویو قوی تر است. ارتباطات لیزی همچنان در حال گسترش و بزرگتر شدن است و از آن در شاهراه های اینترنتی استفاده بسیار می شود.

معمولاً در دانشگاهها، مخصوصاً در دانشگاه علوم، رسم بر این است که اگر اکتشافی و اختراعی بخواهد صورت بگیرد اول آنرا در مجله علمی عنوان می کنند و بعداً آنرا در رسانه های خبری مطرح می کنند. در تاریخ ۳۰ ژانویه سال ۱۹۶۱ من نامه ای برای “مرور کردن نامه های فیزیک” نوشتم که اکنون آنرا به نام یک نامه تاریخی می شناسند؛ و در آن خبر موفقیتمان را دادم. آن نامه بوسیله دو نفر دیگر به نامهای ویلیام بنت و دن هریوت از اعضای تیم هم امضا شده بود.

یکروز پس از انتشار نامه ما، یک کنفرانس خبری در هتل Park Plaza در شهر نیویورک سیتی گرفته شد. مهندسان لابراتوار شرکت بل باید عیناً همان سیستم پخش صدا را که توسط لیزر هلیم درست شده بود نسب می کردند تا اینکه خبرنگاران خود از نزدیک شاهد آن باشند. خبر صبح فردا در تمام کشور پیچید. سهام شرکت AT&T در بازار بورس ثابت ماند. آنموقع لابراتوار شرکت بل بصورت بازوی تحقیقاتی شرکت AT&T درآمد. دو میلیون دلار سرمایه گذاری شده برای لیزر گازی توسط ۵ سنتی و ۱۰ سنتی های شرکت تلفن پرداخت شد. این اختراع ثابت کرد که ارزش آن سرمایه گذارای را دارا بوده است.

شرکت AT&T و دیگر شرکتهای ارتباطی و مخابراتی دیگر در رابطه با مسائل تحقیقاتی نیستند. امروزه، دانشگاهها آن کار را انجام میدهند. بیش از صدها لیزر گازی با رنگهای مختلف بوجود آمده است که برای مصارف مخصوصی استفاده می شود، بعضی از آنها دارای رنگهای آبی و سبز و قرمز است و بعضی دیگر ماوراء بنفش هستند. تمام آنها مبنی بر همان اساسی است که من برای اولین بار اختراع کردم.

تعداد زیادی لیزرهای گازی مختلف پیدا شده و مهمترین آن همان لیزر دی اکسید کربن است؛ که می تواند یک نور لیزر خیلی پر قدرت تولید کند و در رادارها بکار برده می شود و همچنین در صنایع جوشکاری برای ساخت دقیق مواردی که برای بیماران قلبی استفاده می شود، قابل استفاده است.

لیزر هلیم نئون خودش یک وسیله بی اندازه با ارزش شده است. یکی از گسترده ترین استفاده های لیزر گازی که هر روزه در زندگی روزمره از آن استفاده می شود همان خواندن کدهای اجناس در هنگام خرید از فروشگاهها است.

چند سال بعد از اختراعم، تحقیق درباره لیزر در آزمایشگاههای صنعتی و دانشگاهها در دستور کار قرار گرفت، و اکنون لیزر صنعت خودش را دارد. تبدیل کردن انرژی الکتریکی به لیزر گازی و بسط دادن آن در نوع خود یک اختراع است، صنعتی عظیم بکار رفته در متراکم کردن دیسک ها، تغییر دایرکتوری و کاربردهای دیگر آن.

اخیراً انرژی های شیمیایی در گازها، تبدیل شده است به لیزرهای نوری، که تولید آنها شروع شده است.

بطور آکادمیک این صنعت بصورت قارچ در هر جایی سبز شد. در کنفرانسهای قبلی معمولاً فقط چند صد نفر حضور پیدا میکردند. در آوریل سال ۱۹۹۵ در کنفرانس بین المللی لیزر گازی که در شهر بالتیمور بود و در آن جشن ۳۵ سالگی این اختراع را جشن میگرفتند از من دعوت شد که در آنجا سخنرانی کنم. متن سخنرانی من در آنجا که هزاران نفر حضور داشتند “لیزرهای گازی، چگونه بوجود آمدند” بود.

منبع : فرهنگسرا > علی جوان

واژه لیزر از سر کلمه‌های انگلیسی در عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنی «تقویت نور به روش گسیل القایی تابش» است.

لیزر به وسیله‌ای گفته می‌شود که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع می‌کنند. این دستگاه از ماده‌ای جمع کننده یا فعال کنده نور تشکیل شده که درون محفظه تشدید نور قرار دارد. این ماده پرتو نور را که به وسیله یک منبع انرزی بیرونی (از نوع الکتریسیته یا نور) به وجود آمده، تقویت می‌کند.

مبانی نظری لیزر را آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۶ میلادی طی مقاله‌ای مطرح کرد٫ ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعت و فناوری امکان ساخت نخستین لیزر را فراهم کند. در سال ۱۹۵۳ چارلز تاونز میزر (تقویت‌کننده موج میکروویو) را اختراع کرد و می‌خواست آزمایش‌های خود را حول جایگزینی نور مرئی به جای فروسرخ ادامه دهد و هم‌زمان این امر بین آزمایشگاه‌های گوناگون در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد که عبارت لیزر در همان زمان در مقاله‌ای از گوردون هولد، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و در سال ۱۹۶۰ نخستین لیزر (که با موفقیت کار کرد) توسط تئودور میمن (Theodore H. Maiman) ساخته شد. و نخستین لیزر گازی(با استفاده از هلیوم و نئون) هم توسط علی جوان فیزیکدان ایرانی در همان ۱۹۶۰ ساخته شد. نخستین بار طرح اولیه لیزر (میزر) توسط انیشتن داده شد،کار لیزر به این گونه‌است که با تابش یک فوترون به یک ذره (اتم یا مولکول یا یون)برانگیخته یک فوترون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوترون با هم، هم فرکانس می‌باشند در صورت ادامه این روند تعداد نوترونها افزایش می‌یابند که می‌توانند باریکه‌ای از فوتونها را به وجود بیاورند.

کاربرد لیزر در پزشکی : چاقوی لیزری ، مته لیزری و …

کاربرد لیزر در صنعت : جوشکاری لیزری ، برشهای لیزری ، برش الماس ، مسافت یاب لیزری و …

کاربردهای نظامی : ردیاب لیزری ، تفنگ لیزری و …

کاربردهای آزمایشگاهی و پژوهشی:اندازه گیری ، سنتز مواد و …

لیزر این نور شگفت از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر ، آن را از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر ، به خواص ویژه آن پی برده شد. و ما بصورتی گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده ، در علوم گوناگون به ویژه صنعت و پزشکی و … ایجاد کرده است. به جرأت می‌توان گفت پیشرفت دانش بدون تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست.

شاید مهترین بخش فیزیک اتمی بحث مربوط به فیزیک لیزر باشد. می دانید که با دادن انرژی به الکترونهای یک اتم می توان آنها را به مدارهای بالاتری برد. (حتماً با این تصویر کلاسیک که الکترون ها مدارهایی با انرژی مشخصی به دور هسته وجود دارند، آشنایید.) اما این خانه جدید برای الکترونها خیلی وضعیت پایداری ندارد و الکترونها ترجیح می دهند با پس دادن انرژی به مدار اصلی خودشان برگردند. این انرژی به صورت یک فوتون با فرکانس مشخص آزاد می شود. یعنی یک واحد انرژی … اما می دانید که نور از همین فوتونها ساخته می شود. پس اگر با تعداد زیادی از اتمها به طور هم زمان این کار را انجام دهیم، می توانیم پرتو نوری تک فرکانس ایجاد کنیم. علاوه بر اینکه با روشهایی و دقت هایی می توان پرتوهای هم فاز تولید کرد. زیاد نمی خواهیم راجع به لیزر و ویژگی های آن توضیح دهیم اما همین مهم است که بدانیم که این پدیده اساس تولید پرتوهای لیزر است. کلمه لیزر که انگلیسی آن “LASER” است کوتاه شده عبارت:” شدت بخشی نور با استفاده از انتشار تحریک شده تابش است. (Light Amplification by the stimulated Emission of Rodiation)

تاریخچه

میمن برای نخستین بار لیزر یاقوت را در سال ۱۹۵۹ ساخت.پس از دو سال آقای علی جوان، دانشمند ایرانی برای نخستین بار لیزر گازی هلیوم- نئون را ساخت.

از حدود سال ۱۹۶۶ لیزر نیم رسانا در مخابرات نوری در ژاپن و آمریکا مورد توجه قرار گرفت و نسبت به امکان مد گردانی مستقیم آن تا فرکانس های فوق‌العاده زیاد شناخت حاصل شده‌است.

پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت وارون برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل به‌وسیله وبر، جوردون، زیگر، باسو، تانز و پروخورو داده شد. نخستین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد.این گروه نام میزر را که از ابتدای حروف تشکیل شده بود برای آن برگزیدند: «Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation»

نخستین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک ساخته شد. در سال ۱۹۵۸ اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو و تاونز داده شد. در سال ۱۹۶۰ یعنی کمتر از دو سال دیگر، میلمن موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر کار که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال ۱۹۶۱ توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال ۱۹۶۲ نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه هادی مطرح گردید.

سیر تحول و رشد

با پیشرفت روزافزون مکانیک کوانتومی و جنبه‌های ذره‌ای نور و تولید آینه‌هایی با توان بالا دانشمندان لیزرهایی را با توان خروجی بهتر(لیزرهای توان بالا) و همدوسی بالاتر ساخته شدند.

اختراع لیزر به سال ۱۹۵۸ با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر پرتو فروسرخ و نوری بر می‌گردد. نشر مقالات یاد شده سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سراسر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالس ها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال ۱۹۶۰ دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشن تر از نور خورشید بود. متأسفانه پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مثل بارندگی، مه، ابرهای کم ارتفاع، چیزهای موجود در آزمایش های مربوط به هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.

دانشمندان نیز طرحهای نویی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنالهای تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موجبر فیبر نوری بود که شرکت های مخابراتی برای ارسال صدا، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتونها استوار می‌باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای گوناگون نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند. بعد از اینکه لیزر دی اکسید کربن در سال ۱۹۶۴ اختراع شد کاربرد لیزر در زمینه‌های پزشکی خیلی توسعه یافت و برای جراحان این امکان را فراهم نمود تا بجای استفاده از چاقوهای جراحی از فوتون استفاده نمایند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحی را انجام دهد، در صنایع و در کارهای ساختمانی، در وسایل نظامی و غیره کاربردهای فراوان آنرا می‌توان مشاهده نمود.

 عناصر اساسی لیزر

ابزار لیزریک نوسانگر اپتیکی است که باریکهٔ بسیار موازی شدهٔ شدیدی از تابش همدوس را گسیل می کند.این ابزار اساسا از ۳ عنصر ساخته شده‌است: چشمهٔ انرژی خارجی یا دمنده، محیط تقویت کننده، و کاواک اپتیکی یا تشدیدگر.

دمنده

دمنده یک چشمهٔ انرژی خارجی است که وارونی جمعیت را در محیط لیزری به وجود می‌آورد. تقویت موج نور یا میدان تابش فوتون تنها در یک محیط لیزری که در آن وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی وجود داشته باشد روی می‌دهد.(برای اینکه لیزر کار کند لازم است تعداد اتمهای N2 در تراز انرژی E2 از تعداد اتمهای N1 در تراز انرژی E1 بزرگ‌تر باشد.این وضعیت را وارونی جمعیت می‌نامند.) وارونی جمعیت و گسیل القائی با هم در محیط لیزری کار می‌کنند و باعث تقویت نور می‌شوند. در غیر این وضعیت موج نور عبور کننده از محیط لیزری تضعیف خواهد شد.

دمنده‌ها می‌توانند از نوع اپتیکی، الکتریکی، شیمیایی یا گرمایی باشند به شرط این که انرژی لازمی را فراهم کنند که بتواند با محیط لیزری برای برانگیختن اتم ها و ایجاد وارونی جمعیت لازم همراه شود.

در لیزرهای گازی مانند He-Ne، دمنده‌ای که از همه بیشتر به کار می‌رود از نوع تخلیهٔ الکتریکی است. عوامل مهم حاکم بر این نوع دمش مقطع‌های برانگیزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضی از لیزرهای گازی، الکترون‌های آزادی که در فرایند تخلیه تولید شده‌اند با اتمها، یونها یا مولکول‌های لیزر مستقیما برخورد و آنها را برانگیخته می‌کنند. در سایر لیزرها، برانگیزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم (یا مولکول-مولکول) روی می‌دهد.

محیط لیزری

محیط تقویت کننده یا محیط لیزری یک قسمت مهم از ابزار لیزر است. بسیاری از لیزرها از روی نوع محیط لیزری به کار رفته در آنها نامگذاری می‌شوند، به‌عنوان مثال، هلیم-نئون (He-Ne)، دی اکسیدکربن (Co۲) و نئودیمیم: نارسنگ ایتریم آلومینیم (Nd:YAG). محیط لیزری، که می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد، طول موج تابش لیزری را تعیین می‌کند.

مهم‌ترین لازمهٔ محیط تقویت کننده توانایی آن برای ایجاد وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی اتمهای لیزری است.این وضعیت با برانگیختن (یا دمیدن) اتم های بیشتری به تراز انرژی بالاتر نسبت به اتم های موجود در تراز پایین تر تحقق می‌یابد.(چنانکه معلوم شده‌است، حتی با دمش قوی، به علت اختلاف زیاد طول عمرهای ترازهای انرژی اتمهای قابل استفاده، تنها جفت‌های مشخصی از ترازهای انرژی با طول عمرهای خودبه خودی مناسب را می‌توان «وارون» کرد.

خروجی لیزر

خروجی لیزرها به دو صورت پالسی و پیوسته می باشد. پالس در واقع نوری است که در محدوده زمانی کوتاه تابیده میشود. این محدوده زمانی امروزه به کمتر از فمتوثانیه رسیده است.

ماهیت نور

(نور)از دید بیشتر مردم نور روز یا نور شمع یا نور چراغ برق است . که سبب مشود بتوانیم دنیای اطراف خود را ببینیم .آن را به عنوان نور سفید می شناسیم زیا به نظر نمی رسد رنگ غالبی داسته باشد . در۱۶۶۵ جناب اسحاق نیوتن نشان داد که اگر نور سفید معمولی از یک منشور شیشه ای بگذرد. به رنگهای متفاوت رنگین کمان تجزیه میشود . این پدیده را تجزیه و گستره رنگهای گوناگون را طیف مرئی می نامند . بعدا نشان داده شد که علاوه بر نور رنگی شکلهای نامرئی دیگری از تابش نیز از منشور شیشه ای می گذرند . اگر ناحیه درست زیر باریکه قرمز با یک عدسی به صورت متمرکز به یک جسم سیاه تابانده میشد . جسم گرم میشد . این نوع انرژی تابشی نامرئی را فروسرخ می نامند .

تابش مرئی ( که ما آن را به عنوان نور می شناسیم ) و تابش فروسرخ (که ما آن را گاه به عنوان گرما میشناسیم ) هر دو انواع تابش الکترو مغناطیسی هستند و به همراه اشعه گاما واشعهX و میکرو موج و امواج رادیویی و نور فرا بنفش گستره پیوسته ای از تابش را تشکیل می دهند . این گستره را طیف الکترومغناطیسی مینامند . همه تابشهای الکترومغناطیسی با سرعت ثابت ۲۹۹۷۹۲۹۰۰  متر در ثانیه از فضای آزاد می گذرند . و با انکه ذر وهله اول ممکن است خیلی متفاوت به نظر می ایند همه شکلهای انرژی تابشی ویژگیهای اساسی یکسانی دارند .

این انرژی تابشی جگونه در فضاحرکت میکند  ؟ دانشمندان دو پاسخ متفاوت برای این پرسش دارند . نخست انکه نور به صورت موج و به شیوه ای مشابه امواج آب حرکت می کنند . اگر سنگی به داخل حوزچه آب بینداریم ریز موجها یا موجهای دایره ای ایجاد می شوند که در سطح آب حرکت میکنند . به همین طریق نور مانند موج حرکت میکند.فاصله میان دو قله یا اوج موج .و تعداد امواجی را که در یک ثانیه از یک نقطه مشخص میگذرند . بسامد می نامند . نور آبی طول موج تقریبا ۰٫۰۰۰۰۰۰۴

متر یا ۴۰۰ نانومتر (که یک نانومتر برابر است با ۰٫۰۰۰۰۰۰۰۰۱ متر ) نور سبز طول موج ۵۰۰ نانومتر و نور قرمز طول موج تقریبا ۶۰۰ نانومتر دارد . طول موجهای طیف الکترومغناطیسی به طور پیوسته از کمتر از ۱/۱۰ نانومتر برای اشعه X تا صدها متر در امواج رادیویی تغییر می کند .

در شیوه دیگر نور را به عنوان جریان ذرات توصیف میکینند . این ذرات را فوتون می نامند و هر فوتون نور با طول موج یکسان دقسقا مقداری یکسانی انرژی دارند . مقدار انرژی فوتون با کاهش طول موج نور افزایش می یابد  پس فوتون نور آبی نسبت به فوتون نور قرمز انرژی بیشتری حمل می کند چون طول موج کوتاه تری دارد .

اگر فوتون را به در شیوه دیگری نور را یه عنوان جریان ذرات توصیف می کنند . این ذرات را فوتون می نامند و هر فوتون نور با طول موج یکسانی انرژی می یابد . پس فوتون نور آبی نسبت به فوتون نور قرمز انرژی بیشتری حمل می کند چون طول موج کوتاه تری دارد . اگر فوتون را به صورت بسته بسیار کوچکی از امواج تصویر کند این مطلب را بهتر درک میکنید . هر چه طول موج کوتاهتر باشد امواج بیشتری در بسته جا میگیرد پس انرژی بیشتری خواهند داشت .