چگونه لیزر کار می کند؟

لیزر از شگفت انگیزترین فناوری های جدید است که در بسیاری از وسائل مانند پخش کننده های CD، مته های دندانپزشکی، عمل جراحی لیزیک چشم، لیزرهای نابود کننده سرطان، ماشین های برش فلز، سیستم های اندازه گیری و… کاربرد دارد.

اما لیزر چیست؟ و چه تفاوتی بین پرتو لیزر با نور چراغ قوه وجود دارد؟

پرتویی از نور که تمام طول موج های آن یکسان و حرکت امواج آن نیز دقیقاً مثل هم است، لیزر نامیده می شود. در این پرتوها، همه امواج، هم فاز هستند. لیزر، نور خود را به صورت پرتوی متمرکز، باریک و بسیار قوی منتشر می کند. این پرتو به اندازه ای قوی است که می تواند سخت ترین ماده (الماس) را سوراخ کند.

پرتو لیزر برخلاف نور لامپ یا چراغ قوه پخش نمی شود؛ در نتیجه انرژی آن محفوظ می ماند. برخلاف نور خورشید که ترکیبی از 7 رنگ است، لیزر نوری منسجم و تک رنگ دارد و میزان انرژی آن، حتی پس از پیمودن مسافتی طولانی ثابت باقی می ماند.

در این مقاله شما می توانید با تکنولوژی و انواع لیزرها آشنا شوید. لازم است ابتدا با ساختار اتم شروع کنیم.

ساختار اتم

هر اتم از یک هسته شامل پروتون و نوترون و یک ابر الکترونی تشکیل شده است. الکترون ها در این ابر، در مدارهای مختلف به دور هسته می گردند.

اگرچه بیشتر تصاویر امروزی از اتم، مدارهای مجزایی برای اتم ترسیم نمی کنند، با این حال تصور مدارات سطوح مختلف انرژی در اتم مفید خواهد بود. به عبارت دیگر، اگر اتم را گرم کنیم باید انتظار داشته باشیم که برخی الکترون ها در مدارهای کم انرژی به مدارهای پُر انرژی (لایه های بالا و دورتر از هسته) منتقل شوند.

وقتی یک الکترون به مدار پُر انرژی پرش می کند، در نهایت باید به لایه ی پایین و قبلی خود برگردد. این الکترون به هنگام برگشت، انرژی خود را به صورت یک فوتون یا ذره نوری آزاد خواهد کرد.

برای مثال، وقتی بخاری برقی را روشن می کنید، المنت آن داغ می شود و به رنگ قرمز در می آید. این رنگ قرمز توسط اتم هایی تولید می شوند که الکترون های آنها با گرما تحریک شده اند و به مدار بالاتر پرش کرده اند و سپس با برگشت به وضعیت سابق، انرژی خود را به شکل نور قرمز آزاد می کنند. وقتی به صفحه تلویزیون قدیمی نگاه می کنید، چیزی را که می بینید در اصل اتم های فسفر هستند که با تحریک الکترون های سریع، رنگ های مختلف نور را ساطع می کنند.

ارتباط اتم با لیزر

لیزر ابزاری است که روش آزادسازی فوتون را به کمک اتم های پُر انرژی کنترل می کند. لیزر (Laser) مخفف عبارت تقویت نور بوسیله انتشار تحریک شده تابش (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) است که بطور خلاصه نحوه کار لیزر را توصیف می کند.

با وجود انواع مختلف وسائل لیزری، همگی دارای خصوصیات یکسانی هستند. در این ابزار، رسانه لیزری برای رساندن اتم ها به حالت تحریک شده، تحت فشار قرار می گیرد. معمولاً پرتوهای نوری شَدید یا سیگنال های الکتریکی به رسانه لیزری فشار وارد می سازند و مجموعه ای از اتم های تحریک شده و پُر انرژی را به وجود می آورند. برای اینکه لیزر بهتر کار کند، لازم است تا تعداد زیادی از اتم ها را در حالت تحریک شده قرار دهیم.

در کل، اتم ها تا سطحی 2 یا 3 برابر بالاتر از حالت عادی، تحریک می شوند. الکترون های تحریک شده انرژی بسیار بیشتری از الکترون های تحریک نشده دارند و درست همزمان با رسیدن به سطح تحریک، می توانند انرژی خود را نیز آزاد کنند. این انرژی به شکل فوتون (موج نوری) آزاد می شود.

فوتون های آزاد شده دارای طول موج (رنگ) خاصی هستند که به انرژی الکترون تحریک شده بستگی دارند. در یک چراغ قوه با نور عادی، اتم ها فوتون هایشان را نامنظم آزاد می کنند و نور به اطراف پخش می شود، اما نور لیزر تفاوت هایی با نور چراغ قوه دارد.

ویژگی های نور لیزر

نور لیزر از نور معمولی بسیار متفاوت است. نور لیزر ویژگی های زیر را دارد:

1. نور آزاد شده تک رنگ است؛ یعنی شامل فقط یک طول موج خاص می باشد. طول موج نور بوسیله آزاد شدن انرژی به هنگام جابجایی الکترون از یک مدار به مدار پایین تر (نزدیک تر به هسته) اندازه گیری می شود.
2. نور آزاد شده، همدوس (متمرکز) است. هر فوتون همراه با دیگر فوتون ها حرکت مستقیم و در حین حرکت مکان معینی نسبت به دیگر فوتون ها دارد. این بدان معنا است که همه فوتون ها جبهه موج هماهنگی نسبت به هم دارند.
3. نور لیزر کاملاً مستقیم است. نور لیزر شعاعی بسیار قوی و متمرکز دارد. این در حالی است که یک فلاش نور معمولی، در همه جهات پخش می شود و بسیار ضعیف تر و پراکنده تر از لیزر است.

برای به وجود آوردن این سه ویژگی چیزی به نام گسیل برانگیختگی باید اتفاق بیفتد. این در نور معمولی اتفاق نمی افتد. همه اتم ها فوتون های خودشان را نامنظم و در همه جهات آزاد می کنند. در گسیل برانگیخته، فوتون گسیلی، آرایش منظمی دارد. فوتونی که هر اتم آزاد می کند، طول موج معینی دارد که به اختلاف انرژی بین حالت برانگیخته و پایه بستگی دارد. اگر این فوتون به اتم دیگری که الکترونی در حالت مشابه دارد، برخورد کند، گسیل برانگیختگی اتفاق می افتد.

اولین فوتون می تواند آزاد شده یا گسیل القایی داشته باشد؛ بطوریکه فوتون بعدی (از اتم دوم) با فرکانس و جهت یکسانی نسبت به اولی ارتعاش خواهد کرد.

مسئله اساسی دیگر در تولید لیزر، آئینه هایی هستند که هر کدام در انتهای محیط لیزری قرار گرفته اند. فوتون ها با طول موج و فاز معین در برخورد با آئینه ها منعکس شده و حرکت رفت و برگشتی را در همان محیط انجام می دهند. در چنین فرآیندی الکترون های دیگر را نیز آزاد می کنند. انرژی آزاد می شود و می تواند باعث گسیل فوتون های بیشتر با همان فاز و طول موج شود. در اینجا است که پدیده آبشاری اتفاق می افتد و فوتون های بیشتر و بیشتری با همان فاز و طول موج یکسان منتشر می شود.

در یکی از دو انتهای محیط، آئینه قرار دارد که باعث انعکاس نور می شود. این نور لیزر از طریق آئینه نیمه نقره ای به محیط بیرون هدایت می شود.

در شکل زیر نمونه ای از دستگاه لیزر ساده را می بینید. این دستگاه شامل یک منبع نوری، یک میله یاقوتی و دو آئینه (یکی نیمه نقره ای) است. میله یاقوتی همان رسانه لیزری است که نور فلاش به داخل آن تابانده می شود.

مراحل کار با توجه به شکل به این صورت است:

1) منبع نور (فلاش) روشن می شود و نور قوی را به لوله یاقوتی تزریق می کند.

لوله فلاش روشن می شود و نور را به سمت میله یاقوت گسیل می کند.

2) نور فلاش، اتم ها را در لوله تحریک می کند. برخی از این اتم های تحریک شده، فوتون (نور) آزاد می کنند.

این نور باعث برانگیخته شدن تعدادی از اتم های گازی داخل لوله می شود و در نتیجه آنها اقدام به انتشار نور می کنند.

3) برخی از این فوتون ها در جهتی موازی با محورهای یاقوتی حرکت می کنند. در نتیجه از برابر آئینه ها، جلو و عقب می روند و موجب تحریک انتشار در سایر اتم ها می شوند.

تعدادی از اتم ها در جهت موازی با محور میله حرکت می کنند، بنابراین مقید به حرکت هم راستا با میله هستند. وقتی از بلوری گذر می کنند، در اتم های دیگر باعث گسیل می شوند.

4) نور فوتون های آزاد شده به صورت فشرده و موازی از آئینه نیمه نقره ای به بیرون دستگاه هدایت می شوند. به مجموع این فوتون ها لیزر می گویند.

مراحل برانگیخته شدن اتم ها در دستگاه لیزرساز و تولید فوتون های نوری هم فاز و هم مسیر را در تصویر زیر مشاهده می نمایید:

در تصویر فوق:

1. با برخورد فوتون، الکترون برانگیخته به مدار بالا می پرد.
2. الکترون برانگیخته ناپایدار است و در نتیجه به مدار پایین سقوط می کند.
3. الکترون برانگیخته در نهایت به مدار انرژی پایین سقوط می کند و انرژی خود را به شکل فوتون آزاد می کند.
4. فوتون و الکترون سقوط کرده، در یک مدار انرژی قرار می گیرند.
5. در این حالت دو فوتون با فاز و طول موج یکسان تولید می شود.
6. آئینه فوتون ها را در یک راستا منعکس می کند.

انواع لیزرها

اولین لیزر در سال 1960 میلادی توسط دانشمندی آمریکایی به نام تئودور مایمن (Theodore Maiman) کشف شد. این نوع لیزر، لیزر یاقوت بود. لیزر یاقوت، پرتو قرمز رنگی دارد و میلیون ها بار درخشان تر از نور خورشید است. امروزه انواع مختلفی از لیزر با طول موج های متفاوت و قدرت های مختلف وجود دارد. رسانه لیزری می تواند جامد، گاز، مایع و یا نیمه رسانا باشد. معمولاً طراحی لیزرها با توجه به انواع مواد لیزری بکار رفته در آنها است.

1. لیزرهای جامد: دارای مواد لیزری جامد مثل یاقوت و آلومینیوم هستند.
2. لیزرهای گاز: هلیم و نئون که رایج ترین نوع لیزرهای گازی قرمز رنگ هستند، بازده اولیه آنها نور قرمز مرئی است. لیزرها گاز CO2 انرژی را در مادون قرمز انتشار می دهند و برای برش مواد سخت مثل فولاد از آنها استفاده می شود.
3. لیزرهای محرک: که از ترکیب گازهای واکنش پذیر مثل کلر با گازهای خنثی مثل آرگون استفاده می کنند.
4. لیزرهای رنگی: که از رنگ های آلی پیچیده مانند رودامین 6G به عنوان رسانه لیزری استفاده می کنند.
5. لیزرهای نیمه رسانا: که گاهی لیزرهای دیود هم نامیده می شوند. این ابزارهای الکترونیکی عموماً بسیار کوچک بوده و انرژی کمی دارند. این لیزرها بیشتر در چاپگرهای لیزری یا پخش کننده های CD استفاده می شوند.

کاربرد لیزرها

لیزر، کاربردهای بسیاری دارد. از لیزرهای قوی دی اکسید کربن در جراحی، درمان بیماری های چشم و سرطان استفاده می شود. بوسیله لیزر، می توان بافت های بیمار را بدون آسیب رساندن به سایر قسمت های بدن از بین برد. به علاوه، هنگام جراحی می توان از لیزر برای مسدود کردن دهانه رگ های خونی و جلوگیری از خونریزی استفاده کرد.

پرتوهایی از لیزر که طول موجشان در محدوده مادون قرمز است، در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. چنین طول موجی گرمای بسیار زیادی تولید می کند و استفاده های متعددی دارد. با کنترل قدرت پرتوهای لیزر می توان از آن برای بریدن اجسام نرم و یا اجسام بسیار سختی مثل الماس استفاده کرد. ورقه های فلزی را می توان با دقت و سرعت زیاد توسط لیزر برید یا سوراخ کرد.

لیزر در جوش دادن قطعات بسیار ظریف فلزی کاربرد فراوانی دارد و برای ساختن قسمت های کوچک و ظریف کامپیوترها و یا سایر دستگاه های الکترونیکی بکار می رود.

از آنجا که نور لیزر حتی پس از طی مسافت های طولانی پخش نمی شود و قابل رویت و اندازه گیری است، در دستگاه های مسافت یاب مورد استفاده قرار می گیرد. پرتوهای لیزر می توانند از زمین تا ماه حرکت کنند. یکی دیگر از کاربردهای لیزر تهیه تصاویر سه بعدی یا هولوگرام است. سازندگان آسمان خراش ها پرتوهای لیزر را برای اطمینان از عمود بودن ساختمان بکار می برند.

یکی از کاربردهای مهم لیزر، در صنعت مخابرات است. فیبرهای نوری، استفاده از لیزر را برای فرستادن پیام های تلفنی ممکن ساخته اند. نور لیزر می تواند از میان فیبر نوری عبور کند. به این ترتیب یک فیبر نوری جایگزین صدها سیم تلفن می شود. یکی از بزرگترین مزیت های استفاده از لیزر این است که می توان تعداد خطوط تلفن را فوق العاده افزایش داد. لیزر به عنوان سلاح نیز بکار می رود.

قدرت لیزرها نیز با هم متفاوت می باشند. برخی از آنها مانند اسکنرهای فروشگاهی قدرت کمی دارند و خطرناک نمی باشند اما لیزرهایی با قدرت بالا نیز داریم که می توانند موجب سوختگی پوست و آتش سوزی شوند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «چگونه لیزر کار می کند؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری، ترجمه و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا مقاله وب سایت HowStuffWorks ترجمه شده توسط بهنام زاده به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.