انواع لیزر و ویژگی ها (2)

 در این مطلب در ادامه مطالب قسمت اول به معرفی لیزرهای اپتیکی ،گازی و برخی ویژگیهای آنها پرداخته شده است.

لیزرهای اپتیکی

قبل از اختراع لیزر یاقوت، تقویت در ناحیه میکرو موج در محیط گاز آمونیاک توسط تاونز مشاهده گردیده بود. به ابزاری که در این ناحیه از میکروموج کار می کرد میزر گفته شد. پس از آنکه لیزر یاقوت اختراع گردید، در واقع گستردگی فرکانس به ناحیه اپتیکی که بشر قادر به دیدن آن است رسید. به ابزاری که حاصل گردید "میزر اپتیکی" و یا لیزر گفته شد و از آن تاریخ به بعد، کم و بیش، به نور و یا دستگاهی که بتواند در هر فرکانسی بر اساس گسیل القایی فعال باشد "لیزر" گفته شد.

پس از آنکه شالو و تاونز مقاله خود را در مورد امکان عمل لیزری  در ناحیه فروسرخ و مرئی به چاپ رساندند، طولی نکشید که پژوهشگران فراوانی، به طور جدی کار بر روی دستگاه آزمایشی را شروع کردند. اغلب پژوهشگران فکر می کردند که گازها اولین تقویت کننده لیزری در ناحیه مرئی و فروسرخ می باشند. ولی با کمال تعجب یاقوت اولین ماده ای بود که نور لیزری را در ناحیه مرئی تولید کرد. یک درگیری قانونی تلخی در مورد کسی که این لیزر را اختراع کرد هم وجود داشت.

ابتدا تصور می شد که پمپاژ اپتیکی با نوار پهن ناکارا باشد، ولی دیده شد که این فقط در مورد یون های با تشدیدهای خیلی باریک مثل مورد گازها و پلاسماها صادق است.

وقتی یون ها در داخل جامد قرار گیرند، می توانند تابش را در یک نوار وسیع تری از طول موج ها جذب کنند. تابش اپتیکی با طول موجی حدود 550 نانومتر توسط یون های کروم که به صورت رقیقی در شبکه بلوری سنگ سنباده یا اکسید آلومینیوم تزریق شده اند، جذب می گردد و سپس انتقالی غیر حرارتی سریع به یک تراز شبه پایدار پایین تر با عمر 5 میلی ثانیه صورت می گیرد. چنانچه توان پمپاژ از مقدار آستانه بالاتر باشد، جمعیت وارون می تواند بین این حالت شبه پایدار و حالت پایه بوجود آید.

با قرار دادن آن در یک تشدیدگر اپتیکی، عمل لیزری به میزان قابل توجهی بهبود می یابد.

اولین لیزر اپتیکی توسط مایمن در سال 1340 هجری(1960 میلادی) به طور موفقیت آمیز ساخته شد. این لیزر از بلور یاقوت در داخل لامپ درخشش مارپیچی شکل تشکیل شده و مجموعه در داخل حفره استوانه ای شکل آلومینیومی براق قرار گرفته است و استوانه توسط هوای فشرده خنک می شود. استوانه یاقوت تشکیل کاواک فابری-پرو را می دهد که دو انتهای آن به صورت اپتیکی صیقل داده شده است. هریک از دو انتها توسط بخار نقره پوشیده می شود و یکی از دو انتها کمتر بازتاب کننده است، تا بخشی از تابش بتواند از آن خارج شود و به صورت یک پرتوی لیزری درآید. عمل پمپاژ توسط تخلیه سریع لامپ درخش صورت می گیرد. اولین لیزرهای یاقوت به دلیل پخش گرما و نیاز به توان پمپاژ بالا در حالت پالسی کار می کردند.

در سال 1340 هجری(1961 میلادی)نلسون و بویل با جایگزین کردن لامپ درخشش توسط یک لامپ قوس الکتریک، لیزر پیوسته را ساختند. در شکل زیر نمایش طرز کار لیزر یاقوت که توسط مایمن طراحی، ساخته و شروع به کار کرده آورده شده است.

مدت کوتاهی پس از ساخت موفقیت آمیز اولین لیزر اپتیکی، آزمایشگاه های جهان آزمایش بر روی مواد و یونهای مختلف از قبیل خاک های کمیاب از گروه لانتانیدها و حتی اورامنیم را انجام دادند و عمل لیزری در آنها مشاده شد. مواد مختلفی در آزمایش قرار گرفتند که عبارتند از ایتریم آلومینیوم گارنت(YAG) و شیشه. با پیشرفت فناوری، ساخت این لیزرها به سرعت از آزمایشگاه خارج شده و کاربردهای تجاری پیدا کردند.

در بخش بزرگ و مهمی از لیزرها یک نوع گاز یا مخلوطی از گازها به عنوان محیط فعال مورد استفاده قرار می گیرند. عمل تحریک اتم ها معمولا با عبور جریان الکتریکی از داخل گاز صورت می گیرد. لیزرهای گازی هم به صورت پیوسته و هم به صورت پالسی می توانند کار کنند. یک نوع لیزر گازی شامل مخلوطی از گاز هلیوم و گاز نئون است که در شکل زیر نشان داده شده است.

مخلوط گازی، در داخل لوله شیشه ای محفظه بسته به نام لوله "پلاسما" و در فشار خیلی پایین وجود دارد. ساز و کار تحریک لیزر هلیم-نئون تخلیه جریان مستقیم در داخل گاز است و این جریان با عث تحریک اتمهای هلیم به حالتهای اتمی بر انگیخته می گردد. انرژی اتمهای هلیوم برانگیخته از طریق برخورد با اتمهای نئون به آنها منتقل می شود و در نتیجه اتمهای نئون به یک تراز انرژی پایین تر که منجر به عمل لیزری می گردد، انتقال می یابند. ساز و کار پس خوراند(feedback) شامل یک جفت آیینه است که در دو انتهای لوله ی پلاسما تعبیه شده اند. یکی از این آیینه ها به نام جفت کننده خروجی یک تا دو درصد نور را به شکل پرتو پیوسته عبور می دهد که پرتو خروجی لیزر را تشکیل می دهند.

مژده اصولی

بخش دانش و زندگی تبیان

منابع:

sciencenewsden

کتاب تاریخچه و فناوری هسته ای نوشته دکتر احمد افراز

The family of lasers article published in IEEE