لیزر چیست؟ اصول کار، اجزا و انواع لیزر

لیزر یکی از مهم ترین اختراعات قرن بیستم و از پرکاربردترین ابزارهای اپتیک است. لیزرها امروزه تقریبا همه جا حضور دارند؛ از دستگاه های خواندن دیسک، بارکدخوان ها و ارتباطات فیبر نوری گرفته تا دستگاه های برش و جوش فلز، تجهیزات دندانپزشکی، جراحی چشم، لیزر موهای زائد، سیستم های اندازه گیری و دستگاه های طیف سنجی.

اما چه چیزی نور لیزر را با نور یک چراغ قوه متفاوت می کند؟ لیزر چگونه کار می کند و چه انواعی دارد؟ در این مقاله به این پرسش ها پاسخ می دهیم.

لیزر چیست؟

واژه لیزر (LASER) مخفف عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنای تقویت نور با گسیل القایی تابش است.

تفاوت نور لیزر با نور معمولی

نور لامپ یا چراغ قوه از طول موج های مختلف تشکیل شده، در همه جهات پخش می شود و فاز امواج آن به طور تصادفی تغییر می کند. اما نور لیزر چند ویژگی منحصر به فرد دارد:

• تک رنگی: نور لیزر در محدوده طول موجی بسیار باریکی تولید می شود.

• همدوسی: امواج نور لیزر با هم اختلاف فاز ثابتی دارند و مانند یک گروه منظم با هم حرکت می کنند. این ویژگی امکان استفاده از لیزر را در تداخل سنجی فراهم می کند.

• جهت داری: پرتو لیزر واگرایی بسیار کمی دارد و تقریبا موازی حرکت می کند؛ به همین دلیل می تواند در فواصل دور باریک بماند.

• درخشندگی بالا: چون انرژی در یک پرتو باریک متمرکز است، شدت نور لیزر در واحد سطح بسیار زیاد است، حتی اگر توان کل آن کم باشد.

تاریخچه لیزر

پایه نظری لیزر، یعنی گسیل القایی، در سال ۱۹۱۷ توسط آلبرت اینشتین مطرح شد. در دهه ۱۹۵۰، چارلز تاونز و همکارانش میزر را ساختند که همین اصل را در ناحیه مایکروویو به کار می گرفت. تاونز به همراه نیکولای باسوف و الکساندر پروخوروف در سال ۱۹۶۴ جایزه نوبل فیزیک را دریافت کردند. نخستین لیزر نوری در سال ۱۹۶۰ توسط تئودور مایمن ساخته شد که یک لیزر یاقوت سرخ با نور قرمز در طول موج ۶۹۴.۳ نانومتر بود.

لیزر چگونه کار می کند؟

جذب، گسیل خودبه خود و گسیل القایی

اتم ها و مولکول ها در ترازهای انرژی مشخصی قرار دارند و سه فرایند اصلی بین آنها و نور رخ می دهد:

• جذب: اتم با جذب یک فوتون، به تراز انرژی بالاتر می رود.

• گسیل خودبه خود: اتم برانگیخته به طور تصادفی به تراز پایین تر برمی گردد و فوتونی در جهت و فاز تصادفی گسیل می کند. نور لامپ ها به این روش تولید می شود.

• گسیل القایی: اگر فوتونی با انرژی مناسب به یک اتم برانگیخته برخورد کند، اتم را وادار می کند فوتون دوم را گسیل کند که دقیقا همان طول موج، فاز و جهت فوتون اول را دارد. به این ترتیب، یک فوتون به دو فوتون یکسان تبدیل می شود.

گسیل القایی اساس کار لیزر است. هر فوتون جدید می تواند اتم های برانگیخته دیگر را نیز وادار به گسیل کند و یک اثر آبشاری ایجاد شود که نور را تقویت می کند.

وارونگی جمعیت

در حالت عادی، بیشتر اتم ها در تراز پایه قرار دارند و فوتون ها بیشتر جذب می شوند تا اینکه گسیل القایی ایجاد کنند. برای اینکه تقویت نور رخ دهد، باید تعداد اتم ها در تراز بالاتر بیشتر از تراز پایین تر باشد. به این حالت وارونگی جمعیت گفته می شود.

وارونگی جمعیت به طور طبیعی رخ نمی دهد و باید با پمپاژ انرژی به محیط ایجاد شود. در عمل، لیزرها معمولا از سیستم های سه ترازی یا چهار ترازی استفاده می کنند. در این سیستم ها، اتم ها ابتدا به یک تراز بالا پمپ می شوند، سپس به سرعت به یک تراز شبه پایدار با عمر طولانی تر می افتند و گذار لیزری از این تراز انجام می شود. به همین دلیل انرژی فوتون پمپ معمولا بیشتر از انرژی فوتون لیزر است.

اجزای لیزر

هر لیزر از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

• محیط فعال: ماده ای که نور را تولید و تقویت می کند

• سیستم پمپاژ: منبعی که انرژی لازم برای وارونگی جمعیت را تامین می کند

• تشدیدگر نوری: دو آینه در دو انتهای محیط فعال که نور را بارها از محیط فعال عبور می دهند

محیط فعال

محیط فعال ماده ای است که اتم ها، یون ها یا مولکول های آن برانگیخته شده و از طریق گسیل القایی، نور را تقویت می کنند. نوع محیط فعال، طول موج نور لیزر را تعیین می کند. محیط فعال می تواند جامد، گاز، مایع یا نیمه رسانا باشد.

سیستم پمپاژ

سیستم پمپاژ انرژی را به محیط فعال می رساند تا اتم ها به ترازهای بالاتر بروند و وارونگی جمعیت ایجاد شود. روش های رایج پمپاژ عبارت اند از:

1. پمپاژ نوری: محیط فعال با نور یک منبع خارجی، مانند لامپ فلاش یا لیزر دیگر، برانگیخته می شود. نور پمپ توسط اتم ها یا یون های محیط جذب می شود.

2. تخلیه الکتریکی: جریان الکتریکی از محیط فعال گازی عبور می کند و الکترون ها با برخورد به اتم ها یا مولکول ها، آنها را برانگیخته می کنند. این روش در لیزرهای هلیوم نئون و CO2 استفاده می شود.

3. پمپاژ با دیود لیزری: دیودهای لیزری پرتوان با طول موجی که دقیقا با جذب محیط فعال منطبق است، برای پمپاژ لیزرهای حالت جامد و فیبری استفاده می شوند. این روش بازده بسیار بالایی دارد.

4. تزریق جریان: در لیزرهای نیمه رسانا، جریان الکتریکی مستقیما از اتصال p-n عبور می کند و الکترون ها و حفره ها را تزریق می کند.

تشدیدگر نوری

تشدیدگر نوری یا حفره لیزر معمولا از دو آینه در دو انتهای محیط فعال تشکیل شده است. این آینه ها نور را بارها از محیط فعال عبور می دهند تا با هر عبور، گسیل القایی بیشتری رخ دهد و نور تقویت شود. تشدیدگر لیزر در واقع یک تداخل سنج فابری پرو است.

• آینه بازتابنده کامل: بازتابی بیش از ۹۹ درصد دارد و نور را به داخل حفره برمی گرداند.

• آینه خروجی (جفت کننده خروجی): بخشی از نور را عبور می دهد و بقیه را بازتاب می کند. پرتو لیزر از این آینه خارج می شود و میزان بازتاب آن روی توان خروجی اثر دارد.

این آینه ها معمولا آینه های دی الکتریک هستند که در طول موج لیزر بازتاب بسیار بالایی دارند.

طول حفره تعیین می کند کدام طول موج های بسیار نزدیک به هم (به نام مدهای طولی) در محدوده بهره محیط فعال می توانند در حفره تشدید شوند. شکل و انحنای آینه ها نیز روی شکل پرتو و پایداری آن اثر دارد. طول موج اصلی لیزر را محیط فعال تعیین می کند، اما با طراحی حفره و استفاده از قطعاتی مانند توری پراش، می توان طول موج را در محدوده بهره محیط فعال تنظیم کرد.

انواع لیزر بر اساس محیط فعال

لیزرهای حالت جامد

در این لیزرها، محیط فعال یک بلور یا شیشه است که با یون های فعال آلاییده شده است. رایج ترین نمونه، لیزر Nd:YAG است که از بلور گارنت ایتریم آلومینیوم آلاییده با یون های نئودیمیوم ساخته شده و نوری در طول موج ۱۰۶۴ نانومتر (فروسرخ نزدیک) تولید می کند. این لیزر در برش و جوش فلزات، حکاکی و پزشکی کاربرد دارد. لیزر یاقوت سرخ نیز نخستین لیزر حالت جامد بود.

لیزرهای گازی

• لیزر هلیوم نئون: نور قرمز در طول موج ۶۳۲.۸ نانومتر؛ ارزان، پایدار و پرکاربرد در آموزش، تراز کردن و تداخل سنجی

• لیزرهای یونی: مانند لیزر آرگون با خطوط آبی و سبز (۴۸۸ و ۵۱۴.۵ نانومتر) و لیزر کریپتون

• لیزرهای مولکولی: مانند لیزر CO2 با طول موج ۱۰.۶ میکرومتر در فروسرخ، که یکی از پرتوان ترین لیزرهای صنعتی برای برش و حکاکی است، و لیزر نیتروژن با طول موج ۳۳۷.۱ نانومتر در ناحیه فرابنفش

• لیزرهای اگزایمر: واژه اگزایمر به معنای دیمر برانگیخته است. در این لیزرها، ترکیبی از یک گاز نجیب و یک هالوژن، مانند ArF (۱۹۳ نانومتر) یا KrF (۲۴۸ نانومتر)، فقط در حالت برانگیخته وجود دارد و هنگام تجزیه نور فرابنفش پالسی گسیل می کند. لیزرهای اگزایمر در جراحی های اصلاح دید چشم و صنعت ساخت تراشه کاربرد دارند.

لیزرهای نیمه رسانا (دیود لیزری)

دیودهای لیزری از مواد نیمه رسانایی مانند گالیم آرسنید (GaAs) یا ایندیم گالیم آرسنید فسفید (InGaAsP) ساخته می شوند. با عبور جریان از اتصال p-n، الکترون ها و حفره ها با هم ترکیب شده و نور تولید می کنند. دیودهای لیزری کوچک، ارزان و بسیار کارآمد هستند و پرتعدادترین لیزرهای جهان را تشکیل می دهند. آنها در ارتباطات فیبر نوری، لیزر پوینترها، دستگاه های خواندن دیسک، چاپگرها و پمپاژ لیزرهای دیگر استفاده می شوند.

لیزرهای رنگینه ای

در این لیزرها، محیط فعال محلولی از یک رنگ آلی، مانند رودامین، در یک حلال است. این رنگ ها نور را در یک طول موج جذب کرده و در طول موج بلندتر با طیف پهن گسیل می کنند. به همین دلیل طول موج لیزر رنگینه ای را می توان در محدوده ده ها نانومتر تنظیم کرد. با استفاده از رنگ های مختلف، می توان ناحیه فرابنفش نزدیک تا فروسرخ نزدیک را پوشش داد. این لیزرها در طیف سنجی و تحقیقات علمی کاربرد دارند.

لیزرهای فیبری

در لیزرهای فیبری، محیط فعال یک فیبر نوری است که با یون های عناصر خاکی کمیاب، مانند ایتربیوم یا اربیوم، آلاییده شده است. طول زیاد فیبر امکان تقویت بسیار زیاد نور را فراهم می کند و چون سطح فیبر نسبت به حجم آن زیاد است، گرما به خوبی دفع می شود. لیزرهای فیبری بازده بالا، کیفیت پرتو عالی و نگهداری آسان دارند و امروزه در برش و جوش فلزات و حکاکی صنعتی بسیار رایج اند. تقویت کننده های فیبری اربیوم نیز پایه ارتباطات فیبر نوری راه دور هستند.

لیزر پیوسته و پالسی

• لیزر پیوسته: نور را به طور مداوم و با توان ثابت گسیل می کند.

• لیزر پالسی: نور را به صورت پالس های کوتاه گسیل می کند. با روش هایی مانند سوئیچ Q و قفل شدگی مد، می توان پالس هایی با طول نانوثانیه تا فمتوثانیه و توان لحظه ای بسیار بالا تولید کرد.

کاربردهای لیزر

• صنعت: برش، جوش، حکاکی، علامت گذاری و سوراخکاری مواد

• پزشکی: جراحی و اصلاح دید چشم، دندانپزشکی، درمان های پوستی و لیزر موهای زائد

• ارتباطات: انتقال داده در شبکه های فیبر نوری

• الکترونیک مصرفی: دستگاه های خواندن دیسک، چاپگرهای لیزری و بارکدخوان ها

• اندازه گیری: اندازه گیری فاصله، لایدار، تراز کردن و تداخل سنجی

• طیف سنجی: مانند طیف سنجی رامان که از لیزر به عنوان منبع تحریک استفاده می کند

• تحقیقات علمی: در فیزیک، شیمی و زیست شناسی

ایمنی لیزر

پرتو لیزر حتی با توان کم می تواند به چشم آسیب دائمی بزند. لیزرها بر اساس استاندارد IEC 60825-1 در کلاس های ۱، ۱M، ۲، ۲M، ۳R، ۳B و ۴ دسته بندی می شوند که خطر آنها از کلاس ۱ به ۴ افزایش می یابد. برای آشنایی کامل با این کلاس ها و نکات ایمنی، مقاله ایمنی لیزر را بخوانید و هنگام کار با لیزرهای پرخطر، از عینک ایمنی لیزر مناسب طول موج آن استفاده کنید.

سوالات متداول درباره لیزر

لیزر مخفف چیست؟

مخفف Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنای تقویت نور با گسیل القایی تابش.

تفاوت نور لیزر با نور معمولی چیست؟

نور لیزر تک رنگ، همدوس، بسیار جهت دار و پرشدت است، در حالی که نور معمولی طول موج های مختلف دارد، در همه جهات پخش می شود و همدوس نیست.

وارونگی جمعیت چیست؟

حالتی که تعداد اتم ها در تراز انرژی بالاتر بیشتر از تراز پایین تر باشد؛ شرط لازم برای تقویت نور در لیزر.

طول موج لیزر به چه چیزی بستگی دارد؟

عمدتا به نوع محیط فعال؛ برای مثال لیزر هلیوم نئون ۶۳۲.۸ نانومتر و لیزر CO2 ۱۰.۶ میکرومتر نور تولید می کند.

نخستین لیزر چه زمانی ساخته شد؟

در سال ۱۹۶۰ توسط تئودور مایمن با استفاده از بلور یاقوت سرخ.

جمع بندی

لیزر بر پایه پدیده گسیل القایی کار می کند و نوری تک رنگ، همدوس، جهت دار و پرشدت تولید می کند. هر لیزر از سه بخش اصلی تشکیل شده است: محیط فعال که طول موج را تعیین می کند، سیستم پمپاژ که با ایجاد وارونگی جمعیت انرژی لازم را تامین می کند، و تشدیدگر نوری که نور را بارها از محیط فعال عبور داده و تقویت می کند. لیزرها بر اساس محیط فعال به انواع حالت جامد، گازی، نیمه رسانا، رنگینه ای و فیبری تقسیم می شوند و در صنعت، پزشکی، ارتباطات، اندازه گیری و طیف سنجی کاربرد گسترده ای دارند.

منابع

• ScienceDirect