آشنایی با عملکرد لیزر

در این مقاله، به یکی از پرکاربردترین حوزه های اپتیک ، یعنی لیزر می پردازیم که نام آن را بسیار شنیده اید و یا با آن کار کرده اید.

امروزه سیستم های لیزر با توجه به منشأ تولید و انرژی یا طول موجی که دارند، کاربردهای بسیاری به ویژه در صنعت و پزشکی دارند.

آنها را در همه جا، از پخش کننده سی دی گرفته تا مته های دندانپزشکی، تا دستگاه های برش فلز با سرعت بالا و سیستم های اندازه گیری خواهید یافت. در موارد پزشکی از جمله کاشت مو و جراحی چشم  نیز از آنها استفاده می کنند.

اما چه چیزی پرتو لیزری را با پرتو چراغ قوه متفاوت می کند؟ لیزرها چگونه طبقه بندی می شوند؟ داشتن اطلاعات در مورد نحوه عملکرد آنها می تواند در شناخت و انتخاب آنها مفید باشد.

با ما همراه باشید.

تعریف لیزر

پرتو لیزری، یک پرتو همدوس و متمرکز از فوتون های پر انرژی و تقریباً تک طول موج است. منظور از کلمه همدوس، به این معنی است که همه پرتوهای آن یک طول موج واحد دارند، بر خلاف نور معمولی که از بخش های مختلفی تشکیل شده است.

کلمه لیزر، برگرفته از مخفف چند واژه و به معنی "تقویت نور با نشر القایی تابش" است (Light amplification by stimulated emission of radiation). در حقیقت، لیزرها در نتیجه اثرات رزونانسی یا تشدید کار می کنند و خروجی پرتو الکترومغناطیسی همدوس است، به طوری که همه امواج دارای فرکانس و فاز یکسانی هستند.

بخش های مختلف لیزر

به طور کلی، انواع مختلف لیزر از بخش های مختلفی تشکیل شده اند و عملکرد نهایی آنها، تولید باریکه ای از نور همدوس تقویت شده است که برای کاربردهای ویژه ای به کار می روند.

اجزای اصلی شامل موارد زیر است:

• یک محیط فعال (مانند یک کریستال، گاز، محلول یا نیمرسانا)
• یک مکانیزم پمپاژ برای انرژی دادن به محیط
• حفره متشکل از دو دو آینه قرار گرفته در انتهای مخالف

محیط لیزر دهنده

یک محیط فعال، به ماده یا محیطی اطلاق می شود که برای تولید و تقویت نور استفاده می شود و نقش مهمی در تعیین  ویژگی های پرتو لیزری دارد. انتخاب ماده فعال، طول موج خروجی پرتو را تعیین می کند.

محیط یا ماده فعال، حاوی اتم‌ ها یا مولکول‌ هایی است که معمولاً توسط تابش یک منبع خارجی فعال می گردند و در نتیجه، تعدادی از فوتون ها با انرژی مناسب، یک جریان آبشاری خواهند داشت.

برای تولید لیزر، در طول موج های مختلف و برای مصارف گوناگون، انواع مختلفی از محیط های فعال استفاده می شود، از جمله:

محیط فعال حالت جامد

این انواع، از یک ماده جامد (معمولاً کریستال) به عنوان محیط فعال استفاده می کنند. به عنوان مثال می توان به لیزرهای Nd:YAG اشاره کرد که متشکل از یون های نئودیمیوم در بلور میزبانی از لعل yttrium aluminum است و استفاده های گسترده ای دارند.

محیط فعال گازی

این نوع، از ترکیبات اتم، مولولکوی و یا یونی گازها به عنوان محیط فعال استفاده می کنند و نمونه های متداول، در چهار گروه کلی وجود دارند:

1.  اتم خنثی He/Ne: قیمت پایینی دارند و بنابراین، نسبت به انواع دیگر بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند (nm 632.8).
2. یون های با ماده فعال +Ar (در نواحی سبز و آبی نور مرئی) یا +Kr:
3. مولکلول هایی مانند CO2 (ناحیه فروسرخ، 10.6 μm) و N2 (ناحیه مرئی، 337.1 nm):
4. نوع اگزایمر (Excimer): ترکیبی از گازهای مختلف است (بخار فلز یا دایمرهای گازهای نجیب) و در چشم پزشکی استفاده می شود (محدوده فرابنفش).

اگزایمرها گروهی از پرتوهای لیزری پالسی هستند که بر اساس گذارهای الکترونی در مولکول های ناپایدار عمل می کنند و کلمه "excimer" به معنای مولکول دو اتمی برانگیخته است.

محیط فعال نیمرسانا

انواع نیمرسانا که به عنوان لیزرهای دیودی نیز شناخته می شوند، از مواد نیمه هادی مانند گالیم آرسنید (GaAs) یا فسفید گالیم آرسنید ایندیم (InGaAsP) استفاده می کنند که بر مبنای رسانش الکتریکی عمل می کنند.

محیط فعال رنگ

این نوع لیزرها، بعنوان منبع تابش در فیزیک طیف سنجی و شیمی تجزیه بسیار مهم و کاربردی هستند، زیرا در بازه 20-50 nm طیف پیوسته ای دارند.

ماده فعال، محلول یا مایعات ترکیبات آلی (رنگ های طبیعی) است که در نواحی مرئی، فروسرخ و فرابنفش تابش فلورسانسی دارند.

در حقیقت، این محلول های رنگی، نور را در یک طول موج جذب مشخص کرده و در طول موج دیگری آن را ساطع می کنند و در نتیجه، امکان تولید لیزری با قابلیت تنظیم را فراهم می نمایند.

محیط فعال نوع فیبر

در این تکنیک که فناوری جدیدی است، از فیبر نوری دوپ شده با یون های کمیاب قلیایی مانند ytterbium یا erbium به عنوان محیط فعال استفاده می شود. ساختار فیبر، یک محیط طویل و انعطاف پذیر است که امکان تقویت نور تا حد بالایی را فراهم می کند.

بنابراین می بینید که انتخاب ماده فعال، به موارد مختلفی از جمله: طول موج، توان خروجی، راندمان و سایر الزامات خاص کاربردی بستگی دارد.

هر نوع محیط فعال خواص و مزایای منحصر به فرد خود را دارد که آنها را برای کاربردهای مختلف از تحقیقات علمی گرفته تا فرآیندهای صنعتی و درمان های پزشکی مناسب می کند.

مکانیزم پمپاژ

مکانیزم پمپاژ، انرژی را به محیط فعال که معمولاً جامد، مایع یا گاز است، می رساند و باعث می شود که مولکول های اتم محیط برانگیخته شده و به حالت انرژی بالاتر برسند (به اصطلاح فعال شوند).

فرکانس یا انرژی پمپاز، با فرکانس طبیعی (رزونانسی) اتم های ماده ای که حفره را پر کرده است، یکسان است. با بازگشت این ذرات برانگیخته به حالت انرژی پایین تر، فوتون آزاد می کنند.

این فوتون‌های ساطع شده، دیگر ذرات برانگیخته را تحریک می‌ کنند تا فوتون‌ های بیشتری آزاد کنند و در نتیجه یک اثر آبشاری به نام نشرالقایی ایجاد می‌ شود. این فرآیند یک پرتو همدوس با طول موج و جهت خاص ایجاد می کند.

بسته به نوع لیزر و محیط آن، روش های مختلفی برای پمپاژ انرژی استفاده می شود. در ادامه به سه مکانیزم رایج پمپاژ می پردازیم:

1- پمپاژ نوری

در پمپاژ نوری، محیط فعال با استفاده از یک منبع نور خارجی مانند لامپ ها یا لیزر دیگری برانگیخته می شود.

نور خارجی پمپاژ شده، توسط اتم ها یا مولکول های موجود در محیط جذب می شود و باعث گذار آنها به سطوح انرژی بالاتر می شود. این فرآیند را می توان از طریق جذب مستقیم یا از طریق یک فرآیند چند مرحله ای شامل سطوح انرژی متوسط به دست آورد.

2- تخلیه الکتریکی

برخی از سیستم های لیزری، در اثر عبور تخلیه الکتریکی از محیط فعال ایجاد می شوند. جریان الکتریکی اتم ها یا مولکول ها را تحریک می کند و آنها را به سطوح انرژی بالاتر می برد. این روش معمولاً در لیزرهای گازی مانند لیزرهای هلیوم نئون (HeNe) و لیزرهای دی اکسید کربن (CO2) استفاده می شود.

3- پمپاژ دیودی

پمپاژ دیودی شامل استفاده از دیودهای نیمه هادی به عنوان منبع انرژی برای ایجاد لیزرهای حالت جامد است. دیودهای لیزری پرقدرت، نور با طول موج‌ های خاصی ساطع می‌ کنند که با ویژگی‌ های جذبی محیط فعال مطابقت دارد.

پس از برانگیختگی اتم ها یا مولکول های ماده فعال، وارونگی جمعیت ایجاد می شود و پرتوهای همدوسی تولید می شوند.

حفره مجهز به آینه های انتهایی

اصطلاح "حفره" به ساختار یا آرایش فیزیکی اشاره دارد که امکان تولید و تقویت نور را فراهم می کند. حفره معمولاً شامل دو آینه است که در دو طرف مقابل قرار گرفته اند و یک تشدید کننده نوری را تشکیل می دهند.

آینه ها نقش مهمی در تولید و دستکاری یا تنظیم پرتو لیزری دارند. آینه ها معمولاً در انتهای حفره لیزر قرار می گیرند و نقش تشدید کننده نور را دارند.

در حقیقت، این آینه‌ ها، فوتون‌ های درون حفره را به جلو و عقب منعکس می‌ کنند و به آن‌ ها اجازه می‌ دهند با ذرات برانگیخته‌ تر تعامل کنند و تحت تابش القایی بیشتری قرار بگیرند.

آینه بازتابنده 

این آینه بازتاب بالایی دارد (معمولاً بالای 99٪) که نور لیزر را به داخل حفره منعکس نموده و از عبورهای چندگانه فوتون ها در محیط فعال اطمینان حاصل می‌ کند. در حقیقت این آینه به بازگشت نوری مورد نیاز برای نوسان پرتو و تقویت آن کمک می کند.

آینه جفت کننده خروجی

این آینه تا حدی منعکس کننده است و به بخش کوچکی از پرتو نور اجازه عبور می دهد و در عین حال بیشتر نور را به داخل حفره بازتاب می دهد و میزان توان خروجی، با میزان بازتاب آینه تعیین می شود.

این دو آینه با هم، تشدید کننده نور هستند که نور را در حفره لیزر به دام انداخته و تقویت می کنند و در نتیجه، پرتوی همدوس و با شدت بالا تولید می شود که توسط آینه جفت کننده خروجی نیمه بازتابنده به بیرون ساطع می شود.

توجه به این نکته مهم است که طراحی و پیکربندی خاص آینه ها در یک سیستم لیزری بسته به نوع محیط فعال (به عنوان مثال حالت جامد، گاز، نیمه هادی) و کاربرد مورد نظر آن می تواند متفاوت باشد و آنچه که توضیح داده شد، در ساده ترین حالت است.

طول و جهت فضایی حفره نقش مهمی در تعیین خواص پرتو خروجی مانند طول موج، شدت و مشخصات فضایی آن دارد. با تنظیم طول حفره یا استفاده از انواع مختلف آینه، می توان این ویژگی ها را کنترل کرد و خروجی لیزر را برای کاربردهای خاص تنظیم کرد.

سخن پایانی

لیزر یکی از مهم ترین اختراعاتی است که در قرن بیستم توسعه یافته است و کاربردهای بسیار متنوعی در الکترونیک، سخت افزار کامپیوتر، پزشکی و علوم تجربی یافته است.

در این مقاله به بخش های مختلف یک سیستم لیزری، در ساده ترین حالت پرداختیم. دقت داشته باشید که در سیستم های با دقت بسیار بالا، مکانیزم تولید نیز کاملاً پیچیده خواهد بود.

منابع

Wikipedia

ScienceDirect