فیزیک ساده ی لیزر
باید با نظریه ترازهای انرژی اتمی شروع کنیم. احتمالا در شیمی، مدل "توپ تنیس" اتمها را به یاد دارید.در این مدل الکترونها روی مدارهای حول اتم قرار گرفتند، دو تا در لایه اول، هشت تا در لایه دوم، و الی آخر. پس برای اکسیژن با هشت الکترون شکل زیر را میتوان رسم نمود:
fig. 1
مدل توپ تنیس رد شد چون یک الکترون ممکن است فقط یک مقدار مشخصی انرژی نداشته باشد، بلکه محدود به یک سری مقادیر ثابت باشد. این مثالی است از کوانتیزگی. آثار فیزیکی دیگر محدود می شوند به شماره یا الکترونهایی که ممکن است یک تراز انرژی معین را اشغال کنند، اما این مساله در اینجا اهمیت زیادی ندارد.
الآن، ما باید یک اتم ایده آل با دو تراز انرژی و یک الکترون را بررسی کنیم. ( در حقیقت خیلی از اتمهای واقعی می توانند اینگونه رفتار کنند. اما در ابتدا به این سادگی نیستند.) الکترون ممکن است که در هریک از دو تراز انرژی باشد، بدین گونه:
fig. 2
این مانند حالت شخصی است که فقط اجازه دارد روی یک صندلی، یا روی زمین (دو سطح مشخص) بایستد. الکترونی که روی سطح بالاتر است ممکن است به سطح پایین تر بیافتد. در این بازگشت باید مقدار انرژی ای برابر با تفاضل انرژی بین دو سطح را از دست بدهد. که این به خاطر وجود قانون بقای انرژی است. این انرژی به صورت نور آزاد می شود.
نور نیز کوانتیزه است. می توان آن را با گروههای فوتونی نمایش داد. هر فوتون، یک کوانتوم از انرژی نور راحمل می کند. مقدار انرژی در یک کوانتوم، وابسته به طول موج (رنگ) نور است.
fig. 3
بنابر این می بینیم که هر فوتون در یک طول موج کوتاه مثل نور آبی با 470 نانو متر انرژی بالایی دارد، و در نور قرمز با 670 نانو متر انرژی پایینی دارد.
ما همه ی این موضوع را شرح نمی دهیم، تنها توضیحی برای درک بهتر ارائه می کنیم. نکته مهم اینست که طول موج نور وابسته است به انرژی یک فوتون آن . بنابراین الکترون ما در اتم ایده آل که یک فوتون با انرژی مشخص از دست داده، نور یک طول موج یا " رنگ " مشخص را ساتع می کند.
این در مسیر نور دیده شده. به عنوان مثال اتمهای سدیم انرژی الکتریکی می گیرند برای اینکه الکترونهاشان به ترازهای بالاتر بروند،سپس این الکترونها به محل اولیه و پایین تر باز میگردند و نوری با 589 نانومتر ساتع می کنند که مسیر نور را مشخص می سازد.
این فرایند گسیل خودبخودی نامیده شده است که در آن اتم خودبخود، بدون اثر عوامل خارجی، نور منتشر می کند. اگر اتم هنوز ایزوله (منزوی) نشده باشد اثرات دیگری نیز ممکن است رخ دهند. فوتونهای با همان انرژی تراز بالایی می توانند از انرژیشان برای حرکت یک الکترون از تراز پایین تر به تراز بالاتر استفاده کنند. این جذب نامیده می شود که فوتون در این فرایند نابود می شود. هرگاه یک فوتون با انرژی صحیح از یک اتم با الکترون آن در تراز بالاتر عبور کند، ممکن است باعث شود که الکترون به تراز پایین تر بیافتد. این گسیل القایی خیلی با گسیل خودبخودی تفاوت دارد. در فرایند خودبخودی فوتون می تواند در هر امتدادی حرکت کند در هر زمان منتشر شود، اما، گسیل القایی، سبب می شود فوتون منتشر شده در امتداد یکسان با فوتونهای گذرنده و در همان زمان حرکت کند.
fig. 4
سر انجام به لیزر ها میرسیم. کلمه ی لیزر بر گرفته شده از حروف اول کلمات Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابشاست. به همین دلیل باید همه چیز را در مورد گسیل القایی توضیح دهم. اگر ما اتمهای گروه N را داشته باشیم هر سه فرآیند گفته شده در بالا رخ می دهند برخی از آنها که N2 دارند، الکترونهاشان در تراز بالاتر و برخی که N1 دارند با الکترونهاشان در تراز پایین تر قرار می گیرند. در لیزر باید گسیل القایی بیشترین تاثیر را داشته باشد ( که بتوان ازمخفف حروف آن در ساخت واژه لیزر استفاده کرد). حال بیایید نسبت رخ دادن هر فرآیند را بررسی کنیم:
گسیل خودبخودی
این گسیل به وجود الکترون در تراز بالاتر وابسته است. طبق یک تناسب معین، الکترونهای تراز بالاتر در یک زمان معین منتشر خواهند شد، بنابراین:
نسبت خودبخودی= a N2
جذ ب
این فرآیند به وجود الکترون در تراز پایین تر و نیز حضور یک فوتون در آنجا بستگی دارد. اگر تعداد فوتونها را n ،و نسبت برهمکنشی را که ممکن است رخ دهد b در نظر بگیریم خواهیم داشت:
نسبت جذ ب= b N1 n
گسیل القایی
این همان جذب است اما در اینجا الکترون باید به تراز بالاتر جهش کند:
نسبت گسیل القایی= b N2 n
میخواهیم بحث در مورد آخر راگسترش دهیم. a و b ثابت هایی هستند که مقدار آنها به نوع اتم مورد استفاده بستگی دارد و بنابراین تحت کنترل ما نیستند. پس برای گسیل القایی که بزرگتر از گسیل خودبخودی می شود، n باید بزرگ باشد – ما فوتونهای بسیاری در لیزر نیاز داریم. برای اینکه گسیل القایی بزرگتر از گسیل خودبخودی باشد باید N2 بزرگتر از N1 باشد- اکثر اتمها الکترونهایی که در تراز بالاتر دارند بیشتر از الکترونهاییست که در تراز پایین تر دارند. این یک وارونی است که برای الکترونهایی که در پایین ترین تراز انرژیشان قرار گرفته باشند، طبیعی است. این نکته از این حقیقت ناشی میشود که در نبود تا ثیر عوامل خارجی ، برای مثال نبودن فوتون n=0 ، تنها فرآیندی که می تواند رخ دهد گسیل خودبخودی است که اجازه خواهد داد هر الکترونی که در ابتدا در تراز بالاتر قرار دارد به تراز پایین تر بیافتد، و برعکس آن صادق نیست.
مشکل اساسی در تولید یک لیزر ساختن این وارونی لازم در جمعیت دو تراز است. توجه کنید که ما داریم در باره ی هر یک از اتمهای بسیار با تک الکترونی که ممکن است در یکی از دو تراز باشد صحبت می کنیم. ما نباید الکترونهای زیادی برای اتم در نظر بگیریم چون در این صورت حرکت آنها بین ترازها توسط قوانینی که تعیین میکنند که چگونه الکترونهای زیاد فقط یک تراز از یک اتم ویژه را اشغال کنند، محدود خواهد شد.
الآن ادعا می کنیم که یک وارونی داریم، N2 بزرگتر از N1 ، پس می توانیم حروف SE را از واژه ی LASER بگیریم. حال با استفاده از این امر چگونه نور را تقویت می کنیم؟ یک تک فوتون را در نظر بگیرید که به محیطی که اتمها در آن قرار دارند وارد می شود. این فوتون از نزدیکی اتمی که الکترون آن در تراز بالاتر است عبور کرده و سبب می شود که آن یک فوتون دیگر را گسیل کند که این فوتون دوم نیز طبق گسیل القایی در همان راستای فوتون اول حرکت خواهد کرد. الآن دو فوتون وجود دارد، هر یک از آنها می تواند باعث گسیل القایی در دو اتم دیگر شود و چهار فوتون بدست اید، و به همین ترتیب...
fig. 5
بنابراین ما تقویت داریم، که بعنوان یک فایده می شناسیم. ناحیه ی در بر گیرنده ی اتمها بعنوان کاواک تشدید شناخته شده. مرحله آخر در لیزر بدست آوردن اولین فوتون برای تقویت است. این کار توسط قرار دادن کاواک تشدید بین دو آیینه انجام میشود. این فرم به عنوان کاواک لیزر شناخته شده است.
fig. 6
در ابتدا نوری در کاواک وجود ندارد. تنها فرآیند ممکن برای اینکه اتمها تحت تاثیر قرار بگیرند، گسیل خودبخودی است، که به موقع خود رخ خواهد داد. در ابتدا، نور در هر راستایی بیرون از کاواک ممکن است حرکت کند، و بیش از همه از کاواک منحرف می شود. در هر حال از بین بیش از میلیونها فوتون منتشر شده توسط میلیونها اتم در هر محیط واقعی، در نهایت حدودا یک فوتون وجود دارد که دقیقا به سمت یکی از آیینه ها حرکت میکندو به کاواک تشدید بازتابیده می شود. حالا این اولین فوتون ماست. به محض اینکه این فوتون از کاواک تشدید عبور کند، باعث گسیل القایی میشود که در بالا شرح آن داده شد و در آخر توسط کاواک تشدید دهها فوتون خواهیم داشت. حال قسمت مهم اینست که همه ی این فوتونها در همان راستای فوتون اول حرکت می کنند، پس با آیینه ی دیگر به کاواک تشدید بازتابیده خواهند شد. این دهها فوتون هر یک سبب گسیل القایی می شوند،و وقتی که در بیرون از ناحیه به اولین آیینه رسیدند دوباره یکصد فوتون به کاواک تشدید بازتابیده شده و به 1000 فوتون افزایش می یابند و الی آخر...
fig. 7
بنابراین ما خیلی زود به فوتونهای زیادی می رسیم که در کاواک به عقب و جلو حرکت می کنند. بدیهی است که در این مورد ایده آل هیچ فوتونی از اشعه تقویت شده ی پیوسته اتلاف نمی شود، و تعداد فوتونها مدام رو به افزایش است. در یک لیزر واقعی بعضی فوتونها به دلایل مختلف تلف می شوند. یکی از این دلایل کاملا از روی عمد است. یکی از آیینه ها به منظور بازتاب تنها بخشی از نور ساخته شده، و نیز بمنظور نگهداشتن نور. پس این اشعه ی خروجی لیزر است و آیینه ی "سوراخدار" به عنوان متصل کننده ی خروجی بازگردانده می شود. شاید بعدا که تقویت کاملا جایگزین فوتونها از دست رفته از کاواک شود توسط متصل کننده خروجی یک حالت پایدار بدست آید. پس در هر زمان یک مقدار ثابت از فوتونها در کاواک وجود دارد. برای مثال یک لیزر با تقویت 1.12 (بیش از حالت واقع گرایانه از تقویت ده استفاده شده که قبلا توضیح داده شد) و یک متصل کننده خروجی که فقط 80% نوری را که داریم بازتاب می کند:
fig. 8
بنابراین اشعه خروجی فوتونهایی دارد که دارند در یک امتداد ثابت حرکت می کنند و همچنین طول موج (رنگ) ثابتی دارند که توسط ترازهای انرژی الکترونها در اتمهای کاواک تشدید مشخص می شوند.پس تا اینجا شما این را دارید. تا حدی گیج شدیدنه؟
لیزرها طبق نوع کاواک تشدید دسته بندی شده اند، برای مثال:
لیزرهای هلیوم- نئون
لیزرهای کوچک ارزان قیمت و با توان کم که در آن از نئون به عنوان کاواک تشدید استفاده می شود ( هلیوم در ایجاد وارونی نقش دارد). این همان لیزرهای قرمزی است که شما احتمالا در مدرسه دیده اید. یکی از ابتدایی ترین لیزرهای موجود.
لیزرهای من از انواع زیرند:
لیزر بخار مس ( CVL )
این لیزر مس بخار شده نزدیک به c°1500 دارد. یک تخلیه الکتریکی در بخار مس ایجاد میکنند و الکترونهای مس را در لیزر به تراز بالاتر برانگیخته کرده، و یک وارونی ایجاد می کند. دو تراز بالاتر مختلف وجود دارد که این باعث می شود لیزر به دو صورت عمل کند و بنابراین اشعه خروجی فوتونهایی از دو طول موج خواهد داشت – سبز در 511 نانو متر و زرد در 578 نانو متر.
لیزر تیتانیوم:یاقوت
در اینجا اتمهایی که باعث تقویت می شوند، تیتانیوم هستند (Ti). این اتمها به مقادیر کم یاقوت کبود (Al2O3) اضافه شده اند. این مثل سنگ جواهر یاقوت کبود آبی رنگ نیست. خود یاقوت کبود، Al2O3 خالص، یک کریستال بدون رنگ است. وقتی که بطور طبیعی ساخته می شود ناخالصیهایی دارد (بیشتر آهن) که آن را آبی رنگ می سازد. تیتانیوم اضافه شده به یاقوت کبودی که ما بطور مصنوعی می سازیم قرمز است. وارونی با جذب نور از CVL ایجاد می شود، فرایندی که به نام مکش شناخته شده. این به این دلیل امکانپذیر است که اینها اتمهای دو ترازه ی ایده آل ما نیستند. اینجا چهار تراز فعال وجود دارد. اتمها توسط پمپ نور از CVL به بالاترین تراز برانگیخته شده اند. سپس به تراز میانی افت می کنند، و هنگامی که اشعه تحریک شده را به پایین ترین تراز می برند، قادرند که لیزر کنند ( لیزر کردن: منظور کاری است که لیزر انجام می دهد) :
fig. 9
واضح است که انرژی فوتون القایی کمتر از انرژی فوتون جذب شده در پمپ است، بنابراین طول موج بلندتری خواهد داشت. تیتانیوم:یاقوت در 780نانومتر عمل می کند. فرق بین لیزری که پمپ میکند با یکی دیگر در اینست که اتمهای تیتانیوم در یاقوت همان رفتار اتمهای آزاد را ندارد.ترازهای انرژی الکترون آنها که توسط اتمهای دیگر در کریستال آشفته شده اند، گستره انرژی آنها را افزایش می دهد، و به بیش از نوارهایی از ترازهای گسسته می رساند. این به این معنی است که طول موجها در سرتاسر باند در محدوده ای می توانند باشند که بیش از فقط یک طول موج است. پس ما میتوانیم طول موج دقیقی را که می خواهیم انتخاب کنیم. در کل این ماده خیلی پیچیده ایست.
لیزرهای دیودی
اینها لیزرهای خیلی جدید و مورد توجهی هستند که برای ساخت این لیزرهای بسیار کوچک با استفاده از سیلیکون و دیگر نیمه رساناها از تکنیک های ساخت تراشه ی کامپیوتر استفاده می کنند. من دقیقا مطمئن نیستم که آنها چطور کار می کنند، اما همان خواص سیلیکون است که باعث می شود آن در تراشه کامپیوتر کار کند و نیز باعث می شود که آن به عنوان یک لیزر کار کند. این لیزر ها در CD player ها، دستگاه خواننده بارکد در سوپر مارکت ها ، لیزرهای راهنما در پرتاب موشک،آزمایشگاه من و غیره استفاده شده اند. از مزایای بیشتر این لیزرها اینست که خیلی کوچک هستند و در تبدیل توان ورودی الکتریکی شان به نور خروجی خیلی کارآمدند. در حقیقت یک نمونه ی بارز از بازده 70-80% هستند، در حالیکه یک CVL ، که یکی از کارآمدترین لیزرهای انواع دیگر است، نوعا 1% بازده دارد. تنها دلیلی که این لیزرها کاملا جهان لیزرها را در دست نگرفته اند اینست که آنها خیلی suceptable هستند برای خطر و هنوز توان نسبتا پایینی دارند ( بیشترین توان آنها در حدود 5 وات است در حالیکه CVL ،40 وات توان داردو بزرگترین CVL ها چند صد وات توان دارند.). این مشکلاتی که وجود دارند همچنان غلبه میکنند، و من روزی را می بینم که مجبورم لیزر تیتانیوم یاقوتم را طوری تنظیم کنم که با یک لیزر دیودی علاوه بر CVL پمپ بشود.
نوشته شده توسط ویلیا م وادسورس 1994
درباره 
محصولات
تماس سریع و مشاوره
نظرسنجی