کاربرد ليزر در ارتباط نوری  

کاربرد ليزر در ارتباط نوری استفاده از باريکه ي ليزر برای ارتباط در جو به خاطرِ داشتن دو مزيت مهم, اشتياق زيادی برانگيخت که اين دو مزيت مهم عبارتند از :

الف) اولين علت, دسترسی به پهنای نوار نوسانی بزرگ ليزر است.

زيرا مقدار اطلاعات قابل انتقال روی يک موج حامل متناسب با پهنای نوار آن است. فرکانس موج حامل از ناحيه ميکروموج به ناحيهٔ نور مرئی به اندازه ي 104 برابر افزايش می‌‌يابد و در نتيجه امکان استفاده از يک پهنای بزرگتر را به ما می‌‌دهد.

ب) علت دوم طول موج کوتاه تابش است.

چون طول موج ليزر نوعاً حدود 104 مرتبه کوچکتر از امواج ميکرو موج است با قطر روزنه يکسان D واگرايی امواج نوری به اندازه 104 مرتبه نسبت به واگرايی امواج ميکرو موج کوچکتر است. بنابراين برای دستيابی به اين واگرايی آنتن يک سيستم اپتيکی می‌‌تواند به مراتب کوچکتر باشد.

اما اين دو امتياز مهم با اين واقعيت خنثی می‌‌شوند که باريکه نوری تحت شرايط ديد ضعيف در جو به شدت تضعيف می‌‌شود. در نتيجه استفاده از ليزرها در ارتباطات فضای باز (هدايت نشده) فقط در مورد اين موارد توسعه يافته اند:

الف) ارتباطات فضايی بين دو ماهواره و يا بين يک ماهواره و يک ايستگاه زمينی که در يک شرايط جوی مطلوب قرار گرفته است.

ليزرهايی که در اين مورد استفاده می‌‌شوند عبارتند از: ND:YAG با آهنگ انتقال 109 بيت در ثانيه گرچه CO2 نسبت به ND:YAG دارای بازدهی بالاتری است ولی دارای اين اشکال است که نياز به سيستم آشکارسازی پيچيده تری دارد و طول موج آن هم به اندازه 10 مرتبه بزرگتر از طول موج ND:YAG است.

ب) ارتباطات بين دو نقطه در يک مسافت کوتاه مثلاً انتقال اطلاعات درون يک ساختمان که برای اين منظور از ليزرهای نيمرسانا استفاده می‌‌شود. اما زمينه ي اصلیِ مورد توجه در ارتباطات نوری مبتنی بر انتقال از طريق تارهای نوری است. انتقال هدايت شدهٔ نور در تارهای نوری پديده‌ای است که از سالها پيش شناخته شده است اما تارهای نوری اوليه فقط در مسافت های خيلی کوتاه مورد استفاده قرار می‌‌گرفتند

مثلاً کاربرد متعارف آن ها در وسايل پزشکی برای آندوسکوپی است ؛ بنابراين در اواخر سال 1960 تضعيف در بهترين شيشه‌های نوری در حدود 1000 دِسی بِل بر کيلومتر بود. از آن زمان پيشرفت تکنيکی شيشه و کوارتز باعث تغيير شگفت انگيزی در اين عدد شده است به طوری که اين تضعيف برای کوارتز به 5/0 دسی بل بر کيلومتر رسيده است. اين تضعيف فوق العاده کوچک آينده مهمی را برای کاربرد تارهای نوری در ارتباطات راه دور نويد می‌‌دهد.

سيستم ارتباطات تارهای نوری نوعاً شامل يک چشمهٔ نور , يک جفت کننده نوری مناسب برای تزريق نور به تارها و درانتها يک فوتوديود است که باز هم به تار متصل شده است. تکرار کننده شامل يک گيرنده و يک گسيلندهٔ جديد است.

چشمهٔ نورِ سيستمِ اغلبِ ليزرهای نيم رسانایِ نا هم پيوندی دوگانه است. اخيراً طول عمر اين ليزرها تا حدود 106 ساعت رسيده است. گرچه تا کنون اغلب , از ليزر گاليُم ارسنيد GaAs استفاده شده است ولی روش بهتر استفاده از ليزرهای نا هم پيوندی است که در آنها لايهٔ فعال, ترکيبی از آلياژ چهارگانه به صورت In1-x Gax Asy P1-y است. در اين حالت لبه‌های P ,n پيوند , گاه از ترکيب دوگانه InP تشکيل شده است و با استفاده از ترکيب y=2v2x می‌‌توان ترتيبی داد که چهار آلياژ چهارگانه شبکه‌ای که با InP جور شود با انتخاب صحيح x طول موج تابش را طوری تنظيم کرد که در اطراف µm 3/1 و يا اطراف µm 1/6واقع شود که به ترتيب مربوط به دو مينيموم جذب در تار کوارتز هستند. بسته به قطر d هسته مرکزی تار ممکن است از نوع تک مد باشد برای آهنگ انتقال متداول فعلی حدود 50 مگابيت در ثانيه معمولا از تارهای چند مدی استفاده می‌‌شود. برای آهنگ انتقال های بيشتر تارهای تک مدی مناسبتر به نظر می‌‌رسند. گيرنده معمولا يک فوتو ديود بهمنی است اگر چه ممکن است از يک ديود PIN و يک ديود تقويت کننده حالت جامد مناسب نيز استفاده کرد.

فاصله یاب لیزری

فاصله یاب لیزری مبتنی بر همان اصولی است که در رادارهای معمولیاز آن ها استفاده می شود. یک تپ کوتاه لیزری ( معمولا با زمان 10 تا 20 نانوثانیه) به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراکنده برگشتی بوسیله یک دریافت کننده مناسبنوری که شامل آشکارساز نوری است ثبت می شود. فاصله مورد نظر با اندازه گیری زمانپرواز این تپ لیزری به دست می اید. مزایای اصلی فاصله یاب لیزری را می توان به صورتزیر خلاصه کرد 

الف) وزن - قیمت و پیچیدگی آن به مراتب کمتر ازرادارهای معمولی است.
ب) توانایی اندازه گیری فاصله حتی برای هنگامی که هدف درحال پرواز در ارتفاع بسیار کمی از سطح زمین و یا دریا باشد.

اشکال عمده فاصله یاب های لیزری

در این استکه باریکه لیزر در شرایط نامناسب رویت به شدت در جو تضعیف می شود. فعلا چند نوع از فاصله یاب های لیزری با بردهای تا حدود 15 کیلومتر مورد استفاده اند :

الف) فاصله یاب های دستی برای استفاده سرباز پیاده ( یکی از آخرین مدل های آن در آمریکاساخته شده که در جیب جا می گیرد و وزن آن با باتری حدود 500 گرم است.
ب) سیستمهای فاصله یاب برای استفاده در تانك ها
ج) سیستم های فاصله یاب مناسب برای دفاع هوايي

اولین لیزرهای که در فاصله یابی از آن ها استفاده شد لیزرهای یاقوتی با سوئیچ Q بودند. امروزه فاصله یاب های لیزری اغلب بر اساس لیزرهای نئودمیم با سوئیچ Q طراحی شده اند. گرچه لیزرهای CO2 نوع TEA در بعضی موارد ( مثل فاصله یابتانکها ) جایگزین جالبی برای لیزرهاینئودمیم است.
 

کاربرد نظامی لیزر در علامت گذاری

دومین کاربرد نظامی لیزر در علامت گذاری است. اساس کار علامتگذاری لیزری خیلی ساده است : لیزری که در یک مکان سوق الجیشی قرار گرفته است هدف راروشن می سازد به خاطر روشنایی شدید نور هنگامی که هدف به وسیله یک صافی نوری بانوار باریک مشاهده شود به صورت یک نقطه روشن به نظر خواهد رسید. سلاح که ممکن است بمب - موشك - و با اسلحه منفجر شونده دیگری باشد بوسیله یک سیستم احساسگر مناسب مجهز شده است.

در ساده ترین شکل این احساسگر می تواند یک عدسیباشد که تصویر هدف را به یک آشکارساز نوری ربع دایره ای که سیستم فرمان حرکت سلاح را کنترل می کند انتقال می دهد و بنابراین می تواند آن را به سمت هدف هدایت کند. به این ترتیب هدف گیری با دقت بسیار زیاد امکان پذیر است. ( دقت هدف گیری حدود 1 متراز یک فاصله 10 کیلومتری ممکن به نظر می رسد.) معمولا لیزر از نوع Nd: YAG است. درحالی که لیزرهای CO2 به خاطر پیچیدگی آشکارسازهای نوری ( که مستلزم استفاده دردماهای سرمازایی است) نامناسب اند. علامت گذاری ممکن است از هواپیما - هلیکوپتر و یا از زمین انجام شود. مثلا با استفاده از یک علامت گذار دستی.

ساخت لیزر به عنوان سلاح های هدایت انرژی

اکنون کوشش قابل ملاحظه ای هم در آمریکا و هم در روسیه برای ساخت لیزرهایی که به عنوان سلاح های هدایت انرژی به کار می روند اختصاص یافته است. در مورد سیستم های قوی لیزری مورد نظر با توان احتمالا در حدود مگا وات ( حداقل برای چند ده ثانیه ) یک سیستم نوری باریکه لیزر را به هدف هواپیما - ماهواره یا موشكهدایت می کند تاخسارت غیر قابل جبرانی به وسایل احساسگر آن وارد کند و یا اینکه چنان آسیبی به سطح آن وارد کند که نهایتا در اثر تنش های پروازی دچار صدمه شود سیستم های لیزر مستقردر زمین به خاطر اثر معروف به شکوفایی گرمایی که در جو اتفاق می افتد فعلا چندان عملی به نظر نمی رسند.

جو زمین توسط باریکه لیزر گرم می شود و این باعث می شود که جو مانند یک عدسی منفی باریکه را واگرا سازد با قرار دادن لیزر در هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع بالا و یا در یک سفينه فضايي می توان از این مساله اجتناب ورزید. اطلاعات موجود در این زمینه ها به علت سری بودن آن ها اغلب ناقص و پراکنده اند.
اما به نظر می رسد که این سیستم هاکلا شامل باریکه هایی پیوسته با توان 5 تا 10 مگا وات (برای چند ثانیه ) با یکوسیله هدایت اپتیکی به قطر 5 تا 10 متر باشند مناسب ترین لیزرها برای اینگونه کاربرد ها احتمالا لیزرهای شیمیایی اند ( DF یا HF) . لیزرهای شیمیایی به ویژه برایسیستم های مستقر در فضا جالب اند زیرا توسط آن ها می توان انرژی لازم را به صورت انرژي ذخیره فشرده به شکل انرژی شیمیایی ترکیب های مناسب تامین کرد.

    شکل‌دهی نوک میکروسکوپ روبشی پیمایشی با استفاده از لیزر   

 میکروسکوپ روبشی پیمایشی (SPM) ابزاری انعطاف‌پذیر برای دستکاری ذرات در مقیاس نانو است که با استفاده از لیزر میتوان نوک آن را شکل دهی کرد.

به گزارش روز چهارشنبه باشگاه خبرنگاران دانشجویی ایران "ایسکانیوز" به نقل از سایت خبری نانو، میکروسکوپ روبشی پیمایشی (SPM) ابزاری انعطاف‌پذیر برای دستکاری ذرات می‌توان نوک SPM را تغییر داده و بدین ترتیب جزئیات بیشتری از سطح را مشاهده کرد، اما برای گرفتن بهترین نتیجه، انتخاب یک نوک با شکل مناسب بسیار مهم است.

برت هچت از گروه نانواُپتیک و فتونیک زیستی دانشگاه Wurzburg گفت: اگر می‌خواهید به طور دقیق روبشگر تغییریافته را روی سطح قرار دهید، وجود یک سطح صاف بر روی نوک تقریباً الزامی است.

برنامه ما این است که آنتن‌هایی روی سطح نوک میکروسکوپ بسازیم که تابش برخوردی را جهت استفاده در طیف‌سنجی نوری مستقیم در منطقه‌ای به اندازه حدود 10 نانومتر محدود کنند.

ایده‌ال این است که سطح صاف‌شده نوک میکروسکوپ به صورت موازی با نمونه حرکت کرده و تنظیم وضعیت نمونه با روبشگر در ساده‌ترین حالت ممکن صورت پذیرد. در حالت واقعی، شکل پایه هر نوع میکروسکوپ SPM متفاوت از میکروسکوپ‌های دیگر است؛ این امر باعث می‌شود ارائه یک نوک مسطحی که موازی تمام سیستم‌ها باشد، دشوار باشد.

هچت و همکارانش این مشکل را از طریق شکل‌دهی نوک میکروسکوپ به صورت «درجا» حل کرده‌اند؛ در این حالت سطح صاف نوک میکروسکوپ بسته به نوع SPM ایجاد می‌شود.روش آنها شامل روبش نوک میکروسکوپ روی نقطه تمرکز یک منفذ عددی است که توسط یک لیزر تیتانیوم:یاقوت روشن می‌شود.

این سیستم لیزری پالس‌های نزدیک مادون قرمزی با طول 100 فمتوثانیه و با فرکانس تکرار 80 مگاهرتز تولید می‌کند.

برای صاف کردن نوک، روبشگر در تماس با یک نمونه شفاف (همانند روکش یک میکروسکوپ شیشه‌ای) قرار گرفته و در نقطه تمرکز به مدت 1 تا 2 ساعت روبش می‌شود. با ذوب و کنده شدن نوک، یک سطح صاف با میزان موفقیت کلی 50 درصد ایجاد می‌شود.

محققان دریافته‌اند که روبش نوک در یک محدوده نسبتاً بزرگ (10 تا 20 میکرومتر) نقش مهمی در فرایند صاف‌سازی ایفا می‌کند. پائولو بیاجیانی نویسنده اصلی مقاله مربوط به این تحقیق توضیح می‌دهد که اندازه بزرگ روبش به نوک میکروسکوپ امکان حرکت را به داخل و بیرون منطقه تمرکز لیزر می‌دهد.

این امر باعث گرم شدن و خنک شدن مداوم نوک می‌شود که ظاهراً در شکل‌گیری مجدد آن بسیار مهم است.این محققان نتایج کار خود را در Review of Scientific Instruments ارائه داده‌اند

منبع: تهران-خبرگزاری ایسکانیوز