لیزر، تکنولوژی جدید نور - جنس اتم ها

هر ماده از ذراتی به نام اتم تشکیل شده است . اتم ها کوچک ترین واحد یک عنصر شیمیایی هستند و تا هنگامی که آن عنصر وجود دارد، می توانند وجود داشته باشند . میلیون ها از این اتم ها، با اندازه ی زیرمیکروسکوپی، می توانند در نوک یک سوزن جا بگیرند .

آزمایشاتی که رادرفورد و دو تن از دانشجویانش انجام دادند، نشان داد که اتم از ذرات کوچک تری به نام پروتون (+)، نوترون (خنثی) در مرکز اتم واقع در هسته و الکترون (- )، در مدارهایی که به گرد هسته می چرخند، تشکیل شده است . تعداد الکترون ها و پروتون ها در حالت عادی که اتم خنثی است،برابر است.

بور برای توضیح رفتار مشاهده شده در اتم ها نظریه ای را پیشنهاد کرد . او اتم را منظومه ی شمسی مینیاتوری تصور کرد که الکترون ها در یک مدار یا مدارهای بیشتر به دور هسته ی مرکزی می گردند. خیلی شبیه به سیارات که به گرد خورشید می گردند . اگر چه این دید از ساختار اتمی امروزه ناکافی به نظر می رسد، ولی هنوز برای توصیف رفتار اتمی مفید است . بنا به مدل اتمی بور، برای اتم الکترون ها در مدارهای خاصی بدون این که انرژی تابشی گسیل دارند به دور هسته می گردند . اتم وقتی در حالت پایه است که تمام الکترون هایش در پایین ترین تراز انرژی باشند . این حالت، حالت عادی، یعنی پایدار اتم است . ولی بور هم چنین فرض کرد که الکترون می تواند ناگهانی از مدار خاصی به مدار دیگر بپرد . الکترون برای حرکت از تراز انرژی پایین تر به تراز انرژی بالاتر باید انرژی به دست آورد و برعکس در حرکت از تراز انرژی بالاتر به پایین تر، انرژی از دست می دهد . یعنی الکترون با جذب یا گسیل انرژی تابشی یا نور می تواند از یک تراز انرژی به تراز دیگر جهش کند .

اگر انرژیِ چشمه ی خارجی، الکترون های مداری به گرد هسته را برانگیزد، یک یا تعداد بیشتری از الکترون ها ممکن است به قدر کافی انرژی جذب کنند و به مدار بالاتر یا تراز انرژی بعدی بجهند . در این صورت اتم برانگیخته و در حالت ناپایدار است و فقط زمان خیلی کوتاهی به نام طول عمر برانگیخته می تواند در آن حالت باقی بماند . وقتی که الکترون به تراز انرژی پایین تر فروافتد، انرژی تابشی را به شکل نور از دست می دهد .
 

لیزر، تکنولوژی جدید نور - ذرّه یا موج

در سال 1860 میلادی، جیمز کلارک ماکسول توانست به طور تجربی ثابت کند که نور به صورت موج منتشر می شود و هم چنین نشان داد که امواج الکترومغناطیسی، که خودش نظریه ی آن را ارائه داده بود، دقیقاً با سرعت نور حرکت می کنند و هم چنین خواص دیگر مربوط به نور را نیز دارا هستند . آن ها می توانند بازتابیده شوند، شکست یابند، پراشیده شوند و نقش تداخلی ایجاد کنند.

با وجود این دانشمندان با حیرت دریافتند که نور گاهی چنان رفتار می کند که گویی از جریانی از ذرات تشکیل شده است .در آستانه ی پایان قرن، ماکس پلانک این نظریه را بنیاد نهاد که نور از واحدهای درست یا بسته های انرژی تابشی به نام کوانتا تشکیل شده است . به علاوه، او بر این نظر بود که کوانتوم نور نمی تواند تقسیم شود . بعضی از مواد می توانند انرژی تابشی را جذب و سپس آن را به صورت نور تابش کنند . وقتی که این امر در اتم به طور طبیعی اتفاق افتد، گسیل خود به خود نام دارد .نور مرئی که در گسیل خود به خود آزاد می شود، به شکل بسته های نور یا کوانتوم های انرژی است . الکترون های یک اتم فقط می توانند نوری با بسامد معین که با یکی از جهش های انرژی ممکن آن ها « جور » باشد را جذب یا گسیل کنند .

آلبرت اینیشتین، واحد اصلی نور گسیل شده در حین گسیل خود به خود را فوتون نامید . او این نام را برگزید تا تاکید کند که کوانتوم های نور مثل ذرات متحرک رفتار می کنند . به علاوه او نظریه ای را پرداخت که بنا بر آن فوتون گسیلی از اتم می تواند اتم برانگیخته ی مشابه ی دیگری به وجود آورد تا فوتون دومی گسیل شود. این گسیل را گسیل القایی نامید . اگر تعداد کافی از اتم های برانگیخته در فضای محبوس کوچکی، نظیر لیزر، جمع شوند، گسیل القایی کافی برای ایجاد عمل لیزری به وجود می آید .

لیزر، تکنولوژی جدید نور - طیف الکترومغناطیسی

نوری را که چشم انسان می تواند ببیند، فقط نوار بسیار باریکی از انرژی تابشی اطراف ماست که طیف الکترومغناطیسی را تشکیل می دهد . این پیوستار انرژی از امواج رادیویی، میکروموج ها، پرتوهای فروسرخ، نور مریی، نور فرابنفش، پرتوهای ایکس و پرتوهای گاما تشکیل شده است .

همه ی این انواع انرژی، امواج یا نوساناتی هستند که می توانند اثرهای الکتریکی و مغناطیسی را به وجود آورند یا القا کنند و از این رو طیف الکترومغناطیسی نام دارند . در این طیف وسیع انرژی ممکن است به طور طبیعی توسط چشمه هایی در جهان مثل خورشید و ستارگان ایجاد شود و یا ممکن است توسط الکترون های در حال نوسان در آنتن های فلزی به وجود آید نظیر امواج رادیویی .

لیزر، تکنولوژی جدید نور - نور لیزر

لیزرها، نور به خصوصی ایجاد می کنند که با نور سفید که در طبیعت یافت می شود یا از چشمه هایی مانند چراغ قوه یا شمع به دست می آید، متفاوت است . نور سفید معمولی آمیزه ی بی نظمی از طول موج های نوری بسیار متفاوتی است که در هم آمیخته اند و در جهت های مختلف حرکت می کنند، درست مثل آمیزه ی مغشوش صداهای درهم که ما به صورت نوفه می شنویم . به این دلیل این نور را نور ناهمدوس می نامند .

نظیر یک نوای موسیقی، نور گسیلی از لیزر همه طول موج یکسان دارند و از این رو گاهی به آن نور « خالص » نیز می گویند . به علاوه امواج نوری لیزر، هم زمان با هم گام برمی دارند یا هم فاز حرکت می کنند . قله ی هر موج بر قله ی امواج دیگر منطبق است . به این دلایل نور لیزر منظم است و نور همدوس نامیده می شود .
ویژگی دیگر نور لیزر، راستایی بودن آن است . لیزر با باریکه های مستقیم حرکت می کند و نظیر نور معمولی پخش نمی شود .

چون امواج نور گسیلی از لیزر همه طول موج یا بسامد یکسانی دارند، این نور، تکرنگ یا تک فام است . نور معمولی با عبور از منشور به رنگین کمانی از رنگ های جورواجور طیف مرئی تجزیه می شود، ولی نور لیزر با گذشتن از منشور به همان صورت باریکه ی مستقیم تکفام وارد شده، خارج می شود .
 

لیزر، تکنولوژی جدید نور -کاربردهای لیزر

ارتباطات و تارهای نوری : تار نوری یک رشته به نازکی مو و قابل انعطاف از شیشه ی خیلی روشن به قطر یک دهم میلی متر است . تارهای نوری راهنماهای نور نیز نامیده می شوند، زیرا برای نور لیزر مثل خطوط لوله یا یک مجرا عمل می کنند .

جراحی :جراحی لیزری چشم : لیزر گازی کربن دی اکسید برای برداشتن غدد سرطانی و غیر سرطانی به کار می رود .

دندان پزشکی : دندان پزشکی بدون درد و استفاده از لیزر هدایت شده برای ساخت روکش دندان .
ثبت با لیزر: دیسک های فشرده ( CD ) و دیسک های ویدیویی فشرده( DVD ) ، روش های جدید اتقلابی برای ذخیره سازی و انتقال صدا، تصاویر و اطلاعات هستند . در این تکنولوژی از باریکه های لیزر برای ثبت یا رمزگذاری اطلاعات روی دیسک های فشرده و هم چنین بازنواخت اطلاعات ذخیره شده استفاده می شود .

لیزر در صنعت : لیزرها ابزار قدرتمندی هستند که کاربردهای زیادی در صنعت دارند . لیزرها برای برش دادن، سوراخ کردن، جوش دادن، قلم زنی و عمل آوردن گرمایی تعداد زیادی از مواد به کار می روند . از لاستیکنرم تا سرامیک های شکننده و حتی سخت ترین ماده ی شناخته شده، یعنی الماس، جزﺀاین مواد قرار دارند . تمرکز توان زیاد و دقت در عمل باریکه ی لیزری ، بسیاری از کارها را موثرتر و ارزان تر از هر روش دیگری انجام می دهد . نتیجه ی استفاده از لیزر ، رشد برق آسای حجم کار و دست یابی به کارهای مینیاتوری است .

شاید روزی فرا برسد که خریدار اندازه هایش را توسط خطوط تلفنی با تار نوری به تولید کننده بفرستد، داده ها به رایانه داده شوند و یک ماشین برش لیزری لباسی با اندازه ی مشتری تولید کند !
استفاده های دیگر لیزر : اندازه گیری فواصل حرکت ،لیزرها و اجرای قانون به وسیله ی تفنگ های لیزری پلیس راهنمایی و راهنمایی، لیزرها در ساختمان سازی ، لیزر در کشاورزی ، چاپگرهای لیزری ، بارکدها

لیزرها: چراغ راهنمای پژوهش های علمی : لیزرها در بسیاری از زمینه های پژوهش علمی به طور وسیع به کار می روند . لیزرها ابزارهای توان مندی هستند که برای بررسی ساختار اتم ها و مولکول ها و نیز چگونگی واکنش های شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند . در مطالعات زیست شناختی، نور لیزر در ناحیه ی مرئی با مواد آلی مثل رنگ دانه های کلروفیل ( رنگ سبز نباتات )، هموگلوبین ( رنگ قرمز خون )، و ملانین ( رنگ قهوه ای پوست ) برهم کنش می کند . نور لیزر فرابنفش توسط پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک سلول جذب می شود . می توان به موارد زیر نیز اشاره کرد : جداسازی ایزوتوپ ها و شکافت ، گداخت : روش ساخت یک ستاره ! ، پرتاب کننده ی لیزری ، فضاپیمای نوری و جنگ ستارگان! تمام نگاری : بعد جدید عکاسی

لیزر، تکنولوژی جدید نور -ایمنی لیزرها

لیزرها باریکه های بسیار قدرتمندی را به وجود می آورند و می توانند برای اشخاصی که با آن ها کار می کنند، مخاطره آمیز باشند . لیزرها را به 4 دسته تقسیم می کنند :

دسته ی اول یا لیزرهای بی خطر برای کسانی که با آن کار می کنند، هیچ خطر شناخته شده ای ندارند . لیزرهایی که در پوینده های کنترل در فروشگاه های بزرگ و در پخش های دیسک ویدئویی قرار دارند، از این نوع اند که هیچ گونه دستور ایمنی ندارند .

دسته ی دوم، لیزرهای کم خطرند و در صورتی که افرادی برای مدت طولانی به طور مستقیم به آن ها نگاه کنند به چشم هایشان آسیب می رسانند . مانند لیزرهای هلیوم- نئون که اغلب در کلاس های درس از آن ها استفاده می شود . روی این لیزرها علامت « احتیاط » با رنگ زرد وجود دارد و به استفاده کننده ها توجه می دهد که مستقیماً به باریکه خیره نشوند .

دسته ی سوم یا لیزرهای با خطر متوسط می توانند باریکه ای آن چنان قدرتمند ایجاد کنند که به شبکیه ی چشم صدمه بزند . این صدمه در لکه های کور ریز داخل چشم صورت می گیرد . لیزرهای این دسته قبل از این که شخص فرصت پلک زدن داشته باشد، باعث صدمه ی شبکیه ای می شوند ! این لیزرها علامت ـ« خطر » به رنگ قرمز و سفید دارند و به افراد اخطار می کنند که باریکه نباید مستقیماً وارد چشم شود .

دسته ی چهارم ، لیزرهای پرخطرند که حتی بازتاب های پخش شده ی باریکه ی اصلی به چشم آسیب جدی می رساند . به علاوه، اگر پوست در معرض انرژی باریکه قرار گیرد، به سختی می سوزد . این لیزرها معمولاً در آزمایشگاه های پژوهشی و کارگاه های محافظت شده به کار می روند و استفاده کنندگان به دقت تحت مراقبت قرار دارند . لیزرهای دسته ی چهارم علامت « خطر » دارند که اطلاعاتی در مورد طول موج، محیط لیزری، دوام تپ و ماکزیمم خروجی تابش لیزر را در بر می گیرد .
اگرچه بهترین راه کنترل کردن خطر لیزر این است که دستگاه لیزر پرخطر را کاملاً محصور کنیم، ولی این کار همیشه میسر نیست . عینک های حفاظتی تجارتی، معمولاً برای جلوگیری از رسیدن طول موج خاصی به چشم طراحی شده اند و باید با علامتی گستره ی طول موج هایی را که برای آن ها موثرند، مشخص کنند . استفاده کنندگان دسته ی چهارم، باید عینک مخصوص حافظ پشم داشته باشند .