لیزر و فلزات  

یک محقق دانشگاه روچستر با استفاده از لیزر، آلومینیوم طلایی، پلاتین سیاه و نقره آبی رنگ تولید کرده است.

به گزارش سایت فیزورگ، این فناوری در مورد هر فلز دیگری از جمله، تیتانیوم، تنگستن، نقره و طلا که این محقق مورد آزمایش قرار داد، پاسخ داده است. "چونلی گو" سال گذشته از نور شدید لیزر برای تغییر ویژگی‌های چندین نوع فلز استفاده کرد تا آنها را کاملا سیاه کند. وی شکل کاملتری از همین فرایند را در نشریه "مقالات فیزیک کاربردی" منتشر کرده است.

وی اکنون معتقد است که تغییر ویژگی‌های هر فلز برای تبدیل به رنگ دیگر و حتی رنگین کمانی از رنگها مانند بالهای پروانه، امکان پذیر است. گو که دانشیار اپتیک در موسسه اپتیک دانشگاه روچستر است افزود از آنجا که این فرایند ویژگی‌های ذاتی سطح خود فلز را تغییر می‌دهد و فقط یک پوشش به شمار نمی‌آید، رنگ آن کم رنگ و یا پاک نمی‌شود.

وی گفت احتمالات بی‌انتها هستند: استفاده یک کارخانه دوچرخه‌سازی از یک دستگاه لیزر برای تولید دوچرخه‌هایی با رنگهای مختلف ، قلم‌زنی تصویر تمام رنگی اعضای یک خانواده روی در یخچال و حلقه ازدواج طلا که رنگ آن با رنگ چشمان آبی فرد هماهنگ است.

به گفته گو، از زمان کشف فلز سیاه، تصمیم گرفتیم، فلزات را بگونه‌ای کنترل کنیم که تنها رنگ خاصی را منعکس و بقیه را جذب کنند و اکنون سرانجام می‌توانیم فلزی را بسازیم که تقریبا هر رنگی را می‌خواهیم بازتاب دهد. گو و همکارش با استفاده از شلیک لیزری کوتاه اما شدید که سطح فلز را تغییر می‌دهد، ساختارهایی با مقیاس نانو و میکرو ساختند که رنگ خاصی را منعکس می‌کند و به آن ظاهری از یک رنگ خاص و یا ترکیبی از رنگها می‌دهد.

تحقیق در مورد فلز رنگی در پی کشف فلز سیاه توسط گو در سال ‪۲۰۰۶‬ انجام شد. وی توانست نانوساختارهایی را بر روی سطوح فلزی بسازد که تقریبا تمامی نورها را جذب می‌کرد و ماده‌ای به سادگی آلومینیوم معمولی را به یکی از تیره‌ ترین موادی که تاکنون ساخته شده است تبدیل کرد.

این فلز سیاه که خاصیت جذب زیاد نور را دارد ماده ایده‌آلی برای هرگونه کاربردی است که در آن جذب نور مد نظر باشد. کاربرد بالقوه این فلز از ساخت جمع‌کننده های بهتری برای انرژی خورشیدی تا فناوریهای پیشرفته پنهان‌سازی ، متغییر است. گو و همکارش همچنین به رنگین کمانی از رنگها با ایجاد خطوط میکرویی پوشیده شده با نانو ساختارها دست یافتند.

این خطوط که در ردیف‌های معمولی کنار هم قرار دارند باعث بازتاب نورهایی با طول موج‌های مختلف می‌شوند که در مسیرهای مختلف انتشار می‌یابند. نتیجه تکه‌ای فلز است که می‌تواند رنگ ارغوانی ناب را در یک جهت، خاکستری را در جهت دیگر و یا چندین رنگ را بطور هم زمان ظاهر کند.

این شیوه جدید بر روی تمامی فلزاتی که گو مورد آزمایش قرار داد، نتیجه داده است و نتایج آن قدر استوار و نامتناقض بود که وی معتقد است این روش را می‌توان برای تمامی فلزات شناخته شده بکار برد. گروه تحقیقاتی وی در تلاش است تا بتواند بقیه رنگهای طیف مانند قرمز و سبز را نیز در فلزات ایجاد کنند

   لیزر و اندازه گیری  

خصوصیات جهت مندی درخشایی و تکفامی لیزر باعث کاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی کنترل ابزار ماشینی شده است. در این بخش تعیین فاصله بین دو نقطه و بررسی آلودگی را نیز مد نظر قرار می دهیم

یکی از معمول ترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور کردن است. برای اینکه یک خط مرجع مستقیم برای هم محور کردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پلها و یا تونلها داشته باشیم استفاده از جهت مندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند کلیماتور و تلسکوپ را گرفته است. معمولا از یک لیزر هلیم - نئون با توان کم استفاده می شود و هم محور کردن عموما به کمک آشکارسازهای حالت جامد به شکل ربع دایره ای انجام می شود. محل برخورد باریکه لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یک اندازه گیری الکتریکی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست. در عمل دقت ردیف شدن از حدود 5µm تا حدود 25µm به دست آمده است.

از لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد

برای مسافتهای کوتاه تا 50 متر روشهای تداخل سنجی به کار گرفته می شوند که در آن ها از یک لیزر هلیم - نئون پایدار شده فرکانسی به عنوان منبع نور استفاده می شود. برای مسافتهای متوسط تا حدود 1 کیلومتر روشهای تله متری شامل مدوله سازی دامنه به کار گرفته می شود. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را که از لیزر گسیل شده است و از جسمی بازتابیده می شود اندازه گیری کرد.

در اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایکلسون استفاده می شود. باریکه لیزر به وسیله یک تقسیم کننده نور به یک باریکه اندازه گیری و یک باریکه مرجع تقسیم می شود باریکه مرجع با یک آینه ثابت بازتابیده می شود در حالی که باریکه اندازه گیری از آینه ای که به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می کند. سپس دو باریکه بازتابیده مجددا با یکدیگر ترکیب می شوند به طوری که با هم تداخل می کنند و دامنه ترکیبی آن ها با یک آشکار ساز اندازه گیری می شود. هنگامی که محل جسم در جهت باریکه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر کند سیگنال تداخل از یک ماکزیموم به یک مینیموم می رسد و سپس دوباره ماکزیموم می شود. بنابراین یک سیستم الکترونیکی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولا در کارگاههای ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و امکان اندازه گیری طول با دقت یک در میلیون را می دهد. باید یادآوری کرد که در این روش فقط می توان فاصله را نسبت به یک مبدا اندازه گیری کرد. برتری این روش در سرعت دقت و انطباق با سیستم های کنترل خودکار است.

برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریکه لیزر مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریکه گسیل شده و بازتابیده معین می شود. باز هم دقت یک در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه کشی استفاده می شود. برای فواصل طولانی تر از 1 کیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یک تپ کوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2 انجام می گیرد. این کاربردها اغلب اهمیت نظامی دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد کاربردهای غیر نظامی مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود 20 سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذکر است.

درجه بالای تکفامی لیزر امکان استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت مایعات و جامدات به روش سرعت سنجی دوپلری فراهم می سازد. در مورد مایعات می توان باریکه لیزر را به مایع تابانده و سپس نور پراکنده شده از آن را بررسی کرد. چون مایع روان است فرکانس نور پراکنده شده به خاطر اثر دوپلر کمی با فرکانس نور فرودی تفاوت دارد. این تغییر فرکانس متناسب با سرعت مایع است. بنابراین با مشاهده سیگنال زنش بین دو پرتو نور پراکنده شده و نور فرودی در یک آشکار ساز می توان سرعت مایع را اندازه گیری بدون تماس انجام می شود. و نیز به خاطر تکفامی بالای نور لیزر برای برد وسیعی از سرعتها خیلی دقیق است.

یکی از سرعت سنجهای خاص لیزر اندازه گیری سرعت زاویه ای است. وسیله ای که برای این منظور طراحی شده است ژیروسکوپ لیزری نامیده می شود و شامل لیزری است که کاواک آن به شکل حلقه ای است که از سه آینه به جای دو آینه معمول استفاده می شود. این لیزر می تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامین کند. فرکانسهای تشدیدی مربوط به هر دو جهت انتشار را می توان با استفاده از این شرط که طول تشدید کننده ( حلقه ای ) برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زمانی که لازم است نور یک دور کامل بزند زاویه آینه های تشدید کننده به اندازه یک مقدار خیلی کوچک ولی محدود حرکت خواهد کرد. طول موثر برای باریکه ای در همان جهت چرخش تشدید کننده می چرخد کمی بیشتر از باریکه ای است که در جهت عکس می چرخد. در نتیجه فرکانس های دو باریکه ای که در خلاف جهت یکدیگر می چرخند کمی تفاوت دارد و اختلاف این فرکانسهای متناسب با سرعت زاویه ای تشدید کننده است . با ایجاد تپش بین دو باریکه می توان سرعت زاویه ای را اندازه گیری کرد. ژیروسکوپ لیزری امکان اندازه گیری با دقتی را فراهم می کند که قابل مقایسه با دقت پیچیده ترین و گرانترین ژیروسکوپ های معمولی است.

   لیزر و ارتباط نوری  

استفاده از باریکه لیزر برای ارتباط در جو به خاطر دو مزیت مهم اشتیاق زیادی برانگیخت :

الف) اولین علت دسترسی به پهنای نوار نوسانی بزرگ لیزر است. زیرا مقدار اطلاعات قابل انتقال روی یک موج حامل متناسب با پهنای نوار آن است. فرکانس موج حامل از ناحیه میکروموج بخ ناحیه نور مرئی به اندازه 104 برابر افزایش می یابد و در نتیجه امکان استفاده از یک پهنای بزرگتر را به ما می دهد.

ب) علت دوم طول موج کوتاه تابش است. چون طول موج لیزر نوعا حدود 104 مرتبه کوچکتر از امواج میکرو موج است با قطر روزنه یکسان D واگرایی امواج نوری به اندازه 104 مرتبه نسبت به واگرایی امواج میکرو موج کوچکتر است. بنابراین برای دستیابی به این واگرایی آنتن یک سیستم اپتیکی می تواند به مراتب کوچکتر باشد.

اما این دو امتیاز مهم با این واقعیت خنثی می شوند که باریکه نوری تحت شرایط دید ضعیف در جو به شدت تضعیف می شود. در نتیجه استفاده از لیزرها در ارتباطات فضای باز ( هدایت نشده ) فقط در مورد این موارد توسعه یافته اند :

الف) ارتباطات فضایی بین دو ماهواره و یا بین یک ماهواره و یک ایستگاه زمینی که در یک شرایط جوی مطلوب قرار گرفته است. لیزرهایی که در این مورد استفاده می شوند عبارتند از :
Nd:YAG ( با آهنگ انتقال 109 بیت در ثانیه ) و یا CO2 با آهنگ انتقال 3*108 بیت در ثانیه ). گرچه CO2 نسبت به Nd: YAG دارای بازدهی بالاتری است و لی دارای این اشکال است که نیاز به سیستم آشکارسازی پیچیده تری دارد و طول موج آن هم به اندازه 10 مرتبه بزرگتر از طول موج Nd : YAG است.

ب) ارتباطات بین دو نقطه در یک مسافت کوتاه مثلا انتقال اطلاعات درون یک ساختمان. برای این منظور از لیزرهای نیم رسانا استفاده می شود.

اما زمینه اصلی مورد توجه در ارتباطات نوری مبتنی بر انتقال از طریق تارهای نوری است. انتقال هدایت شده نور در تارهای نوری پدیده ای است که از سالها پیش شناخته شده است اما تارهای نوری اولیه فقط در مسافت های خیلی کوتاه مورد استفاده قرار می گرفتند مثلا کاربرد متعارف آن ها در وسایل پزشکی برای اندوسکوپی است. بنابراین در اواخر سال 1960 تضعیف در بهترین شیشه های نوری در حدود 1000 دسی بل بر کیلومتر بود. از آن زمان پیشرفت تکنیکی شیشه و کوارتز باعث تغییر شگفت انگیز در این عدد شده است به طوری که این تضعیف برای کوارتز به 5/0 دسی بل بر کیلومتر رسیده است. این تضعیف فوق العاده کوچک آینده مهمی را برای کاربرد تارهای نوری در ارتباطات راه دور نوید می دهد سیستم ارتباطات تارهای نوری نوعا شامل یک چشمه نور یک جفت کننده نوری مناسب برای تزریق نور به تارها و درانتها یک فوتودیود است که باز هم به تار متصل شده است.

تکرار کننده شامل یک گیرنده و یک گسیلنده جدید است. چشمه نور سیستم اغلب لیزرهای نیم رسانای نا هم پیوندی دوگانه است. اخیرا طول عمر این لیزرها تا حدود 106 ساعت رسیده است. گرچه تا کنون اغلب از لیزر گالیم ارسنید GaAs استفاده شده است ولی روش بهتر استفاده از لیزرهای نا هم پیوندی است که در آنها لایه فعال ترکیبی از آلیاژ چهارگانه به صورت In1-x Gax Asy P1-y است. در این حالت لبه های P ,n پیوندگاه از ترکیب دوگانه InP تشکیل شده است و با استفاده از ترکیب y=2v2x می توان ترتیبی داد که چهار آلیاژ چهارگانه شبکه ای که با InP جور شود با انتخاب صحیح x طول موج تابش را طوری تنظیم کرد که در اطراف µm 3/1 و یا اطراف 6/1 µm واقع شود که به ترتیب مربوط به دو مینیمم جذب در تار کوارتز هستند. بسته به قطر d هسته مرکزی تار ممکن است از نوع تک مدباشد برای آهنگ انتقال متداول فعلی حدود 50 مگابیت در ثانیه معمولا از تارهای چند مدی استفاده می شود. برای آهنگ انتقال های بیشتر تارهای تک مدی مناسبتر به نظر می رسند. گیرنده معمولا یک فوتودیود بهمنی است اگر چه ممکن است از یک دیود PIN و یک دیود تقویت کننده حالت جامد مناسب نیز استفاده کرد.