روش ها و کاربردهای لیزری

لیزر (Laser: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) یکی از پیشرفته ترین فناوری هایی است که از دهه 1960 انقلابی در علم، مهندسی و زندگی روزمره مردم ایجاد کرده است. لیزر وسیله ای است که نور را به شکل پرتوهای منسجم با طول موج و توان مشخص تولید می کند. این مقاله به بررسی اصول کار لیزر، انواع مختلف آن، کاربردهای اصلی و پیشرفت های اخیر در این زمینه می پردازد.

اصل کار لیزر

فرآیند لیزر مبتنی بر پدیده ای به نام "گسیل تحریک شده" است. این پدیده توسط آلبرت انیشتین در سال 1917 پیش بینی شد. گسیل تحریک شده زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون (ذره نور) با یک اتم یا مولکول برانگیخته برخورد می کند و باعث می شود فوتونی با طول موج، فاز و جهت مشابه ساطع کند. این فرآیند منجر به تولید یک پرتو نوری منسجم و تقویت شده می شود.

عملکرد لیزرها مبتنی بر پدیده ای به نام «گسیل تحریک شده» است. این بخش اصول عملکرد لیزر و فرآیندهای فیزیکی که در تجهیزات لیزر رخ می دهد را شرح می دهد.

انتشار خود به خود. تابش خود به خودی یا تابش خود به خودی زمانی رخ می دهد که یک الکترون در یک اتم یا مولکول از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر حرکت کند و در این فرآیند یک فوتون (ذره نور) ساطع کند. این فوتون دارای طول موج و انرژی مشخصی است که برابر با اختلاف انرژی بین دو سطح الکترونی است.

جذب: جذب زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون انرژی مثبت به الکترونی برخورد کند که از سطح انرژی پایین تر به سطح انرژی بالاتر حرکت می کند. این فرآیند باعث کاهش تعداد فوتون‌های موجود در محیط و افزایش تعداد الکترون‌گیری می‌شود.

گسیل تحریک شده: گسیل تحریک شده زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون با انرژی خاصی با یک الکترون برانگیخته برخورد کند و باعث شود که فوتون دیگری ساطع کند. فوتون تولید شده دارای طول موج، فاز و جهت همان فوتون اصلی است. این فرآیند نور را تقویت می کند و اساس عملکرد لیزر است.
https://ostanha.tabnak.ir/fa/news/1169392/%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D8%A8%D8%B1%D8%AF%D9%87%D8%A7%DB%8C-%D9%84%DB%8C%D8%B2%D8%B1-%D8%AF%D8%B1-%D8%B5%D9%86%D8%B9%D8%AA
اجزای اصلی لیزر

محیط فعال (Gain Medium): محیط فعال ماده ای است که قادر به تولید نور لیزر از طریق انتشار تحریک شده است. محیط فعال می تواند گاز، مایع یا جامد باشد. انواع محیط فعال عبارتند از:

- گازها: مانند هلیوم-نئون (HeNe) و دی اکسید کربن (CO2).

- جامدات: مانند بلورهای نئودیمیم-ایتریم-آلومینیوم-گارنت (Nd:YAG).

- مایعات: مانند لیزرهای رنگی که از رنگ های آلی استفاده می کنند.

منبع انرژی (Pomp Source): منبع انرژی که انرژی مورد نیاز برای تغییر اتم ها یا مولکول های محیط را تامین می کند. این انرژی می تواند به صورت نور، الکتریسیته یا مواد شیمیایی باشد. انواع منابع انرژی عبارتند از:

- پمپاژ نوری: استفاده از لامپ های فلاش یا دیودهای ساطع کننده نور برای تامین انرژی.

- الکتروفورز: استفاده از الکتریسیته برای تحریک مکانیسم فعال.

- انفجار شیمیایی: استفاده از واکنش های شیمیایی برای به دست آوردن انرژی مورد نیاز.

حفره نوری. حفره نوری از دو آینه تشکیل شده است که یکی از آنها شفاف است. این آینه ها نور را بین خود منعکس می کنند و فوتون ها را بارها تقویت می کنند. هنگامی که نور به اندازه کافی قوی باشد، به عنوان یک پرتو لیزر از آینه نیمه شفاف خارج می شود. این حفره نوری نقش اساسی در افزایش شدت نور و ایجاد یک پرتو منسجم دارد.
https://ostanha.tabnak.ir/fa/news/1169366/%D8%B1%D9%88%D8%B4-%DA%A9%D8%A7%D8%B1-%D9%88-%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D8%A8%D8%B1%D8%AF%D9%87%D8%A7%DB%8C-%D9%84%DB%8C%D8%B2%D8%B1
فرآیند تشکیل پرتو لیزر

پمپاژ: یک منبع انرژی یک محیط پرانرژی را تحریک می کند و الکترون ها را به سطح انرژی بالاتر منتقل می کند.

وارونگی جمعیت: تعداد الکترون های برانگیخته در سطح انرژی بالا بیشتر از تعداد الکترون های سطح انرژی پایین است.

گسیل توسط تحریک: برخورد فوتون با الکترون برانگیخته شده باعث گسیل فوتون جدید با طول موج، فاز و جهت می شود.

تقویت نوری: فوتون های تولید شده بین آینه های حفره نوری منعکس و تقویت می شوند.

خروجی پرتو لیزر: هنگامی که نور به اندازه کافی تقویت شود، به عنوان یک پرتو منسجم با انرژی از آینه شفاف خارج می شود.

عملکرد لیزر بر اساس اصول فیزیکی انتشار برانگیخته و تقویت نوری است. لیزرها با استفاده از یک محیط فعال، یک منبع الکتریکی و یک سطح نوری می توانند یک پرتو منسجم، قدرتمند و دقیق از نور تولید کنند که در صنایع مختلف از پزشکی گرفته تا مخابرات و صنایع نظامی استفاده می شود.

اجزای اصلی یک سیستم لیزری

یک سیستم لیزر به طور کلی از سه جزء اصلی تشکیل شده است:

محیط فعال (Gain Medium): ماده ای که می تواند از طریق انتشار تحریک شده نور تولید کند. این ماده می تواند جامد، مایع یا گاز باشد.

منبع انرژی (منبع پمپ): منبعی که انرژی مورد نیاز برای برانگیختن اتم ها یا مولکول ها را در یک محیط فعال فراهم می کند. این انرژی می تواند به صورت نور، الکتریسیته یا واکنش های شیمیایی باشد.

حفره نوری: ساختاری که در آن فوتون ها بین دو آینه قرار گرفته و به طور مکرر تقویت می شوند. تا زمانی که به اندازه ای قوی شود که شیشه را از یک طرف نیمه شفاف بگذارد.

انواع لیزر

لیزرها بر اساس ماهیت محیط انرژی به چند دسته تقسیم می شوند:

لیزرهای گازی: مانند لیزر هلیوم نئون (HeNe) و لیزر دی اکسید کربن (CO2) که در صنایع برشکاری و جوشکاری استفاده می شود.

لیزرهای حالت جامد: مانند لیزر نئودیمیم: ایتریم-آلومینیوم-گارنت (Nd:YAG) که در پزشکی و صنعت کاربرد دارد.

لیزرهای نیمه هادی: مانند دیودهای لیزری مورد استفاده در دستگاه های الکترونیکی مصرفی مانند درایوهای DVD و CD.

لیزرهای رنگی: با استفاده از رنگ های آلی به عنوان محیط فعال، توانایی تنظیم طول موج را دارند.

لیزرهای فیبر: از فیبرهای نوری دوپ شده با عناصر خاکی کمیاب مانند اربیوم یا ایتربیوم استفاده می شود و در ارتباطات نوری استفاده می شود.

کاربردهای لیزر

لیزرها کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف و زندگی روزمره دارند:

پزشکی: لیزرها در جراحی های دقیق، پوست، بینایی (لازیک) و دندانپزشکی کاربرد دارند.

مخابرات: لیزرهای فیبر برای انتقال داده با سرعت بالا در شبکه های ارتباطی نوری استفاده می شود.

صنعت: برش لیزر; از جوش برای حکاکی و اندازه گیری دقیق استفاده می شود.

تحقیقات علمی: لیزرها در آزمایشات فیزیک، شیمی و زیست شناسی برای مطالعه رفتار مواد در شرایط مختلف استفاده می شوند.

نظامی: لیزرها در سیستم های هدایت موشکی، دفاع هوایی و سلاح های لیزری استفاده می شوند.

پیشرفت های اخیر

تکنولوژی لیزر دائما در حال پیشرفت است. پیشرفت‌های اخیر شامل توسعه لیزرهای فوق سریع (فمتوثانیه) برای تحقیقات دقیق‌تر در علم، لیزرهای پرقدرت برای کاربردهای صنعتی و نظامی، و لیزرهای کوچک قابل حمل برای کاربردهای پزشکی و سایر کاربردها می‌شود. پیشرفت در نانوفوتونیک و لیزرهای کم توان نیز منجر به افزایش کارایی و کاهش هزینه شده است.

آخرین کلمه

یکی از مشهورترین اختراعات قرن بیستم، لیزر تأثیر زیادی بر علم و فناوری داشت. از عملیات پزشکی با دقت بالا گرفته تا ارتباطات نوری پرسرعت، لیزرها زندگی ما را متحول کرده اند. با پیشرفت مستمر در این زمینه، امید است که کاربردها و قابلیت های لیزر همچنان در حال گسترش باشد و نوآوری های جدیدی را در آینده به ارمغان بیاورد.