روش ها و کاربردهای لیزر

لیزر (LASER: Light Enhancement by Stimulated Radio Emission) یکی از پیشرفته ترین فناوری های نوری است که از دهه 1960 تغییرات زیادی در علم، مهندسی و زندگی روزمره مردم ایجاد کرده است. لیزر وسیله ای است که نور را به شکل پرتوهای منسجم، با طول موج مشخص و توان بالا تولید می کند. این مقاله به بررسی اصول عملکرد لیزر، انواع مختلف آن، کاربردهای گسترده و پیشرفت های اخیر در این زمینه می پردازد.

اصل عمل لیزر

استفاده از لیزر بر اساس پدیده ای به نام "گسیل تحریک شده" است. این پدیده توسط آلبرت انیشتین در سال 1917 پیش‌بینی شد. برانگیختگی زمانی رخ می‌دهد که یک فوتون (ذره‌ای از نور) با یک اتم یا مولکول برانگیخته برخورد کند که فوتونی با طول، فاز و جهت یکسان تولید می‌کند. این فرآیند منجر به ایجاد یک شبکه کامپیوتری قابل همکاری می شود.

عملکرد لیزر بر اساس پدیده ای به نام "گسیل تحریک شده" است. این بخش اصول کار لیزر و فرآیندهای فیزیکی که در دستگاه لیزر انجام می شود را توضیح می دهد.

گسیل خود به خودی: گسیل خود به خود یا تابش خود به خودی زمانی اتفاق می افتد 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 ای از نور) ساطع کند. این فوتون دارای طول موج و انرژی خاصی است که برابر با اختلاف انرژی بین دو سطح الکترونی 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

جذب: جذب زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون با انرژی مناسب به الکترون برخورد کند و آن را از سطح انرژی پایین تر به سطح انرژی بالاتر منتقل کند. این فرآیند باعث کاهش تعداد فوتون های محیط و افزایش تعداد الکترون های برانگیخته می شود.

گسیل تحریک شده: گسیل تحریک شده زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون با انرژی خاصی با یک الکترون برانگیخته برخورد کند که فوتون دیگری ساطع می کند. فوتون تولید شده دارای طول موج، فاز و جهت همان فوتون اصلی است. این فرآیند نور را تقویت می کند و اساس کار لیزر است.

قطعات اصلی لیزر

محیط فعال (محیط استفاده): یک 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:

- گازهایی مانند هلیوم، نئون (HeNe) و دی اکسید کربن (CO2).

- آداگ: بلورهای سیدا نئودیمیم-ایتریم-آلومینیوم-گارنت (Nd: YAG).

- مایعات: مانند لیزرهای رنگی با استفاده از رنگ های آلی.

منبع انرژی (منبع پمپ): یک منبع انرژی انرژی لازم برای تحریک اتم ها یا مولکول های یک ماده فعال را فراهم می کند. این انرژی می تواند به صورت نور، جریان الکتریکی یا واکنش های شیمیایی باشد. انواع منابع انرژی عبارتند از:

- پمپاژ نوری: استفاده از لامپ فلاش یا LED برای تامین انرژی.

- موتورهای الکتریکی: برق برای ایجاد انگیزه در کارگران.

- پمپ شیمیایی: از واکنش های شیمیایی برای تولید انرژی لازم استفاده کنید.

حفره بینایی: حفره بینایی از دو آینه تشکیل شده است که یکی از آنها نیمه شفاف است. این آینه ها نور را به عقب منعکس می کنند و فوتون ها را چند برابر می کنند. هنگامی که نور به اندازه کافی تقویت شود، از آینه شفاف به عنوان یک پرتو لیزر بیرون می آید. این حفره نوری نقش کلیدی 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 تولید پرتو لیزر

پمپ: یک منبع انرژی یک محیط فعال را تحریک می کند و الکترون ها به سطح انرژی بالاتری منتقل می شوند.

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

گسیل تحریک شده: فوتون ها با الکترون های برانگیخته برخورد می کنند که باعث گسیل فوتون های 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.

انتشار پرتو لیزر: هنگامی که نور تقویت می شود، به عنوان یک پرتو جامد و قدرتمند از آینه بازتابنده خارج می شود.

عملکرد لیزر بر اساس اصول فیزیکی انتشار تحریک شده و تقویت نوری است. لیزرها با استفاده از محیط فعال، منبع تغذیه و حفره نوری مناسب می توانند پرتوهای بسیار تیز، قوی و دقیقی تولید کنند که در زمینه های مختلف از پزشکی گرفته تا مخابرات و نظامی کاربرد فراوانی دارد.

اجزای اصلی یک سیستم لیزری

یک سیستم لیزر معمولاً از سه جزء اصلی تشکیل شده است:

دریافت متوسط: ماده ای است که می تواند با انتشار محرک ها نور تولید کند. این ماده می تواند جامد، مایع یا گاز باشد.

منبع انرژی (Pump Source): منبعی که انرژی مورد نیاز برای تحریک اتم ها یا مولکول ها را در محیط کار تامین می کند. این انرژی می تواند به صورت نور، جریان الکتریکی یا واکنش شیمیایی باشد.

حفره نوری: ساختاری که فوتون ها را بین دو آینه به دام می اندازد و به طور مکرر آنها را منبسط می کند تا آنقدر قوی شوند که از یک انتهای آینه شفاف خارج شوند.

نوع لیزری

لیزرها بر اساس نوع محیطی که در آن کار می کنند 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 کاربرد دارند.

لیزرهای حالت جامد: مانند لیزرهای آلومینیوم ایتریم نئودیمیم گارنت (Nd:YAG) که در پزشکی و صنعت استفاده می شود.

لیزرهای نیمه هادی: مانند دیودهای لیزری که در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند درایوهای DVD و CD استفاده می شوند.

لیزر رنگی: با استفاده از رنگ های آلی به عنوان محیط فعال، طول موج قابل تنظیم است.

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

کاربردهای لیزر

لیزرها به طور گسترده در صنایع مختلف و زندگی روزمره استفاده می شوند:

پزشکی: لیزر در جراحی های دقیق، پوست، اصلاح بینایی (لازیک) و دندانپزشکی کاربرد دارد.

ارتباطات: شبکه های فیبر نوری از لیزرهای فیبر برای انتقال داده با سرعت بالا استفاده می کنند.

صنعت: لیزر در برش، جوشکاری، حکاکی و اندازه گیری دقیق استفاده می شود.

تحقیقات علمی: لیزر در فیزیک، شیمی و زیست شناسی برای مطالعه رفتار مواد در موقعیت های مختلف استفاده می شود.

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

رویدادهای اخیر

تکنولوژی لیزر دائما در حال پیشرفت است. برخی از آخرین پروژه ها شامل توسعه لیزرهای فوق سریع (فمتوثانیه) برای تحقیقات علمی دقیق، لیزرهای پرقدرت برای کاربردهای صنعتی و نظامی، و لیزرهای کوچک درجه پزشکی برای استفاده مصرف کنندگان است. پیشرفت در نانوفوتونیک و لیزرهای کوچک نیز پتانسیل افزایش کارایی و کاهش هزینه را دارد.

حرف پایانی

لیزر به عنوان یکی از قابل توجه ترین نوآوری های قرن بیستم، تأثیر گسترده ای بر علم و فناوری داشته است. از عملیات پزشکی دقیق گرفته تا ارتباطات نوری پرسرعت، لیزرها زندگی ما را به طرز چشمگیری تغییر داده اند. با پیشرفت مداوم در این زمینه، انتظار می رود کاربردها و قابلیت های لیزر گسترش یابد و نوآوری های جدیدی را در آینده به ارمغان بیاورد.