ليزر چيست؟

اغلب مردم واژه لیزر را شنیده اند، اما نمی دانند که لیزر واقعاً چیست؟
چه تفاوتی میان نور معمولی و لیزر وجود دارد و لیزر مخفف چیست؟
بهتر است از آخرین سوال آغاز کنیم.

لیزر مخفف یک عبارت است که ابتدای هر یک از واژه هایش کلمه لیزر را می سازد. نام کامل لیزر:" تقویت نور ناشی از گسیل القایی" است. اما این مفهوم اندکی عجیب و نا آشنا به نظر می رسد، بگذارید وارد مبحث خود لیزر شویم.
تقریباً همه می دانند که پلیس برای اندازه گیری سرعت اتومبیل ها از لیزر استفاده می کند. حداقل آن دسته از رانندگانی که از سرعت مجاز تجاوز می کنند به این موضوع واقفند. اما چند نفر هستند که بدانند شما در طول یک روز عادی چندین بار از لیزر استفاده می کنید؟ لیزر در cd player ها و پرینترهای لیزری و بسیاری چیزهای دیگر یافت می شود. اغلب لیزر را در فیلم های اکشن دیده اید. آن جا که قهرمان داستان هنگام حل مشکلات خطرناک باید از پرتوهای لیزری فرار کند. قدرت لیزر هم شگفت انگیز است و هم ترسناک.

تفاوت لیزر با سایر نورها چیست؟
نور یک موج الکترو مغناطیسی است. هر موج روشنایی و رنگ دارد و در زاویه ی معینی نوسان می کند که به آن قطبش می گویند. این امر در مورد لیزر هم صحت دارد. اما پرتوهای نور لیزر از هر منبع نوری دیگری موازی ترند. تمام قسمت های پرتو (تقریباً) در یک جهت خاص بوده و به این ترتیب پرتو خیلی کم منحرف یا خم می شود. با یک لیزر خوب می توان شیئ در فاصله یک کیلومتری را با نقطه ای به شعاع حدود 60 میلی متر روشن کرد.

از آن جا که نور لیزر کاملاً موازی است می تواند در ضخامت های خیلی کم هم متمرکز شود و در محل تمرکز نور انرژی به قدری زیاد می شود که شما می توانید با آن اشیا را بریده یا حک کنید. از این خاصیت می توان برای روشن کردن و دیدن جزییات خیلی ریز هم استفاده کرد.

از همین خاصیت در وسایل جراحی و CD player ها استفاده می شود. در ضمن می توان نور لیزر را تک رنگ کرد. یعنی کاری کرد که فقط یک طول موج داشته باشد. نور سفید متشکل از تمام نورهای طیف است اما نورهای رنگی مثل دیود نوری قرمز شامل طیف پیوسته ای از طول موج های قرمز است.

از طرف دیگر گسیل های لیزری وقتی به انرژی تبدیل می شوند، معمولاً خیلی پر قدرت نیستند. یک نوع لیزر قوی که در لیزرهای نمایشی استفاده می شود، نورش بیشتر از یک چراغ برق خیابان نیست. تنها تفاوت آن ها با نور معمولی درمیزان موازی بودن پرتو های دو منبع است.

گسیل القایی
اتم ها و مولکول ها به طور طبیعی در زمان ها و جهات و فازهای تصادفی نور گسیل می کنند. همه ی نورهای تولید شده از منابع نوری عادی، نظیر لامپ ها، شمع ها لامپ های نئونی و حتی خورشید هم از این راه به وجود می آیند.
اگر انرژی در اتم ها ذخیره شود و نوری با طول موج صحیح (مناسب ) از نزدیکی آن عبور کند، چیزی غیر از این رخ می دهد. اتم نوری گسیل می کند که کاملاً همزمان با آن نور عبوری است. این بدین معناست که نور عبوری تقویت شده است.

معمولاً اتم ها و مولکول هایی نور گسیل می کنند که این دو شرط را داشته باشند:
*در اثر گرما و یا در تابش نور قبلی انرژی ذخیره کرده باشند.
*از زمان ذخیره انرژی شان مدتی گذشته باشد.
نوری که به این طریق گسیل می شود در جهات تصادفی (رندم)، با فازها و زمان های تصادفی است.

*انرژی در اتم ذخیره شود (مانند قبل)
*قبل از آن که دیر شود، نور به قدر کافی به اتم نزدیک شده و به این ترتیب نور به شکل تصادفی همان گونه که در بالا توصیف شد گسیل می شود.
*نور گذرا دارای طول موج مناسب اتم باشد.
فرآیندی که در این جا صورت می گیرد، گسیل القایی نامیده می شود که با بازخورد یافتن درون یک حفره آینه ای تشدید شده و شرایط لیزر را فراهم می سازد .

وقتی لیزر کشف شد هیچ کس نمی دانست فایده و کاربرد آن چیست. در روزهای نخستین کشف لیزر این جمله خیلی مشهور بود:" راه حلی در انتظار یک مسئله". زمان زیادی لازم است تا یک کشف جدید بتواند به طور ملموس و کاربردی مورد استفاده قرار گیرد.
بله ممکن است 30 سال و یا بیشتر طول بکشد تا مردم اهمیت واقعی یک اکتشاف را دریابند. امروزه لیزر در زمینه های مختلفی نظیر تحقیقات و پژوهش ها، ارتباطات، صنعت، پزشکی و حفاظت از محیط زیست به کار گرفته می شود.

کاربردهای صنعتی لیزر
امروزه لیزر در گستره وسیعی از کاربردها در صنعت یافت می شود، مثلاً در ابزارهایی نظیر وسایل نشانه گیری یا اندازه گیری در صنعت کارخانه ای. لیزر برای اندازه گیری دقت گردی گلوله یاطاقان ها مورد استفاده قرار می گیرد. به این شکل که پراکندگی یک نور لیزری هنگام بازتاب از سطح گلوله مورد مشاهده و بررسی واقع می شود.

دیگر استفاده آن اندازه گیری نوارهای فولادی با استفاده از نور لیزری برای بررسی ضخامت نوار است. در صنعت آسیاب کردن خمیر کاغذ، غلظت آب قلیایی با مشاهده چگونگی بازتاب پرتو لیزری از آن اندازه گیری می شود.در ضمن لیزرمی تواند نقش یک تراز حبابدار را هم داشته باشد و یک پرتو لیزری با جارو کردن یک سطح می تواند هموار بودن سطح را نشان دهد. برای مثال، این روش برای ساختن دیوار زمین های در حال ساخت مورد استفاده قرار می گیرد. در صنعت معدن لیزر جهت حفاری را نشان می دهد.
http://making.blogfa.com/
کاربردهای زیست محیطی
فن آوری لیزر حتی در زمینه محیط زیست هم کاربرد دارد. یک نمونه اش، قابلیت تعیین میزان سم وارد شده به محیط از یک محفظه مملو از دود، آن هم از فاصله دور است.
نمونه های دیگر شامل قابلیت پیش بینی و اندازه گیری اوزون و دود و مه فتوشیمیایی، چه در سطح زمین – که مورد نیاز نیست – و چه در لایه های بالاتر جو – که به آن نیاز است – می شود. ضمن این که لیزر نقش عمده ای در تصفیه آب فاضلاب ها دارد.

ارتباطات
لیزر به عنوان یک منبع نوری در تمامی فیبرهای نوری مورد استفاده قرار می گیرد. پهنای باند این فیبرها 100 هزار برابر بیشتر از یک کابل مسی معمولی است. لیزر نسبت به تداخل میدان های الکتریکی و مغناطیسی خارجی حساس نیست و شنیدن مکالمه تلفنی دیگری به ندرت اتفاق می افتد.فیبرهای نوری در انتقال داده ها و مخابرات در سراسر دنیا به وفور یافت می شوند.

تحقیقات
لیزر به مهم ترین ابزار پژوهشی در زمینه های فیزیک، شیمی، زیست شناسی و پزشکی در سراسر دنیا تبدیل شده است و در موارد زیر استفاده قرار می گیرد:
• ثبت فرآیندهای شیمیایی فراسریع ( بسیار سریع ) نظیر تشکیل پیوندهای شیمیایی اتم ها برای تشکیل مولکول ها.
• مطالعه شکاف سلولی ( دو نیم شدن سلول ها ) و یا ورود ویروس ها به سلول.
• کاهش بسیار زیاد دمای مولکول ها.
• انتقال بیشترین انرژی ممکن به مواد مختلف در یک بازه زمانی کوتاه برای دریافت انواع گسیل های مختلف.
http://making.blogfa.com/
پزشکی
لیزر در پزشکی برای پیشرفت کارهای دقیقی مانند جراحی ها استفاده می شود. جراحی مغز نمونه ای از یک جراحی دقیق و ظریف است که جراح نیاز دارد ناحیه مورد نظرش را با دقت بسیار زیاد مورد بررسی قرار دهد. برای اطمینان بیشتر، لیزرها هم به منظور اندازه گیری و هم به منظور نشانه گیری ناحیه تحت درمان کاربرد دارند. ماه گرفتگی، زگیل و تغییر پوست به سادگی با یک لیزر غیر متمرکز از میان می روند. این جراحی ها هم با سرعت بیشتری انجام می گیرد و هم سریع تر بهبود می یابد و بهتر از همه آن که نسبت به جراحی های معمولی که با تیغ جراحی صورت می گیرند، درد کمتری دارد .

کاربردهای روزمره لیزر
زندگی روزمره ما کم و بیش با کاربردهای لیزر احاطه شده است. امروزه نجارها به جای تراز از لیزر استفاده می کنند و شکارچیان نیز لیزر را جایگزین تلسکوپ های معمولی نشانه گیریشان کرده اند و احتمالا کاربرد لیزر بیش از هر چیزی هنگام گوش کردن به موسیقی اهمیت پیدا می کند.

دستگاه DVD player لیزری دارد که فقط برای ایجاد پرتوهای موازی نیست، بلکه بیشتر به این منظور کاربرد دارد که از یک نقطه بسیار کوچک نوری ساطع می کند که می تواند روی لایه های مختلف دیسک متمرکز شود. با حرکت جانبی لنز دسترسی به عمق های مختلف دیسک را فراهم می شود. اطلاعات، یعنی صفرها و یک ها، در چندین لایه روی دیسک ذخیره شده اند و در یک زمان واحد تنها یکی از لایه ها قابل خواندن است هر نقطه روی یک لایه مشخص طی هر گردش دیسک خوانده می شود.

برای این که فضای لازم برای ذخیره ساختن اطلاعات فراوان روی یک دیسک به وجود آید، پرتو تابشی باید تا آن جا که ممکن است دقیقاً به اندازه آن نواحی کوچک متمرکز شود و این امر با هیچ منبع نوری دیگری غیراز لیزر نمی تواند صورت گیرد. امروزه اندازه این نواحی کو چک به حدود نصف میکرومتر مربع کاهش یافته است که هر میلی متر آن جای 20 مگابیت (mgabit) مگابایت (MByte) اطلاعات است.

نشانگر های لیزری
نشانگرهای لیزری از لیزرهای نیمه رسانای کم قیمتی ساخته شده اند که همراه با یک لنز پرتو های نور موازی تولید می کند. این پرتوها برای ساختن یک نقطه نورانی برای نشانه دادن آن است.
گستره این پرتوها (لیزر) خیلی وسیع است. اگر نقطه ای در فاصله 200 متری را در تاریکی با نشانگر روشن کنیم، کسی که در نزدیکی شی نشانه گیری شده (هدف) ایستاده باشد، به راحتی می تواند نقطه ای نورانی را مشاهده کند. البته یک فرد دیگر باید لیزر را نگه دارد. از طرف دیگر شخصی که لیزر را نگه می دارد به دشواری می تواند نقطه نورانی را ببیند.

نشانه گیر لیزری تفنگ (مگسک لیزری تفنگ)
نشانه گیر لیزری تفنگ ها بر اصل متفاوتی استوار است. برخی پرتوهای لیزری موازی با مسیر گلوله فرستاده می شوند تا نقطه ی اصابت گلوله را بررسی و قابل رؤیت کنند. این روش ویژه ی تیراندازان ماهر و نشانه گیر های حرفه ای است.
بعضی دیگر داخل کادر نشانه گیری اسلحه، به جای خط صلیبی شکل داخل دوربین اسلحه نقطه ای قرمز دارند. در هر دو مورد، ممکن است در اطراف نقطه یک حلقه باشد.

اندازه گیری سرعت با استفاده از لیزر
روش پلیس برای اندازه گیری سرعت اتومبیل ها بر اساس یک سیگنال لیزری است که به سوی هدف فرستاده می شود. این پرتو پس از برخورد با هدف بازگشته و با نوری که هنوز با اتومبیل برخود نکرده، ترکیب می شود.

حاصل این ترکیب یک نوسان است که هرچقدر هدف سریعتر حرکت کند، فرکانس بالاتری پیدا می کند یا زیرتر می شود. سرعت باید مستقیماً از مقابل یا از پشت سر اندازه گیری شود اگر جهت اندازه گیری زاویه دار باشد سرعت اندازه گیری شده از مقدار واقعی سرعت کمتر خواهد بود.این بدان معنی است که امکان اندازه گیری ارقام اشتباه خیلی بزرگ وجود ندارد.
موفقیت این نوع اندازه گیری بستگی به این دارد که اتومبیل بخش یا قسمت مناسبی برای بازتاب داشته باشد. پلاک اتومبیل برای این منظور بسیار مناسب است چون ممکن است از گونه های مختلف اشیاء بازتاب دهنده ساخته شده باشد. سطوح کدر نیز قابل قبولند اما بیشینه مسافت را کاهش می دهند.

مسافت پیمای لیزری
امروزه عمده ترین کاربران مسافت پیمای لیزری، نقشه برداران و ساختمان سازها هستند.اما صنعت اتومبیل سازی نیز به این مهم دست یافته است. استفاده نه چندان چشم گیر این وسیله در چیزی به نام کمک پارک دیده می شود که به راننده کمک می کند تا هنگام پارک کردن فاصله ی خود را با اتومبیل پشت سرش تخمین بزند.
در کاربردهای جدیدتر، فاصله ی اتومبیل جلویی نیز به هنگام رانندگی در بزرگراه ها یا جاده ها برای راننده معلوم خواهد شد. شما می توانید به منظور حفظ فاصله خود با اتومبیل جلویی دستگاه را در یک مسافت معین قفل کنید. این کار رانندگی را بهتر و سریع تر خواهد کرد.این نوع لیزر در بیشتر روبات هایی که دید مکانیکی دارند، یافت می شود.

کابل نوری بلندگوها
امروزه همه ی تقو یت کننده ها ( آمپلی فایرها ) یک کابل نوری جهت انتقال به بلندگو دارند. مزیت این روش آن است که سیستم نسبت به تداخل میدان های ا لکترومغناطیسی حساس نیست. این تداخل ممکن است به علت وجود قطعات الکتریکی یا فرستنده های رادیویی نظیر تلفن های همراه رخ دهند. منبع نوری که به عنوان فرستنده استفاده می شود یک لیزر نیمه رسانای کوچک است.

ساخت لیزر

براي ساخت يك ليزر پايه، به يك اتاقك يا حفره نياز است اين حفره به گونه اي طراحي شده است كه امواج مادون قرمز (IR)، نور مرئي، يا امواج ماوراء بنفش را مي تاباند. به طوري كه اين امواج يكديگر را تقويت مي كنند. حفره مورد نظر مي تواند انباشته از گاز، مايع يا حتي يك ماده جامد باشد. اما انتخاب اين ماده روي طول موج خروجي تأثير مي گذارد. در هر سمت اتاقك يك آينه وجود دارد. يكي از آينه ها كل امواج را باز تابش مي كند و اجازه نمي دهد هيچ انرژي از آن عبور كند. ولي آينه ديگر كاملاً باز تابنده نيست و در حدود 5 درصد از انرژي را از خود عبور مي دهد. و اما انرژي موجود در حفره يا اتاقك از يك منبع خارجي تأمين مي شود. كه به اين عمل تپش (pumping) گويند. عمل تپش يك ميدان مغناطيسي به كمك فركانس طبيعي اتمهاي ماده داخل حفره (پديده رزونانس) مي سازد كه در نتيجه آن اتمهاي ماده داخل حفره شروع به نوسان مي كنند. امواج بين دو آينه منعكس مي شوند. طول حفره به گونه اي انتخاب مي شود كه فركانس رفت و برگشت امواج با فركانس طبيعي ماده داخل حفره هماهنگ باشد به گونه اي كه امواج يكديگر را تقويت كنند. در اين فركانس امواج الكترومغناطيس از آن سمت حفره كه آينه اش درصدي از امواج را از خود عبور مي دهد پديدار مي شوند. خروجي مي تواند يك اشعه پيوسته يا يك سري امواج ناپيوسته باشد.