جت نیوز

لیزر (Laser: Amplification of Light by Stimulated Emission of Radiation) یکی از پیشرفته ترین فناوری های نوری است که از دهه 1960 انقلابی در علم، مهندسی و زندگی روزمره بشر 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، کاربردهای گسترده و پیشرفت های اخیر در این زمینه می پردازد.

اصول عمل لیزر

پردازش لیزری مبتنی بر پدیده ای به نام «گسیل تحریک شده» است. این پدیده توسط آلبرت انیشتین در سال 1917 پیش‌بینی شد. گسیل تحریک شده زمانی اتفاق می‌افتد که یک فوتون (ذره نور) با یک اتم یا مولکول برانگیخته برخورد کند و در نتیجه فوتونی با طول موج، فاز و جهت یکسان منتشر شود. این فرآیند منجر به تولید یک پرتو نوری متمرکز و تقویت شده می شود.

عملکرد لیزر بر اساس پدیده ای به نام "گسیل تحریک شده" است. در این قسمت اصول عملکرد لیزر و فرآیندهای فیزیکی که در دستگاه لیزر رخ می دهد توضیح داده شده است.

گسیل خود به خودی: هنگامی که یک الکترون در یک اتم یا مولکول از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر حرکت می کند، گسیل خود به خود یا تابش خود به خودی رخ می دهد که در آن یک فوتون (ذره نور) گسیل می شود. این فوتون دارای طول موج خاصی است و برابر با اختلاف انرژی بین دو سطح الکترون است.

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 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.

اجزای اصلی لیزر

محیط فعال (Gan Medium): 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 های فعال عبارتند از: 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

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

- جامد: مانند کریستال های نئودیمیم-ایتریم-آلومینیوم-گارنت (Nd:YAG).

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

منبع انرژی (منبع پمپ): منبع انرژی انرژی مورد نیاز برای برانگیختن اتم ها یا مولکول های محیط 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 چشم: استفاده از لامپ یا دیود نور برای تولید انرژی.

- پمپاژ الکتریکی: استفاده از جریان الکتریکی برای تحریک محیط فعال.

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

حفره نوری: حفره نوری از دو آینه تشکیل شده است که یکی از آنها نیمه شفاف است. این آینه ها نور را بین خود منعکس می کنند و فوتون ها را چندین 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.

فرآیند تولید پرتو لیزر

فشرده سازی: یک منبع انرژی یک محیط فعال را تحریک می کند و الکترون ها به سطح انرژی بالاتری حرکت می کنند.

تغییر جمعیت: تعداد الکترون های برانگیخته در سطوح انرژی بالاتر بیشتر از تعداد الکترون های سطوح انرژی پایین تر است.

گسیل تحریک شده: فوتون ها با الکترون های برانگیخته برخورد می کنند و باعث گسیل فوتون های جدید با طول موج، فاز و جهت می شوند.

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

پرتو لیزر: هنگامی که نور تقویت می شود، آینه نیمه شفاف یک پرتو منسجم و قدرتمند از خود ساطع می کند.

عملکرد لیزر بر اساس اصول فیزیکی انتشار تحریک شده و تقویت نوری است. لیزرها با استفاده از رسانه فعال مناسب، منبع انرژی و حفره نوری می توانند پرتوهای نوری بسیار منسجم، قدرتمند و دقیقی تولید کنند که کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف از پزشکی گرفته تا مخابرات و نظامی دارند.

عناصر اساسی سیستم لیزر

یک سیستم لیزر معمولی از سه بخش اصلی تشکیل شده است:

محیط فعال (سود متوسط): ماده ای که می تواند با تابش 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 محیط فعال تولید می کند. این انرژی می تواند به صورت نور، الکتریسیته یا واکنش های شیمیایی باشد.

حفره نوری: ساختاری که یک فوتون را بین دو آینه قرار می دهد و آن را به طور مکرر تقویت می کند تا زمانی که به اندازه کافی قوی باشد که از یک طرف آینه شفاف خارج شود.
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
نوع لیزری

لیزرها بسته به نوع محیط فعال به چند دسته تقسیم می شوند:

لیزرهای گازی: گازهایی مانند لیزر هلیوم-نئون (HeNe) و لیزرهای دی اکسید کربن (CO2) برای برش و جوشکاری استفاده می شود.

لیزرهای حالت جامد مانند لیزر نئودیمیم-ایتریم-آلومینیوم-گارنت (Nd:IAG) مورد استفاده در پزشکی و صنعت.

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

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

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

کاربردهای لیزر

لیزر به طور گسترده در زمینه های مختلف و در زندگی روزمره استفاده می شود:

درمان: لیزر در جراحی های دقیق، پوست، اصلاح بینایی (لیزیک) و دندانپزشکی استفاده می شود.

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

صنعت: لیزر در برش، جوشکاری، 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 موشکی، دفاع هوایی و سلاح های لیزری استفاده می شوند.

پیشرفت های اخیر

تکنولوژی لیزر دائما در حال پیشرفت است. برخی از آخرین پیشرفت ها عبارتند از توسعه لیزرهای فوق سریع (فمتوثانیه) برای تحقیقات علمی پیشرفته، لیزرهای پرقدرت برای کاربردهای صنعتی و نظامی و لیزرهای کوچک برای کاربردهای پزشکی و مصرفی. همچنین پیشرفت در زمینه نانوفوتونیک و لیزرهای کوچک پتانسیل افزایش بازده و کاهش هزینه ها را دارد.

آخرین کلمه

یکی از نوآوری های برجسته قرن بیستم، لیزر تأثیر گسترده ای بر علم و فناوری داشت. از جراحی های پزشکی دقیق گرفته تا ارتباطات نوری پرسرعت، لیزرها زندگی ما را به طرز چشمگیری تغییر داده اند. با پیشرفت مستمر در این زمینه، انتظار می‌رود کاربردها و قابلیت‌های لیزر همچنان به گسترش خود ادامه دهند و در آینده نوآوری‌های جدید ایجاد کنند.