X
تبلیغات
رایتل
X
تبلیغات
رایتل

بازدید : مرتبه
تاریخ : 1392/12/09

 لیزر چیست و چگونه کار می کند؟

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؟
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.

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.
 
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.
 
تاریخچه لیزر

خط زمانی پدید آمدن لیزر:
گسیل القایی - 1947
آلبرت انیشتن فرآیندی را که امکان تشکیل لیزر را فراهم می کرد، برای اولین بار پیشنهاد کرد. این فرآیند گسیل القایی نام داشت.
هولوگرافی - 1947 
گابور  نظریه هولوگرافی را که برای فهمش نیاز به نور لیزری داشت، توسعه داد. او در سال 1971 برای این کارش برنده جایزه نوبل فیزیک شد.
میزر - 1954
اولین مقالات مربوط به میزر درسال 1954 به چاپ رسید که نتیجه پژوهش های همزمان و البته مستقل تاونز و همکارانش در دانشگاه کلمبیای نیویورک و بازف و پروخوروف در موسسه لبدف مسکو بود. فعالیت های آن ها در سراسر دهه های 60 و70 ادامه داشت. آن ها برای این کار، در سال 1964 برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.
لیزر - 1958
تاریخ استفاده ازمیزر نوری و یا لیزر به سال 1958 باز می گردد. در آن زمان امکان به کارگیری اصول میزر در ناحیه نوری توسط شالو و تاونز همانند موسسه لبدف به خوبی مورد تحلیل و بررسی قرارگرفت. طیف نمایی لیزر توسط شالو و همکارانش در دانشگاه استانفورد گسترش یافت و بلومبرگن و همکارانش نور شناخت غیر خطی را که کاربرد ویژه ای در طیف نمایی لیزر دارد، توسعه دادند. به همین منظور جایزه نوبل فیزیک در سال 1981 به آنها تعلق گرفت.
لیزر یاقوت -1960
اولین لیزر در سال 1960 به کار برده شد و لیزر یاقوتی رنگی بود که از پالس های (تپ های) پر قدرت نور قرمز نشات می گرفت.
نیمه رسانا -1963
آلفروف و کرامر مستقلا در سال 1963 اصل نیمه رسانای با ساختار غیر هم شکل را پیشنهاد دادند که بعد ها در لیزر نیمه رسانا مورد استفاده قرار گرفت. لیزر نیمه رسانا امروزه از عمده ترین لیزرهاست. برای این کار آن ها در سال 2000 برنده جایزه نوبل شدند.
الیاف شیشه - 1980
فیبر نوری که از الیاف شیشه ای ساخته شده است، تلفات خیلی کمی دارد. تا جایی مکالمات تلفنی و مخابرات می تواند کیلومترها با کمک نور لیزری منتقل شود.
سرد کردن لیزری - 1980
در دهه 80 چو، کوهن و تانوجی روی سرد کردن اتم ها کار کردند. به همین منظور درسال 1997 جایزه نوبل فیزیک به آنها اهدا شد.

آلبرت انیشتن از سال 1917 نظریه ی گسیل القایی را تشریح کرد اما 30 سال طول کشید تا مهندسین توانستند این اصل را برای اهداف کاربردی مورد استفاده قرار دهند دانشمندان از این کشف فنی جدید و مهم شگفت زده شدند اما فن آوری لیزری به خودی خود در واقع هیچ هدفی نداشت این امر تنها در مورد لیزر استثنا نیست اکتشافات برای آن که از مورد استفاده قرار گیرند نیاز به زمان دارند امروزه لیزر در مخابرات صنعت، پزشکی، حفاظت از محیط زیست و پژوهش ها به کار گرفته می شود لیزر در سراسر دنیا به یکی از قدرتمندترین ابزارهای دانشمندان در رشته های فیزیک شیمی زیست شناسی و پزشکی تبدیل شده است یکی از مباحثی که خیلی جالب به نظر می رسد روش متفاوت در سرد کردن و به دام انداختن اتم ها با استفاده از لیزر است ما هنوز نمی دانیم که این دانش و فن آوری در آینده چه کار برد خواهد داشت، اما یقین داریم که کاربردهای آینده ی آن بر مبنای پژوهش های امروز خواهد بود.
 
جایزه های نوبل در رشته فیزیک
اغلب عادت کرده ایم که از وسایل استفاده کنیم بی آنکه در موردشان فکر کنیم آیا تا کنون به این موضوع اندیشیده اید که هنگام گوش کردن به یک cd یا نشانه گیر لیزری اکتشافی که برنده ی جایزه ی نوبل بوده است را به دست گرفته اید؟ خوب، اگر چنین نبود، بدانید که فقط شما نیستید که به این موضوعات فکر نمی کنید.

اتفاق سال 1964
دانشمندانی که به طور مشترک برای کار علمی بنیادی شان که بعدها منجر به ساخت لیزر شد، برنده جایزه نوبل شدند، نظریه ی لیزرها را یافتند و چگونگی ساخت آن ها با استفاده از چیزی شبیه وسیله ای که امروزه در مایکرویوها وجود دارد و نامش میزر است را شرح دادند. میزر طی سال های دهه ی 50 شناسانده شد.

این اکتشاف چه پیامدی داشت ؟
این کشف بعدها به ساخت لیزرهای بزرگ و تقریبا بد شکلی در آغاز دهه ی 60 منتهی شد. هنوز هم، نظریه ی آن ها در رابطه با تاثیرات لیزر، نظریه ای است که اساساً تمامی لیزرها را تشریح می کند. وقتی به یک cd گوش می کنید و یا با یک نشانه گیر لیزری هدفی را نشانه می گیرید در واقع کشف این افراد در دست دارید.

اتفاق سال 1971
گابور به تنهایی برنده  جایزه شد، چون اساس ایده روشن هولوگرافیک ( تصویر سازی سه بعدی لیزری ) را یافت. روشی که از معروف ترین و چشم گیرترین فن آوری های لیزر است. در ابتدا روش ساخت تصاویر سه بعدی فقط ابزار مفیدی برای مشاهده اجسام در حال نوسان بود اما امروزه بیشتر آنچه را ما در مورد سازهای موسیقی و صداهای تولید شده شان می دانیم،  مدیون استفاده از هولوگرام ها هستیم.
 
علاوه بر هولوگرام هایی که فروخته شده و به دیوار آویخته می شوند، هولوگرام های ساده تری هم هستند که در بسیاری چیزهای دیگر که ممکن است انتظارش را نداشته باشید، یافته می شوند. هولوگرام های کوچک در بسیاری از کارت های شناسایی و یا کارت های اعتباری به کار برده می شوند تا جعل این اسناد را دشوار سازند.

اتفاق سال 1997
شالو و بلومبرگن برای شرکت در توسعه طیف نمایی لیزر برنده ی جایزه نوبل شدند. از نمونه های کاربردی این کار استفاده در نور شناخت غیر خطی است. یعنی روش های تاثیر یک پرتو بر دیگری و پیوستن به چند پرتو لیزری به طور ثابت است.
این پدیده ها بدین معناست که در اصل یک پرتو نور می تواند با یک پرتو نور دیگر هدایت شود اگر در آینده کسی بخواهد یک کامپیوتر نوری بسازد که در ذخیره داده ها خیلی سریعتر و کار آمدتر عمل خواهد کرد، باید اساس کار خود را بر مبنای نور شناخت غیر خطی قرار دهد.


هنگام استفاده از فیبرهای نوری، برای مثال در کاربردهای باند گسترده، کلید ها و تقویت کننده ها (آمپلی فایرها) همگی نیازمند نور شناخت غیر خطی هستند.

اتفاق سال 1997
چو، کوهن، فیلیپس و تانوجی جایزه نوبل را دریافت کردند زیرا توانستند روش های سرد کردن و به دام انداختن اتم ها را با نور لیزری توسعه دهند. با این روش القایی اتم ها انرژی گرمایی شان را به نور لیزری داده و به این ترتیب دمایشان پایین و پایین تر می رود. وقتی دمای اتم ها به نزدیکی صفر مطلق نزول می کند، اتم ها به شکل متراکمی درآمده و توده های اتمی می سازند به گونه ای که برخی از جنبه های درونی طبیعت را آشکار می سازند و این کاربرد مهم سرد کردن لیزری است که ما با ساختارهای طبیعی بیشتر آشنا می کند. خیلی زود دیگر دانشمندان برای استفاده از این تکنیک (فن) دست به کار شدند و در زمینه های مربوطه پیشرفت هایی را عملی کردند.
 
وقتی لیزر در سال 1960برای اولین بار معرفی شد به جز مقدار کمی از فیزیک دانان، کسی چیزی در مورد کار برد های آن نمی دانست فن آوری لیزر راه حلی بود که به دنبال مسئله اش می گشت.

اتفاق سال 2000
آلفروف و کرامر برای فعالیت هایشان در زمینه ی فیزیک نیمه رساناها برنده جایزه نوبل شدند. آن ها نوعی از ماده را مورد بررسی قرار دادند که برای اولین بار برای ساخت لیزرهای نیمه رسانا مورد استفاده قرار گرفت، نوعی لیزرهای بسیار کوچک که امروزه ارزان ترین، سبک ترین و کوچک ترین لیزرهای موجود هستند.
هدف از ساختن آنها تولید همزمان منبع نوری و ذخیره انرژی با قرار دادن آینه هایی در یک کریستال بود ( با رویه ای کمتر از mm 1 و ردیف های بسیار زیاد ) این کشف نه تنها اساس کار بسیاری از وسایل ارزان و قابل حمل شد بلکه منجر به ساخت اطلاعات نوری (اپتیکی) شبکه های اینترنتی شد.

دستگاه  پخش CD  و نشانه گیر لیزری و دستگاه خواندن بارکدهای صندوق دارهای سوپر مارکت ها همگی و همگی بر مبنای این کشف ساخته شده اند.





طبقه بندی:
ارسال توسط hs50
آرشیو مطالب
صفحات جانبی
پیوند های روزانه
آمار