X
تبلیغات
پیکوفایل
رایتل

کِم سِنتر

انواع لیزر و ویژگی ها

بدون شک یونانی ها اولین قومی بودند که به توضیح نور و اینکه اشیا چگونه دیده می شوند پرداختند. مدتها بعد تجربه های علمی، دو نظریه را راجع به نور مطرح ساخت. اولین نظریه مرتبط با نظریه ذره ای نور است که ابتدا توسط نیوتن مطرح گردید، وی پیشنهاد کرد که نور شامل جریانی از ذره است که از قوانین دینامیکی حرکت که خود از بنیان گذار آن بود تبعیت می کند. دومین نظریه توسط هوک و هویگنس پیشنهاد شد که فرض کردند که نور دارای طبیعت موجی است.

انواع لیزر و ویژگی ها

برای همین نظریه نور که بتواند قابل قبول باشد، لازم است که این نظریه پاسخگوی پدیده های مشاهده شده هم باشد. پراش واژه ایست که برای بیان انحراف نور از "لبه ها و گوشه ها" انتخاب شده است، بنابراین سایه های اجسام روی صفحه ای دور از جسم کاملا تیز نیستند. تداخل نور نیز نشان می دهد که نور دارای طبیعت موجی است. پدیده فوتوالکتریک، از جهت دیگر، با پذیرفتن طبیعت ذره ای نور قابل توضیح می باشد. بنابراین هر دو نظریه موجی بودن و ذره ای بودن نور قادرند به توضیح پدیده های فیزیکی که با نور سر و کار دارند بپردازند.  

"حروف واژه لیزر(LASER) به ترتیب حرف اول کلمه های Light(نور) Amplification(تقویت)، Stimulated (القایی)،)Emissionگسیل)) Radiation تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می باشد. لیزر دستگاهی است برای تولید، تقویت و انتقال باریکه های نوری همدوس باریک و با شدت زیاد گاهی عنوان میزر اپتیکی نیز به لیزر اطلاق می شود."

انواع مختلف لیزر:

لیزرها را می توان به دسته های مختلفی دسته بندی کرد:

1. بر اساس حالت محیط فعال:جامد مایع گاز یا پلاسما که در این قسمت به آن می پردازیم.

2. گستردگی بینابی طول موج لیزر:مریی، فرو سرخ و نظایر آن

3. روش تحریک یا پمپاژمحیط فعال(دمش): دمش نوری، دمش الکتریکی و غیره

4. مشخصه تابش صادر شده توسط لیزر

5. تعداد ترازهای انرژی که درفرآیند تقویت نور شرکت می کنند.

 

انواع مختلف لیزر بر حسب محیط فعال

انواع لیزر و ویژگی ها

محیط فعال تعیین کننده نوع لیزر است و به همین دلیل در بعضی از تقسیم بندیها نام لیزر رابا نام محیط فعال آن مشخص می کنند. منظور ازمحیط فعال مجموعهای ازاتمها و یا مولکولها ست که می توان در آن جمعیت وارون ایجادکردو درنتیجه تابش الکترو مغناطیسی توسط گسیل القایی را حاصل نمود. از میان نمونه های متعدد می توان لیزر خاص پرتو ایکس را معرفی کرد.

در این لیزرها، هدف از یک ورقه نازک سلنیوم یا عنصر دیگری با عدد اتمی بالا که برای افزایش سختی روی زیر لایه ای از وینیل نشانده می شود، تشکیل می شود. هدف از دو طرف توسط یک جفت پالس لیزری از لیزر پر توان که تمرکز ان چند صد بار بزرگتر از عرض آن است، تحت تابش قرار می گیرد.

لیزرهای پرتو ایکس

در اثر این تابش، ورقه سلنیوم منفجر می گردد و پلاسمایی از یون های سلنیوم که از 24 الکترون تهی شده است بوجود می آید. یون حاصل دارای بار الکتریکی بسیار زیادی است. اختلاف انرژی الکترون های بیرونی یون مناسب با مربع Z است(Z بار یون است) ، و این منجر به گسیل های پرتو ایکس با طول موج خیلی کوتاه می گردد.

از آنجا که آهنگ واپاشی یا فروافت خود به خودی متناسب با توان چهارم z است، منبع پمپاژ باید 1000 برابر انرژی بیشتری را در زمانی ده هزار بار سریعتر از لیزر اپتیکی به هدف تحویل دهد. حل این مسئله توسط یون های با z کم امکان پذیر است.

ممکن است لازم نباشد که تعداد زیادی الکترون را از یک عنصر با عدد اتمی بالا جدا کنیم. می توان به وسیله سایر گذارهای پرتوی ایکس، از جمله الکترون های داخلی که توسط الکترون های بیرونی حفاظ نشده اند و نیروی کامل بار هسته ای را احساس می کنند به عمل لیزر ایکس با جدیت کمتری دست یافت.

انواع لیزر و ویژگی ها

همچنین، نتایج امیدوار کننده ای از گذارهای پرتو ایکس قوی در الکترون های داخلی میکرو خوشه های اتمی بدست آمده است. در حال حاضر بازدهی اینگونه لیزرها خیلی کم است زیرا بیشتر بر اساس تحریک برخوردی استوار است. می توان با خنک سازی سریع که منجر به پمپاژ ترکیب مجدد سه ذره ای پلاسمای به شدت یونیزه می گردد، به بازدهی بسیار بیشتری دست یافت. به نظر می رسد که ترکیبی از روشها، شامل خنک سازی تماسی و انبساط بی در رو از همه امیدوار کننده تر است.

 بیوهولوگرافی 

با استفاده از کوتاه بودن طول موج لیزرهای پرتو ایکس پالسی می توان عکسهای فوری سه بعدی از یک بیومولکول تنها در داخل سلول زنده تهیه کرد. این امکان برای میکروبیولوژیستها فراهم می شود که مولکول های آلی لطیف و پیچیده را در محیط طبیعی خودشان، در حالی که در داخل سلول زنده باقی می مانند، بررسی و آزمایش کنند. تحت شرایط مناسبی حتی می توان این مولکول ها را در حین تغییرات مهم شیمیایی و در طول عملکرد طبیعی خود، مورد مطالعه قرار داد. دیگر نیازی به کار مشکل منزوی سازی، خالص سازی و رشد بلورهای کامل در شاتل های فضایی و غیره نیست.

اغلب بیومولکول های بزرگتر، وقتی از محیط آبی طبیعی خود یا از دیواره سلولها خارج می شوند، شکل خود را تغییر می دهند. در طول مدت فرایند خالص سازی، اطلاعات حیاتی در مورد عملکرد و مکان هندسی و آرایش داخل سلول زنده، از دست می رود.

تمام این مسائل و مشکلات با هولوگرافی پرتو ایکس برطرف می گردد. طول موج در داخل پنجره آبی جایی که ضریب جذب نا پیوسته، اجازه می دهد که پرتو ایکس نسبتا بدون مانع در مقایسه با دیگر مولفه های اتمی بیومولکولی مثل کربن، عبور کند، تنظیم می گردد. باریکه باید از لایه نسبتا نازک آب شامل سلول عبور کند. از مؤلفه های مختلف سلولی می توان همزمان تصویر برداری سه بعدی انجام داد. به احتمال بسیار زیاد بعد از تابش، سلول به طرز جبران ناپذیری صدمه خواهد دید. با این وجود، اطلاعات ساختاری ارزشمندی به طور پیوسته در هلوگرام ثبت خواهد شد.

تنها فناوری دیگری که امروزه این توانایی را دارد،بیناب سنجی تشدید مغناطیسی است. با این وجود توانایی آن برای تعیین ساختمان هندسی دقیق و مکان های بیومولکول ها در داخل سلول زنده تا حدودی غیر مستقیم و نظری است.

توانایی تصویر برداری مستقیم از بیو مولکول ها باعث می شود که پیشرفت های بسیار زیادی در ژنتیک و دیگر زمینه ها صورت گیرد.داده های بدست آمده اخیر از گروه پژوهشی اخترشناسی با پرتوایکس نشان می دهد که لیزر پرتوایکس، در کوازارهای در حال کارکردن است. این شاهد برجسته، تامین کننده و پشتیبان قوی نظریه ستاره لیزری است: پدیده جمعیت وارون شدیدی می تواند در هر طول موجی، از میکروموج تا ناحیه مرئی و پرتوایکس، در جو ستاره ای به وجود آید. 

نجوم

 

لیزرهای اپتیکی

قبل از اختراع لیزر یاقوت، تقویت در ناحیه میکرو موج در محیط گاز آمونیاک توسط تاونز مشاهده گردیده بود. به ابزاری که در این ناحیه از میکروموج کار می کرد میزر گفته شد. پس از آنکه لیزر یاقوت اختراع گردید، در واقع گستردگی فرکانس به ناحیه اپتیکی که بشر قادر به دیدن آن است رسید. به ابزاری که حاصل گردید "میزر اپتیکی" و یا لیزر گفته شد و از آن تاریخ به بعد، کم و بیش، به نور و یا دستگاهی که بتواند در هر فرکانسی بر اساس گسیل القایی فعال باشد "لیزر" گفته شد.

انواع لیزر و ویژگی ها(2)

پس از آنکه شالو و تاونز مقاله خود را در مورد امکان عمل لیزری در ناحیه فروسرخ و مرئی به چاپ رساندند، طولی نکشید که پژوهشگران فراوانی، به طور جدی کار بر روی دستگاه آزمایشی را شروع کردند. اغلب پژوهشگران فکر می کردند که گازها اولین تقویت کننده لیزری در ناحیه مرئی و فروسرخ می باشند. ولی با کمال تعجب یاقوت اولین ماده ای بود که نور لیزری را در ناحیه مرئی تولید کرد. یک درگیری قانونی تلخی در مورد کسی که این لیزر را اختراع کرد هم وجود داشت.

توصیف کوانتومی

ابتدا تصور می شد که پمپاژ اپتیکی با نوار پهن ناکارا باشد، ولی دیده شد که این فقط در مورد یون های با تشدیدهای خیلی باریک مثل مورد گازها و پلاسماها صادق است.

وقتی یون ها در داخل جامد قرار گیرند، می توانند تابش را در یک نوار وسیع تری از طول موج ها جذب کنند. تابش اپتیکی با طول موجی حدود 550 نانومتر توسط یون های کروم که به صورت رقیقی در شبکه بلوری سنگ سنباده یا اکسید آلومینیوم تزریق شده اند، جذب می گردد و سپس انتقالی غیر حرارتی سریع به یک تراز شبه پایدار پایین تر با عمر 5 میلی ثانیه صورت می گیرد. چنانچه توان پمپاژ از مقدار آستانه بالاتر باشد، جمعیت وارون می تواند بین این حالت شبه پایدار و حالت پایه بوجود آید.

با قرار دادن آن در یک تشدیدگر اپتیکی، عمل لیزری به میزان قابل توجهی بهبود می یابد.

اولین لیزر اپتیکی توسط مایمن در سال 1340 هجری(1960 میلادی) به طور موفقیت آمیز ساخته شد. این لیزر از بلور یاقوت در داخل لامپ درخشش مارپیچی شکل تشکیل شده و مجموعه در داخل حفره استوانه ای شکل آلومینیومی براق قرار گرفته است و استوانه توسط هوای فشرده خنک می شود. استوانه یاقوت تشکیل کاواک فابری-پرو را می دهد که دو انتهای آن به صورت اپتیکی صیقل داده شده است. هریک از دو انتها توسط بخار نقره پوشیده می شود و یکی از دو انتها کمتر بازتاب کننده است، تا بخشی از تابش بتواند از آن خارج شود و به صورت یک پرتوی لیزری درآید. عمل پمپاژ توسط تخلیه سریع لامپ درخش صورت می گیرد. اولین لیزرهای یاقوت به دلیل پخش گرما و نیاز به توان پمپاژ بالا در حالت پالسی کار می کردند.

تشریح مکانیکی

در سال 1340 هجری(1961 میلادی)نلسون و بویل با جایگزین کردن لامپ درخشش توسط یک لامپ قوس الکتریک، لیزر پیوسته را ساختند. در شکل زیر نمایش طرز کار لیزر یاقوت که توسط مایمن طراحی، ساخته و شروع به کار کرده آورده شده است.

انواع لیزر و ویژگی ها(2)

مدت کوتاهی پس از ساخت موفقیت آمیز اولین لیزر اپتیکی، آزمایشگاه های جهان آزمایش بر روی مواد و یونهای مختلف از قبیل خاک های کمیاب از گروه لانتانیدها و حتی اورامنیم را انجام دادند و عمل لیزری در آنها مشاده شد. مواد مختلفی در آزمایش قرار گرفتند که عبارتند از ایتریم آلومینیوم گارنت(YAG) و شیشه. با پیشرفت فناوری، ساخت این لیزرها به سرعت از آزمایشگاه خارج شده و کاربردهای تجاری پیدا کردند.

استفاده عملی

لیزهای گازیدر بخش بزرگ و مهمی از لیزرها یک نوع گاز یا مخلوطی از گازها به عنوان محیط فعال مورد استفاده قرار می گیرند. عمل تحریک اتم ها معمولا با عبور جریان الکتریکی از داخل گاز صورت می گیرد. لیزرهای گازی هم به صورت پیوسته و هم به صورت پالسی می توانند کار کنند. یک نوع لیزر گازی شامل مخلوطی از گاز هلیوم و گاز نئون است که در شکل زیر نشان داده شده است.

انواع لیزر و ویژگی ها(2)

مخلوط گازی، در داخل لوله شیشه ای محفظه بسته به نام لوله "پلاسما" و در فشار خیلی پایین وجود دارد. ساز و کار تحریک لیزر هلیم-نئون تخلیه جریان مستقیم در داخل گاز است و این جریان با عث تحریک اتمهای هلیم به حالتهای اتمی بر انگیخته می گردد. انرژی اتمهای هلیوم برانگیخته از طریق برخورد با اتمهای نئون به آنها منتقل می شود و در نتیجه اتمهای نئون به یک تراز انرژی پایین تر که منجر به عمل لیزری می گردد، انتقال می یابند. ساز و کار پس خوراند(feedback) شامل یک جفت آیینه است که در دو انتهای لوله ی پلاسما تعبیه شده اند. یکی از این آیینه ها به نام جفت کننده خروجی یک تا دو درصد نور را به شکل پرتو پیوسته عبور می دهد که پرتو خروجی لیزر را تشکیل می دهند. 

 

لیزرهای جامد بلورین وشیشه ای

انواع لیزر و ویژگی ها(3)

در دسته ی مهم دیگری از لیزرها،جهت محیط فعال، از مواد شیشه ای یا جامد بلورین استفاده می کنند. یاقوت و نئودیمیوم- یاگ، دو مثال عمومی از لیزرهای جامد با کاربرد صنعتی گسترده هستند. یاقوت، اکسید آلومینیوم بلورین است که در آن یون های کروم جایگزین بعضی از یون های آلومینیوم در شبکه ی بلوری، شده اند.این یون های کروم، تشکیل دهنده ی عناصر فعال در لیزر یاقوت هستند.

بلور ایتریم- آلومینیوم- گارنت(YAG)، بلور میزبان برای نئودیمیوم در لیزرهای نئودیمیوم یاگ است، که بعضی از یون های ایتریم توسط یون های سه بار یونیده نئودینیوم که عنصر خاکی کمیاب است، جایگزین شده است. از شیشه هم به عنوان میزبان برای لیزرهای نئودیمیوم استفاده می شود. در شکل زیر موئلفه های مختلف لیزر نئودیمیوم- یاگ در حالت موج پیوسته آن نشان داده شده است.

انواع لیزر و ویژگی ها(3)

محیط فعال استوانه ای از بلور لیزر است که دو انتهای آن کاملا موازی و صیقلی است. برای کاهش تلفات، دو انتهای میله توسط مواد ضدبازتاب لایه گذاری شده است. عمل تحریک در این لیزر خاص با لامپ رشته ای تنگستن متصل به منبع تغذیه متناوب، انجام می شود. در نمونه های بزرگتر از لامپ های قوس الکتریکی کریپتون(تخلیه گازی) به عنوان منبع پمپاژ استفاده می شود. هر دو نوع لامپ، پمپاژاپتیکی پیوسته ای برای بلور لیزر فراهم می سازد. آینه های لیزر نئودیمیوم- یاگ معمولا جدا از محیط فعال قرار می گیرند ولی گاهی یکی از آینه ها با تکنیک لایه گذاری روی یک انتهای میله لیزر تشکیل می دهند.

لیزرهای نئودیمیوم- یاگ پالسی دارای همان پایه طراحی پمپاژ پیوسته هستند، جز آنکه لامپ پمپاژ پیوسته و منبع تغذیه پیوسته توسط لامپ درخش زینون و یک منبع تغذیه پالسی جایگزین می شوند.

به عنوان مثال، اگر لامپ تخلیه ید – تنگستن توسط لامپ درخش زینون یا دیود لیزر پالسی جایگزین گردد، می توان عمل لیزری پالسی به جای عمل پیوسته را به دست آورد. لیزرهای یاقوت از تظر ساختمانی بسیار شبیه این نوع لیزر است، ولی معمولا آنها به عنوان لیزرهای پالسی کار می کنند.

 لیزرهای مایع رنگی(رزینه ای)در لیزرهای مایع رنگی از محلول مواد پیچیده به عنوان محیط فعال استفاده می شود. رنگها مولکول های آلی بزرگی هستند که وزن مولکولی آنها به چند صد می رسد. رودامین G6 و سدیم فلوئورسنت دو نمونه از این رنگ ها هستند. مواد رنگی را در حلالی آلی مثل متیل- الکل حل می کنند. بنابراین محیط فعال به صورت مایع است. لیزرهای رزینه ای تنها نوع لیزرهای مایعی هستند که حالت توسعه یافته ای پیدا کرده اند. در شکل زیر نموداری از طراحی رایج لیزر رزینه ای دیده می شود.

انواع لیزر و ویژگی ها(3)

منبع پمپاز برای دمش محلول رنگ یک لیزر آرگون است که پرتو آن در باریکه ای کوچک کانونی می شود. لیزر آرگون لیزر گازی است که نور آبی و سبز تابش می کند.محلول رنگ به صورت جت با سرعت بالا جریان می یابد و همزمان پرتو لیزر آرگون بر روی محلول رنگی جت کانونی می گردد. طول موج نور خروجی را می توان به وسیله عناصر کوک شونده ای تنظیم کرد.

یکی از بزرگترین مزیت های لیزرهای رزینه ای قابلیت تنظیم یعنی تغییر رنگ پرتو خروجی توسط عناصر تنظیم و هم چنین تغییر نوع رنگ مورد استفاده در لیزر است. خروجی تکفام حاصل از لیزرهای رزینه ای در گستره وسیعی از فرابنفش تا نزدیک فرو سرخ قابل تنظیم اند. لیزرهای رزینه ای که در طول موج مریی و بخش هایی از فرو سرخ و فرا بنفش قابل تنظیم هستند به طور تجاری در هر دو حالت پالسی و پیوسته قابل دسترس هستند. این لیزرها برای کاربرد هایی همچون طیف نگاری که در آن قابلیت تنظیم طول موج بسیار حائز اهمیت است، انتخاب می شوند.

محیط فعال لیزر نیم رسانا، پیوند بین دو نوع ماده نیم رسانای مختلف است. نیم رسانا ماده ای است که رسانش الکتریکی آن بزرگتر از رسانش الکتریکی یک عایق، مثل شیشه یا پلاستیک است ولی از رسانش الکتریکی یک رسانا مثل نقره، یا مس کمتر است. گالیم آرسناید (GaAs) نمونه ای از ماده نیمرسانای مورد استفاده در ساخت لیزرهای نیم رسانا

لیزرهای نیم رسانا

بشمار می رود. نیم رسانای نوع (p) دچار کمبود الکترون در شبکه بلوری است. این کمبود الکترون بدین صورت وجود دارد که مکان هایی در شبکه می توانند الکترون پذیر باشند. این حفره های با بار مثبت، حامل جریان الکتریکی در نیمه رسانای نوع p هستند. در مقابل یک نیم رسانای نوع (n) دارای الکترون اضافی است که به عنوان حامل جریان عمل می کند. اگر دو تیغه از نوع n و نوع p به یکدیگر پیوند بخورند، نتیجه پیوند pn نامیده می شود.

وقتی جریان از پیوند pn عبور کند، الکترون های آزاد موجود در ماده نوع n با حفره های موجود در ماده نوع n ترکیب می شوند و انرژی آزاد می کنند. این انرژی ممکن است به صورت نور مریی در دایودهای نور زا که در نمایشگرهای ماشین های حساب الکترونیکی استفاده می شود ظاهر شود. دایود لیزری، از بلور گالیم آرسناید مکعب مستطیل شکل، تشکیل می شود که شامل پیوند pn است. کل مجموعه به اندازه یک دانه شن است.

وجوه انتهای دایود لیزری به موازات صفحات بلوری برش داده می شود تا صفحات بازتابگر موازی که به عنوان آینه های پس خوراند عمل می کند را به وجود آورد. شیوه ی تحریک، با عبور جریان در امتداد پیوند حاصل می شود. خروجی لیزرهای نیم رسانا معمولا در ناحیه فرو سرخ است. اگرچه بعضی از نمونه های آن در ناحیه مریی عمل می کنند. 

 

 

 

به نقل از :  tebyan.net

نظرات (0)
نام :
ایمیل : [پنهان میماند]
وب/وبلاگ :
برای نمایش آواتار خود در این وبلاگ در سایت Gravatar.com ثبت نام کنید. (راهنما)