اصل لیزر و کاربرد آن

لیزر به فرآیند و ابزار تولید پرتوهای نوری منسجم، تک رنگ و منسجم از طریق تقویت تشعشعات تحریک شده و بازخورد لازم اشاره دارد. اساساً، تولید لیزر به سه عنصر نیاز دارد: یک "رزوناتور"، یک "محیط افزایش" و یک "منبع پمپاژ".

الف. اصل

حالت حرکت یک اتم را می توان به سطوح مختلف انرژی تقسیم کرد و زمانی که اتم از سطح انرژی بالا به سطح انرژی کم تبدیل می شود، فوتون های انرژی متناظر را آزاد می کند (به اصطلاح تابش خود به خودی). به طور مشابه، هنگامی که یک فوتون به یک سیستم سطح انرژی برخورد می کند و توسط آن جذب می شود، باعث می شود اتم از سطح انرژی کم به سطح انرژی بالا (به اصطلاح جذب برانگیخته) تبدیل شود. سپس، برخی از اتم‌هایی که به سطوح انرژی بالاتر انتقال می‌یابند، به سطوح انرژی پایین‌تر منتقل می‌شوند و فوتون‌ها منتشر می‌کنند (به اصطلاح تشعشع تحریک‌شده). این حرکات به صورت مجزا انجام نمی شوند، بلکه اغلب به صورت موازی انجام می شوند. وقتی شرایطی را ایجاد می کنیم، مانند استفاده از محیط مناسب، تشدید کننده، میدان الکتریکی خارجی کافی، تابش تحریک شده تقویت می شود به طوری که بیشتر از جذب تحریک شده، آنگاه به طور کلی فوتون هایی ساطع می شود و در نتیجه نور لیزر ایجاد می شود.

ب. طبقه بندی

با توجه به محیطی که لیزر را تولید می کند، لیزر را می توان به لیزر مایع، لیزر گازی و لیزر جامد تقسیم کرد. در حال حاضر رایج ترین لیزر نیمه هادی نوعی لیزر حالت جامد است.

ج. ترکیب

اکثر لیزرها از سه بخش تشکیل شده اند: سیستم تحریک، مواد لیزر و تشدید کننده نوری. سیستم های تحریک دستگاه هایی هستند که انرژی نور، الکتریکی یا شیمیایی تولید می کنند. در حال حاضر، وسایل تشویقی اصلی مورد استفاده نور، الکتریسیته یا واکنش شیمیایی است. مواد لیزری موادی هستند که می توانند نور لیزر تولید کنند، مانند یاقوت، شیشه بریلیوم، گاز نئون، نیمه هادی ها، رنگ های آلی و غیره. نقش کنترل رزونانس نوری افزایش روشنایی لیزر خروجی، تنظیم و انتخاب طول موج و جهت است. از لیزر

د. کاربرد

لیزر به طور گسترده ای استفاده می شود، عمدتاً ارتباطات فیبر، برد لیزر، برش لیزر، سلاح های لیزری، دیسک لیزری و غیره.

E. تاریخ

در سال 1958، دانشمندان آمریکایی Xiaoluo و Townes یک پدیده جادویی را کشف کردند: وقتی نور ساطع شده از لامپ داخلی را روی یک کریستال خاکی کمیاب قرار می دهند، مولکول های کریستال نور درخشان و همیشه با هم قوی ساطع می کنند. با توجه به این پدیده، آنها "اصل لیزر" را پیشنهاد کردند، یعنی زمانی که ماده با انرژی مشابه فرکانس نوسان طبیعی مولکول هایش برانگیخته شود، این نور قوی را تولید می کند که واگرا نمی شود - لیزر. آنها مقالات مهمی برای این کار پیدا کردند.

پس از انتشار نتایج تحقیقات Sciolo و Townes، دانشمندان کشورهای مختلف طرح های آزمایشی مختلفی را پیشنهاد کردند، اما موفقیت آمیز نبودند. در 15 مه 1960، میمن، دانشمند آزمایشگاه هیوز در کالیفرنیا، اعلام کرد که لیزری با طول موج 0.6943 میکرون به دست آورده است که اولین لیزری است که تاکنون توسط انسان به دست آمده است و بنابراین میمن اولین دانشمند جهان شد. معرفی لیزر به حوزه عملی

در 7 ژوئیه 1960، میمن تولد اولین لیزر جهان را اعلام کرد، طرح میمن این است که از یک لوله فلاش با شدت بالا برای تحریک اتم های کروم در یک بلور یاقوت استفاده کند، بنابراین در هنگام شلیک یک ستون نور قرمز نازک بسیار متمرکز تولید می کند. در یک نقطه خاص، می تواند به دمای بالاتر از سطح خورشید برسد.

دانشمند شوروی H.Γ Basov در سال 1960 لیزر نیمه هادی را اختراع کرد. ساختار لیزر نیمه هادی معمولاً از لایه P، لایه N و لایه فعال تشکیل شده است که پیوند ناهمگون دوگانه را تشکیل می دهند. ویژگی های آن عبارتند از: اندازه کوچک، راندمان جفت بالا، سرعت پاسخ سریع، طول موج و اندازه متناسب با اندازه فیبر نوری، می تواند به طور مستقیم مدوله شود، انسجام خوب.

شش، برخی از جهت های کاربردی اصلی لیزر

F. ارتباط لیزری

امروزه استفاده از نور برای انتقال اطلاعات بسیار رایج است. به عنوان مثال، کشتی ها از چراغ ها برای برقراری ارتباط استفاده می کنند و چراغ های راهنمایی از قرمز، زرد و سبز استفاده می کنند. اما همه این راه‌های انتقال اطلاعات با استفاده از نور معمولی فقط به فواصل کوتاه محدود می‌شوند. اگر می خواهید اطلاعات را مستقیماً از طریق نور به مکان های دور منتقل کنید، نمی توانید از نور معمولی استفاده کنید و فقط از لیزر استفاده کنید.

پس چگونه لیزر را تحویل می دهید؟ می دانیم که الکتریسیته را می توان از طریق سیم های مسی حمل کرد، اما نور را نمی توان از طریق سیم های فلزی معمولی حمل کرد. برای این منظور، دانشمندان رشته‌ای ابداع کرده‌اند که می‌تواند نور را از خود عبور دهد، به نام فیبر نوری که به آن فیبر می‌گویند. فیبر نوری از مواد شیشه ای مخصوص ساخته شده است، قطر آن نازکتر از موی انسان است، معمولاً 50 تا 150 میکرون و بسیار نرم است.

در واقع، هسته داخلی فیبر یک ضریب شکست بالا از شیشه نوری شفاف است و پوشش بیرونی از شیشه یا پلاستیک با ضریب شکست کم ساخته شده است. چنین ساختاری از یک طرف می تواند باعث شود که نور در امتداد هسته داخلی شکسته شود، درست مانند جریان آب به سمت جلو در لوله آب، الکتریسیته به جلو در سیم منتقل می شود، حتی اگر هزاران پیچ و تاب اثری نداشته باشد. از طرف دیگر، پوشش با ضریب شکست پایین می تواند از نشت نور به بیرون جلوگیری کند، همانطور که لوله آب تراوش نمی کند و لایه عایق سیم جریان الکتریکی را هدایت نمی کند.

ظاهر فیبر نوری راه انتقال نور را حل می کند، اما به این معنا نیست که با آن می توان هر نوری را به دوردست ها منتقل کرد. فقط روشنایی بالا، رنگ خالص، لیزر جهت دار خوب، ایده آل ترین منبع نور برای انتقال اطلاعات است، از یک سر فیبر ورودی می شود، تقریباً هیچ افت و خروجی از انتهای دیگر ندارد. بنابراین ارتباطات نوری اساساً ارتباط لیزری است که دارای مزایای ظرفیت زیاد، کیفیت بالا، منبع گسترده مواد، محرمانه بودن قوی، دوام و غیره است و توسط دانشمندان به عنوان انقلابی در زمینه ارتباطات شناخته می شود و یکی از آنهاست. از درخشان ترین دستاوردهای انقلاب تکنولوژیک.