لیزر به فرآیند و ابزاری برای تولید پرتوهای نوری همدوس، تک‌رنگ و موازی از طریق تقویت تابش القایی و بازخورد لازم اشاره دارد. اساساً، تولید لیزر به سه عنصر نیاز دارد: یک «تشدیدکننده»، یک «محیط بهره» و یک «منبع پمپاژ».
الف. اصل
حالت حرکت یک اتم را می‌توان به سطوح انرژی مختلفی تقسیم کرد و هنگامی که اتم از یک سطح انرژی بالا به یک سطح انرژی پایین منتقل می‌شود، فوتون‌هایی با انرژی متناظر آزاد می‌کند (به اصطلاح تابش خودبه‌خودی). به طور مشابه، هنگامی که یک فوتون به یک سیستم سطح انرژی برخورد می‌کند و توسط آن جذب می‌شود، باعث می‌شود اتم از یک سطح انرژی پایین به یک سطح انرژی بالا منتقل شود (به اصطلاح جذب برانگیخته)؛ سپس، برخی از اتم‌هایی که به سطوح انرژی بالاتر منتقل می‌شوند، به سطوح انرژی پایین‌تر منتقل می‌شوند و فوتون ساطع می‌کنند (به اصطلاح تابش تحریک‌شده). این حرکات به صورت جداگانه اتفاق نمی‌افتند، بلکه اغلب به صورت موازی انجام می‌شوند. وقتی شرایطی ایجاد کنیم، مانند استفاده از محیط مناسب، تشدیدکننده، میدان الکتریکی خارجی کافی، تابش تحریک‌شده تقویت می‌شود به طوری که بیشتر از جذب تحریک‌شده، به طور کلی، فوتون‌هایی ساطع می‌شوند که منجر به نور لیزر می‌شود.
ب. طبقه‌بندی
با توجه به واسطه‌ای که لیزر را تولید می‌کند، لیزر را می‌توان به لیزر مایع، لیزر گازی و لیزر جامد تقسیم کرد. در حال حاضر رایج‌ترین لیزر نیمه‌هادی، نوعی لیزر حالت جامد است.
ج. ترکیب
بیشتر لیزرها از سه بخش تشکیل شده‌اند: سیستم تحریک، ماده لیزر و تشدیدگر نوری. سیستم‌های تحریک دستگاه‌هایی هستند که انرژی نوری، الکتریکی یا شیمیایی تولید می‌کنند. در حال حاضر، وسیله اصلی محرک مورد استفاده، نور، الکتریسیته یا واکنش شیمیایی است. مواد لیزری موادی هستند که می‌توانند نور لیزر تولید کنند، مانند یاقوت، شیشه بریلیم، گاز نئون، نیمه‌رساناها، رنگ‌های آلی و غیره. نقش کنترل تشدید نوری، افزایش روشنایی لیزر خروجی، تنظیم و انتخاب طول موج و جهت لیزر است.
د. کاربرد
لیزر به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، عمدتاً در ارتباطات فیبری، مسافت‌یاب لیزری، برش لیزری، سلاح‌های لیزری، دیسک لیزری و غیره.
ه. تاریخچه
در سال ۱۹۵۸، دانشمندان آمریکایی شیائولو و تاونز یک پدیده جادویی را کشف کردند: وقتی نور ساطع شده از لامپ داخلی را روی یک کریستال خاکی کمیاب قرار می‌دهند، مولکول‌های کریستال نور قوی و درخشانی را منتشر می‌کنند. بر اساس این پدیده، آنها «اصل لیزر» را پیشنهاد کردند، یعنی وقتی ماده با همان انرژی فرکانس نوسان طبیعی مولکول‌هایش برانگیخته می‌شود، این نور قوی را که واگرا نمی‌شود - لیزر - تولید می‌کند. آنها مقالات مهمی در این زمینه یافتند.
پس از انتشار نتایج تحقیقات سیولو و تاونز، دانشمندان کشورهای مختلف طرح‌های تجربی مختلفی را ارائه دادند، اما موفقیتی حاصل نشد. در ۱۵ مه ۱۹۶۰، میمن، دانشمند آزمایشگاه هیوز در کالیفرنیا، اعلام کرد که به لیزری با طول موج ۰.۶۹۴۳ میکرون دست یافته است که اولین لیزری بود که تاکنون توسط بشر به دست آمده بود و بدین ترتیب میمن اولین دانشمند جهان شد که لیزرها را به عرصه عملی معرفی کرد.
در ۷ ژوئیه ۱۹۶۰، میمن تولد اولین لیزر جهان را اعلام کرد. طرح میمن استفاده از یک لامپ فلش با شدت بالا برای تحریک اتم‌های کروم در یک کریستال یاقوت است، در نتیجه یک ستون نور قرمز نازک بسیار متمرکز تولید می‌شود که وقتی در یک نقطه خاص شلیک می‌شود، می‌تواند به دمایی بالاتر از سطح خورشید برسد.
دانشمند شوروی، اچ.جی. باسوف، لیزر نیمه‌رسانا را در سال ۱۹۶۰ اختراع کرد. ساختار لیزر نیمه‌رسانا معمولاً از لایه P، لایه N و لایه فعال تشکیل شده است که اتصال ناهمگون دوگانه را تشکیل می‌دهند. ویژگی‌های آن عبارتند از: اندازه کوچک، راندمان کوپلینگ بالا، سرعت پاسخ سریع، طول موج و اندازه متناسب با اندازه فیبر نوری، قابلیت مدولاسیون مستقیم و انسجام خوب.
شش، برخی از جهت‌های اصلی کاربرد لیزر
و. ارتباط لیزری
استفاده از نور برای انتقال اطلاعات امروزه بسیار رایج است. به عنوان مثال، کشتی‌ها از چراغ برای برقراری ارتباط استفاده می‌کنند و چراغ‌های راهنمایی از رنگ‌های قرمز، زرد و سبز استفاده می‌کنند. اما همه این روش‌های انتقال اطلاعات با استفاده از نور معمولی فقط می‌توانند به فواصل کوتاه محدود شوند. اگر می‌خواهید اطلاعات را مستقیماً از طریق نور به مکان‌های دور منتقل کنید، نمی‌توانید از نور معمولی استفاده کنید، بلکه فقط می‌توانید از لیزر استفاده کنید.
پس چگونه لیزر را منتقل می‌کنید؟ ما می‌دانیم که الکتریسیته را می‌توان از طریق سیم‌های مسی حمل کرد، اما نور را نمی‌توان از طریق سیم‌های فلزی معمولی حمل کرد. برای این منظور، دانشمندان رشته‌ای به نام فیبر نوری ساخته‌اند که می‌تواند نور را منتقل کند. فیبر نوری از مواد شیشه‌ای مخصوصی ساخته شده است که قطر آن از موی انسان نازک‌تر است، معمولاً 50 تا 150 میکرون و بسیار نرم است.
در واقع، هسته داخلی فیبر نوری از جنس شیشه نوری شفاف با ضریب شکست بالا است و پوشش بیرونی از شیشه یا پلاستیک با ضریب شکست پایین ساخته شده است. چنین ساختاری از یک سو می‌تواند باعث شود نور در امتداد هسته داخلی شکسته شود، درست مانند آبی که در لوله آب به جلو جریان می‌یابد، الکتریسیته در سیم به جلو منتقل می‌شود، حتی اگر هزاران پیچ و تاب هیچ تاثیری نداشته باشد. از سوی دیگر، پوشش با ضریب شکست پایین می‌تواند از نشت نور به بیرون جلوگیری کند، همانطور که لوله آب نشت نمی‌کند و لایه عایق سیم الکتریسیته را هدایت نمی‌کند.
ظاهر فیبر نوری، نحوه انتقال نور را حل می‌کند، اما این بدان معنا نیست که با آن، هر نوری را می‌توان به فواصل بسیار دور منتقل کرد. تنها روشنایی بالا، رنگ خالص و لیزر جهت‌دار خوب، ایده‌آل‌ترین منبع نور برای انتقال اطلاعات است، از یک سر فیبر وارد می‌شود، تقریباً بدون اتلاف و از سر دیگر خارج می‌شود. بنابراین، ارتباط نوری اساساً ارتباط لیزری است که مزایای ظرفیت زیاد، کیفیت بالا، منبع گسترده مواد، محرمانگی قوی، دوام و غیره را دارد و توسط دانشمندان به عنوان انقلابی در زمینه ارتباطات مورد ستایش قرار گرفته و یکی از درخشان‌ترین دستاوردهای انقلاب فناوری است.
زمان ارسال: ۲۹ ژوئن ۲۰۲۳