نسل لیزرها

نسل لیزرها
تولید لیزر توسط انیشتین در سال ۱۹۱۶ با نظریه «گسیل خودبه‌خودی و تحریک‌شده» مطرح شد. این نظریه اساس فیزیکی سیستم‌های لیزری مدرن را تشکیل می‌دهد. برهمکنش بین فوتون‌ها و اتم‌ها ممکن است منجر به سه فرآیند گذار شود: جذب تحریک‌شده، گسیل خودبه‌خودی و گسیل تحریک‌شده. تا زمانی که گسیل تحریک‌شده بتواند پایدار و ثابت بماند، می‌توان لیزرها را به دست آورد. بنابراین، باید دستگاه‌های ویژه - لیزرها - ساخته شوند. ترکیب یک لیزر عموماً از سه بخش اصلی تشکیل شده است: ماده‌ی عامل، دستگاه تحریک و تشدیدکننده‌ی نوری.

۱. ماده‌ی مؤثر

ماده‌ای که در لیزر می‌تواند نور لیزر تولید کند، ماده‌ی فعال نامیده می‌شود. در شرایط عادی، توزیع اعداد اتمی در ماده در هر سطح انرژی، توزیع نرمال است. تعداد اتم‌ها در سطح انرژی پایین‌تر همیشه بیشتر از تعداد اتم‌ها در سطح انرژی بالاتر است. بنابراین، هنگامی که نور از حالت عادی ماده‌ی لومینسانس عبور می‌کند، فرآیند جذب غالب است و نور همیشه ضعیف می‌شود. برای اینکه نور پس از عبور از ماده‌ی لومینسانس تقویت شود و تقویت نور حاصل شود، لازم است گسیل القایی غالب شود. برای اینکه تعداد اتم‌ها در سطح انرژی بالاتر بیشتر از تعداد اتم‌ها در سطح انرژی پایین‌تر باشد، این توزیع برعکس توزیع نرمال است و وارونگی تعداد ذرات نامیده می‌شود.
۲. دستگاه تحریک
عملکرد دستگاه تحریک، تحریک اتم‌ها در سطح انرژی پایین‌تر به سطح انرژی بالاتر است که ماده‌ی فعال را قادر می‌سازد تا به وارونگی تعداد ذرات دست یابد. سطوح انرژی ماده شامل حالت پایه و حالت برانگیخته و همچنین یک حالت شبه پایدار است. حالت شبه پایدار نسبت به حالت پایه ناپایدارتر است، اما بسیار پایدارتر از حالت برانگیخته است. به طور نسبی، اتم‌ها می‌توانند برای مدت زمان طولانی‌تری در حالت شبه پایدار باقی بمانند. به عنوان مثال، یون‌های کروم (Cr3+) در یاقوت دارای حالت شبه پایدار با طول عمری در حدود 10-3 ثانیه هستند. پس از برانگیخته شدن ماده‌ی فعال و رسیدن به وارونگی تعداد ذرات، در ابتدا، به دلیل جهت‌های انتشار متفاوت فوتون‌های ساطع شده توسط تابش خودبه‌خودی، فوتون‌های تابش تحریک‌شده نیز جهت‌های انتشار متفاوتی دارند و تلفات زیادی در خروجی و جذب وجود دارد؛ خروجی لیزر پایدار نمی‌تواند تولید شود. برای اینکه تابش تحریک‌شده بتواند در حجم محدود ماده‌ی فعال به حیات خود ادامه دهد، به یک تشدیدگر نوری برای دستیابی به انتخاب و تقویت نور نیاز است.
۳. تشدیدگر نوری
این یک جفت آینه بازتابنده موازی متقابل است که در دو انتهای ماده کاری، عمود بر محور اصلی نصب شده‌اند. یک سر آن یک آینه بازتاب کلی (با نرخ بازتاب ۱۰۰٪) و سر دیگر آن یک آینه نیمه شفاف و نیمه بازتابنده (با نرخ بازتاب ۹۰٪ تا ۹۹٪) است.
وظایف تشدیدگر عبارتند از: ۱. تولید و حفظ تقویت نوری؛ ۲. انتخاب جهت نور خروجی؛ ۳. انتخاب طول موج نور خروجی. برای یک ماده‌ی کاری خاص، به دلیل عوامل مختلف، طول موج نور ساطع شده‌ی واقعی منحصر به فرد نیست و طیف آن دارای عرض مشخصی است. تشدیدگر می‌تواند نقش انتخاب فرکانس را ایفا کند و تک‌رنگی لیزر را بهبود بخشد.