لیزر

در اين بخش مي‌توانيد در مورد فیزیک نسبیت و فیزیک کوانتوم و ... به بحث بپردازيد

مدیر انجمن: شوراي نظارت

ارسال پست
Commander
Commander
نمایه کاربر
پست: 2875
تاریخ عضویت: پنج شنبه 8 اسفند 1387, 3:23 pm
محل اقامت: DE - CZE
سپاس‌های ارسالی: 39753 بار
سپاس‌های دریافتی: 34086 بار
تماس:

لیزر

پست توسط CAPTAIN PILOT » شنبه 6 تیر 1388, 4:33 pm

  مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است.اولین لیزر جهان توسط تئودور مایمن اختراع گردید و از یاقوت در ان استفاده شده بود. در سال 1962 پروفسورعلی جوان اولین لیزر گازی را به جهانیان معرفی نمود و بعدها نوع سوم وچهارم لیزرها که لیزرهای مایع و نیمه رسانا بودند اختراع شدند.در سال 1967 فرانسویان توسط اشعه لیزر ایستگاههای زمینی شان دو ماهواره خود را در فضا تعقیب کردند, بدین ترتیب لیزر بسیار کار بردی به نظر آمد.نوری که توسط لیزر گسیل می گردد در یک سو و بسیار پر انرژی و درخشنده است که قدرت نفوذ بالایی نیز دارد بطوریکه در الماس فرو میرود . امروزه استفاده از لیزر در صنعت بعنوان جوش اورنده فلزات و بعنوان چاقوی جراحی بدون درد در پزشکی بسیار متداول است. 

 [لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید] 

 لیزرها سه قسمت اصلی دارند : 
  پمپ انرژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپ اپتیکی یا شیمیایی و یاحتی یک لیزر دیگر باشد. 
  ماده پایه و فعال که نام گذاری لیزر بواسطه ماده فعال صورت میگیرد. 
  مشدد کننده اپتیکی : شامل دو اینه بازتابنده کلی و جزئی می باشد. 

 طرز کار یک لیزر یاقوتی : 
  انرژی در این لیزر از نوع اپتیکی میباشد ویک لامپ مارپیچی تخلیه است(flash tube) که بدور کریستال یاقوت مدادی شکلی پیچیده شده(ruby) کریستال یاقوت ناخالص است و ماده فعال ان اکسید برم و ماده پایه ان اکسید الومینم است.
بعد از فعال شدن این پمپ انرژی کریستال یا قوت نور باران می شودو بعضی از اتمها رادر اثرجذب القایی-stimulated absorption برانگیخته کرده وبه ترازهای بالاتر می برد. 

 [لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید] 

   پدیده جذب القایی : اتم برانگیخته = اتم+فوتون    

  ادامه تشعشع پمپ تعداد اتمهای برانگیخته بیشتر از اتمهای با انرژی کم میشود به اصطلاح وارونی جمعیت رخ می دهد طبق قانون جذب و صدور انرژی پلانک اتمهای برانگیخته توان نگهداری انرژی زیادتر را نداشته وبه تراز با انرژی کم بر میگردند وانرژی اضافی را به صورت فوتون ازاد می کنند که به این فرایند گسیل خودبخودی گفته می شود ولی از انجایی که پمپ اپتیکیمرتب به اتمها فوتون می تاباند پدیده دیگری زودتر اتفاق می افتد که به ان گسیل القایی-stimulated emission گفته می شود .وقتی یک فوتون به اتم برانگیخته بتابد ان را تحریک کرده و زودتر به حالت پایه خود بر می گرداند. 
 [لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید] 

   گسیل القایی: اتم+دو فوتون = اتم برانگیخته+ فوتون    

  فوتونها دوباره بعضی از اتمها را بر انگیخته میکنند و واکنش زنجیر وار تکرار می شود.بخشی از نور ها درون کریستال به حرکت در می ایند که توسط مشددهای اپتیکی درون کریستال برگرداننده می شوند واین نورها در همان راستای نور اولیه هستد بتدرج با افزایش شدت نور لحظه ای می رسد که نور لیزر از جفتگر خروجی با روشنایی زیاد بطور مستقیم خارج می شود . 
 لیزر CO2
  گازی نوع خاصی از لیزر است كه در آن گازی داخل یك لوله ی شفاف مثل لامپ مهتابی می رود. عبور جریان از این لوله باعث رفت و آمد ِ فوتون می شود. اولین نوع ِ این لیزرها هلیم نئون بود. یعنی همین لیزرهای خانگی و مدارس. این لیزر ِ ایمن توسط یك ایرانی در مؤسسه ی بل به نام دكتر علی جوان اختراع شد. نوع دیگر لیزر لیزر CO2 است. البته در محفظه ی آن هلیوم و مقداری نیتروژن هم هست. كاز نیتروژن انرژی ِ الكترودها را ذخیره می كند. پس از برخورد مولكولهای نیتروژن به مولكول CO2 این انرژی انتقال می یابد. مولكولهای CO2 برانگیخته می شوند. گاز هلیوم به انتقال ِ انرژی كمك می كند. همچنین كمك می كند تا مولكولهای دی اكسید كربن زودتر به ترازهای انرژی عادی یا حالت عادی خود برگردند. این لیزرها بازده خوبی دارند. 
 
[لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید]
نمایی از لیزر گازی دکتر علی جوان


 
كاربردهای لیزر : 
 تمام نگاری 
  نگاری ( هولوگرافی) یك تكنیك انقلابی است كه عكسبرداری سه بعدی (یعنی كامل ) از یك جسم و یا یك صحنه را ممكن می كند. این تكنیك در سال 1948 توسط گابور ابداع شد ( در آن زمان به منظور بهتر كرده توان تفكیك میكروسكوپ الكترونی پیشنهاد شد) و به صورت یك پیشنهاد عملی در آمدو اما قابلیت واقعی این تكنیك پس از اختراع لیزر نشان داده شد. 

 [لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید] 


  تمام نگاری به این صورت است كه باریكه لیزر بوسیله آینه كه قسمتی از نور را عبور می دهد به دو باریكه ( بازتابیده و عبوری) تقسیم می شوند. باریكه بازتابیده مستقیما به صفحه حساس به نور برخورد می كند در حالی كه باریكه عبوری جسمی را كه باید تمام نگاری شود روشن می كند. به این ترتیب قسمتی از نوری كه از جسم پراكنده شده هم روی صفحه حساس ( فیلم ) می افتد. به علت همدوس بودن باریكه ها یك نقش تداخلی از تركیب دو باریكه روی صفحه تشكیل می شود حالا اگر این فیلم ظاهر شود و تحت بزرگنمایی كافی بررسی شود می توان این فریزهای تداخلی را مشاهده كرد. فاصله بین دو فریز تاریك متوالی معمولا حدود 1 میكرومتر است. این نقش تداخلی پیچیده است و هنگامی كه صفحه را به وسیله چشم بررسی می كنیم به نظر نمی رسد كه حامل تصویر مشابه با جسم اولیه باشد اما این فریزهای تداخلی در واقع حامل ضبط كاملی از جسم اولیه است. 
  فرض كنید كه صفحه ظاهر شده را دوباره به محلی كه در معرض نور قرار داشت بازگردانیم و جسم تحت مطالعه را برداربم باریكه بازتابیده اكنون با فریزهای روی صفحه برهمكنش می كنند و دوباره در پشت صفحه یك باریكه پراشیده ایجاد می كندبنابراین ناظری كه به صفحه نگاه می كند جسم را در پشت صفحه می بیند طوری كه انگار هنوز هم جسم در آنجاست. 
  از جالبترین خصوصیات تمام نگاری این است كه جسم بازسازی شده رفتار سه بعدی نشان می دهد بنابراین با حركت دادن چشم از محل تماشا می توان طرف دیگر جسم را مشاهده كرد. توجه كنید كه برای ضبط تمام نگار باید سه شرط اصلی را براورد: الف) درجه همدوسی نور لیزر باید به اندازه كافی باشد تا فریزهای تداخلی در روی صفحه تشكیل شود. ب) وضعیت نسبی جسم - صفحه و باریكه لیزر نباید در هنگام تاباندن نور به صفحه كه حدود چند ثانیه طول می شكد تغییر كند در واقع تغییر محل نسبی باید كمتر از نصف طول موج لیزر باشد تا از درهم شدن نقش تداخلی جلوگیری كند. ج) قدرت تفكیك صفحه عكاسی باید به اندازه كافی زیاد باشد تا بتواند فریزهای تداخلی را ضبط كند.. 
  نگاری به عنوان یك تكنیك ضبط و بازسازی تصویر سه بعدی بیشترین موفقیت را تاكنون در كاربردهای هنری داشته است تا در كاربردهای علمی . اما بر اساس تمام نگاری از یك تكنیك تداخل سنجی تمام نگاشتی در كاربردهای علمی به عنوان وسیله ای برای ضبط و اندازه گیری واكنشها و ارتعاشات اجسام سه بعدی استفاده شده است.  
 اندازه گیری و بازرسی 
  جهتمندی درخشایی و تكفامی لیزر باعث كاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی كنترل ابزار ماشینی شده است. در این بخش تعیین فاصله بین دو نقطه و بررسی آلودگی را نیز مد نظر قرار می دهیم. 
  از معمولترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور كردن است. برای اینكه یك خط مرجع مستقیم برای هم محور كردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پلها و یا تونلها داشته باشیم استفاده از جهتمندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند كلیماتور و تلسكوپ را گرفته است. معمولا از یك لیزر هلیم - نئون با توان كم استفاده می شود و هم محور كردن عموما به كمك آشكارسازهای حالت جامد به شكل ربع دایره ای انجام می شود. محل برخورد باریكه لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یك اندازه گیری الكتریكی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست. در عمل دقت ردیف شدن از حدود 5µm تا حدود 25µm به دست آمده است. 
  لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد . برای مسافتهای كوتاه تا 50 متر روشهای تداخل سنجی به كار گرفته می شوند كه در آن ها از یك لیزر هلیم - نئون پایدار شده فركانسی به عنوان منبع نور استفاده می شود. برای مسافتهای متوسط تا حدود 1 كیلومتر روشهای تله متری شامل مدوله سازی دامنه به كار گرفته می شود. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را كه از لیزر گسیل شده است و از جسمی بازتابیده می شود اندازه گیری كرد. 
  اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایكلسون استفاده می شود. باریكه لیزر به وسیله یك تقسیم كننده نور به یك باریكه اندازه گیری و یك باریكه مرجع تقسیم می شود باریكه مرجع با یك آینه ثابت بازتابیده می شود در حالی كه باریكه اندازه گیری از آینه ای كه به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می كند. سپس دو باریكه بازتابیده مجددا با یكدیگر تركیب می شوند به طوری كه با هم تداخل می كنند و دامنه تركیبی آن ها با یك آشكار ساز اندازه گیری می شود. هنگامی كه محل جسم در جهت باریكه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر كند سیگنال تداخل از یك ماكزیموم به یك مینیموم می رسد و سپس دوباره ماكزیموم می شود. بنابراین یك سیستم الكترونیكی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولا در كارگاههای ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و امكان اندازه گیری طول با دقت یك در میلیون را می دهد. باید یادآوری كرد كه در این روش فقط می توان فاصله را نسبت به یك مبدا اندازه گیری كرد. برتری این روش در سرعت دقت و انطباق با سیستم های كنترل خودكار است. 
  فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریكه لیزر مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریكه گسیل شده و بازتابیده معین می شود. باز هم دقت یك در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه كشی استفاده می شود. برای فواصل طولانی تر از 1 كیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یك تپ كوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2 انجام می گیرد. این كاربردها اغلب اهمیت نظامی دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد كاربردهای غیر نظامی مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود 20 سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذكر است. 
  بالای تكفامی لیزر امكان استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت مایعات و جامدات به روش سرعت سنجی دوپلری فراهم می سازد. در مورد مایعات می توان باریكه لیزر را به مایع تابانده و سپس نور پراكنده شده از آن را بررسی كرد. چون مایع روان است فركانس نور پراكنده شده به خاطر اثر دوپلر كمی با فركانس نور فرودی تفاوت دارد. این تغییر فركانس متناسب با سرعت مایع است. بنابراین با مشاهده سیگنال زنش بین دو پرتو نور پراكنده شده و نور فرودی در یك آشكار ساز می توان سرعت مایع را اندازه گیری بدون تماس انجام می شود. و نیز به خاطر تكفامی بالای نور لیزر برای برد وسیعی از سرعتها خیلی دقیق است. 
  از سرعت سنجهای خاص لیزر اندازه گیری سرعت زاویه ای است. وسیله ای كه برای این منظور طراحی شده است ژیروسكوپ لیزرینامیده می شود و شامل لیزری است كه كاواك آن به شكل حلقه ای است كه از سه آینه به جای دو آینه معمول استفاده می شود. این لیزر می تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامین كند. فركانسهای تشدیدی مربوط به هر دو جهت انتشار را می توان با استفاده از این شرط كه طول تشدید كننده ( حلقه ای ) برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زمانی كه لازم است نور یك دور كامل بزند زاویه آینه های تشدید كننده به اندازه یك مقدار خیلی كوچك ولی محدود حركت خواهد كرد. طول موثر برای باریكه ای در همان جهت چرخش تشدید كننده می چرخد كمی بیشتر از باریكه ای است كه در جهت عكس می چرخد. در نتیجه فركانس های دو باریكه ای كه در خلاف جهت یكدیگر می چرخند كمی تفاوت دارد و اختلاف این فركانسهای متناسب با سرعت زاویه ای تشدید كننده است . با ایجاد تپش بین دو باریكه می توان سرعت زاویه ای را اندازه گیری كرد. ژیروسكوپ لیزری امكان اندازه گیری با دقتی را فراهم می كند كه قابل مقایسه با دقت پیچیده ترین و گرانترین ژیروسكوپ های معمولی است.

كاربرد مصرفی دیگر و یا به عبارت بهتر كاربرد مصرفی واقعی عبارت از دیسك ویدئویی و دیسك صوتی است. یك دیسك ویدئو حامل یك برنامه ویدئویی ضبط شده است كه می توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسك ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یك سابنده روی آن ضبط می كنند كه این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یك روش معمول ضبط شامل برشهای شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها 4/1 طول موج لیزری است كه از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریكه لیزر طوری كانونی می شود كه فقط بر روی یك شیار بیفتد. هنگامی كه شیار در مسیر لكه باریكه لیزر واقغ شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن كاهش پیدا می كند. به عكس نبودن شیار باعث یك بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط كرد.

كاربرد دیگر لیزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوری در كامپیوترهاست لطف ای حافظه نوری هم در توان دسترسی به چگالی اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تكنیك ضبط عبارت است از ایجاد سوراخ های كوچكی در یك ماده مات یا نوعی تغییر خصوصیت عبور و بازتاب ماده زیر لایه كه با استفاده از لیزرهای با توان كافی حاصل می شود. و حتی می تواند فیلم عكاسی باشد. اما هیچ یك از این زیر لایه ها را نمی توان پاك كرد. حلقه های قابل پاك كردن بر اساس گرما مغناطیسی فروالكتریك و فوتوكرومیك ساخته شده اند. همچنین حافظه های نوری با استفاده از تكنیك تمام نگاری نیز طراحی شده اند. نتیجتا اگر چه از لحاظ فنی امكان ساخت حافظه های نوری به وجود آمده است ولی ارزش اقتصادی آن ها هنوز جای بحث دارد.

آخرین كاربردی كه در این بخش اشاره می كنیم گرافیك لیزری است. در این تكنیك ابتدا باریكه لیزر بوسیله یك سیستم مناسب روبشگر بر روی یك صفحه حساس به نور كانونی می شود و در حالی كه شدت لیزر به طور همزمان با روبش از نظر دامنه مدوله می شود به طوری كه بتوان آن را بوسیله كامپیوتر تولید كرد.( مانند سیستم های چاپ كامپیوتری بدون تماس ) و یا آنها را به صورت سیگنال الكتریكی از یك ایستگاه دور دریافت كرد( مانند پست تصویری). در مورد اخیر می توان سیگنال را به وسیله یك یك سیستم خواننده مناسب با كمك لیزر تولید كرد. وسیله خواندن در ایستگاه دور شامل لیزر با توان كم است كه باریكه كانونی شده آن صفحه ای را كه باید خوانده شود می روبد. یك آشكارساز نوری باریكه پراكنده از نواحی تاریك و روشن روی صفحه را كنترل می كند و آن را به سیگنال الكتریكی تبدیل می كند. سیستم های لیزری رونوشت اكنون به طور وسیعی توسط بسیاری از ناشران روزنامه ها برای انتقال رونوشت صفحات روزنامه به كار برده می شود.  
 ارتباط نوری 
  از باریكه لیزر برای ارتباط در جو به خاطر دو مزیت مهم اشتیاق زیادی برانگیخت : 
 ) اولین علت دسترسی به پهنای نوار نوسانی بزرگ لیزر است. زیرا مقدار اطلاعات قابل انتقال روی یك موج حامل متناسب با پهنای نوار آن است. فركانس موج حامل از ناحیه میكروموج بخ ناحیه نور مرئی به اندازه 104 برابر افزایش می یابد و در نتیجه امكان استفاده از یك پهنای بزرگتر را به ما می دهد. 
 ) علت دوم طول موج كوتاه تابش است. چون طول موج لیزر نوعا حدود 104 مرتبه كوچكتر از امواج میكرو موج است با قطر روزنه یكسان D واگرایی امواج نوری به اندازه 104 مرتبه نسبت به واگرایی امواج میكرو موج كوچكتر است. بنابراین برای دستیابی به این واگرایی آنتن یك سیستم اپتیكی می تواند به مراتب كوچكتر باشد. اما این دو امتیاز مهم با این واقعیت خنثی می شوند كه باریكه نوری تحت شرایط دید ضعیف در جو به شدت تضعیف می شود. در نتیجه استفاده از لیزرها در ارتباطات فضای باز ( هدایت نشده ) فقط در مورد این موارد توسعه یافته اند : 
 ) ارتباطات فضایی بین دو ماهواره و یا بین یك ماهواره و یك ایستگاه زمینی كه در یك شرایط جوی مطلوب قرار گرفته است. لیزرهایی كه در این مورد استفاده می شوند عبارتند از : 
  : YAG ( با آهنگ انتقال 109 بیت در ثانیه ) و یا CO2 با آهنگ انتقال 3*108 بیت در ثانیه ). گرچه CO2 نسبت به Nd : YAG دارای بازدهی بالاتری است و لی دارای این اشكال است كه نیاز به سیستم آشكارسازی پیچیده تری دارد و طول موج آن هم به اندازه 10 مرتبه بزرگتر از طول موج Nd : YAG است. 
 ) ارتباطات بین دو نقطه در یك مسافت كوتاه مثلا انتقال اطلاعات درون یك ساختمان. برای این منظور از لیزرهای نیمرسانا استفاده می شود. 
  زمینه اصلی مورد توجه در ارتباطات نوری مبتنی بر انتقال از طریق تارهای نوری است. انتقال هدایت شده نور در تارهای نوری پدیده ای است كه از سالها پیش شناخته شده است اما تارهای نوری اولیه فقط در مسافت های خیلی كوتاه مورد استفاده قرار می گرفتند مثلا كاربرد متعارف آن ها در وسایل پزشكی برای اندوسكوپی است. بنابراین در اواخر سال 1960 تضعیف در بهترین شیشه های نوری در حدود 1000 دسی بل بر كیلومتر بود. از آن زمان پیشرفت تكنیكی شیشه و كوارتز باعث تغییر شگفت انگیز در این عدد شده است به طوری كه این تضعیف برای كوارتز به 5/0 دسی بل بر كیلومتر رسیده است. این تضعیف فوق العاده كوچك آینده مهمی را برای كاربرد تارهای نوری در ارتباطات راه دور نوید می  
  ارتباطات تارهای نوری نوعا شامل یك چشمه نور یك جفت كننده نوری مناسب برای تزریق نور به تارها و درانتها یك فوتودیود است كه باز هم به تار متصل شده است. تكرار كننده شامل یك گیرنده و یك گسیلنده جدید است. چشمه نور سیستم اغلب لیزرهای نیمرسانای نا هم پیوندی دوگانه است. اخیرا طول عمر این لیزرها تا حدود 106 ساعت رسیده است. گرچه تا كنون اغلب از لیزر گالیم ارسنید GaAs استفاده شده است ولی روش بهتر استفاده از لیزرهای نا هم پیوندی است كه در آنها لایه فعال تركیبی از آلیاژ چهارگانه به صورت In1-x Gax Asy P1-y است. در این حالت لبه های P ,n پیوندگاه از تركیب دوگانه InP تشكیل شده است و با استفاده از تركیب y=2v2x می توان ترتیبی داد كه چهار آلیاژ چهارگانه شبكه ای كه با InP جور شود با انتخاب صحیح x طول موج تابش را طوری تنظیم كرد كه در اطراف µm 3/1 و یا اطراف 6/1 µm واقع شود كه به ترتیب مربوط به دو مینیموم جذب در تار كوارتز هستند. بسته به قطر d هسته مركزی تار ممكن است از نوع تك مدباشد برای آهنگ انتقال متداول فعلی حدود 50 مگابیت در ثانیه معمولا از تارهای چند مدی استفاده می شود. برای آهنگ انتقال های بیشتر تارهای تك مدی مناسبتر به نظر می رسند. گیرنده معمولا یك فوتودیود بهمنی است اگر چه ممكن است از یك دیود PIN و یك دیود تقویت كننده حالت جامد مناسب نیز استفاده كرد. 
 
لیزر در فیزیك و شیمی

اختراع لیزر و تكامل آن وابسته به معلومات پایه ای است كه در درجه اول از رشته فیزیك و بعد از شیمی گرفته شده اند. بنابراین طبیعی است كه استفاده از لیزر در فیزیك و شیمی از اولین كاربردهای لیزر  
  دیگری كه در آن لیزر نه تنها امكانات موجود را افزایش داده بلكه مفاهیم كاملا جدیدی را عرضه كرده است طیف نمایی است. اكنون با بعضی از لیزرها می توان پهنای خط نوسانی را تا چند ده كیلوهرتز باریك كرد ( هم در ناحیه مرئی و هم در ناحیه فروسرخ ) و با این كار اندازه گیری های مربوط به طیف نمایی با توان تفكیك چند مرتبه بزرگی ( 3 تا 6) بالاتر از روش های معمولی طیف نمایی امكان پذیر می شوند. لیزر همچنین باعث ابداع رشته جدید طیف نمایی غیر خطی شد كه در آن تفكیك طیف نمایی خیلی بالاتر از حدی است كه معمولا با اثرهای پهن شدگی دوپلر اعمال می شود. این عمل منجر به بررسیهای دقیقتری از خصوصیات ماده شده است. 
  زمینه شیمی از لیزر هم برای تشخیص و هم برای ایجاد تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر استفاده شده است. ( فوتو شیمی لیزری) به ویژه در فون تشخیص باید از روش های (پراكندگی تشدیدی رامان ) و ( پراكندگی پاد استوكس همدوس رامان ) (CARS) نام ببریم. به وسیله این روشها می توان اطلاعات قابل ملاحظه ای درباره خصوصیات مولكولهای چند اتمی به دست آورد ( یعنی فركانس ارتعاشی فعال رامن - ثابتهای چرخشی و ناهماهنگ بودن فركانس). روش CARS همچنین برای اندازه گیری غلظت و دمای یك نمونه مولكولی در یك ناحیه محدود از فضا به كار می رود. از این توانایی برای بررسی جزئیات فرایند احتراق شعله و پلاسما ( تخلیه الكتریكی) بهره برداری شده است. 
  جالبتری كاربرد شیمیایی ( دست كم بالقوه ) لیزر در زیمنه فوتو شیمی باشد. اما باید در نظر داشته باشیم به خاطر بهای زیاد فوتونهای لیزری بهره برداری تجاری از فوتوشیمی لیزری تنها هنگامی موجه است كه ارزش محصول نهایی خیلی زیاد باشد. یكی از این موارد جداسازی ایزوتوپها است.  
  : [لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید]  
  When once you have tasted Flight, you will forever walk the earth with your eyes turned skyward, for there you have been and there you will always long to return
 

[لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید]

Commander
Commander
نمایه کاربر
پست: 2875
تاریخ عضویت: پنج شنبه 8 اسفند 1387, 3:23 pm
محل اقامت: DE - CZE
سپاس‌های ارسالی: 39753 بار
سپاس‌های دریافتی: 34086 بار
تماس:

Re: لیزر

پست توسط CAPTAIN PILOT » شنبه 6 تیر 1388, 11:36 pm

خواص نور لیزر و کاربردهای آن

  نخستین روزهای بررسی تکنولوژی لیزر ، پی برده شد که نور لیزر خواص مشخصه ای دارد که آن را از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می کند. در این بخش ، به چگونگی ظهور این خواص از ماهیت فرایند لیزر می پردازیم و به اختصار مثالهایی را از چگونگی استفاده از آنها برای کاربردهای ویژه لیزر ، در نظر می گیریم. واضح است که چنین مباحثی باید بسیار گزینشی باشد و مثالهای ارائه شده در اینجا بیشتر برای نشان دادن تنوع و گوناگونی کاربردهای لیزر انتخاب شده اند تا هر دلیل دیگری. 
  آنجا که نشر القایی ،‌فوتونهایی را با راستای انتشار دقیقاً یکسان تولید می کند، استفاده از پیکربندی آینه انتهایی به تقویت گزینشی باریکه محوری که تنها قطری در حدود m m ۱ دارد منجر می شود. بدین ترتیب لیزر ، باریکه ای نازک و اساساً موازی از نور را که معمولاً دارای توزیع گاوسی از شدت است ، از آینه خروجی به بیرون نشر می کند. 
  واگرایی باریکه مقداری در حدودm/ radian ۱ است که در فاصله یک کیلومتری ، تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن می کند، لیزرهای اکسی پلکس واگرایی باریکه کمتر از ۲۰۰ میکرورادیان دارند. هرچند که میزان واگرایی باریکه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجی تعیین می شود ،‌ولی با ابزار اپتیکی مناسب می توان همین واگرایی اندک را به مقدار زیادی تصحیح کرد. به عنوان مثالی از اینکه باریکه لیزر تا چه حد قابل موازی سازی است، به این مطلب توجه کنید که می توان بازتابش نور لیزر را از روی بازتابنده هایی که فضانوردان طی ماموریت فضایی آپولو در سطح کره ماه کار گذاشتند، در زمین مشاهده کرد. 
  سازی نوری یکی از کاربردهای بسیار برجسته موازی سازی و پهنای باریکه نازک لیزرها در صنعت سازه و نظارت بر آلودگی اتمسفر مورد استفاده قرارمی گیرد . در مورد اخیر، با بهره گیری از پهنای باریکه نازک لیزر است که امکان نظارت بر گازهای خروجی از دودکش کارخانه ها ، با تجزیه و تحلیل نور پراکنده ، از روی سطح زمین امکان پذیر می شود. 
 شدت : 
  زیاد، خاصیتی است که بیش از سایر موارد همراه نور لیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدتهای شناخته شده روی زمین را ایجاد می کنند. از آنجا که لیزر باریکه ای موازی از نور را نه در تمام جهتها ، بلکه در راستای مشخصی نشر میکند، مناسبترین معیار شدت، تابیدگی است . از آنجا که انرژی در واحد زمان برابر توان است، داریم: 
 
سطح / توان I = تابیدگی 
 
با این حال در استفاده از این معادله باید تاکید کرد که منظور از «توان» ، توان خروجی لیزر است و نه توان ورودی آن.برای بررسی درست تابیدگی یک نوع لیزر، می توان به این نکته توجه کرد که شدت میانگین آفتاب روی سطح زمین به اندازه یک کیلووات بر متر مربع یعنی m W ۱۰ است. 
  یک لیزر قدرتمند آرگون را که توانی در حدود W ۱۰ در طول موج nm ۴۸۸ نشر می کند، در نظر می گیریم. با فرض سطح مقطعی برابر mm ۱ برای باریکه ،‌این مقدار باعث ایجاد تابیدگی mW ۱۰ = ( m ۱۰ )/ (W ۱۰) می شود . در واقع با متمرکز کردن باریکه تا رسیدن به حد پراش ناشی از ابزار اپتیکی متمرکز کننده ، می توان تابیدگی را افزایش داد. از این جنبه نیز نور لیزر به طور مشخصی خواص غیر عادی را نشان می دهد، به گونه ای که با متمرکز کردن آن می توان به شدتهایی دست یافت که از شدت خود منبع فراتر می رود.معمولاً امکان چنین چیزی برای منابع معمولی نور وجود ندارد. به عنوان یک اصل کلی ، حداقل شعاع باریکه متمرکز شده قابل قیاس با طول موج است، بنابراین در مثال فوق ، سطح مقطع m ۱۰ غیر واقعی نیست و باعث ایجاد شدت متمرکز شده ای برابرmW۱۰ می شود. 
  این حال، در لیزرها که ابتدا انرژی را در اثر وارونگی جمعیت ذخیره می کنند و سپس آن را از طریق نشر یک تپ نور رها می کنند، یافتن بیشترین شدتهای خروجی نامنتظره نیست. اگر چه باید به یاد داشت که شدت پیک تنها برای زمان بسیار کوتاهی قابل حصول است. 
  مثال یک لیزر یاقوت سوییچ شده مناسب که تپهای ns ۲۵ (s ۱۰ = ns۱ ) در طول موج nm ۶۹۴ نشر می کند ، می تواند در هر تپ ، خروجی پیکی برابر GW ۱ با باریکه پهنی به سطح مقطع mm ۵۰۰ ایجاد کند. بدین ترتیب تابیدگی میانگین هر تپ تقریباً برابر W m ۱۰ × ۲ است که با تمرکز مناسب می توان دست کم آن را به اندازه ۱۰ برابر افزایش داد. باید توجه کرد که در تمام این محاسبات تقریبی ، به طور ضمنی تصور شده است که درطول دوام هر تپ، مقدار شدت ثابت است. حال آنکه در حقیقت ، در ابتدا یک صعود و در انتها یک واپاشی مشخص وجود دارد، به بیان دیگر یک نیمرخ زمانی هموار در آنجا هست. از آنجا که شدت پیک حاصل از یک لیزر تپی به طور وارون با مدت تپ متناسب است، روشهای گوناگونی برای کاستن ازطول تپ وجود دارد تا شدت آن افزایش یابد. 
  به چند کاربرد لیزر بر اساس شدتهای زیاد، نگاهی کوتاه می اندازیم. یک مثال بسیار واضح در صنعت، همان برش و جوشکاری با لیزر است. در چنین مقاصدی به ویژه لیزرهای پرتوان کربن دیوکسید Nd:YAG و که تابش زیر قرمز دارند، مناسب اند. چنین لیزرهایی تقریباً هر نوع ماده ای را می توانند ببرند، هر چند در برخی موارد مانند چوب یا کاغذ برای جلوگیری از سوختگی باید فواره ای از گاز بی اثر به کار برده شود، از سوی دیگر، فواره اکسیژن باعث تسهیل برش فولاد می شود. برای مثال یک لیزر متمرکز در گستره mW ۱۰ می تواند mm ۳ فولاد را در تقریباً s ۱، یا mm ۳ چرم را درs ۱۰، ببرد. کاربردهایی از این نوع را می توان در صنایع زیادی از هوافضا تا نساجی ، پیدا کرد و تنها در آمریکا، چند هزار سیستم لیزر برای این هدف به کار می روند. 
  از نوید بخش ترین کاربردهای پزشکی در جراحی چشم است که تا کنون برای این منظور چندین روش بالینی به خوبی ارائه شده است. مثلاً، پارگی شبکیه را که باعث کوری موضعی می شود، می توان با« جوشکاری نقطه ای » توسط تپهای پرشدت نور حاصل از لیزر آرگون، با بافت نگه دارنده آن ( یعنی کورویید ) متصل کرد. مزایای بسیار زیادی برای استفاده از لیزر در چنین جراحیهایی وجود دارد ، روش لیزری تخریبی نیست و نیازی به بیهوشی نداردو با توجه به مدت کوتاه تپها ، نیازی به بی حرکت کردن طولانی چشم وطی درمان احساس نمی شود. 
 همدوسی : 
  خاصیتی است که به بهترین وجه نور لیزر را از سایر انواع نور متمایز می کند و بازهم این خاصیت ، نتنجه ماهیت فرایند نشر القایی است. اغلب، نور حاصل از منابع معمول گرمایی که توسط نشر خودبه خودی کار می کنند، به نور آشفته موسوم است، معمولاً در این موارد، هیچ همبستگی بین فاز فوتونهای گوناگون وجود ندارد و در اثر تداخلهای اساساً تصادفی بین آنها، افت و خیز محسوسی در شدت پدید می آید. در مقابل در لیزر، فوتونهایی که توسط محیط برانگیخته لیزر نشر می شوند، با سایر فوتونهای موجود در حفره، همفازند. مقیاس زمانی که طی آن همبستگی فاز برقرار می ماند، به عنوان زمان همدوسی شناخته می شود و از رابطه زیر به دست می آید: 
 tc = ۱/ u 
  در آن u پهنای خط نشر است. طول همدوسی مستقیماً با این عامل ارتباط دارد: 
 tc = ctc 
  ، دو نقطه در طول باریکه لیزر به فاصله ای کمتر از طول همدوسی، باید فاز مرتبطی داشته باشند. طول همدوسی یک مد خروجی حاصل از یک لیزر گازی ممکن است m ۱۰۰ باشد، ولی این مقدار برای یک لیزر نیم رسانا ، تقریباً mm ۱ است. اندازه گیری طول یا زمان همدوسی یک لیزر با طیف بینی افت و خیز شدت ، انجام می شود و وسیله مناسبی برای تعیین پهنای خط نشر فراهم می کند. 
  طور که در دو نمودار شکل ۱. ۱۱ نشان داده شده است، تابش آشفته و همدوس آمار فوتونی کاملاً متفاوتی دارند. این نمودار نشان دهنده توزیع احتمال یافتن N فوتون در حجمی است که در یک متوسط زمانی، تعداد میانگین M را در خود دارد. نور آشفته در توزیع بوز ـ اینشتین صدق می کند: 
 آشفته M/(M+۱) = PN 
 
حال آنکه نور همدوس معمولاً در توزیع پواسون صدق می کند: 
 همدوس Me / N = PN 
  چند اگر این دو نور، تابیدگی میانگین یکسانی داشته باشند (با I V/hc u M = به M ارتباط پیدا می کند )، بیشتر فرایندهای شامل برهم کنش نور و ماده نمی توانند تمایزی بین آنها قائل شوند، ولی در فرایندهای چند فوتونی چنین نخواهد بود. 
  خلاف انتظار، کاربردهای اندکی برای همدوسی لیزر وجود دارد، مهمترین کاربرد آن به اصطلاح، تمام نگاری است، که روشی برای تهیه تصاویر سه بعدی به شمار میرود. این فرایند شامل تهیه یک نوع تصویر ویژه ، به نام تمام نگاشت روی صفحه ای حاوی امولسیون مناسب عکاسی است بر خلاف بیشتر انواع متداول تصاویر عکاسی تمام نگاشت حاوی اطلاعاتی نه تنها پیرامون شدت بلکه در مورد فاز نور بازتابیده از موضوع نیز هست واضح است که با منبع نور آشفته نمی توان به چنین تصویری دست یافت. نورپردازی عکس، تصویر سه بعدی واقعی را بازسازی می کند. در حال حاضر یکی از مشکلات اصلی آن است که تنها امکان تهیه تمام نگاشتهای تکفام وحود دارد، زیرا اگر برای تهیه تصویر اصلی از گستره ای از طول موجها استفاده شود، اطلاعات مربوط به فاز از بین می رود، هر چند اکنون به راحتی می توان تمام نگاشت را در نور سفید به وضوح مشاهده کرد، ولی رنگهای این تصاویر تنها در اثر تداخل به وجود می آیند و رنگهای اصلی جسم نیستند. 
 تکفامی: 
  مشخصه بارز نور لیزر و خاصیتی که بیشترین ارتباط را با کاربردهای شیمیایی دارد. تکفامی اساسی آن است. این خاصیت از آن حقیقت منشا می گیرد که تمام فوتونها در اثر گذار بین دو تراز انرژی اتمی یا مولکولی مشابه، نشر می شوند و بنابراین تقریباً‌ فرکانسهای دقیقاً یکسانی دارند. با وجود این، همواره گستره کوچکی از توزیع فرکانسها وجود داردکه ممکن است چندین فرکانس یا طول موج گسسته را در بر گیرد و باعث برقراری شرط موج ایستا شود. 
  آن است که تعداد کمی از فرکانسها با فواصل اندک از یکدیگر، ممکن است در عمل لیزر حضور داشته باشند، به طوری که برای رسیدن به تکفامی بهینه، باید وسیله اضافی دیگری را برای گزینش فرکانس در لیزر تعبیه کرد. معمولاً برای این کار از یک سنجه استفاده می شود که عنصری اپتیکی است که درون حفره لیزر قرار می گیرد و به گونه ای تنظیم می شود که تنها یک طول موج معین بتواند بین دو آینه انتهایی، به طور نامتناهی به جلو و عقب حرکت کند. در لیزرهایی با خروجی پیوسته، تهیه پهنای خط نشر به کوچکی cm ۱ ، کاری بسیار ساده است و در لیزرهای با فرکانس تثبیت شده، پهنای خط میتواند چهار تا پنج توان ده کوچکتر داشته باشد. عامل کیفیت Q که برابر با نسبت فرکانس نشر شده u به پهنای خط Du است، یکی از عاملهای مهمی است که لیزر را توصیف می کند. 
 
Q = u/Du 
  ترتیب، مقدار عامل Q به سادگی می تواند به بزرگی ۱۰ باشد و این مقدار به وضوح از اهمیت زیادی در طیف بینی تفکیک بالا برخوردار است. اغلب متخصصان طیف بینی ترجیح می دهند که پهنای خط را بر حسب واحدهای طول موج یا عدد موج بیان کنند، که مورد آخر نشان دهنده تعداد طول موجهای تابش در واحد طول معمولاً‌ در سانتی متر، است (u=۱/l) . روابط سودمند بین بزرگی پرامترهای مربوط به پهنای خط به قرار زیر است: 
 
Dl=l/Q
Du=Dl/l
 
 
جداسازی ایزوتوپ زمینه مهم دیگری برای کاربرد فن تکفامی زیاد منبع لیزر است. از آنجا که مولکولهایی که از نظر محتوای ایزوتوپی با هم متفاوت اند، معمولا فرکانسهای جذب اندک متفاوتی دارند، با استفاده از لیزری با پهنای خط بسیار باریک، به طور گزینشی می توان مخلوطی از مواد را برانگیخت و سپس با وسایل دیگری جدا کرد. تمایل زیاد به استفاده از این کاربرد در صنایع هسته ای نامنتظره نیست.  
  : [لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید] 
  When once you have tasted Flight, you will forever walk the earth with your eyes turned skyward, for there you have been and there you will always long to return
 

[لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید]

Captain
Captain
نمایه کاربر
پست: 1053
تاریخ عضویت: یک شنبه 12 آبان 1392, 7:54 pm
سپاس‌های ارسالی: 6065 بار
سپاس‌های دریافتی: 3136 بار

اولین پرتو لیزر سفید رنگ

پست توسط Hesam - 1994 » شنبه 10 مرداد 1394, 7:23 pm

 دانشمندان اولین پرتو لیزر سفید رنگ را ایجاد کردند  
[لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید]

محققان در دانشگاه آریزونا موفق به ایجاد پرتو لیزر سفید رنگ شدند. هرچند هنوز برای تکمیل این پروژه اقدامات تکمیلی صورت گیرد، اما دانشمندان امیدوارند بتوانند لیزر سفید رنگ را برای استفاده در کابردهای عمومی نظیر روشنایی منازل به کار گیرند.

براساس نتیجه‌ی تحقیقاتی که در مجله‌ی نیچر منتشر شده، محققان در دانشگاه آریزونا موفق شده‌اند تا پرتو لیزر با رنگ سفید را ایجاد کنند. البته باید به این موضوع اشاره کرد که هنوز باید برای کامل شدن این پروژه اقدامات بیشتری صورت پذیرد. با توجه به اینکه انرژی مورد نیاز برا تاباندن لیزر بسیار کمتر از لامپ‌های ال‌ای‌دی است، دانشمندان امیدوارند بتوانند با توسعه‌ی هرچه بیشتر لیزر سفید از آن در تلویزیون‌های LED و همچنین روشنایی منازل استفاده کنند. به گفته‌ی محققان پرتو سفید لیزر قادر است ۷۰ درصد بیشتر از نمایشگرهای کنونی رنگ تولید کند.
براساس اطلاعات ارائه شده علاوه بر استفاده از لیزر سفید در گجت‌های الکترونیک و روشنایی می‌توان از آن در Li-Fi نیز استفاده کرد. Li-Fi یک فناوری در حال توسعه است که در آن از اشعه‌های مختلف و رنگارنگ نور برای انتقال بی سیم داده‌ها استفاده می‌شود. در حال حاضر از ال‌ای‌دی‌ها برای توسعه‌ی فناوری Li-Fi استفاده می‌شود. استفاده از لیزر سفید در فناوری Li-Fi سرعت انتقال اطلاعات را ۱۰ تا ۱۰۰ برابر افزایش خواهد داد.
در طول ۵۰ سال اخیر دانشمندان موفق شده‌اند تا با استفاده از لیزر تمام طول موج‌های نور را غیر از نور سفید ساطع کنند.مشکل اصلی بر سر تولید نور لیزر سفید، امکان انتشار یک طول موج در آن واحد است. محققان در دانشگاه آریزونا برای تولید نور سفید، سه پرتو لیزر بسیار باریک را که ضخامت آن یک هزارم تار موی انسان است در راستای یک خط تابانده‌اند که نتیجه‌ی ترکیب سه رنگ اصلی انتشار پرتو سفید نور شده است. محققان با این روش می‌توانند پرتو لیزر با هر رنگی را تولید کند.
 تصویر  از آنکه لیزر سفید در قالب محصولات تجاری روانه‌ی بازار شود، دانشمندان باید روشی را پیدا کنند که بتوان با استفاده از انرژی ارائه شده توسط باتری به انتشار نور لیزر سفید پرداخت.
از Zoomit
[لینک خارجی برای کاربران مهمان مخفی است، لطفا برای مشاهده لینک ثبت نام نموده و یا وارد سایت شوید]

ارسال پست

بازگشت به “فيزيک”