لیزر یا به اصطلاح نور باشکوه نوع کامﻸ جدیدی از نور است که بسیاری از آرزوﻫای رویاگونهﻯ بشر را جامهﻯ عمل پوشاندهﺍست، به طوری درخشانتر از هر چه که در طبیعت یافت میشود. با لیزر میتوان عجایبی به بار آورد و هر مادهﻯ شناخته شده روی زمین را در کسری از ثانیه بخار کرد.
لیزرها آن چنان قدرتمند هستند که میتوانند فرﺁیند همﺠوشی هستهﺍی را ایجاد نمایند همان فرﺁیندی که در خورشید صورت میگیرد که برای به وجود آمدن آن گرمایی بالغ بر K10 نیاز است.
امروزه لیزرﻫا کاربردﻫای وسیعی در علوم مختلف از جمله: صنعت، پزشکی، کشاورزی، ساختمان سازی، هولوگرافی، شیمی، زیست شناسی و ارتباطات یافتهﺍند.
هدف ما از انجام چنین تحقیقی آشنایی بیشتر با لیزر و کاربردﻫای آن ﺍست تا بتوانیم علت اصلی پیشرفتﻫای بشر را در بسیاری از زمینهﻫای علمی و تحقیقی دریابیم و از آنﻫا در جهت پیشرفتﻫای جدیدی برای کشورمان وتمام جهانیان استفاده کنیم.
ماهیت نور
اسحاق نیوتن در سال 1672 برای اولین بار نظریهﻯ ذرهﺍی بودن نور را بیان کرد و انیشتین نیز با انجام آزمایش فوتوالکتریک نظریهﻯ نیوتن را ﺗﺄیید کرد. نیوتن هم چنین با عبور دادن نور از منشور توانست نور را تجزیه کند.
نور خود یک موج الکترومغناطیسی است و میﺩانیم که موج دارای 3 مشخصهﻯ اصلی: بسامد، دوره و طول موج است. طول موج یکی از مهمترین مشخصهﻫای موج است که با انرژی رابطهﻯ عکس دارد. بنابراین موجﻫای مختلف را میتوان به صورت طیف موجﻫای الکترومغناطیسی نمایش داد.
کریستین هویکینس، فیزیکﺩان هندی برای اولین بار توانست به کمک پخش، بازتاب و شکست نور، ماهیت موجی بودن نور را بیان کند و توماس یانگ با آزمایش پراش نور آن را ثابت کرد.
لیزر در واقع نوعی نور است و با توجه به محیط فعالش در قسمتﻫای مختلف طیف موجﻫای الکترومغناطیسی قرار میگیرد.
تاریخچهﻯ پیدایش لیزر
در سال 1917 میلادی انیشتین تحقیقی را بر روی نظریهﻯ نور و تشعشع آغاز کرد. در پیﺁمد این تحقیقات، انیشتین در مقالهﻯ علمی خود «در نظریهﻯ کوانتومی تشعشع» چگونگی تحریک شدن اتمﻫا و آزاد کردن نور از آنﻫا را شرح داد که در قسمتﻫای بعدی به تشریح کامل آن میﭘردازیم.
بعد از انیشتین، تاونز به در خواست نیروی دریایی آمریکا برای ساخت وسیلهﺍی که بتواند بسامد بالای میکروموج، جهت استفاده در ارتباطات تهیه کند، مشغول به تحقیق در مورد گسیل القایی شد. وی سرانجام در سال1935 با استفاده از ماده فعال آمونیاک توانست میزر را تولید کند. تاونز پس از اختراع میزر که اولین کاربرد عملی اصول انیشتین در مورد گسیل القایی بود به فکر ساخت دستگاهی بود که بتواند طول موجﻫای کوتاهتری نسبت به میکروموج داشته باشد.
سرانجام در سال 1959 دکتر تئودور مایمن فکر تاونز را به نتیجه رسانید و اولین لیزر راساخت. مایمن با قرار دادن میلهﺍی از یاقوت مصنوعی درون شیشهﺍی مار پیچی که دو انتهای میله صیقل داده شده بود، توانست لیزر را تولید کند.
پس از دو سال آقای علی جوان، دانشمند ایرانی برای نخستین بار لیزر گازی هلیوم-نئون (He-Ne) را ساخت. اما به طور کلی علت اصلی مشغول شدن فکر دانشمندان به تولید لیزر، ساخت وسیلهﺍی بود که بتواند نور همدوس تولید کند.
لازم به ذکر است، تفاوت اصلی «میزر» و «لیزر» که هردو کوتاه شده عباراتی به معانی «تحریک میکروموج با تابش گسیل القایی» و«تقویت نور با تابش گسیل القایی» هستند، در طول موجشان است و طول موج میزر بلندتر از طول موج لیزر است. با توجه به این که طول موج با انرژی رابطه عکس دارد، پس میتوانیم دریابیم که انرژی میزر از انرژی لیزر کمتر است.
در ضمن امروزه لیزرها گسترش بسیار زیادی یافتهﺍند و با پیشرفت روز افزون مکانیک کوانتومی و جنبهﻫای ذرهﺍی نور و تولید آینهﻫایی با توان بالا، دانشمندان لیزرهایی با توان خروجی بهتر (لیزرهای توان بالا) ساختهﺍند.
گسیل خود به خود
هر اتم از سه قسمت الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شدهﺍست که علت اصلی ایجاد لیزر، جابهﺠایی الکترونﻫا بین لایهﻫای الکترونی است که همﺍکنون به تشریح کامل آن میﭘردازیم.
همانطور که میدانیم الکترون در اتم بر روی مداری که از نظر انرژی مشخص شدهﺍست، در گردشﺍند. حال فرض کنیم که الکترونی به طریقی، مﺜﻸ به وسیلهﻯ تحریک الکتریکی به ترازی با انرژی زیادتر انتقال داده شده باشد. بدیهی است که این الکترون تمایل دارد که به مدار پایینتر، یعنی مداری که انرژی آن کمتر است، فروﺍفتد. در این فروﺍفت، الکترون مقداری از انرژی خود را به صورت انرژی الکترومغناطیسی از دست میﺩهد.
میﺩانیم که اگر E2 و E1 به ترتیب انرژی مربوط به ترازهای با انرژی پایینتر اتم باشد، فرکانس نور گسیل شده از رابطه E2-E1=hu0 به دست میﺁید. این فرآیند را گسیل خود به خود (گسیل تابشی) میگویند. نوری که برای روشنایی منازل از آن استفاده میکنیم، یا نوری که از خورشید به ما میﺮسد و یا چراغﻫای نئونی که برای تزیین سردرهای فروشگاهﻫا به چشم میﺨورد، همگی حاصل تابش خود به خود است.
حال اگر بخواهیم الکترونی را در یک اتم از تراز پایینتر (انرژی کمتر) به تراز بالاتر (انرژی بیشتر) انتقال دهیم، باید مقداری معین انرژی صرف کنیم. یعنی از نظر مقدار، درست برابر با همان انرژی است که الکترون در صورتی که از مدار بالاتر به مدار پایینتر سقوط میکرد باید پس میﺩاد. این فرآیند را جذب میگویند. پس باید در ابتدا عمل جذب صورت گیرد تا منجر به گسیل خود به خود شود.
گسیل القایی
تابش فرآیندی است که طی آن گرما میتواند انتقال یابد. توان تابیده به ضریب گسیل Σ بستگی دارد که تابش را به خوبی جذب مﻰکند و جسمی که سطحش صاف و کامﻸ سیاه باشد ( یعنی جذب کنندهﻯ کامل باشد) گسیلندهﻯ کامل نیز هست که ضریب گسیل آن 1=Σ است وقتی جسمی گرم شود، هم شدیدتر تابش میکند و هم رنگش عوض میشود، مانند دستهﻯ لامپ التهابی. البته شدت این تابش به طول موج دما بستگی دارد. پلانک سعی کرد فرمولی برای این موضوع بیان کند. از این رو این نظریه به نظریه پلانک است.
انیشتین با استفاده از نظریهﻯ تابش جسم سیاه توانست اثبات کند، علاوه بر تابش خود به خود تابش القایی نیز فوتون تولید میکند. شرح آن به صورت زیر است:
وقتی یک الکترون در تراز بالا قرار دارد، با برخورد به یک فوتون دیگر، مجبور به واکنش با آن فوتون و سقوط به تراز انرژی پایینتر میشود در اینجا فوتون القاکننده به حرکت خود ادامه میﺩهد و فوتون القاشونده در اثر رها شدن انرزی الکترون به دست میﺁید. فوتون اول (القاکننده) و فوتون دوم (القاشونده) هر دو همﻔاز و همراه هستند. به این پدیده گسیل القایی میگوییم. زیرا یک فوتون تولید، یک فوتون دیگر را بر میﺍنگیزد.
در لیزر نور از طریق گسیل القایی ایجاد میشود. در ضمن واژهﻯ لیزر به خاطر همین فرآیند انتخاب شده است، یعنی از به هم پیوستن حروف اول عبارتی انگلیسی¹ به معنای تقویت نور به وسیلهﻯ تابش گسیل القایی.
از تفاوت گسیل القایی و خود به خود میتوانیم تا حدودی به خصوصیات لیزر پی ببریم:
- در گسیل خود به خود فوتونﻫا همﻔاز نیستند، در حالی که در گسیل القایی همهﻯ فوتونﻫا در یک جهت منتشر میشوند.
- نور حاصل از گسیل خود به خود ناﻫمدوس و نور حاصل از گسیل القایی همدوس است.
لیزر چگونه تولید می شود؟
هر لیزر قسمتﻫای اساسی و مشخصی دارد که به شرح زیر است:
1- چشمهﻯ انرژی: اغلب به صورت الکتریسیته است اما به جای آن میتوان از نور معمولی، واکنش شیمیایی یا حتی لیزر دیگر بهره برد. یکی از متداولترین منابع انرژی به کار رفته در لیزرها لامپ درخش است. این لامپ شبیه لامپ درخش (فلاش) دوربین ولی خیلی قویتر از آن است. لامپ درخش باید اتمﻫا یا مولکولﻫا را به گونهﺍی سریعتر از آنکه بتوانند با گسیل عادی به حالت پایین برود، در یک حالت برﺍنگیخته بگذارد.
2- محیط فعال: محیط فعال مجموعهﺍی از اتمﻫا، مولکولﻫا یا یونﻫاست که بتواند انرژی را جذب و آزاد کند. این محیط فعال میتواند مثل یاقوت یا بلورهای دیگر جامد یا مثل رنگینهﻫا مایع و یا مثل گاز CO2 باشد. باریکهﻯ لیزر فقط در محیط فعال تولید میشود. مادﻩﻯ فعال در واقع قلب دستگاه لیزر را تشکیل میﺩهد . در تعریف دیگر میتوان گفت محیطی که بتوان در آن وارونگی جمعیت ایجاد کرد، محیط فعال نام دارد.
3- ساز و کار پسخوراند : از دو سطح بازتابنده مثل آینه تشکیل شده است که در دو انتهای محیط فعال (مثل سطح تخت وصیقل داده شدﻩﻯ یاقوت مصنوعی در لیزر مایمن) قرار میگیرد که یکی از آینهﻫا به نام "خفتگر" خروجی بازتابنده جزئی است. آینهﻫای لیزر با دقت زیادی ساخته میشود. مادهﻯ به کار رفته برای ساخت آینهﻫای دارای بازتابندگی بسیار زیاد باید در ﺨﻸ تبخیر شوند و به صورت لایهﻫای بسیار نازکی به ضخامتی که ممکن است کمتر از 00002/0 سانتی متر باشد، در روی صفحهﻫای شیشهﺍی صیقلی رسوب کند. صفحهﻫای شیشهﺍی که زیرانید نامیده میشوند به قدری تختند که هیچ فرورفتگی یا برآمدگی به عمق بزرگتر از 000005/0 سانتی متر ندارد.
برای انجام عمل لیزر چندین مرحله باید صورت بگیرد. اما برای ایجاد لیزر نیازمند شرایط مخصوصی هستیم که یکی از مهمترین آنﻫا ایجاد وارونگی جمعیت به وﺴیلهﻯ پمپاژ میﺒاشد که در زیر به تشریح کامل آن میﭘردازیم.
انتقال انرژی بستگی به سطوح انرژی دارد. اگر تعداد الکترونﻫا در تراز پایین بیشتر از تراز بالا باشد عمل جذب و اگر بر عکس باشد (یعنی تراز بالا دارای جمعیت بیشتری باشد) عمل گسیل القایی انجام میشود. تحت شرایطی بالاخص در ترمودینامیکی تعداد الکترونﻫا با بالا رفتن سطح انرژی کم میشود. در صورتی که N1 را تعداد اتمﻫا در تراز پایین و N2 را تعداد مولکولﻫا در تراز بالا بنامیم، بنابراین N2N1 N باشد. وقتی چنین شرایطی ایجاد شود میگوییم وارونگی جمعیت رخ داده است.
برای آنکه بتوانیم اتمﻫا را از تراز پایینتر به تراز بالاتر بفرستیم احتیاج به یک منبع تحریک داریم و به فرآیندی که بدان وسیله اتمﻫا به تراز تحریکی انتقال داده میشوند پمپاژ (دمش) میگویند. در لیزرهای جامد (نظیر یاقوت و یا نئودیمیئوم یاگ) از لامپﻫای درخش که در زمانی حدود چند صد میلیونیم ثانیه فعال میشوند استفاده میکنند. این روش را پمپاژ اپتیکی میگویند.
در لیزرهای گازی توسط یک منبع الکتریکی خارجی عمل پمپاژ را پمپاژ الکتریکی میگویند که علت اصلی کاربرد آن در لیزرهای گازی تبدیل گاز به پلاسما به وﺴیلهﻯ تخلیهﻯ الکتریکی است.
دو نوع پمپاژ اصلی داریم:1- پمپاژ ذرهﺍی 2- پمپاژ پیوسته
که تفاوت آنﻫا به شرح زیر است:
- در پمپاژ لحظهﺍی عمل پمپاژ به صورت بخشﻫایی انجام میشود اما در پمپاژ مستمر عمل پمپاژ به صورت همیشگی و مستمر است.
- در پمپاژ ضربهﺍی نیازی به سرد کردن دستگاه نیست در حالی که در پمپاژ مستمر نیاز است.
- در پمپاژ ضربهﺍی پالسﻫای ایجاد شده به صورت زنجیره است.
- قدرت لیزر در پمپاژ ضربهﺍی نسبت به پمپاژ مستمر بسیار بیشتر است. مثلا˝میتوان لیزری به توان 10¹² را در عرض 10ˉ¹¹ تا10ˉ¹² ثانیه ایجاد کرد.
حال با توجه به مواد گفته شده میتوان اصول کار لیزر را توضیح داد.
مادﻩﻯ فعال هر چه که باشد در بین دو آینهﻯ نقرهﺍندود و نیمه نقرهﺍندود که به ترتیب آینهﻯ 100% و %80 گفته میشود قرار میگیرد. سپس عمل پمپاژ انجام شده و الکترونﻫا به تراز انرژی بالاتر میﺮوند تا در هنگام بازگشت به حالت پایه فوتون گسیل شود و این فوتونﻫا با الکترونﻫای در تراز بالا برخورد کرده و عمل گسیل القایی صورت میگیرد. این فوتونﻫا با هم حرکت کرده و در هر جابهﺠایی میان آینهﻫا تعداد آنﻫا دو برابر میشود. فوتونﻫﺍ در اثر برخورد با آینهﻯ 100% به طور کامل باز میگردند اما در اثر برخورد با آینهﻯ 80% تنها %80 فوتونﻫا باز میگردد و %20 دیگر از دستگاه خارج می شود که در واقع همان نور لیزری است که ما میﺒینیم.
نگهﺩارهای مکانیکی بسیار دقیقی برای ثابت نگهداشتن آینهﻫا و میلهﻯ لیزر لازم است تا گسیل القایی را دقیقاً در امتداد میلهﻯ لیزر برگرداند. اگر فوتونﻫا روی خودشان بازتاب نیابند، لیزر کار نخواهد کرد.
همهﻯ فرآیندهای نوری از جمله ایجاد بلورهای میلهﻯ لیزر، ساخت آینهﻫا و صیقل دادن دو انتهای میلهﻯ لیزر باید در شرایط کاملا عاری از آلودگی انجام شود. در این موارد از اتاقﻫای خاصی به نام اتاق تمیز استفاده میشود که هیچ گرد و خاک و رطوبت ندارد به ویژه هنگام ساخت بلورهای لیزر پرهیز کردن از آلودگی مهم است، زیرا مقدار بسیار کمی از ناخالصی میتواند کارکرد لیزر را متوقف کند.
برای کاربردهای مختلف از لیزر ناچاریم که خروجی آن را کنترل کنیم. مثلا˝ متمرکز کردن پرتو روی فلزها، انحراف دادن باریکه، ساختن تپ لیزری .
تغییر به دو طریق انجام میشود:
لازم به ذکر است که خروجی لیزر به دو عامل محیط فعال و کاواک وابسته است. برای مثال برای جهت داشتن یک لیزر از نوع گازی باید فشار گاز را افزایش دهیم.
لیزرها را برحسب محیط فعالشان نامگذاری میکنند. مثلا˝ در لیزر رودامین که مایع رنگینهﻯ فلوئورسانسی است به عنوان مادﻩﻯ فعال استفاده میشود یا در لیزر نیمه ﺮسانا یا دیودی از بلورها که بخش کوچکی از وسایل الکترونی را تشکیل میﺩهند، به عنوان مادﻩﻯ فعال استفاده میکنند.
ویژگیﻫای نور لیزر
1- نور لیزرها طول موج یکسانی دارد. به همین دلیل به آن نور خالص میگویند. امواج نوری لیزر هم زمان با هم گام برمیﺩارند و همﻔاز هستند و ﻘله هر موج با ﻘلهﻯ موج دیگر یکی است. از این جهت، به نور لیزر همدوس میگویند.
2-به علت یکسان بودن طول موج یا بسامد، نور لیزر هنگام عبور از منشور تجزیه نمیشود و به صورت باریکهﻯ کوچکی خارج میشوند. (به همان صورت که داخل شده است)
3- جهتمندی از خصوصیات دیگر نور لیزر است. نور لیزر چنانچه در محیط جذب نشود میتواند فواصل زیادی را طی کند بدون آنکه در واگرایی آن تغییر زیادی ایجاد شود.
4- درخشانی یا روشنایی نور لیزر میلیونﻫا بار بزرگتر از چشمهﻫای دیگر مثل خورشید است.علت این امر آن است که نور لیزر همدوس (تکفام) است و در یک جهت حرکت میکند.
5- چون انرژی ورودی را در لیزر میتوان کنترل نمود، انرژی خروجی نیز به دنبال آن تغییر می یابد بنابراین اگر برانگیختگی لیزر با پالسﻫای کوچک انجام شود، لیزر با پالسﻫای کوچک تولید خواهد شد.
6- موجﻫا دارای رنگ یکسانی هستند و به اصطلاح تکﺮنگ میﺒاشند.
سوئیچ Q:
استفاده از تکنیک سوئیچ Q ایجاد تپﻫای لیزر با مدت کم (10 تا 30ns) و در نتیجه قله توان بسیار میﺳازد. اصول تکنیک به قرار زیر است. فرض شود که یک بستاور در داخل کاواک لیزری قرار داده شده باشد، اگر بستاور در بسته شود عمل لیزر صورت نخواهد گرفت (تلف کاواک بسیار زیاد است). ولی اکنون اگر به طور ناگهانی بستاور باز شود بهره لیزر بسیار زیادتر از تلفات شده و انرژی ذخیره شده به صورت تپی نورانی و سریع رها خواهد شد، چون تکنیک متضمن انتقال سازه Q کاواک از مقدار خیلی پایین به مقدار خیلی بالاست لذا به نام سوئیچ Q معروف است. اگر بستاور در مدت زمان کوتاهی (در مقایسه با زمان ایجاد پالس) باز شود سوئیچ Q را سریع میگویند و خروجی لیزر به صورت تک تپ خواهد بود ولی چنانچه سوئیچ Q آهسته باشد تپﻫای متعددی را در خروجی لیزر میتوان انتظار داشت.
انواع لیزرها
نوع لیزر از روی حفره لیزر (Laser cavity) مشخص میشود و نشان دهنده توزیع توان لیزر در منطقه میﺒاشد.
1- لیزرهای جامد: بلورهای جامدی که در فرآیند لیزری مورد استفاده قرار میگیرند باید شرایط زیر را داشته باشند:
- شفاف باشند تا اولا˝ نور بتواند برای برانگیزش محیط فعال وارد آن شود، ثانیا˝خود باریکهﻯ لیزر بتواند از آن عبور کند.
- اتمﻫای محیط فعال باید بتوانند طول موجﻫای مورد نظر را به وجود بیاورند.
- باید دارای مقداری ناخالصی باشند که در بلور خالص آن وجود ندارد. بلور خالص مادﻩﻯ میزبان و فرآیند افزودن ناخالصی آلاشی نام دارد. مثلا˝ در لیزر یاقوت مادﻩﻯ میزبان اکسید آلومینیوم و مادﻩﻯ آلاینده یا ناخالصی اسید کروم است.
اولین لیزر جامد به وسیلهﻯ دکتر مایمن کشف شد که محیط فعال آن میلهﺍی از بلور یاقوت مصنوعی است.
یک نوع لیزر جامدی که امروز کاربرد تجاری زیادی دارد، لیزر استریم آلومینیوم گارنت یا لیزر یاگ با ناخالصی نئودیم است.
از طرفی لیزرهای جامد بازدﻩﻯ زیادی ندارند و مانند لیزرهای گازی نمیتوانند باریکهﻯ نوری پیوﺴتهﺍی ایجاد کنند ولی در عوض میتوانند تپﻫای فوقﺍلعاده قدرتمندی از نور لیزر ایجاد کنند.
لیزرهای حالت جامد در کاربردهای پرتوان مانند جوشکاری و برشکاری و همچنین دستگاهﻫای دیواری فروسرخ و پژوهشﻫای علمی متداولﺍند.
فهرست مطالب:
مقدمه..............................................................................................................................................4
فصل اول: لیزر
ماهیت نور.......................................................................................................................................6
تاریخچهﻯ پیدایش لیزر...................................................................................................................7
گسیل خود به خود..........................................................................................................................8
گسیل القایی....................................................................................................................................9
لیزر چگونه تولید میشود..............................................................................................................10
ویژگیﻫای نور لیزر.......................................................................................................................12
سوئیچ Q.....................................................................................................................................
انواع لیزر......................................................................................................................................14
فصل دوم: کاربردهای آن
کاربرد لیزر در صنعت...................................................................................................................21
مینیاتوری............................................................................................................................................................23
تمامنگاری (هولوگرافی).....................................................................................................................................23
ثبت با لیزر.........................................................................................................................................................26
ساختمانﺳازی و کشاورزی................................................................................................................................26
سایر کاربردها.....................................................................................................................................................27
کاربرد لیزر در مبحث نظامی.........................................................................................................30
کاربرد لیزر در پزشکی..................................................................................................................33
چشم.................................................................................................................................................................33
پوست................................................................................................................................................................34
دندان پزشکی.....................................................................................................................................................36
جراحی................................................................................................................................................................37
درمان بیماریﻫا....................................................................................................................................................39
لیزرهای باهوش..................................................................................................................................................40
لیزرهای خانگی..................................................................................................................................................40
اثرات لیزر بر بدن...............................................................................................................................................41
خطرات اختصاصی لیزر.................................................................................................................................... 41
کاربرد لیزر در تحقیقات...........................................................................................................................43
کاربرد لیزر در ارتباطات.......................................................................................................................... 48
کاربردهای لیزر ND-YAG...................................................................................................................
پرتوافشانی بر هنر دیرینهﻯ تاریخ.............................................................................................................52
ایمنی لیزرها .............................................................................................................................................53
فصل سوم: بازدیدها
بیمارستان فارابی........................................................................................................................................58
دندان پزشکی............................................................................................................................................60
دانشگاه شهید بهشتی.................................................................................................................................61
فصل چهارم: نتیجه‌گیری
پیشنهادات..................................................................................................................................................65
خلاصهﺍی از متن با توجه به.....................................................................................................................66
نتیجه‌گیری.................................................................................................................................................68
واژه‌نامه......................................................................................................................................................69
منابع ........................................................................................................................................74
شامل 76 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود تحقیق لیزر (Laser)
