لیزر چیست و چگونه ساخته می شود

تاریخچه ساخت لیزر:

شاید شنیده باشید که نخستین لیزر به شکل لیزر یاقوت توسط تئودور میمن[1] در سال 1960 میلادی، ساخته شد، بهتر است این نکته را نیز بدانید که ساخت لیزر یک اكتشاف ناگهانی و لحظه‌ای نبوده بلکه نتیجه‌ای بود از مجموعه پژوهش‌ها و پیشرفت‌هایی که قبل از آن توسط دانشمندان و محققان در علم فيزيك انجام شده بود.

شکل1: دانشمندان محقق در زمینه لیزر به ترتیب از چپ به راست: انیشتن، تاونز، شاولو، میمن و جوان

نقطه شروع این روند آلبرت انيشتین[2] بود که اصول نظری ليزر را شناخته و در سال 1917 بيان کرده بود. بعد از آن دانشمندان دیگر، پژوهش‌هاي پيگیری در اين زمينه انجام دادند و برای رسیدن به موفقیت نهایی، یک پله به پلکان اضافه کردند (شکل 2).

شکل2: اولین نمونه اولیه میزر آمونیاک و مخترع آن، چارلز تاونز.

در سال 1954 يك گروه از محققين در آمريكا به سرپرستی چارلز تاونز[3] و بر اساس تئوری انیشتین، توانستند در مولكول‌هاي آمونياك، نوعی تقویت کننده نوری با نام ميزر (Maser)[4] بسازند (شکل 2-2). کلمه میزر از خلاصه کردن عبارت “تقویت میکروموج ها از راه گسیل القایی تابش” به دست آمده است. به عبارت دیگر آنها در این پروژه توانستند درون آمونیاک، یک میکروموج انتخابی با طول موج 3/1 میلیمتر و فرکانس  10¹¹×3/2 هرتز را تقویت کنند و برای تقویت این موج از روش گسیل القایی استفاده شد. اگر کلماتی از این عبارات برای شما نامفهوم است نگران نباشید در ادامه همین فصل درباره جزییات آن توضیحات بیشتری ارائه شده است.

شکل3: اولین لیزر یاقوت میمن

پس از ساخت میزر، تاونز در یک پروژه مشترك نظری در سال 1958با آرتور شاولو[5] همکاری کرد. آن‌ها در این پروژه، قصد داشتند به جای تقویت میکروموج که در پروژه میزر انجام شده بود این بار، موجی با فركانسی در حدود فركانس‌هاي نور مرئي (طول موج حدود 400 تا 700 نانومتر) را تقویت کنند. آن‌ها این پروژه را انجام دادند و آن را به جای میزر، به صورت اختصاصی ليزر (Laser)[6] نامیدند. کلمه لیزر هم از کنار هم گذاشتن حروف اول عبارتی حاصل شده است که معنای آن، “تقویت نور از راه گسیل القایی تابش” است. در واقع در لیزر به جای میکروموج (Microwave)، امواج نوری (Light) از راه گسیل القایی تابش، تقویت می‌شدند.

با استفاده از این پژوهش‌ها، بالاخره ميمن در سال 1960 اولين ليزر قرمز رنگ را در طول موج 694 نانومتر و با استفاده از بلور ياقوت ساخت (شکل 2-3). ماده فعال این لیزر چنانچه گفته شد، بلور یاقوت و به حالت جامد بود. جالب است بدانید پس از مدت كوتاهي در سال 1961، پروفسور علي جوان دانشمند ايراني و همكارانش اولين ليزر گازي را ساخته به جهان معرفی کردند. لیزر پروفسور جوان، در گاز هليوم ساخته شد و طول موج آن 632 نانومتر بود. از آنجا که در این لیزر از گاز نئون به عنوان گاز کمکی استفاده شده بود که برای عملکرد درست لیزر ضروری بود، این لیزر هلیم-نئون نامگذاری شد.

 اصول طراحی و ساخت لیزر:

در این بخش برای سادگی و داشتن درک درستی از اساس کار لیزر، قبل از  توضیح مرحله به مرحله تولید پرتو لیزر، ابتدا به معرفی چند مفهوم مهم پرداخته می‌شود.

 جذب و گسیل خود به خودی[7]

چنانکه احتمالا از دروس دبیرستان به یاد دارید، هر ماده از اتم ساخته شده است. هر اتم، یک هسته در مرکز دارد و الکترون‌ها در اطراف هسته، در ترازهای انرژی خاصی قرار گرفته و در حال چرخش به دور هسته اتم هستند. شکل 2-4 نمایی از این مدل را نشان می‌دهد. به عبارت دیگر، الکترون‌ها در شعاع‌های مختلف دورتادور هسته می‌چرخند که به آن به اصطلاح مدار (تراز) الکترونی گفته می شود. همه الکترون های درون یک مدار یا تراز دارای انرژی مساوی هستند و در هر تراز، تعداد مشخصی الکترون می‌تواند جای بگیرد. هر چقدر ترازها به هسته نزدیک‌تر باشند، الکترون‌های آن تراز، انرژی کمتری دارند و بالعکس هر چه ترازها از هسته دورتر باشند، الکترون‌های درون آن انرژی بیشتری دارند. نکته‌ای که لازم است در اینجا بدانید اینست که در حالت عادی، الکترون‌ها تمایل دارند در تراز پایین تر و با انرژی کمتر جای بگیرند در این حالت گفته می‌شود اتم یا الکترون در حالت پایه قرار دارد. در حالت پایه، الکترون‌های یک اتم ابتدا جاهای خالی در ترازهای پایین‌تر را پر می‌کنند و سپس الکترون‌های باقیمانده در ترازهای بالاتر جای می‌گیرند (شکل 2-4).

شکل4 : شکل نمادین اتم و الکترون‌های اطراف آن در ترازهای انرژی مجزا. الکترون‌ها در حالت عادی تمایل دارند در تراز با کمترین انرژی قرار بگیرند.

سوالی که در اینجا می‌تواند مطرح شود اینست: آیا الکترون‌ها می‌توانند از یک تراز به تراز دیگر بروند؟

پاسخ این سوال مثبت است. الکترون‌ها می‌توانند تحت شرایطی از یک تراز به تراز دیگر بروند. به این ترتیب که الکترون‌های تراز پایینی (با انرژی کمتر) برای رفتن به ترازهای بالاتر (با انرژی بیشتر)، نیاز به گرفتن انرژی دارند و الکترون‌های ترازهای بالایی (با انرژی بیشتر) برای رفتن به ترازهای پایین‌تر (با انرژی کمتر) باید انرژی اضافی خود را از طریقی از دست بدهند.

در همین راستا  اگر در شرایط ویژه، انرژی اضافی به ساختار یک اتم وارد شود، ممکن است الکترون بتواند پس از جذب انرژی کافی، از یک تراز پایین‌تر به تراز بالاتر نقل مکان کند، به این پدیده‌ “جذب” گفته می‌شود. در شکل 2-5 پدیده جذب به صورت نمادین نشان داده شده است. چنانچه در این شکل دیده می‌شود، الکترون در ابتدا در تراز نزدیک‌تر به هسته در حال حرکت است وقتی انرژی کافی برای رفتن به یکی از ترازهای بالاتر به آن داده شود، با جذب انرژی به تراز بالاتر (دورتر از هسته) نقل مکان می‌کند.

در این شکل‌های نمادین برای سادگی، از میان همه ترازها فقط دو تراز مبدا و مقصد الکترون در اطراف اتم و از میان همه الکترون‌ها تنها الکترونی که بین دو تراز جابه جا می‌شود، مشخص شده است.

شکل 5: در پدیده‌ی جذب، الکترون با دریافت انرژی از تراز پایین‌تر به تراز بالاتر جابه جا می‌شود.

در پدیده جذب، انرژی الکترون بیشتر از حالت عادی یا پایه آن است و به اصلاح گفته می‌شود الکترون (یا اتم) در حالت برانگیخته قرار دارد.  اما الکترون برای همیشه با این انرژی اضافی در حالت برانگیخته باقی نمی‌ماند و  پس از مدت زمان محدودی، الکترون برانگیخته، انرژی اضافی خود را از دست می‌دهد و به تراز پایین برمی‌گردد. انرژی اضافی الکترون می‌تواند به شکل گرما، انرژی برخوردی و یا به وجود آمدن یک فوتون نوری و … آزاد شود. دراین حالت اگر الکترون در بازگشت از تراز بالاتر به تراز پایین‌تر، انرژی اضافی خود را به شکل یک فوتون نوری از دست بدهد (شکل 2-6) به این پدیده، گسیل خودبه‌خودی گفته می‌شود.

شکل 6: در پدیده گسیل خود‌به‌خودی، الکترون بدون دخالت عامل بیرونی با از دست دادن انرژی اضافی به شکل فوتون نوری، از تراز بالاتر به تراز پایین تر برمی‌گردد.

به عبارت دیگر در پدیده گسیل خود‌به‌خودی، الکترون در تراز بالاتر، بدون دخالت عامل بیرونی و فقط به دلیل تمایل طبیعی به داشتن کمترین انرژی (به صورت خودبه‌خودی) به تراز پایین‌تر برمی‌گردد و یک فوتون نوری تولید و گسیل می‌شود که انرژی آن برابر با اختلاف انرژی دو تراز است. این فوتون نوری می‌تواند در هر جهتی تولید و پراکنده شود. به همین دلیل است که موادی که در آن گسیل خودبه خودی اتفاق می افتد از هر جهتی درخشان به نظر می رسند؛ دستبندهایی که در روز انرژی جذب می‌کنند و در شب درخشنده به نظر می‌‌رسند مثالی از پدیده گسیل خودبه‌خودی هستند که ممکن است در زندگی روزمره با آن برخورد کرده باشید.

وارونگی جمعیت[8] (وارونی انبوهی)

با توجه به اینکه الکترون‌ها در حالت عادی تمایل دارند در ترازهای پایه قرار بگیرند پس در یک ماده در حالت عادی، تعداد اتم‌هایی که در حالت پایه قرار دارند بسیار بیشتر از تعداد اتم‌های برانگیخته است. اما چنانچه گفته شد با وارد کردن انرژی به ساختار اتمی می‌توان الکترون‌ها را مجبور کرد که برای مدت زمان محدود به تراز بالاتر نقل مکان کنند. اگر این روند ادامه پیدا کند ممکن است حالتی پیش آید که جمعیت الکترون‌ها در تراز بالایی (اتم‌ها یا الکترون‌های برانگیخته) بیشتر از تعداد الکترون‌ها در تراز پایینی (اتم‌ها یا الکترون‌های پایه) شود؛ در این حالت می‌گوییم “وارونگی جمعیت” رخ داده است. ممکن است از این پدیده در نوشتارهای دیگر با عنوان “وارونی انبوهی” هم یاد شود. در شکل 2-7 به صورت ساده، پخش شدن الکترون‌ها در ترازهای اتمی نشان داده شده است. در شکل 2-7-الف الکترون‌ها در حالت عادی و تراز پایین قرار دارند، سپس با وارد کردن انرژی، الکترون‌ها کم کم به تراز بالاتر رفته‌ و اصطلاحا برانگیخته شده‌اند (شکل 2-7-ب) و در نهایت با ادامه کوچ الکترون‌ها از تراز پایین به تراز بالا، تعداد الکترون‌ها در تراز بالایی بیشتر از تعداد الکترون‌ها در تراز پایینی شده و به اصطلاح وارونگی جمعیت (یا وارونی انبوهی) رخ داده است

شکل7: الف) ابتدا الکترو‌ن‌ها در حالت عادی قرار دارند، ب) سپس با وارد کردن انرژی، الکترو‌ن‌ها برانگیخته شده‌اند و ج) در نهایت با افزایش تعداد الکترون‌ها در تراز بالایی، وارونگی جمعیت رخ داده است.

3 گسیل القایی

با آنچه گفته شد فرض کنید در یک ماده و طی شرایط بالا، وارونگی جمعیت (وارونی انبوهی) رخ داده است و الکترونی را در نظر بگیرید که در حالت برانگیخته قرار دارد. اگر در این وضعیت یک فوتون به این ساختار برسد، به طوری که انرژی فوتون، برابر با تفاوت انرژی الکترون در تراز بالا و پایین باشد، اتفاق‌های مختلفی ممکن است برای الکترون رخ دهد. یکی از این رخدادها اینست که الکترون به تراز پایین برود. به این پدیده گسیل القایی گفته می‌شود. در پدیده گسیل القایی یک فوتون هم انرژی، هم فاز و هم جهت با فوتون فرودی، به وجود آمده و گسیل می‌شود.  در شکل 2-8 پدیده گسیل القایی به صورت نمادین نشان داده شده است. گسیل القایی همان پدیده‌ای است که در ساخت لیزر از آن استفاده می‌شود. به عبارت دیگر در پدیده گسیل القایی، یک الکترون برانگیخته بر اثر فرود یک فوتون نوری، انرژی اضافی خود را با گسیل فوتون دوم از دست می‌دهد و به حالت پایه می‌رود. فوتون گسیل شده هم انرژی، هم جهت و هم فاز با فوتون فرودی است.

شکل8: گسیل القایی: الف) فرود فوتون با انرژی مناسب به الکترون برانگیخته در تراز بالا و ب) بازگشت الکترون به تراز پایین‌ و به وجود آمدن و گسیل فوتون دوم که هم انرژی و همفاز  با فوتون فرودی است و هم جهت با فوتون فرودی، گسیل می‌شود.

چگونگی ایجاد باریکه لیزر

حال که با سه مفهوم کلیدی گسیل خودبه‌خودی، وارونگی جمعیت و گسیل القایی آشنا شدید زمان آن رسیده است که به توضیح چگونگی تولید نور لیزر ب‌پردازیم. همانطور که گفته شد، در گسیل القایی یک فوتون وارد و دو فوتون هم انرژی و همگام (همفاز) ایجاد می‌شوند. در نظر بگیرید در ماده ای که وارونی انبوهی در آن ایجاد شده، بر سر راه این دو فوتون، دو الکترون دیگر در تراز بالا وجود داشته باشند. با برخورد فوتون‌ها با الکترون‌های برانگیخته، هر کدام از فوتون ها باعث پایین آمدن یک الکترون و خروج دو فوتون دیگر می‌شوند. پس چهار فوتون هم‌انرژی، همگام و هم جهت خواهیم داشت. اگر بر سر راه این چهار فوتون، چهار الکترون در تراز بالا وجود داشته باشد، در نهایت هشت فوتون هم انرژی، همگام و هم جهت خواهیم داشت. به همین ترتیب بعد از چند مرحله، تعداد زیادی فوتون خواهیم داشت که هم‌انرژی و همگام و هم جهت هستند. اگرچه این افزایش تعداد فوتون‌ها بسیار ارزشمند است اما برای درست کردن لیزر، کافی نیست. برای افزایش بیشتر تعداد فوتون‌ها از شگرد دیگری هم استفاده می‌شود. بدین ترتیب که دو آینه در دو سوی ماده قرار می‌گیرد و فوتون‌هایی که در راستای خط اتصال دو آینه حرکت می‌کنند را وادار می کند دومرتبه در همین مسیر رفت و برگشت کنند و فوتون‌های جدید هم انرژی، همگام و هم جهت بیشتری را به‌وجود آورند. در نهایت مجموعه همین فوتون‌ها، باریکه لیزر را ایجاد می‌کنند. شکل 2-9  چگونگی ایجاد پرتوهای لیزر را نشان می‌دهد.

شکل9: چگونگی ایجاد پرتو لیزر به صورت نمادین؛ در ابتدا فوتونی از گسیل خودبه خودی ایجاد می‌شود. این فوتون به یک الکترون‌ برانگیخته دیگر برخورد می‌کند، گسیل القایی رخ می‌دهد و در نتیجه دو فوتون هم‌انرژی، همگام و هم‌جهت به وجود می‌آید و این فوتون‌ها در ادامه، فوتون‌های دیگری ایجاد می‌کنند. بازتاب از آینه‌های دو طرف هم به افزایش بیشتر فوتون‌ها و تقویت بیشتر نور از راه گسیل القایی منجر می‌شود و باریکه لیزر به وجود می‌آید.

طبیعی است، باریکه لیزر زمانی ایجاد می‌شود که به اندازه کافی الکترون در تراز بالا وجود داشته باشد. یعنی زمانی می‌توان باریکه لیزر ایجاد کرد که پیش از آن به نحوی وارونگی جمعیت ایجاد شده باشد. برای درک چگونگی ساخت لیزر به عنوان یک پرتو نوری بسیار قدرتمند، پرنده هایی را در نظر بگیرید که برای خوردن دانه در تور دام گیر افتاده باشند. اگر سنگی به میان آنها انداخته شوند و آنها برای رهایی از دام، به صورت هماهنگ شروع به بال زدن کنند، ممکن است بتوانند به اندازه کافی توانمند شوند و انرژی لازم برای رهایی از دام را تولید کنند. در ساخت لیزر هم چنین اتفاقی رخ می‌دهد. برای جمع کردن پرنده ها برروی دام باید دانه ریخت. در ساخت لیزر هم باید برای ایجاد وارونی انبوهی، انرژی کافی را به درون ماده پمپاژ کرد؛ سپس با انداختن یک سنگ ریزه (فوتون فرودی)، پرنده ها شروع به بال زدن هماهنگ می نمایند (و گسیل القایی در ماده فعال رخ می‌دهد که فوتون‌های هم‌انرژی، هم‌فاز و هم‌جهت ایجاد می‌شود). در ادامه توضیحات بیشتری درباره اجزای لیزر آمده است که می‌تواند درک روشن‌تری از یک دستگاه لیزر ارائه دهد.

10 معرفی اجزای اصلی یک لیزر

اکنون که با اساس کار لیزر و چگونگی به وجود آمدن پرتو لیزری آشنا شدیم در این بخش می‌خواهیم ببینیم این روند در دستگاه لیزر چگونه تامین و اجرا می‌شود. به طور کلی در هر دستگاه لیزر باید سه بخش اصلی وجود داشته باشد؛ این سه بخش عبارتند از : محیط فعال[9]، سیستم پمپاژ یا دمش[10] وکاواک[11] که در شکل 2-10 نمادین نشان داده شده‌اند و در ادامه به توضیح بیشتر این اجزا خواهیم پرداخت:

شکل10: اجزای اصلی سازنده یک لیزر.

محیط فعال

محیط فعال لیزر، ماده‌ای است که شرایط مناسب برای ساختن یک لیزر را دارد یعنی ماده‌ای که در آن بتوان وارونی انبوهی مناسب ایجاد کرد و از راه گسیل القایی بتوان تقویت نوری را انجام داد. در واقع در محیط فعال، ابتدا الکترون‌ها با دریافت انرژی کافی به تراز بالاتر می‌روند (برانگیخته می شوند) سپس با ادامه این روند، وارونی انبوهی رخ داده و تعداد اتم‌های دارای الکترون‌های برانگیخته، بیشتر از اتم‌های دارای الکترون حالت پایه می‌شود. سپس با عبور فوتون مناسب، الکترون‌ها به تراز پایین‌ رفته و فوتون‌هایی با انرژی یکسان، همفاز و هم جهت ایجاد می‌شوند (گسیل القایی). محیط‌های فعال می‌توانند مواد اتمی و یا مولکولی از هر سه حالت جامد، مایع و یا گاز باشند. یاقوت، الکساندریت، Nd:YAG و دیود نمونه‌هایی از لیزرهای جامد، رزین‌(رنگ)ها از نوع لیزرهای مایع و هلیم-نئون، گازکربنیک (CO₂) و آرگون نمونه‌هایی از ماده فعال لیزر به شکل گاز هستند. . لازم است بدانید که طول موج خروجی هر لیزر توسط ماده فعال آن تعیین می‌شود [2]. به عنوان مثال در  CO₂ طول موج 10600 نانومتر، یاقوت طول موج 694 نانومتر، و الکساندریت طول موج 755 نانومتر ایجاد می‌شود. در جدول 2-1 ماده‌های فعال برای لیزرهای رایج و طول موج مربوط به آن‌ها گردآوری شده است.

جدول 2-1: ماده فعال لیزری و طول موج مربوط به آن.

نوع لیزر	ماده فعال	طول موج (nm)
مایع	رنگ	585 و 595
گاز	CO2	10600
	آرگون	510
	اگزایمر	308
جامد	یاقوت	694
	الکساندرایت	755
	Er:YAG (ایربیوم-یگ)	2940
	Nd:YAG (نئودیمیوم-یگ)	1064 و 1320
	دایود	808  و810 و1450

 پمپاژ یا دمش

چنانچه که گفته شد، برای ایجاد لیزر باید ابتدا در ماده فعال لیزر، وارونگی جمعیت (وارونی انبوهی) ایجاد شود؛ این کار توسط سیستم پمپاژ (دمش) انجام می‌گیرد. در واقع ابتدا سیستم پمپاژ، انرژی را به محیط فعال می‌دهد. الکترون‌های محیط فعال با دریافت انرژی به تراز انرژی بالاتر می‌روند. این کار باید به گونه ای انجام شود که بیشتر الکترون‌ها تراز پایین را ترک و به تراز بالاتر بروند و وارونگی جمعیت رخ دهد.

باید دقت داشته باشید که پمپاژ یا دمش به روش‌های گوناگون انجام می‌شود و بسته به نوع محیط فعال و ساختار لیزر می­تواند متفاوت باشد. در روش تخلیه الکتریکی، با ایجاد اختلاف پتانسیل دو طرف محیط فعال، یک جریان الکترونی ایجاد و از محیط فعال عبور می­کند. الکترون‌ها در مسیر حرکت خود، انرژی کافی به الکترون‌های ماده فعال منتقل کرده و آنها را را برانگیخته می کنند. با ادامه این روند، وارونی انبوهی در ماده فعال ایجاد می­شود. به این روش پمپاژ به وسیله تخلیه الکتریکی گویند و برای اجرای آن، یک منبع با ولتاژ بالا در حد کیلو ولت،  نیاز است. لیزرهای گازکربنیک، لیزرهای دیودی و نیز نئودیمیوم-یگ از نمونه لیزرهایی هستند که با تخلیه الکتریکی پمپ می‌شوند.

یکی دیگر از روش‌های دمش ماده فعال لیزری، روش اپتیکی می‌باشد. در پمپاژ اپتیکی، اتم‌های ماده فعال به وسیله نور برانگیخته می‌شوند. در گذشته منبع نوری مورد استفاده برای دمش ماده فعال، معمولا فلش لامپ و یا لامپ های گازی مانند لامپ زنون بود اما در سال‌های اخیر با گسترش لیزرها، از دایود لیزرها نیز جهت پمپاژ محیط فعال یک لیزر دیگر نیز استفاده می­شود. لیزر الکساندرایت از نمونه لیزرهایی است که در آن از دمش اپتیکی استفاده می شود. نور فلش مانندی که در هنگام استفاده از لیزر الکساندرایت، در محیط پخش می شود ناشی از همین سیستم دمش اپتیکی است.

در دسته دیگری از لیزرها، پمپاژ ماده فعال از طریق واکنش شیمیایی انجام شود. در پمپاژ شیمیایی، یک ترکیب شیمیایی برانگیخته به کاواک وارد می­شود و طی یک واکنش شیمیایی انرژی خود را به ماده فعال لیزر تحویل داده و انرژی نورانی تولید می‌شود. این ترکیب دومرتبه در خارج از کاواک به یک ترکیب شیمیایی برانگیخته تبدیل شده و به محیط فعال بازمی‌گردد و این فرایند به صورت پی‌در‌پی ادامه می‌یابد.

3-4-2 کاواک

اما سومین بخش موردنیاز در هر لیزر، کاواک است. کاواک با نام های دیگری مثل رزوناتور، تشدیدگر اپتیکی، کاواک اپتیکی و بازآواگر نیز نامگذاری شده است و شامل محفظه نگهدارنده محیط فعال و دو آینه می‌شود و کمک می‌کند تا فوتون‌های گسیل القایی در راستای محور اصلی لیزر تقویت ‌شود. آینه اول یا آینه عقب یک آینه کامل است که در یک طرف (عقب) ماده فعال قرار گرفته است و فوتون‌ها را به صورت کامل بازتاب می‌کند اما آینه دوم (آینه جلو یا آینه خروجی) در جلو ماده فعال جای گرفته است . آینه جلو، بازتابنده کامل نیست. این آینه، بیشتر فوتون‌ها را به درون کاواک بازتاب می‌کند و درصد کمی از فوتون‌ها را از خود عبور می‌دهد. فوتون‌هایی که از این آینه عبور می‌کنند، باریکه خروجی دستگاه لیزر را تشکیل می‌دهند.

به عبارت دیگر، فوتون‌های گسیل شده القایی، پس از بازتاب پی‌درپی میان دو آینه کاواک روی محور اصلی لیزر، فوتون‌های بیشتری را ایجاد می‌کنند و در نهایت پرتو لیزر از آینه جلو خارج می‌شوند.

در پایان این بخش باید یادآوری کرد که برای ادامه کار دستگاه لیزر به صورت مداوم، لازم است محیط فعال لیزر خنک نگه داشته شود. این کار توسط جریان آب، هوا و … قابل انجام بوده و به دلیل اهمیت این موضوع، گاهی در کتاب‌های مربوط به لیزر، از بخش خنک‌کننده به عنوان جزء چهارم از بخش‌های اصلی یک لیزر نام برده می‌شود.

5 ویژگی‌های پرتو لیزری

حال که آشنایی مناسبی با مبانی لیزر و بخش‌های مختلف یک دستگاه لیزر پیدا کردیم، لازم است که اطلاعات بیشتری از ویژگی‌های باریکه خروجی دستگاه لیزر داشته باشیم. پرتویی که از دستگاه لیزر خارج می‌شود چهار ویژگی‌ منحصر بفرد دارد که آن را از منابع نوری دیگر متمایز می‌کند. این ویژگی‌ها در شکل 2-11 آمده است.

• تکفامی: فام به معنی رنگ است و هر رنگ طول موج مخصوص خود را دارد. لذا، تکفامی در لغت به معنی تکرنگی یا تک طول‌موج بودن است. همانطور که پیش از این گفته شد، هر لیزر بسته به نوع ماده فعال، طول موج مشخص و مخصوص به خود را دارد. به همین دلیل گفته می‌شود پرتوهای لیزری تکفام است. مثلا طول موج خروجی لیزر الکساندرایت 755 نانومتر است. در مقابل لیزر، نور خروجی از لامپ‌های معمولی شامل گستره وسیعی از طول موجهاست. برای مقایسه نور خروجی از لامپ‌های رشته‌ای تنگستن شامل طول موج‌هایی از گستره 400 تا 1200 نانومتر است!
• همدوسی: یکی دیگر از ویژگی‌های باریکه لیزری است. چنانچه گفته شد لیزر از تقویت گسیل القایی ایجاد می‌شود. فوتون‌های ایجاد شده در گسیل القایی، کاملا هماهنگ هستند در واقع این فوتون‌ها هم از لحاظ زمانی و هم از نظر مکانی شکل و موقعیت کاملا مشابه و یکسانی دارند. به این ویژگی همدوسی زمانی و فضایی گفته می‌شود.
• همراستایی زیاد و واگرایی کم: چنانچه گفته شد، فوتون های ناشی از گسیل القایی هم جهت هستند لذا باریکه خروجی لیزر، همراستایی زیاد و واگرایی بسیار کم دارند و بدون پخش شدن به طرفین و به صورت مستقیم حرکت می‌کند.؛ این برخلاف پرتو خروجی از یک چراغ قوه است که پرتوها با فاصله گرفتن از لبه چراغ قوه، به شدت به اطراف پخش می شوند.
• درخشایی زیاد: تعداد زیاد فوتون‌های ایجاد شده به روش گسیل القایی و تقویت بیشتر تعداد فوتون‌ها درون کاواک لیزر منجر به آن می‌شود که درخشایی پرتو لیزر بسیار بالاست.

شکل 11: مقایسه ویژگی‌های نور لیزر نسبت به منابع نوری دیگر.

در اینجا لازم است درباره تفاوت لیزر با برخی منابع دیگر نوری نیز اطلاعات بیشتری داشته باشیم.  این اطلاعات به شما کمک می کند بتوانید در موقع خرید یا استفاده از خدمات دستگاه‌های مختلف نوری، با آگاهی کافی انتخاب نمایید.

یکی از دستگاه‌های نوری که گاه به نام لیزر خوانده و با آن آشتباه گرفته می شود، دستگاه‌های IPL است. IPL مخفف عبارت “Intense Pulsed Light” یا “نور پالسی شدید” است اما باریکه خروجی این دستگاه چه از نظر سازوکار و چه از نظر کارایی و تاثیر، تفاوت بسیار زیادی با خروجی دستگاه های لیزر دارد. دستگاه IPL، ماده فعال لیزری و کاواک نوری ندارد و انرژی و پرتو خروجی از دستگاه، توسط فلش لامپ ایجاد می‌شود. فلش لامپ‌ها، در واقع یک لامپ معمولی پر شدت هستند یعنی پرتو خروجی از آن‌ها شامل گستره طول‌موجی وسیعی بوده و نسبت به لامپ معمولی، فقط شدت آن بیشتر است. در بسیاری از این دستگاه‌ها، برای خنک ماندن دستگاه، فلش لامپ با آب احاطه شده‌ است. لازم است بدانید به دلیل ضریب جذب بالای آب در طول‌موج‌های بالای 1000 نانومتر، این طول موج‌ها توسط آب جذب و از بین طول‌موج‌های خروجی دستگاه IPL حذف می‌شوند. در نتیجه در پرتو خروجی دستگاه IPL، فقط امواج زیر 1000 نانومتر ساطع می‌شود. بعضی از دستگاه‌های IPL،  فیلترهای نوری برای حذف امواج با طول موج کمتر از 500 نانو‌متر دارند. توضیح اینکه، فیلترها ابزارهایی هستند که می‌توانند با طراحی مناسب بخشی از طول‌موج‌های یک پرتو را جذب کنند و به بقیه طول‌موج‌ها اجازه عبور ‌دهند. بنابراین در دستگاه‌های مذکور، امواج با طول‌موج 500-1000 نانومتر می‌تواند به بافت تابانیده شود. همانطور که گفته شد بسته به فیلتر نوری مورد استفاده، می توان محدوده طول موجی که از دستگاه خارج می شود را تنظیم کرد. مثلا با استفاده از فیلتر نوری برای حذف طول‌موج‌های زیر 640 نانومتر در دستگاه IPL، نهایتا باریکه خروجی این دستگاه شامل طول‌موج‌‌های بین 640 تا 1000 نانومتر، خواهد بود.

با توجه به توضیحاتی که پیش از این درباره لیزر و نحوه عملکرد آن داده و نیز اطلاعاتی که در اینجا در مورد دستگاه‌های IPL ارائه شد، به خوبی مشخص است که یکی از تفاوت‌های لیزر و IPL، در گستره طول‌موجی است که از دستگاه خارج می شود، یعنی در لیزر فقط یک طول‌موج مشخص مثل 808 نانومتر روی دستگاه قید شده است اما در IPL مجموعه‌ای از طول‌موج‌ها از دستگاه خارج می‌شود به طورر مثال شما با این عبارت روی دستگاه IPL مواجه می‌شوید: Wavelength: 640-1000 nm . به همین دلیل است که در IPL، گرمای ایجاد شده در بافت بسیار زیاد است زیرا تعداد زیادی از طول‌موج‌های نامناسب هم وارد بافت بدن شده و به گرما تبدیل می‌شوند. از طرف دیگر در IPL، امواج با طول‌موج‌های مناسب که وارد بافت شده اند، به دلیل عدم وجود همدوسی در پرتو IPL و شدت کم نسبت به لیزر با طول‌موج مناسب، کارایی و بازدهی در دستگاه‌های IPL، نسبت به دستگاه لیزر به شدت پایین‌تر خواهد بود.

انواع عملکرد لیزری از نظر کیفیت و زمان برقراری پرتو خروجی لیزر:

وقتی یک دستگاه لیزر را روشن کرده و باریکه خروجی آن را فعال می‌کنید ممکن است با خروجی‌های مختلفی مواجه شوید. به طور کلی لیزرها به یکی از سه روش مختلف زیر کار می‌کنند و باریکه خروجی آن‌ها هم بر مبنای همین عملکرد، متفاوت خواهد بود.

• عملکرد موج پیوسته[12]:

در این نوع از لیزرها تابش پرتو لیزر پیوسته و مداوم است؛ یعنی با فعال شدن باریکه خروجی لیزر، شما با پرتوی مواجه می شوید که به طور پیوسته و با شدت ثابت بر هدف تابیده می شود و تا وقتی تغییری در شرایط دستگاه ایجاد نکنید، این پرتو به طور پیوسته و ثابت برقرار خواهد بود. یکی از مثال‌های ملموس از لیزرهای موج پیوسته، پوینترها هستند که معمولا اساتید یا سخنرانان برای اشاره به مطالب ارائه شده روی پرده نمایشگر پروژکتورها از آن استفاده می‌کنند. تا زمانی که سخنران دکمه مربوطه روی بدنه پوینتر را در حالت فشرده نگه داشته باشد، پرتو خروجی به صورت پیوسته و با شدت ثابت بر روی پرده نمایشگر خواهد تابید که سطح مقطع این پرتو معمولا به شکل دایره روی پرده قابل مشاهده است و به شنوندگان نشان می‌دهد که سخنران به کدام قسمت از اطلاعات اشاره دارد. لیزر CO₂ نیز مثال دیگری از لیزرهای موج پیوسته است. در واقع در لیزرهای موج پیوسته، به طور مداوم انرژی از منبع دمش به ماده فعال لیزری تابیده شده و به دنبال آن، وارونی انبوهی به طور ممتد ایجاد می‌شود و لذا پرتو خروجی به صورت پیوسته برقرار می‌گردد. این توضیح به صورت نمادین در شکل 2-12 (الف) نشان داده شده است.

• عملکرد موج شبه پیوسته[13]:

در این نوع از لیزرها، در واقع خروجی لیزر، موج پیوسته است اما به دلایلی نیاز است که تابش‌دهی به صورت مداوم قطع و وصل شود. برای دستیابی به این هدف، با روشی مثلا ایجاد یک مانع بر سر راه خروجی لیزر پیوسته، به طور پی‌در‌پی، تابش پرتو آن را قطع و وصل می‌نمایند. در این حالت، خروجی لیزر در زمان‌هایی بسته و شدت تابشی صفر است اما، در فاصله‌های زمانی که راه برای باریکه خروجی لیزر باز است، پرتو خروجی با شدت ثابت بر جسم یا ماده هدف تابیده می‌شود. به این مدل از خروجی های لیزر، موج شبه پیوسته گفته می شود چرا که در زمانهای باز بودن مسیر خروجی لیزر، شدت پرتو خروجی، مشابه موج پیوسته، ثابت است.  بهتر است بدانید در عمل، برای قطع و وصل مکرر پرتو در لیزر‌های شبه پیوسته معمولا از چرخش پره‌های پروانه‌ای شکل، مقابل خروجی لیزر استفاده می‌شود. بنابراین با استفاده از دریچه با شکل مناسب و تنظیم سرعت چرخش آن می‌توان مدل‌های مختلفی از پرتو خروجی لیزر موج شبه پیوسته درست کرد. نمونه‌هایی از این عملکرد، لیزرهای بخار مس-برومید هستند که به صورت نمادین خروجی آن در شکل 2-12 (ب). آمده است. از آنجایی‌که امواج شبه پیوسته مبتنی بر امواج پیوسته هستند، توان امواج شبه پیوسته برابر با امواج پیوسته است. بنابراین، امواج شبه پیوسته قادر به تولید توان بالا نیستند و مدت زمان باز بودن پرتو خروجی لیزر، معمولاً از محدوده 1 ثانیه(s) و کمی کمتر از آن است. این زمان نسبت به عملکردهای میلی ثانیه (ms)، میکروثانیه(sμ) یا نانوثانیه(ns) در روش پالسی و سوئیچ Q که در بخش‌های بعدی توضیح داده می‌شود، مدت زمان بسیار بزرگی به حساب می‌آید.

• عملکرد پالسی (تپی):

یکی دیگر از انواع خروجی لیزر، عملکرد پالسی است. برای ایجاد یک لیزر پالسی به عنوان مثال می‌توان از یک منبع دمش پالسی برای پمپاژ ماده فعال استفاده کرد. یعنی دمش فقط در مدت زمان کوتاهی انجام می‌شود، سپس قطع و دو مرتبه وصل می‌گردد. در زمان‌هایی که ماده فعال پمپ نمی‌شود، وارونی انبوهی تشکیل نشده و خروجی لیزر به وجود نمی‌آید اما در بازه زمانی که دمش انجام می‌شود، ماده فعال پمپ شده، وارونی انبوهی ایجاد و لیزر به وجود می‌آید. در این روش، با تنظیم منبع دمش می‌توان به لیزرهایی با پهنای پالس از رده میلی ثانیه دست پیدا کرد. توان خروجی که در لیزرهای پالسی به آن می‌رسیم عموما بیشتر از لیزرهای پیوسته و شبه پیوسته است. به این نکته نیز توجه داشته باشید که خروجی لیزرهای پالسی با خروجی لیزرهای شبه پیوسته کاملا متفاوت است. در لیزرهای شبه پیوسته چنان که در بخش قبل گفته شد، شدت پرتو در زمان فعال بودن آن ثابت است اما خروجی لیزرهای پالسی شبیه شکل یک تپه یا قله کوه است. در مدت تابش لیزر، شدت باریکه از یک مقدار صفر شروع شده، سپس به یک مقدار بیشینه در قله می‌رسد (که نسبت به توان شبه پیوسته بسیار بالاتر است) و در نهایت شدت تا مقدار صفر کاهش می‌یابد. این تغییرات در هر پالس مجددا تکرار می‌شود و بسته به نوع ماده فعال لیزر، تنظیمات دمش و کیفیت عملکرد آن، می‌تواند پالس‌های میلی‌ثانیه ایجاد کند.

• عملکرد سوئیچ Q (کیوسوئیچ)[14]:

روش سوئیچ Q یکی از روشهایی است که به کمک آن می توان توان لیزر پالسی را افزایش داد. اگرچه می‌توان آن را در دسته لیزرهای پالسی جای داد اما به خاطر اهمیت این لیزرها و نیز تفاوت در عملکرد ساخت نسبت به لیزرهای پالسی معمولی در این بخش مجزا به آن پرداخته شده است. چنانچه گفته شد در روش شبه پیوسته منتظر می‌ماندیم تا ابتدا پرتو لیزر ایجاد و از کاواک لیزر خارج شود و بعد آن را قطع و وصل می‌کردیم. در لیزرهای پالسی معمولی بدون دستکاری در داخل کاواک لیزر با تغییر شرایط دمش و …، آن را را وادار می‌کردیم فقط در زمان‌های خاصی خروجی داشته باشد. اما در روش سوئیچ Q، برای تغییر در شرایط ایجاد لیزر، درون کاواک لیزر را دستکاری می‌کنیم به طوری‌که در یک بازه زمانی پرتو لیزر کاملا قطع باشد و هنگامی که تعداد مشخصی فوتون جمع‌آوری شد، خروجی لیزر باز شود و پرتو لیزر داشته باشیم. این کار با دستکاری “کیفیت عملکرد لیزر” در داخل کاواک آن انجام می‌شود مثلا ماده یا قطعه‌ای درون کاواک لیزر جای‌گذاری می‌شود تا در زمان مناسب با برهم زدن کیفیت درست عملکرد داخل کاواک، مانع از ایجاد باریکه لیزری خروجی شود. بنابراین در خروجی لیزرهایی که سوئیچ Q دارند (یا به اصطلاح معمول لیزرهای کیوسوئیچ)، مثل لیزرهای پالسی فقط برای مدت بسیار کوتاهی لیزر با توان بالا گسیل می‌شود. تفاوت لیزر کیو سوئیچ با لیزرهای پالسی معمولی در روش ایجاد پالس لیزر است و از روش کیوسوئیچ، ساختن لیزرهایی با پهنای زمانی بسیار کم برای خروجی لیزر از مرتبه نانوثانیه و توان بسیار بالاتر از لیزرهای پالسی معمولی میسر می‌شود.  Q حرف ابتدای Quality به معنی کیفیت است و سوئیچ به معنی رفتن از یک حالت به حالت دیگر می‌باشد. بنابراین سوئیچ Q برای القای مفهوم “روشن و خاموش کردن” “کیفیت مناسب در داخل کاواک لیزر” به کار برده می‌شود.  به عبارت دیگر به کمک لیزر کیوسوئیچ می‌توان شرایطی داشت که باریکه لیزر فقط برای مدت زمانی معادل یک میلیاردیوم ثانیه اما با توان بسیار بالا در قله پالس، بر هدف تابانده شود، سپس باریکه قطع گشته و این روند ادامه یابد. شکل 2-12-د به صورت نمادین، پالس‌های خروجی لیزرهای کیوسوئیچ Q را نشان می‌دهد که به صورت کلی می‌توانند لیزرهایی با پهنای پالس نانوثانیه(ns) و یا میکرو ثانیه باشند.

شکل12: انواع مختلف لیزر (الف) موج پیوسته، (ب) موج شبه پیوسته، (ج) پالسی.

اگر بخواهیم آنچه در این بخش درباره توان خروجی لیزرهای پیوسته، شبه پیوسته و کیوسوئیچ گفته شد را به تصویر بکشیم، نموداری مشابه نمودارهای شکل 2-13 خواهیم داشت. چنانچه دراین شکل دیده می‌شود، در لیزر پیوسته، توان باریکه خروجی، ثابت و پیوسته است (شکل 2-13-الف). در لیزرهای شبه پیوسته مشابه لیزر پیوسته، توان ثابت است اما به طور پی در پی قطع و وصل شده که نتیجه به شکل یک نمودار پله ای است (شکل 2-13-ب). در لیزرهای کیوسوئیج، توان در مدت زمان بسیار کمی از صفر به یک مقدار بیشینه می‌رسد و باز می‌گردد که نهایتا نمودار توان لیزرهای پالسی، شکل قله یا تپه به خود می گیرد (شکل 2-13-ج). هنگامی که در لیزرهای کیوسوئیچ، مدت زمان برقراری پالس (پهنای زمانی پالس) تا نانوثانیه کاهش می‌یابد، به حدی این روند تغییر توان سریع اتفاق می‌افتد که گویی توان به شکل یک نمودار میله‌ای درآمده است (شکل 2-13-د)؛ هر چند اگر از لحاظ زمانی این نمودار بازتر شود باز هم همان تغییر توان از صفر به قله و بازگشت به صفر در آن قابل مشاهده خواهد بود.

شکل13:  مقایسه کیفیت نمودار توان لیزرهای مختلف بر حسب زمان الف) لیزرهای پیوسته، ب)  لیزرهای شبه پیوسته، ج) لیزرهای پالسی و د) لیزرهای کیوسوئیچ

برای درک بهتر از واحدهای زمانی که در این بخش به کار رفته و یا در نوشته‌های مربوط به لیزر با آن مواجه می‌شوید، در جدول 2-2 واحدهای رایج برای پهنای زمانی پالس‌های لیزری و مقایسه آن با یک ثانیه آورده شده است.

جدول 2-2: واحدهای رایج برای پهنای زمانی پالس‌های لیزری.

واحد	زمان بر حسب ثانیه	معادل
میلی ثانیه (ms)	10-3	یک هزارم ثانیه
میکروثانیه (sμ)	10-6	یک میلیونیم ثانیه
نانوثانیه (ns)	10-9	یک میلیاردیم ثانیه
پیکوثانیه (ps)	10-12	یک تریلیاردیم ثانیه

[1]  Theodore Harold Maiman

[2]  Albert Einstein

[3]  Charles Hard Townes

[4]  Microwave amplification by stimulated emission of radiation

[5]  Arthur Leonard Schawlow

[6]  Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

[7]  spontaneous emission

[8]  population inversion

[9]  Active medium

[10]  Pumping system

[11]  Laser cavity

[12]  Continuous waves

[13]  quasi-continuous waves

[14]  Q-switched lasers