جنس امواج لیزر و نور از چیست؟

1-1 مقدمه:

ما جهان اطراف خود را از طریق نور می‌بینیم. نور خورشید یکی از منابع انرژی است که بدون آن ما انسان‌ها نمی‌توانیم در این سیاره زنده بمانیم. نور نقش مهمی در درک ساختار و ویژگی‌های آنچه در اطراف ما از اتم تا کل جهان موجود است، دارد. بدون نور، حتی چشم ما نیز نمی‌تواند اجسام را ببیند.

نور چیست؟ این معما تا اواسط قرن 19 موضوع تحقیقاتی بسیاری از فیزیکدانان بود. پیش از آن، بسیاری از دانشمندان تصور می‌کردند که اپتیک و الکترومغناطیس دو شاخه مختلف فیزیک هستند. اما جیمز کلرک ماکسول[1] مفهوم نور را با بیان این نظریه که، نور یک موج الکترومغناطیس است که با سرعتی برابر با  (در فضای آزاد یا خلاء) حرکت می‌کند، روشن کرد. سال‌ها بعد، تأیید شد که نور در واقع تنها بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیس است، طیفی که از اشعه گاما تا امواج رادیویی متغیر است.

از امواج الکترومغناطیس در شاخه‌های مهندسی، پزشکی(مانند جراحی لیزر و غیره)، نظامی(به عنوان مثال، سیگنال‌های رادار) و همچنین در تحقیقات بنیادی علمی وجود دارد. در دنیای دیجیتالی امروز، تلفن‌های همراه تأثیر بیشتری در زندگی روزمره ما دارند. تلفن‌های همراه از سریع‌ترین و مؤثرترین روش انتقال اطلاعات از مکانی به مکان دیگر می‌باشد. که بر اساس این که نور یک موج الکترومغناطیس است کار می‌کند. در بیمارستان‌ها، محل شکستگی استخوان را می‌توان با استفاده ازپرتو ایکس که همچنین یک موج الکترومغناطیس است، تشخیص داد. برای آشپزی از فر مایکروویو استفاده می‌شود. مایکروویو نیز یک موج الکترومغناطیس است. وبسیاری از کاربردهای دیگر که امواج الکترومغناظیس را به جزئ جدایی ناپذیر از زندگی ما تبدیل کرده است.

2-1 موج الکترومغناطیس:

بطور خلاصه و ساده، موج انتشار یک نوسان در فضا می‌باشد. یک موج با پارامترهایی همچون سرعت، طول موج، فرکانس و دامنه نوسان شناخته می‌شود. شکل 1-1 می‌تواند به معرفی پارامترهای نامبرده و درک آن‌ها کمک کند. در این شکل یک موج سینوسی کامل نشان داده شده است. دامنه نوسان آن با a مشخص شده و طول موج آن(طول یک تناوب کامل) با  که عموما با واحدهای نانومتر(nm) یا میکرومتر(mμ) شناخته می‌شود، و فرکانس آن(تعداد تناوب در واحد ثانیه) با  و با  واحد هرتز (Hz) تعریف شده‌است. سرعت یک موج با رابطه   تعیین می‌شود.

شکل 1-1: موج سینوسی.

3-1 طیف الکترومغناطیس:

طیف الکترومغناطیس یک توزیع منظم از امواج الکترومغناطیس بر حسب طول موج یا فرکانس است که در شکل 2-1 نشان داده شده است. این طیف امواج با طول هزاران کیلومتر و امواج با طول بسیار کوتاه را شامل می‌شود. انرژی امواج الکترومغناطیس با فرکانس امواج رابطه مستقیم و با طول موج، امواج رابطه عکس دارد و با رابطه زیر تعریف می‌شود:

که در آنE  انرژی موج،  طول موج،  فرکانس،  یا    ثابت پلانک و  سرعت نور است.

شکل 1-2: طیف امواج الکترومغناطیس

4-1 طبقه بندی امواج:

همانطور که گفته شد طیف امواج الکترومغناطیس بر حسب امواج و فرکانس امواج به قسمت‌های مختلف تقسیم می‌شود که این قسمت‌ها  شامل امواج رادیویی، ماکروویو، مادون قرمز، مرئی، ماراءبنفش، پرتو x و امواج گاما می‌باشد. که در ادامه به توضیح هر یک پرداخته شده است.

 1-4-1 امواج رادیویی:

این موج توسط نوسانگرها در مدارهای الکتریکی تولید می‌شود. محدوده طول موجی آن  m 10- 10 × 1 تا  m  104 × 1 محدوده فرکانسی آن از Hz 109 × 3 تا Hz 104 × 3 است. در سیستم های ارتباطی رادیویی و تلویزیونی و همچنین در تلفن‌های سلولی برای انتقال ارتباطات صوتی در باند فرکانس فوق العاده بالا استفاده می‌شود.

2-4-1 امواج مایکروویو:

این امواج توسط نوسانگرهای الکترومغناطیسی در مدارهای الکتریکی تولید می‌شود. محدوده طول موجی این امواج از  m 3- 10 × 1 تا m  10-1 × 3 و محدوده فرکانسی آن‌ها از Hz 1011 × 3 تا  Hz 109 × 1 است. در سیستم راداری جهت ناوبری هواپیما، تشخیص سرعت وسیله نقلیه، فر مایکروویو برای پخت و پز و ارتباطات بی سیم بسیار طولانی از طریق ماهواره ها استفاده می‌شود.

3-4-1 امواج مادون قرمز:

این پرتو توسط اجسام داغ و همچنین هنگامی که مولکول‌ها تحت انتقال چرخشی و ارتعاشی قرار می‌گیرند، تولید می‌شود. مادون قرمز را می‌توان به سه دسته مادون قرمز دور، مادون قرمز میانه، مادون قرمز نزدیک تقسیم کرد. محدوده طول موجی آن از m 7- 10 × 8 تا m  10-3 × 5 و محدوده فرکانسی آن از  Hz 1014 × 4 تا  Hz 1010 × 6 است. از این پرتو برای انتقال انرژی الکتریکی با استفاده از سلول‌های خورشیدی به ماهواره‌ها استفاده می‌شود، همچنین از این امواج برای تولید میوه‌های خشک شده، گرم نگه داشتن گیاهان در گلخانه ها، حرارت درمانی به منظور کاهش درد عضلات یا پیچ خوردگی، ریموت کنترل‌های تلویزیون به عنوان حامل سیگنال، مشاهده با وجود مه و غبار و دید در شب یا عکاسی مادون قرمز استفاده می‌شود.

4-4-1 نور مرئی

توسط اجسام تابان و همچنین توسط اتم‌های برانگیخته در گازها  تولید تابیده می‌شود. محدوده طول موجی آن از m 7- 10 × 4 تا m  10-7 × 7 و محدوده فرکانسی آن از  Hz 1014 × 7 تا  Hz 1014 × 4 است. از این  پرتو برای دید اجسام، مطالعه ساختار مولکول‌ها، آرایش الکترون‌ها در پوسته خارجی اتم‌ها استفاده می‌شود. درجدول 1-1 محدوده طول موجی هر کدام از رنگ‌های موجود در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیس آورده شده است.

5-4-1 پرتو ماوراء بنفش:

این پرتو توسط خورشید و گازهای یونیزه تولید می‌شود. محدوده طول موجی آن از m 10- 10 × 6 تا m  10-7 × 4 و محدوده فرکانسی آن از  Hz 1017 × 5 تا  Hz 1014 × 7 است. این پرتو می‌تواند توسط اوزون جوی جذب شود و برای بدن انسان مضر باشد. همچنین برای از بین بردن باکتری‌ها، استریل کردن ابزارهای جراحی، تشخیص نوشته های نامرئی، تشخیص اثر انگشت و همچنین در مطالعه ساختار مولکولی استفاده می‌شود.

 

6-4-1 پرتو ایکس:

از طریق کاهش سرعت ناگهانی الکترون ها با سرعت بالا هنگام برخورد به هدف و تبدیل انرژی، تولید می‌شود. محدوده طول موجی آن از m 13- 10 تا m 10-8 و محدوده فرکانسی آن از  Hz 1021 × 3 تا  Hz 1016 × 1 است. پرتو ایکس قدرت نفوذ بیشتری نسبت به پرتو ماوراء بنفش دارد. از این پرتو در مطالعه ساختارهای داخلی پوسته‌های الکترون اتمی و ساختارهای بلوری بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین برای تشخیص شکستگی‌ها، اندام‌های بیمار، مشاهده پیشرفت ترمیم استخوان‌ها استفاده می‌شود. علاوه بر این، در یک محصول فلزی، از آن برای تشخیص عیوب، ترک‌، نقص و سوراخ استفاده می‌شود.

 

7-4-1 پرتو گاما:

با انتقال هسته‌های اتمی و واپاشی برخی ذرات بنیادی تولید می‌شود. محدوده طول موجی آن از m 14- 10 × 1 تا m  10-10 × 1 و محدوده فرکانسی آن از  Hz 1022 × 3 تا  Hz 1018 × 3 است. پرتو گاما نفوذ بسیار بالایی نسبت به پرتو ایکس و پرتو ماوراء‌‌ بنفش دارد، اما برای بدن انسان مضر است. از پرتو گاما برای دستیابی به اطلاعات ساختار هسته‌های اتمی، درمان سرطان و تومور و همچنین در صنایع غذایی برای از بین بردن میکروارگانیسم های بیماری زا استفاده می‌شود.

در جدول 1-2 محدوده فرکانسی و طول موجی امواج طیف الکترومغناطیس آورده شده است.

[1]  James Clerk Maxwell