معرفی اجزای اصلی یک لیزر حالت جامد
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 زیر نمادین نشان داده شده‌اند و در ادامه به توضیح بیشتر این اجزا خواهیم پرداخت:
شکل 1: اجزای اصلی سازنده یک لیزر.
محیط فعال لیزری چیست؟
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 لیزر چیست؟
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.
کاواک لیزری چیست؟
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.