لیزر چیست و چگونه کار میکند؟
همانطور که در مقاله ی همه ی چیز درباره ی نور خواندیم ، ماهیت نور معمولی و نور لیزر یکی است و هردو از موج الکترومغناطیسی تشکیل شده که حاوی بسته های فوتون تشکیل شده است طول موج متفاوت است، که باعث تفاوت تابش این دو شده است.برای خواندن مقاله ی همه چیز درباره ی نور روی لینک زیر کلیک کنید:
معنی کلمه LASER چیست؟
برای اینکه به کاربرد لیزر و چگونگی تشکیل آن پی ببریم اول باید معنی آن را بدانیم: LASER کوتاه شده ی کلمات زیر است:
به معنی تقویت نور به روش گسیل القایی تابش! در ادامه به آن خواهیم پرداخت.
لیزر چگونه کار میکند؟
لیزر ابزاری است که نور مانند یک پرتو باریک، با طول موج مشخص را پخش میکند. با تابش یک فوتون به یک ذره به فوتون دیگر آزاد میشود که این دو فوتون باهم ،هم فرکانس هستند.
تصور کنید روی سطح آب موج های یکسان با ضربه ی دست وارد کنید ، هرچه تعداد موج بیشتر و سریعتر باشد ، موج قویتری تولید میشود در نتیجه نور لیزر هم از یک پرتو ضعیف شروع میشود و با رفت و برگشت فوتون ها این پرتو تقویت میشود.
گسیل القایی چیست؟
لامپ قرمزی را در نظر بگیرید. این لامپ چه نوع فوتونی گسیل می کند؟
فوتون هایی با طول موج نور قرمز، در کدام جهت این تشعشع منتشر می شود؟ در تمام جهات.
حال اگر کاری کنیم که همه این فوتون های تک رنگ دقیقا در یک جهت گسیل شود یک لیزر قرمز ساخته ایم. لیزر نورهایی با طول موج یکسان، هم فاز و در یک جهت خاص گسیل میکند.
ین کار را در لیزر با گسیل القایی انجام می دهیم. گسیل القایی برای نخستین بار در سال ۱۹۱۷ میلادی توسط آلبرت اینشتین مطرح شد.
اگر الکترونی با سطح انرژی پایین داشته باشیم، می تواند با جذب انرژی به سطوح بالاتر انرژی برود و به اصطلاح برانگیخته شود. اگر یک فوتون به اتم برخورد کند، الکترون می تواند انرژی فوتون را بگیرد و به یک سطح بالاتر انرژی برود. به این اتفاق جذب تحریک شده می گوییم.
حالا اگراتم در حالت برانگیخته فوتون دیگری دریافت کند، احتمال اینکه الکترون به تراز بالاتر انرژی برود کم است و اتم فوتون جدید و فوتون قبلی را که گرفته بود را با هم آزاد می کند و به حالت پایه انرژی بر می گردد. یعنی دو فوتون با انرژی برابر را آزاد می کند. به این فرایند گسیل القایی می گویند. چون اتم توسط عامل خارجی تحریک شده است و فوتون تابش کرده است . در گسیل القایی یک فوتون ورودی الکترون برانگیخته را تحریک میکند تا تراز انرژی خود را تغییر دهد و به تراز پایین تر برود.
گسیل خود به خودی
اگر اتم از حالت برانگیخته به حالت پایه برگردد، یک فوتون در جهتی نامشخص آزاد می کند. به این حالت گسیل خود به خودی گفته می شود، چون عامل خارجی اتم را وادار به گسیل نکرد و الکترون به طور طبیعی مایل به رفتن به حالت با انرژی کمتر است.
لیزر از چند بخش تشکیل شده است ؟
یک لیزر عادی از دو بخش اصلی تشکیل شده است:
۱.دمنده : انرژی لازم برای ایجاد فوتون در لیزر ایجاد میکند.
۲.محیط تقویت کننده : بخش مهمی از لیزر است که منبع نورمی‌باشد ، دراین قسمت فوتون ها بر انگیخته میشوند و می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد و طول موج تابش لیزری را تعیین میکند.
کاربرد لیزر در صنایع مختلف چیست؟
کاربرد پزشکی
لیزر برای بسیاری از اهداف پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد و از از آنجایی که این پرتو بسیار کوچک و دقیق است، به پزشکان اجازه میدهد تا بافت مورد نظر را، بدون آسیب به نواحی اطراف، و به طور ایمن درمان کنند.
درمان واریس ، بهبود بینایی در طی جراحی قرنیه چشم و لازک و عمل لیزیک چشم ، ترمیم شبکیه جدا شده ، برداشتن پروستات ، سنگ کلیه ، برداشتن تومور و جراحی پوست از موارد استفاده در پزشکی است .
درمان لک های پوستی ، انواع جوانسازی و از بین بردن موهای زاید استفاده های دیگر است .
کاربرد دندانپزشکی
۱۰ کاربرد لیزر در دندانپزشکی عبارت است از :
- تسهیل حرکات ارتودنسی
فرنکتومی : جهت بستن فواصل بین فرنوم دندان برای مرتب بودن لمینت و کامپوزیت
بلیچینگ دندان
بهبود رنگ لثه (رفع سیاهی لثه)
بهبود هایپرپلازی لثه با لیفت لثه یا ژنژیوکتومی : به عمل برداشتن بافت اضافی لثه در اصطلاح دندانپزشکی ژنژیوکتومی، لیفت لثه یا افزایش طول تاج گفته میشود.
اصطلاح لبخند لثه ای با لیزر
کاهش دوره نقاهت و ریکاوری بعد از جراحی ایمپلنت
از بین بردن ضایعات بافت نرم لثه
کاهش و یا از میان بردن تجمعات باکتریایی
اکسپوز یا نمایان کردند دندان نهفته و نیمه نهفته
کاربرد در صنعت
برش لیزری : از برش مواد سبک مانند پارچه گرفته تا فلزات سخت و سنگ های قیمتی مثل الماس، را می توان با لیزر برش داد.
حکاکی لیزری : فرآیندی است که در آن پرتو لیزر به صورت فیزیکی سطح مواد را برداشته و حفره ایجاد می کند. لیزر در حین حکاکی گرمای زیادی ایجاد می کند که اساسا باعث بخار شدن مواد می شود. حکاکی لیزری بسیار سریع انجام می شود زیرا مواد با هر ضربه بخار می شوند.
حفاری لیزری : سوراخکاری یا حفاری لیزری ایجاد فرورفتگی یا سوراخ روی یک ماده است. در این روش متریال مورد نظر تا ایجاد سوراخ حفاری، لایه به لایه بخار و ذوب می شوند. این فرآیند بسته به ضخامت مواد، تعداد سوراخ هایی که باید ایجاد شوند و اندازه این سوراخ ها متفاوت خواهد بود. کل فرآیند حفاری لیزری بدون هیچ تماس مستقیم با سطح مواد حاصل میشود.
کاربرد در تسلیحات نظامی
فاصله یاب لیزری : فاصله یاب لیزری مبتنی بر همان اصولی است که در رادارهای معمولی از آن ها استفاده می شود. یک تپ کوتاه لیزری ( معمولا با زمان ۱۰ تا ۲۰ نانوثانیه) به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراکنده برگشتی بوسیله یک دریافت کننده مناسب نوری که شامل آشکارساز نوری است ثبت می شود.
علامت گذاری : هدف را روشن می کند به خاطر روشنایی شدید نور هنگامی که هدف به وسیله یک صافی نوری با نوار باریک مشاهده شود به صورت یک نقطه روشن به نظر خواهد رسید. سلاح که ممکن است بمب ، موشک و یا اسلحه منفجر شونده دیگری باشد بوسیله یک سیستم احساسگر مناسب مجهز شده است. در ساده ترین شکل این احساسگر می تواند یک عدسی باشد که تصویر هدف را به یک آشکارساز نوری ربع دایره ای که سیستم فرمان حرکت سلاح را کنترل می کند انتقال می دهد و بنابراین می تواند آن را به سمت هدف هدایت کند. به این ترتیب هدف گیری با دقت بسیار زیاد امکان پذیر است.
سلاح هدایت انرژی : اکنون کوشش قابل ملاحظه ای هم در آمریکا و هم در روسیه برای ساخت لیزرهایی که به عنوان سلاح های هدایت انرژی به کار می روند اختصاص یافته است. در مورد سیستم های قوی لیزری مورد نظر با توان احتمالا در حدود مگا وات ( حداقل برای چند ده ثانیه ) یک سیستم نوری باریکه لیزر را به هدف ( هواپیما – ماهواره یا موشک ) هدایت می کند تا خسارت غیر قابل جبرانی به وسایل احساسگر آن وارد کند و یا اینکه چنان آسیبی به سطح آن وارد کند که نهایتا اشیا پروازی دچار صدمه شود سیستم های لیزر مستقر در زمین به خاطر اثر معروف به شکوفایی گرمایی که در جو اتفاق می افتد فعلا چندان عملی به نظر نمی رسند.
کاربرد لیزر در دستاوردهای فضایی
از سالهای پیش دانشمندان ناسا سعی در استفاده از لیزر بر روی کره ی ماه داشتند به این جهت که تغییرات فضای جوی و همچنین روی کره ی ماه رابااستفاده از لیزر به دست بیاورند .
سرانجام درسال۲۰۲۰ با همکاران فرانسوی خود موفق به دریافت اولین بازتاب شدند .این کار را با استفاده از لیزری به اندازه ی برگه ی یک کتاب داستان انجام دادند که فاصله ی آن تا زمین۰۰۰/۳۵۰ کیلومتر است.دانشمندان ناسا از مدار گرد شناسایی ماه برای این ماموریت استفاده کردند . این مدارگرد از سال ۲۰۰۹ آغاز به کار کرده است.یکی از دلایلی که دانشمندان ازاین ماهگرد استفاده کردند این بود که به عنوان یک هدف جدید میتوانست آن را برای ۵۰سال روی سطح ماه نگه دارد.
یکی دیگر از واقعیت هایی که در طول این مدت آشکار شد این بود که فاصله ی ماه و زمین ۸/۳ سانتی متر افزایش پیدا کرده است . دلیل این موضوع هم فعل و انفعالات جاذبه ای این دو است . ُِ
روی سطح ماه ۵ پنل منعکس کننده وجود دارد که توسط آپولو ۱۱ و ۱۴ روی سطح ماه قرار گرفتند. هر کدام از آنها از ۱۰۰ آیینه تشکیل شده اند . مزیت استفاده از این پنل ها این است که میتوانند نور را از هر زاویه ای که به آنها تابیده به همان جهت برگردانند .نور لیزری که تابیده میشود ، در حدود ۵/۲ ثانیه طول میکشد تا به زمین بازگردد. ترودی کورتس مدیر اداره ماموریت فناوری فضایی ناسا در یک تله کنفراس گفته است که ، این سیستم جدید نه تنها نرخ انتقال داده‌های بالاتری را ارائه میدهد، بلکه حجم، وزن و قدرت ماموریت‌ها را بهینه میکند. این تکنولوژی نسبت به تکنولوژی‌های کنونی، کوچک‌تر، کم حجم‌تر، دارای وزن کمتر و مصرف انرژی کمتر خواهد بود.
بزرگترین لیزر دنیا
بزرگترین لیزر جهان که هرکول نام دارد در دانشگاه میشیگان در حال حاضر یک پرتو را با توان ۳۰۰ تراوات ساطع میکند، اما با جایگزینی اجزای قدیمی خاصی می‌توان توان آن را به ۱۰۰۰ تراوات رساند.با این قدرت، لیزر می‌تواند پیشرفت در تحقیقات اخترفیزیک را موجب شود و اشعه ایکس پزشکی را دقیق‌تر، سریعتر و ارزان‌تر کند.
لیزر هرکول که در سال ۲۰۰۷ فعالیت خود را آغاز کرد، با ایجاد یک پرتو لیزر متمرکز با شدت ۲۰ سکستیلیون وات(۱۰ به توان ۲۱) در هر سانتی متر مربع، رکورد گینس در زمینه لیزر متمرکز شده با شدت بالا را در اختیار دارد.
بزرگترین لیزر دستی دنیا
لیزر “کرایپتون” در نوع خود یکی از قدرتمند ترین لیزرهای دستی به شمار می رود که محدوده برد آن ۱۳۶ کیلومتر است، به اندازه ای قدرتمند است که می تواند از یک سوی اتاق تکه کاغذی را در سوی دیگر اتاق به آتش بکشد و یا اجسامی که در خارج از اتمسفر زمین قرار گرفته اند را نشانه بگیرد.
نگاه کردن مستقیم به این لیزر که در کتاب رکوردهای گینس به عنوان درخشانترین لیزر دستی جهان معرفی شده است، می تواند بسیار خطرناک باشد زیرا درخشش این پرتو لیزری در صورت نگاه مستقیم تاثیر خورشیدی هشت هزار برابر درخشانتر از خورشید معمولی را بر روی چشم انسان دارد. از این رو در هنگام استفاده از این لیزر از عینکهای ایمنی استفاده می شود.
کوچکترین لیزر دنیا
کوچکترین لیزر دنیا از کره ای به قطر ۴۴ نانومتر ساخته شده است. می‌توان از لیزر به عنوان منبع نور در تصویربرداری با میکروسکوپ‌های نوری میدان نزدیک استفاده کرد تا جزییاتی فراتر از توان میکروسکوپ‌های نوری استاندارد را آشکار کرد. همچین این وسیله میواند ده برابر تراشه های میکرو الکترونی عمل کند.
از مواد جامد مانند یاقوت،اتریوم،نیودیمیم،گارت و آلومینیوم برای مکانیزم آن استفاده میشود.
فیزیکدان و مهندس برق آمریکایی که در سال ۱۹۶۰ موفق به ساخت اولین لیزر جامد در شرکت هیوز لوس آنجلس شد.
انواع لیزرهای جامد:
لیزر یاگ ( YAG )
در حال حاضر ، کاربردی‌ترین لیزر حالت جامد که برای پردازش و ماشین کاری مواد ، ۱ درصد یون به کار میرود . در پزشکی بخصوص برای درمان بیماری های چشم و یا عمل های جراحی چشمی استفاده میشود.
لیزر ( ER )
لیزرهای ای آر بخاطر داشتن دو طول موج ویژه اهمیت دارند ، اما از نظر انرژی خروجی مانند یاگ خیلی قابل توجه نیستند. برای درمان مشکلات پوستی و لکه های عمیق بکار میروند که معمولا دردناک هستند و با بی حسی موضعی استفاده میشود .
لیزر گازی ( GAS LASER )
از مخلوط هلیم و نئون یا آرگون، کریپتون، زنون،نیتروژن و دی اکسید کربن تشکیل شده است. نوعی لیزر است که جریان الکتریکی برای تولید نور در محیط گازی تخلیه میشود.
علی جوان
مخترع لیزر گازی فردی به نام علی جوان دانشمند ایرانی میباشد که اولین بار با کمک گاز نئون و هلیوم این نوع لیزر را ساخت.این دستگاه در سال ۱۹۶۱ میلادی به ثبت رسید.
لیزر های اتمی خنثی
رایج ترین لیزر های گازی هستند و گاز مورد استفاده در آن ها هلیوم و نئون است. از این نوع لیزر معمولاً در آزمایشگاه فیزیک و دیگر موارد پژوهشی استفاده می شود و قیمت بسیار مناسبی دارند.
لیزر یونی
عملکرد لیزر های یونی به این صورت است که در لیزر های یونی تراز های انرژی اتمی یونیده وسعت پیدا می کند و با اولین برخورد اتم خنثی را دچار یونش می کند.
لیزر مولکولی
عملکرد لیزر های مولکولی نیز به این صورت است که از گذار بین تراز های انرژی مولکولی به عنوان نیرو محرکه لیزر استفاده می شود.
لیزر اگزیمر
لیزر های اگزیمر به معنی دیمر تحریک شده در واقع از مولکول های دو اتمی استفاده می کند که در حالت برانگیختگی پایدار و در حالت پایه ناپایدار هستند.
لیزر Co2
لیزر گازی کربن دی اکسید نیز در صنایع برای برشکاری و جوشکاری مورد استفاده قرار میگیرد.
لیزر های رنگی نوعی از لیزر ها هستند که از *مواد آلی *در ساختار آن به عنوان محیط فعال لیزری استفاده میشود که معمولا به صورت مایع میباشد .این رنگ از ماده ای بر پایه ی کربن ساخته میشود که اغلب فلوروسنت است بعد از آن با حلال سازگار ترکیب میشود و به مولکول ها اجازه میدهد در سراسر محیط به طور یکسان پخش شوند .محلول رنگ با سرعت زیاد در حال گردش است که این امر مانع کاهش تخریب رنگ و یا جذب آن میشود.
مواد آلی چیست؟
ماده آلی ماده‌ای از ترکیبات آلی است که از بقایای ارگانیسم‌های مرده از دسته گیاهان و جانوران و مواد زائد و دورریختنی‌های آنها در محیط به وجود آمده‌است. ماده آلی یا مواد آلی به دسته‌ای بزرگ از ترکیبات بر پایه کربن اشاره دارد که در محیط‌های مختلفی همچون محیط‌های آبی و خاکی وجود دارند یا اینکه به کمک روش‌های سنتز، در آزمایشگاه‌ها ساخته میشوند. در تعریفی دیگر، ماده آلی به مواد بدست آمده از موجودات زنده‌ای همچون گیاهان و حیوانات و بقایای آنها می‌گویند. علاوه بر این، مواد آلی تنها محدود به موجودات زنده نمی‌شوند بلکه مولکول‌های آلی را نیز می‌توان به کمک واکنش‌های شیمیایی به تولید رساند که در آنها بقایایی از موجودات زنده وجود ندارد. از جمله مواد آلی مهم می‌توان به سلولوز، پروتئین، لیگنین، لیپید و کربوهیدرات اشاره کرد. ماده آلی نقش بسیار مهمی در چرخه غذایی محیط زیست و باقی‌ماندن آب بر سطح گیاهان دارد.
این نوع لیزر اکثرا در حوزه ی پزشکی که برای بهبود بخشیدن لک های پوستی ، یا یکدست کردن پوست و نیز از بین بردن موهای زائد مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین از آنها برای درمان لکه های شراب بندری و سایر اختلالات رگ های خونی ، اسکارها و سنگ کلیه استفاده می شود. آنها می توانند با جوهرهای مختلف برای از بین بردن خال کوبی و همچنین تعدادی از کاربردهای دیگر مطابقت داشته باشند.
سازنده های اولین لیزر مایع یا رنگی هستند که در سال ۱۹۹۶ به طور مستقل این نوع از لیزر را کشف کردند.
لیزرهای دیودی نیم رسانا پرفروشترین نوع لیزر در جهان هستند که این نوع از لیزرها اولین بار در سال ۱۹۶۲ ساخته شدند. هدف از ساخت این نوع لیزر ها استفاده در صنعت مخابرات است اما ذخیره سازی اطلاعات ،خواندن سی دی و کاربرد در ماشین های صنعتی در سال های اخیر اوج گرفته است.
کاربرد آنها در پزشکی هم قابل توجه است .امروزه پزشکان از این نوع از لیزرها برای تجزیه ی فاکتور های خونی برای مثال اندازه گیری سطح گلوکز خون به روش بدون تزریق استفاده میکنند.
رابرت نوئل و جنرال ااکتریک
دوگروه که یکی به سرپرستی رابرت و دیگری برای جنرال الکتریک شروع به تحقیق درباره ی ساخت لیزر دیودی شدند که در نهایت در سال ۱۹۶۲ موفق به ساخت آن شدند . شرکت جنرال الکتریک زود تر داده های خود را ثبت کرد و توانست این اختراع را با نام خود ثبت کند.
پرتو لیزر چه ویژگی‌هایی دارد؟
یکنواختی ( MONOTOMY )
نور طبیعی شامل یک سری طول موج است که از فرابنفش تا مادون قرمز متغیر است. در عوض ، لیزر یک نوار نور با طول موج واحد است. به این ویژگی تک رنگ می گویند. تک رنگ بودن این مزیت را دارد که اجازه می دهد انعطاف پذیری بیشتری در طراحی نوری داشته باشد.
جهت دهی بالا ( HIGH ORIENTATION )
جهت گیری خاصیت حفظ جهت نور هنگام حرکت در فضا است ، جهت گیری بالا نشان می دهد که جهت با دقت بالا و انبساط کم حفظ می شود. نور طبیعی مجموعه ای از نوارهای نور است که در همه جهات پخش می شوند ، در حالی که نور لیزر بسیار جهت دار است و طراحی سیستم های نوری را آسان می کند که از گسترش نور جلوگیری می کند.
انسجام بالا ( HIGH COHERENCE )
انسجام توضیح میدهد که نور در چه اندازه ای با خود تداخل می کند و با در نظر گرفتن نور به عنوان موج ، می توان گفت هرچه پرتو نور یکنواخت تر باشد ، انسجام آن بیشتر است. با توجه به فاز ، طول موج و جهت نور این دستگاه تغییر نمی کند ، می توان موجی قوی برای انتقال پرتوهای این ابزار در مسافت طولانی بدون انتشار حفظ کرد. این بدان معنی است که می توان نور را در یک منطقه کوچک با لنز متمرکز کرد.
تراکم بالا ( HIGH DENSITY )
با توجه به اینکه لیزرها دارای تک رنگ ، جهت و انسجام فوق العاده ای هستند ، می توان آنها را در یک منطقه بسیار کوچک متمرکز کرد ، در نتیجه نوری با چگالی بالا ایجاد می کند. با تمرکز نور این ابزار در یک منطقه بسیار کوچک ،می توانید شدت آن (چگالی قدرت) را حتی برای به دست آوردن انرژی کافی برای برش فلز افزایش دهید. با توجه به این ویژگی ها ، نور این ابزار در بسیاری از زمینه های ماشینکاری مدرن مواد استفاده می شود. شدت به لطف انسجام برای مدت طولانی حفظ می شود و می تواند با کمک لنزها حتی بیشتر هدایت شود.
پرتو لیزر سطح ماده را حک می کند ، جذب می شود و مواد را گرم می کند. این تولید گرما باعث حذف یا تبخیر کامل مواد می شود. این امر باعث حکاکی ، علامت گذاری یا برش طیف وسیعی از مواد می شود.
منابع :
https://www.britannica.com/technology/laser/History
https://www.rp-photonics.com/lasers.html
https://www.livescience.com/worlds-biggest-laser
https://www.springer.com/journal/10103
https://www.springer.com/journal/41547
https://www.springer.com/journal/40516
آخرین دیدگاه‌ها