چه فیلم «جنگ ستارگان» باشد چه «سفر ستارهای»،یا حتی «Battlestar Galactica»، فناوری لیزر (Laser) نقشی محوری در فیلمها و کتابهای علمی تخیلی ایفا میکند. بدون شک به لطف این نوع داستانها است که ما امروزه لیزرها را با جنگافزارهای پیشرفته و سفینههای فضایی مدرن مرتبط میدانیم.
اما لیزرها نقشی محوری در زندگی روزمره ما نیز ایفا میکنند. واقعیت این است که آنها در طیف شگفتانگیزی از محصولات و فناوریها ظاهر میشوند. شما میتوانید آنها را در همه چیز، از دستگاههای پخش سیدی گرفته تا دریلهای دندانپزشکی، ماشینهای برش فلز با سرعت بالا و سیستمهای اندازهگیری پیدا کنید. پاک کردن تاتو، ترمیم مو، جراحی چشم — همه از لیزر استفاده میکنند.
اما لیزر چیست؟ چه چیزی پرتو لیزر را از پرتو یک چراغ قوه متمایز میکند؟ به طور خاص، چه چیزی نور لیزر را از انواع دیگر نور متفاوت میکند؟ لیزرها چگونه طبقهبندی میشوند؟
در این مقاله، شما همه چیز را در مورد انواع مختلف لیزرها، طول موجهای مختلف آنها و کاربردهایی که برای آنها قائل هستیم (مانند نشانگرهای لیزری) خواهید آموخت. اما ابتدا، بیایید با توضیح اصول اولیه یک اتم، با مبانی فناوری لیزر شروع کنیم.
مبانی یک اتم
در کل جهان هستی، تنها حدود ۱۰۰ نوع اتم مختلف وجود دارد. هر چیزی که میبینیم، از این ۱۰۰ اتم در ترکیبات بیشماری ساخته شده است. نحوه چیدمان و پیوند این اتمها با هم تعیین میکند که اتمها یک فنجان آب، یک تکه فلز یا گازی را تشکیل میدهند که از قوطی نوشابه شما بیرون میآید.
اتمها دائماً در حال حرکت هستند. آنها به طور مداوم میلرزند، حرکت میکنند و میچرخند. حتی اتمهایی که صندلیهایی را که روی آنها مینشینیم، میسازند، در حال حرکت هستند. جامدات در واقع در حرکت هستند! اتمها میتوانند در حالات مختلف برانگیختگی باشند. به عبارت دیگر، آنها میتوانند انرژیهای متفاوتی داشته باشند. اگر انرژی زیادی به یک اتم وارد کنیم، میتواند از سطح انرژیای که سطح پایه (Ground-state) نامیده میشود، خارج شده و به یک سطح برانگیخته برود. سطح برانگیختگی بستگی به میزان انرژی وارد شده به اتم از طریق گرما، نور یا الکتریسیته دارد.
در تصویر بالا یک تفسیر کلاسیک از ظاهر اتم آمده است.
این اتم ساده از یک هسته (حاوی پروتونها (Protons) و نوترونها (Neutrons)) و یک ابر الکترونی تشکیل شده است. بهتر است الکترونها (Electrons) را در این ابر در حال گردش به دور هسته در مدارهای مختلف در نظر بگیریم.
جذب انرژی
با توجه به تصویر نشان داده شده در بخش قبل، اگرچه دیدگاههای مدرنتر از اتم، مدارهای مجزایی را برای الکترونها نشان نمیدهند، اما مفید است که این مدارها را به عنوان سطوح انرژی مختلف اتم در نظر بگیریم.
به عبارت دیگر، اگر مقداری گرما به اتم اعمال کنیم، میتوانیم انتظار داشته باشیم که برخی از الکترونها در اوربیتالهای (Orbitals) با انرژی پایینتر به اوربیتالهای با انرژی بالاتر و دورتر از هسته منتقل شوند. این یک دیدگاه بسیار سادهشده است، اما در واقع منعکسکننده ایده اصلی نحوه عملکرد اتمها در لیزرها است.
هنگامی که یک الکترون به یک اوربیتال با انرژی بالاتر میرود، در نهایت میخواهد دوباره به حالت پایه بازگردد. وقتی این اتفاق میافتد، انرژی خود را به صورت یک فوتون (Photon) – یک ذره نور – آزاد میکند.
شما دائماً شاهد آزاد شدن انرژی به صورت فوتون توسط اتمها هستید. به عنوان مثال، وقتی المنت حرارتی در یک توستر به رنگ قرمز روشن در میآید، رنگ قرمز ناشی از اتمهایی است که با گرما تحریک شدهاند و فوتونهای قرمز آزاد میکنند. وقتی تصویری را روی صفحه تلویزیون میبینید، در واقع اتمهای فسفری را میبینید که توسط الکترونهای پرسرعت تحریک شدهاند و رنگهای مختلف نور را ساطع میکنند.
هر چیزی که نور تولید میکند – لامپهای فلورسنت (Fluorescent lights)، فانوسهای گازی، لامپهای رشتهای – این کار را از طریق عمل الکترونهایی انجام میدهد که مدار خود را تغییر میدهند و فوتونها را آزاد میکنند.
ارتباط لیزر و اتم
لیزر دستگاهی است که نحوه آزاد شدن فوتونها توسط اتمهای پرانرژی را کنترل میکند. “لیزر” سرواژهای است برای عبارت “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” به معنی “تقویت نور توسط گسیل القایی تابش” که به طور خلاصه نحوه عملکرد لیزر را توصیف میکند.
اگرچه انواع مختلفی از لیزر وجود دارد، اما همه آنها ویژگیهای اساسی معینی دارند. در لیزر، ماده یا حامل لیزری (lasing medium) “پمپ” میشود تا اتمها به حالت برانگیخته درآیند. به طور معمول، فلاشهای بسیار شدید نور یا تخلیههای الکتریکی، حامل لیزری را پمپ میکنند و مجموعه بزرگی از اتمهای برانگیخته (اتمهایی با الکترونهای پرانرژیتر) را ایجاد میکنند. برای اینکه لیزر به طور موثر کار کند، لازم است مجموعه بزرگی از اتمها در حالت برانگیخته وجود داشته باشد.
به طور کلی، اتمها به سطحی برانگیخته میشوند که دو یا سه سطح بالاتر از حالت پایه است. این امر درجه وارونگی جمعیت (Population inversion) را افزایش میدهد. وارونگی جمعیت، تعداد اتمها در حالت برانگیخته در مقابل تعداد اتمها در حالت پایه است.
هنگامی که ماده لیزری (lasing medium) پمپ میشود، حاوی مجموعهای از اتمها است که برخی از الکترونها در سطوح برانگیخته قرار دارند. الکترونهای برانگیخته، انرژی بیشتری نسبت به الکترونهای آرامتر دارند. همانطور که الکترون برای رسیدن به این سطح برانگیخته، مقداری انرژی جذب کرد، میتواند این انرژی را نیز آزاد کند. الکترون میتواند به سادگی آرام شود و به نوبه خود، مقداری از انرژی خود را از دست بدهد. این انرژی ساطع شده به شکل فوتون (انرژی نور) ظاهر میشود.
فوتون ساطع شده دارای طولموج (رنگ) بسیار خاصی است که به وضعیت انرژی الکترون در هنگام آزاد شدن فوتون بستگی دارد. دو اتم یکسان با الکترونهایی در حالتهای یکسان، فوتونهایی با طول موجهای یکسان آزاد میکنند.
نور لیزر
نور لیزر دارای ویژگیهای زیر است:
- نور آزاد شده تکرنگ (Monochromatic) است. این نور حاوی یک طول موج خاص نور (یک رنگ خاص) است. طول موج نور با میزان انرژی آزاد شده هنگام سقوط الکترون به مدار پایینتر تعیین میشود.
- نور آزاد شده همدوس (Coherent) است. این نور “منظم” است – هر فوتون همگام با دیگران حرکت میکند. این بدان معنی است که تمام فوتونها جبهههای موجی دارند که به صورت هماهنگ پرتاب میشوند.
- نور بسیار جهتمند (Directional) است. نور لیزر دارای یک پرتو بسیار باریک است و بسیار قوی و متمرکز است. از طرف دیگر، یک چراغ قوه، نور را در بسیاری از جهات آزاد میکند و نورش بسیار ضعیف و پراکنده است.
گسیل القایی
برای ایجاد این سه ویژگی، چیزی به نام گسیل القایی (stimulated emission) لازم است. این اتفاق در چراغ قوه معمولی شما نمیافتد – در چراغ قوه، همه اتمها، فوتونهای خود را به طور تصادفی آزاد میکنند. در گسیل القایی، انتشار فوتون سازماندهی میشود.
فوتونی که هر اتم آزاد میکند دارای طول موج مشخصی است که به اختلاف انرژی بین حالت برانگیخته و حالت پایه بستگی دارد.
اگر این فوتون (دارای انرژی و فاز مشخص) با اتم دیگری برخورد کند که الکترونی در همان حالت برانگیخته دارد، گسیل القایی میتواند رخ دهد. فوتون اول میتواند انتشار اتمی را به نحوی تحریک یا القا کند که فوتون ساطعشده بعدی (از اتم دوم) با همان فرکانس و جهت فوتون ورودی ارتعاش کند.
آینهها
نکته کلیدی دیگر در لیزر، یک جفت آینه است، یکی در هر انتهای محیط یا ماده لیزری.
فوتونها، با طول موج و فاز بسیار خاص، از آینهها منعکس میشوند تا به جلو و عقب از طریق ماده لیزری حرکت کنند. در این فرآیند، آنها الکترونهای دیگر را تحریک میکنند تا پرش انرژی رو به پایین را انجام دهند و میتوانند باعث انتشار فوتونهای بیشتری با همان طول موج و فاز شوند.
اثر آبشاری رخ میدهد و به زودی تعداد بسیار زیادی فوتون با همان طول موج و فاز منتشر میشود. آینه در یک انتهای لیزر “نیمهاندود” است، به این معنی که مقداری نور را منعکس میکند و مقداری نور را از خود عبور میدهد. نوری که از آن عبور میکند، نور لیزر است.
شما میتوانید تمام این اجزا را در شکلهای بخش بعدی مشاهده کنید که نشان میدهد یک لیزر یاقوتی ساده چگونه کار میکند.
لیزرهای یاقوتی
لیزر یاقوتی (Ruby laser) از یک لامپ فلاش (مانند آنچه در دوربین دارید)، یک میله یاقوتی و دو آینه (یکی نیمهاندود) تشکیل شده است. میله یاقوتی ماده لیزری است و لامپ فلاش، آن را پمپ میکند.
لیزر سه سطحی
در یک لیزر سه سطحی (Three-level laser) واقعی، این اتفاقات رخ میدهند. (1) الکترون به سطح انرژی بالاتری پمپ میشود. (2) سطح پمپشده ناپایدار است، پس الکترون سریعاً به سطح انرژی اندکی پایینتر میپرد. (3) الکترون به یک موقعیت انرژی پایینتر میرسد و مستقر میشود و یک فوتون آزاد میکند. (4) نور و یک الکترون در یک سطح انرژی برانگیخته، (5) دو پرتون با طول موج و فاز مشابه تولید میکند. (6) آیینه نور را منعکس میکند.
در بخش بعدی، با انواع مختلف لیزرها آشنا خواهید شد.
انواع لیزرها
انواع مختلفی از لیزرها وجود دارد. ماده لیزر میتواند جامد، گاز، مایع یا نیمههادی باشد. لیزرها معمولاً بر اساس نوع ماده لیزری مورد استفاده، طبقهبندی میشوند.
لیزرهای حالت جامد
در لیزرهای حالت جامد (Solid-state lasers)، ماده لیزری در یک ماتریس یا زمینه جامد توزیع شده است) مانند لیزرهای یاقوت یا نئودیمیم (Neodymium): ایتریوم-آلومینیوم-گارنت (yttrium-aluminum garnet (“Yag”))). لیزر نئودیمیم-یاگ نور مادون قرمز را در طولموج 1064 نانومتر (nm) ساطع می کند. یک نانومتر برابر با ۹-۱۰×۱متر است.
لیزرهای گازی
هلیوم و هلیوم-نئون (HeNe) رایجترین لیزرهای گازی هستند. خروجی اصلی آنها نور قرمز مرئی است. لیزرهای CO2 انرژی را در محدوده مادون قرمز دور ساطع می کنند و برای برش مواد سخت استفاده میشوند.
لیزرهای اِکسایمر (Excimer)
این نوع لیزرها که از اصطلاحات “برانگیخته (Excited)” و “دایمر (Dimers)” گرفته شدهاند، از گازهای واکنشپذیر مانند کلر و فلوئور مخلوط با گازهای بیاثر مانند آرگون، کریپتون یا زنون استفاده میکنند. هنگامی که به طور الکتریکی تحریک میشوند، یک شِبه مولکول (دایمر) تولید میشود. هنگامی که لیزر فعال میشود، دایمر نور را در محدوده فرابنفش تولید میکند.
لیزرهای رنگی
لیزرهای رنگی از رنگهای آلی پیچیده مانند رودامین 6G (Rhodamine) در محلول یا سوسپانسیون (Suspension) مایع به عنوان ماده لیزر استفاده میکنند. آنها در یک محدوده وسیعی از طولموجها قابل تنظیم هستند.
لیزرهای نیمههادی
اینها که گاهی اوقات لیزرهای دیودی (Diode lasers) نامیده می شوند، لیزرهای حالت جامد نیستند. این دستگاههای الکترونیکی، به طور کلی بسیار کوچک هستند و از توان کمی استفاده میکنند. آنها ممکن است در آرایههای بزرگتر، مانند منبع نوشتن در برخی از چاپگرهای لیزری یا دستگاههای پخش سی دی، ساخته شوند.
طولموج شما چقدر است؟
لیزر یاقوت (که قبلاً به تصویر کشیده شد) یک لیزر حالت جامد است و در طول موج 694 نانومتر ساطع میشود. سایر محیطهای لیزری را میتوان بر اساس طولموج انتشار مورد نظر (به جدول زیر مراجعه کنید)، توان مورد نیاز و مدت زمان پالس انتخاب کرد.
برخی از لیزرها بسیار قدرتمند هستند، مانند لیزر CO2 که میتواند فولاد را برش دهد. لیزر CO2 به این دلیل بسیار خطرناک است که نور لیزر را در ناحیه طیفی مادون قرمز و مایکروویو ساطع میکند. تابش مادون قرمز، گرما است و این لیزر اساساً هر چیزی را که روی آن متمرکز شده است ذوب میکند.
لیزرهای دیگر، مانند لیزرهای دیودی، بسیار ضعیف هستند و در نشانگرهای لیزری جیبی امروزی (pocket laser pointers) استفاده میشوند. این لیزرها معمولاً یک پرتو نور قرمز ساطع میکنند که طولموجی بین 630 نانومتر و 680 نانومتر دارد.
لیزرها در صنعت و تحقیقات برای انجام بسیاری از کارها استفاده میشوند، از جمله استفاده از نور شدید لیزر برای تحریک سایر مولکولها برای مشاهده اتفاقاتی که برای آنها میافتد.
در اینجا برخی از لیزرهای معمولی و طولموجهای انتشار آنها (بر حسب نانومتر) آورده شده است:
- فلوراید آرگون (Argon fluoride) (UV): ۱۹۳
- فلوراید کریپتون (Krypton fluoride) (UV): ۲۴۸
- کلرید زنون (Xenon chloride) (UV): ۳۰۸
- نیتروژن (Nitrogen) (UV): ۳۳۷
- آرگون (Argon) (آبی): 488
- آرگون (سبز): 514
- هلیوم نئون (Helium neon) (سبز): 543
- هلیوم نئون (قرمز): 633
- رنگ رودامین 6G (قابل تنظیم): ۶۵0-۵۷۰
- یاقوت (CrAIO3) (قرمز): 694
- اِندییاگ (Nd:Yag) (NIR) : ۱۰۶۴
- دیاکسید کربن (Carbon dioxide) (FIR): ۱۰۶۰۰
طبقهبندی لیزرها
لیزرها بسته به احتمال ایجاد آسیب بیولوژیکی (Biological damage) به چهار دسته گسترده طبقه بندی میشوند. هنگامی که لیزری را میبینید، باید با یکی از این چهار دستهبندی برچسبگذاری شده باشد:
- کلاس I: این لیزرها نمیتوانند تابش لیزری را در سطوح خطر شناختهشده ساطع کنند.
- کلاس I.A.: این یک طبقهبندی ویژه است که فقط برای لیزرهایی اعمال میشود که “برای دیدن مناسب نیستند”، مانند اسکنر لیزری سوپرمارکت. حد بالایی توان کلاسI.A. ، ۴ میلی وات است.
- کلاسII : اینها لیزرهای مرئی کمتوان هستند که بالاتر از سطوح کلاس I هستند اما توان تابشی بالاتر از 1 میلی وات ساطع نمیکنند. مفهوم آن این است که واکنش گریز انسان به نور روشن آن، از فرد محافظت میکند (یعنی نورش انقدر درخشنده است که فرد به طور طبیعی به آن نگاه نمیکند-م).
- کلاس IIIA: اینها لیزرهای با توان متوسط (cw: 1-5 mw) هستند که فقط در صورت مشاهده داخل پرتو لیزر خطرناک هستند. بیشتر لیزرهای اشارهگر قلمی در این کلاس هستند.
- کلاسIIIB : اینها لیزرهای با توان متوسط هستند.
- کلاسIV : اینها لیزرهای پرقدرت هستند (10 J/cm2 یا حد بازتاب پراکنده :پالسcw: 500 mw, ) که مشاهده آنها تحت هر شرایطی (به طور مستقیم یا پراکنده) خطرناک است و یک خطر بالقوه آتشسوزی و خطر پوستی دارند. کنترلهای قابلتوجهی برای تأسیسات لیزر کلاس IV مورد نیاز است.
نشانگر لیزری چگونه کار می کند؟
نشانگرهای لیزری (Laser pointers) از طریق اصول تقویت نور و گسیل تحریکشده کار میکنند. در داخل یک دیود لیزری که برای تولید یک پرتو متمرکز طراحی شده است، فرآیندی به نام تقویت نور (light amplification) رخ میدهد. این فرآیند شامل تحریک اتمها یا مولکولها میشود و باعث میشود آنها فوتونها را آزاد کنند، که ذرات نور هستند. این انتشار فوتونها به عنوان گسیل تحریکشده (stimulated emission) شناخته میشود و یک پرتو لیزر همزمان و منسجم ایجاد میکند.
توجه به این نکته مهم است که نشانگرهای لیزری نیز نور لیزر مادون قرمز تبدیلنشده (unconverted infrared laser light) را ساطع میکنند که برای چشم انسان نامرئی است. سازندگان، فیلترهایی را برای مسدود کردن بیشتر این نور نامرئی قرار میدهند، اما ضروری است که نشانگرهای لیزری را با مسئولیتپذیری استفاده کنید و از اشاره کردن آنها به سطوح بازتابنده یا چشمان کسی خودداری کنید.
نور لیزر تکرنگ است، به این معنی که فقط حاوی یک رنگ یا طولموج خاص است. همچنین همدوس است، به طوری که تمام فوتونها به طور همزمان با یکدیگر حرکت میکنند. این همدوسی به نور لیزر ماهیت متمرکز میدهد و به آن اجازه میدهد تا مسافتهای طولانی را بدون واگرایی قابل توجهی طی کند.
این مقاله با همکاری فناوری هوش مصنوعی به روز شده است و سپس توسط یک ویراستار HowStuffWorks بررسی و ویرایش شده است.
