دانلود مقاله لیزر

طرح مساله سخن این کنفرانس روزنه‌ایست به سوی نور و جهانی از علمی که لیزر نامگذاری شده است.

اکنون که لیزر به عنوان یکی از قوی‌ترین منابع انرژی در طبیعت و در اختیار ماست و از این لحاظ حائز اهمیت است، دارای استفاده‌های شایانی نیز در کلیه زمینه‌های علمی می‌باشد و برای پیشرفت‌های در تمامی زمینه‌های علمی، صنعتی اقتصادی و ...

به آن نیازمندیم و باید از آن بهره بگیریم.

به امید آنکه کشورمان در جهت اجرای این طرح برآید.

اهمیت و ضرورت مساله امروزه لیزر کاربردهای فوق العاده مهم و قابل توجهی در رشته‌های مختلف علوم، صنعت و پزشکی پیدا کرده است و کمتر شاخه‌ای از تکنولوژی نوین وجود دارد که پرتو لیزر در آن نقشی نداشته باشد.

پرتو خورشید و ستارگان که بارها در قرآن کتاب آسمانی ما بدان‌ها اشاره شده است، به وسیله پدیده شگرف گداخت Fusion به کره ماه هستی می‌بخشد که از انواع تششع خود به خودی و ماهمدوس است ولی جالب توجه آنکه هر روز صبح در ارتفاع حدود 65 کیلومتری کره مریخ تشعشع حاصل از گسیخته برانگیخته در محیط CO2 آن به عنوان یک لیزر طبیعی پر قدرت نمایان می‌شود که انرژی آن معادل انرژی هزاران بمب هسته آی می‌باشد.

که این خود تلاش‌های زیادی را جهت بهینه سازی این وسیله پر انرژی فرا می‌خوانند.

اهداف پژوهش هدف از جمع آوری این مطالب راهی برای گشودن یک دریچه علمی به سوی لیزر.

آشنایی با چگونگی تشکیل لیزر.

اهمیت و ارزش لیزر در فعالیت‌های مختلف رشته‌های گوناگون.

و از همه مهمتر استفاده از آن و کاربرد لیزر در زمینه‌های گوناگون در دوران اخیر می‌باشد.

فیزیک لیزر: لیزر منبع نوری نوین و نیرومندی است حتی یک لیزر با درخشندگی ملایم پرتویی صادرمیکند که به مراتب از پرتو خورشید نیرومندتراست .

بسیار از لیزرهای مهم در طیف بینایی عمل میکنند و در میدان بینایی می توان آن‌ها را با عدسی, آیینه ومنشور، متمرکز ،منعکس یا منکسر نمود.

محدودیت‌های عمده‌ای را که برای منابع نوری کلاسیک ( منابع نوری غیر لیزر) وجود دارد ، میتوان به ترتیب زیر خلاصه کرد: 1 - انرژی تابشی یک منبع نوری با درخشندگی زیاد در محدوده بینایی نسبتا گسترده‌ای توزیع میشود و منبع نوری تک فام با درخشندگی زیاد عملا وجود ندارد.

2- ستون اشعه به ندرت موازی هم میباشند و این وضع را به قیمت از دست دادن مقدارمنتابهی ازشدت تابش می توان به طور محدود به دست آورد.

3 – نمیتوان درخشندگی یک منبع نوری گسترده را با ایجاد تصویری از آن زیاد نمود.

در عوض اشعه‌لیزر دارای امتیازاتی فیزیکی به قرار زیر است.

1 – تمام نور صادر شده محتوی یک دسته باریک و موازی هم باشند.

2 – نور ساطع از لیزر طول موج گسترده‌ای دارد که به مراتب کوچکتر از منبع نوری غیر لیزر است.

نوری که در دسته به حرکت در می‌آید تکفام میباشد و آن را به نام منسجم یا همدوس می‌خوانند.

به عبارت دیگر صفات اساسی که نور لیزر را برتر از نور طبیعی قرار می‌دهند عبارت‌اند از: درخشندگی زیاد، تکفام بودن و همدوسی تابشی که از بخشهای مختلف منبع نور ناشی می‌‍‌گردد .

بدین وسیله با عدسی‌های مناسب میتوان تمام شعاع‌های صادر شده‌ لیزر را در منطقه کانونی جمع نمود.

1 – a) در منطقه محدود کانون عدسی، تمرکز اشعه می‌تواند فوق‌العاده پرقدرت باشد تمرکز توان در یک سطح به عبارت دیگر توان در واحد سطح را به نام چگالی توان ( Power Density ) می‌خوانند.

آشکار است که این چنین تمرکز توان روی جسم قادر خواهد بود که تمام تابش لیرز را روی سطح نازکی جذب نماید و با بروز حرارت خارق‌العاده در بافتها منجر به پیدایش پدیده تبخیر شود.

البته در اساس این دسته نورانی لیزر با دسته موازی اشعه خورشید، که از ماوراء یک عدسی و تمرکز آن روی قطعه‌ای از کاغذ که فورا آن را به آتش می‌کشد، تفاوتی نخواهد داشت.

پرواضح است که قدرت تمرکزی که از ستون‌ها موازی اشعه لیزر به دست می‌آید با منابع نور غیر لیزر هیچگاه حاصل نمی‌‍گردد.

به همین مناسبت است که از اشعه لیزر به عنوان منبع پر نیرو و قدرتمند نام میبرند.

کاربرد لیزر در اعمال جراحی بر مبنای موازی بودن ستون اشعه‌ای است که از لیزر ساطع میشود و خصوصیت تکفام بودن عملا نقش عمده‌ای را ایفا نمی‌نماید.

«لیزر چگونه تولید می شود؟

» نور ( تابش الکترومغناطیسی بطور عام ) زمانی تولید میشود که سیستم کوانتم ( اتم – مولکول – یون ) از یک انرژی در تراز بالا به انرژی در تراز پائین انتقال یابد.

میتوان چنینی تعبیر کرد که سیستم کوانتم فقط در حالات جداگانه انرژی وجود دارد.E0 = ECystic En وقتی که انرژی در تراز بالاتر Ea به انرژی در تراز پائین ترEb منتقل شود، تفاوت انرژی Ea – Eb تابش الکترو مغناطیسی را تشکیل میدهد، ) که n ضریب ثابت پلانک 6 .

6*10 –34 ژول در ثانیه میباشد .

تواتر Cystic و طول موج λ تابش الکترومغناطیس به وسیله رابط C = y * λ نمایانده میشود ، که در آن C سرعت نور است معادل CM / s 3 * 10 –10 است .

دو نوع نشر تابش به وسیله اتم امکان‌پذیر است : نشر خود به خودی و نشر برانگیخته : نشر خود به خودی تابش ( Spontanlous emission) به طور اتفاقی در طبیعت به وجود می‌آید و آن زمانی است که یک اتم در تراز انرژی بالاتر (Ea) تمایل دارد به تراز انرژی پایین Eb) ) که به نام تراز پایدار خوانده میشود برسد ، بدون آن که به عامل تحریکی نیازمند باشد .

به عبارت دیگر یک فوتون می‌خواهد خود را از حالت ناپایدارتر در تراز انرژی بالاتر به یک حالت پایدارتر در تراز انرژی پایین‌تر برساند لحظه و زمان انتقال، جهت تابش و قطبی شدن ( پولاریزاسیون‌) آن همگی معیارهای اتفاقی و تصادفی هستند.

دنیای کوچک ( ذره )ها پر از نمونه‌هایی است از پدیده نشر خود به خودی تابش.

فعالیت پرتوهای هسته‌ای و انتقال خود به خودی اجزا و ذرات متفاوت عنصر مثال‌های بارزی از این پدیده است.

نشر برانگیخته تابش ( Stimulated Emession ): وقتی که یک اتم در تراز انرژی بالاترEa در اثر یک فوتون تحریی به فوتونی تبدیل شود و به تراز انرژی پایین‌تر سقوطنماید‌، آنچنانکه فوتون محرک با فوتون برانگیخته دارای هماهنگی از نظر جهت و قطبی شدن ( پولاریزاسیون ) باشد .

میگویند پدیده نشر برانگیخته تابش صورت گرفته است .

این پدیده ابتدا به وسیله اینشتن در قرن معاصر توصیف شده اسب جدب تابش : ( Absorption ) : هنگامی که یک اتم از سیستم کوانتم از تراز انرژی بالاتر Ea به تراز انرژی پایینتر Eb برسد آنچنانکه فوتون آن توسط انرژی درتراز پایین گرفته شود پدیده جذب رخ داده است .

خواص تابش لیزر قبل از بحث پیرامون کاربرد های لیزر ، ضروری است با جزئیات بیشتر از قبیل پهنای خط لیزر ، درخشندگی ، ثابت سازی فرکانس لیزر ، آشنا شویم .

قبل از بحث پیرامون کاربردهای لیزر ، ضروری است با جزئیات بیشتر از قبیل پهنای خط لیزر ، درخشندگی ، ثابت سازی فرکانس لیزر ، آشنا شویم .

ویژگی لیزرها کاربردهای آنها، نظیر انتقال انرژی و مخابره تا فواصل دور دست تا گسترده نجومی را نیز مقدور میباشد.

این چشم اندازها فیز یکدانان و مهندسان را در جهت توسعه و تکامل لیزرها به اقدامات جدی واداشته است.

آنها برای انجام این عمل ابتدا به بررسی خواص لیزر پرداخته‌اند، از جمله این خواص عبارتند از پهنای خط لیزر، … پهنای خط لیزر ماده‌ی فعال لیزری ، خروجی لیزر را درناحیه‌ای از بیناب محدود میسازد که توسط پهن شدگی طبیعی خط گذار خاص لیزری ، مشخص میشود .

در عمل پهنای بیناب به دلیل تلفات کاواک و شدت دمش ( فرایندی که بدان وسیله اتمها از تراز یک به تراز سه یا از تراز صفر به تراز سه میروند فرایند دمش (پمپ کردن ) نامیده میشود مقداری کمتر خواهد بود .

وجود کاواک نوری فرکانس‌های نوسان کننده را به مقادیر خاص در داخل این ناحیه محدود میسازد هر فرکانس مجزا یک مد کاواک را تشکیل میدهد راحت‌تر است که مدهای کاواک را به دو دسته تقسیم کنیم ، مدهای محوری یا طولی و عرضی ، مدهای محوری را مانند امواج ایستاده در یک ریسمان میتوان با اعداد صحیح p نامگذاری کرد.

برای کاواک معمولی مقادیر p کاملا بزرگ است تقریبا 10 6 .

مدهای عرضی با دو عدد r , q مشخص میشوند .

فرکانس های نوسان کننده نیز با مقادیر r , q مشخص میشوند و نشان دهنده‌ای مد فضایی نیز میباشند .

برخلاف p ، مقادیر r , q معمولا مقادیر کوچک ‌اند ( کوچکتر از 10 ) .

باید ذکر کنیم که دسته بندی کردن مدها به دو نوع صرفا جهت سهولت است وابستگی فرکانسی مدهای عرضی به مقادیر r , q خیلی پیچیده است .

اگر چیدن مد به طورهمزمان عمل کننده گستردگی کل فرکانس ، تابش لیزری در مرتبه نیم رخ بهره خواهد برد .یک راه برای کاهش گستردگی فرکانس آن است که تعداد مدها را کاهش دهیم به طوریکه فقط یکی از ان‌ها بتواند نوسان کند ، این عمل با واردکردن دیافراگم محدود کننده درکاواک ممکن خواهد بود ، مدهای عرضی با مرتبه بالاتر دارای توزیع فضایی بیشتر در داخل کاواک هستند ودرنتیجه از اتلاف زیادی در داخل کاواک رنج میبرند که از کارکردن آن‌ها با هم جلوگیری مینمایند .

اگر فاصله‌بین فرکانس‌ها را باکاهش طول کاواک افزایش دهیم در عوض تعداد مدهای محوری کاهش میابد وقتی که جدایی مدهای محوری به پهنای منحنی بهره نزدیک میشود امکان آن وجود دارد که فقط یک مد وجود داشته باشد .

بنابراین پهنای خط خروجی لیزر برابر است با یک مد طولی و خیلی بارک .

این در حقیقت به کمیتی بستگی دارد و به نام فاکتور Q کاواک فاکتور کیفیت برای مهندسین الکتریک نیز آشناست ، چرا که برای مدارهای الکترونیکی و تشدید آن ها به کاربرده میشود .

ماده فعال لیزری معمولا انرژی لازم برای مدهای نوسان کننده را تعیین میکند ، از نظرر تئوری مقدار انرژی تلف شده میتواند صفر و متقابلا مقدار Q نامحدد باشد .

لیزر ثابت ثابت سازی فرکانس لیزر دو روش برای ثابت سازی فرکانس لیزرهای گازی معمولا مورد استفاده قرار میگرد که در هردو روش فرکانس کار لیزر را در یک موقعیت خاص نسبت به نیمرخ بهره نگه میدارد .اولین روش با توجه به این که نیمرخ بهره1 نسبت به نقطه‌ی میانی متقارن است انجام میشود .فرض کنید دو مد باشدت مساوی عمل می‌کنند فرکانس آن‌ها باید از دوطرف به یک فاصله از مرکز نیمرخ بهره واقع شود .

هر جابه‌جایی در فرکانس مد باعث افزایش شدت یکی از مدها و کاهش شدت دیگری خواهد شد .

بنابراین ، اگر ما قادر به کنترل و مشاهده شدت هردو موج باشیم میتوانیم اختلاف این دورا به عنوان باز خور تا مدار و طول کاواک را کنترل کند و از این طریق امکان کنترل و ثابت سازی فرکانس عمل لیزر خواهد بود به نظر میرسد اندازه‌گیری شدت مدها مشکل باشد خوشبختانه معمولا مدهای مجاور هم در کاواک به صورت تخت قطبی‌اند و ضخامت قطبش عمود بر یک دیگرند .

لذا فقط باید خروجی لیزر را به دو قسمت تقسم کنیم و ان‌ها را به دو آشکارساز بتابانیم خروجی آشکارسازها با شدت تابش‌ها متناسب است یک راه ساده برای اعمال بازخور این است که هر گونه اختلاف در خروجی آشکارسازها اجازه یابند تا جریان عبوری از یک سیم پیچ حرارتی که اطراف لوله لیزر پیچیده شده است را مدوله سازد هر تغییر نسبی در اثر شدت‌های خروجی دمای لوله لیزر را تغییر خواهد داد و نهایتا طول موثر کاواک را اصلاح خواهد کرد این عمل به نوبه خود فرکانس مد را تغییر خواهد داد.

روش دوم: ثابت‌ساز فرکانس بستگی به پدیده‌ای به نام کودال لمب2 دارد.

برای درک موضوع به علت پهن شدن نیم‌رخ بهره‌ می‌پردازیم.

در لیزرهای گازی، گذاری لیزری به عنوان « گذار پهن شده ناهمگن » شناخته میشود.

این بدین معنی است که گرهی از اتم‌ها که دارای سرعتهای نسبتا متفاوتی نسبت به امتداد تابش هستند، فرکانس‌های متفاوتی را تولید مینمایند.

این امر در حقیقت به دلیل اثر دوپلو است، همان طور که به دلیل حرکت یک منبع صوتی تغییر در فرکانس منبع مشاهده میشود.

هر مد به طور اساسی یک موج ایستاده است که از دو موج با شدت مساوی که در دو جهت مخالف حرکت کنند به وجود می آید.

این دو موج به دلیل فرکانس مساوی ولی حرکت در جهت مخالف یکدیگر، قادر گسیل برانگیخته مشارکت دارند و خروجی لیزر را به وجود می آورند راههای مختلفی برا تغییر طول کاواک وجود دار.

برای مثال با گرم کردن کاواک یا به وسیله نصب یکی از آینه‌ها بر روی بلور پیزوالکتریک، به طور یک موقعیت آینه را بتوان با تغییر ولتاژ اعمال شده در سرتاسر بلور تغییر داد.

و اگرایی پرتو: یکی از خصوصیات