لیزر (LASER: تقویت نور با انتشار تحریک شده تشعشع) یکی از پیشرفته ترین فناوری های نوری است که از دهه 1960 تغییرات عمده ای را در علم، فناوری و زندگی روزمره مردم به وجود آورده است. لیزر وسیله ای است که نور را به شکل پرتوهای منسجم با طول موج خاص و توان بالا تولید می کند. این مقاله اصول عملکرد لیزر، انواع مختلف آن، کاربردهای متنوع و پیشرفت‌های اخیر در این زمینه را مورد بحث قرار می‌دهد.

اصول عمل لیزر

عمل لیزر بر اساس پدیده ای به نام "گسیل تحریک شده" است. این پدیده توسط آلبرت انیشتین در سال 1917 پیش بینی شد. گسیل تحریک شده زمانی اتفاق می‌افتد که یک فوتون (ذره نور) با یک اتم یا مولکول برانگیخته برخورد می‌کند و باعث می‌شود که فوتون‌هایی با طول موج، فاز و جهت مشابه ساطع کند. این فرآیند یک پرتو نوری منسجم و تقویت شده ایجاد می کند.

عملکرد لیزر بر اساس پدیده ای به نام "گسیل تحریک شده" است. این بخش اصول عملکرد لیزر و فرآیندهای فیزیکی که در دستگاه لیزر رخ می دهد را توضیح می دهد.

گسیل خود به خود: گسیل خود به خود یا تابش خود به خودی زمانی اتفاق می افتد که یک الکترون در یک اتم یا مولکول از سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین تر حرکت کند و یک فوتون (ذره نور) ساطع کند. این فوتون دارای طول موج مشخص و انرژی برابر با اختلاف انرژی بین دو سطح الکترون است.

جذب: جذب زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون با انرژی مناسب با یک الکترون برخورد کند و آن را از سطح انرژی پایین تر به سطح انرژی بالاتر منتقل کند. این فرآیند باعث کاهش تعداد فوتون های محیط و افزایش تعداد الکترون های برانگیخته می شود.

گسیل تحریک شده: گسیل تحریک شده زمانی اتفاق می افتد که یک فوتون با انرژی خاصی با یک الکترون برانگیخته برخورد کند و باعث شود که الکترون فوتون دیگری ساطع کند. فوتون های حاصل دارای طول موج، فاز و جهت مشابه فوتون های اصلی هستند. این فرآیند نور را تقویت می کند و اساس کار لیزرها است.

اجزای اصلی لیزر

محیط فعال (محیط دریافت کننده): محیط فعال ماده ای است که قادر به تولید نور لیزر از طریق انتشار تحریک شده است. محیط فعال می تواند گاز، مایع یا جامد باشد انواع محیط های فعال عبارتند از:

گازها: گازهایی مانند هلیوم نئون (HeNe) و دی اکسید کربن (CO2).

- جامدات: به عنوان مثال کریستال های نئودیمیم-ایتریم-آلومینیوم-گارنت (Nd:YAG).

- مایع: مانند لیزرهای رنگی که از رنگ های آلی استفاده می کنند.

منبع انرژی (Pomp Source): منبع انرژی است که انرژی لازم برای حرکت اتم ها یا مولکول های یک محیط فعال را فراهم می کند. این انرژی می تواند به صورت نور، الکتریسیته یا واکنش های شیمیایی باشد. انواع منابع انرژی عبارتند از:

- پمپاژ نوری: از یک لامپ فلاش یا دیود ساطع کننده نور برای تامین انرژی استفاده می کند.

- پمپاژ الکتریکی: اعمال جریان الکتریکی برای تحریک محیط فعال.

- پمپاژ شیمیایی: استفاده از واکنش های شیمیایی برای تولید انرژی مورد نیاز.

حفره نوری: حفره نوری از دو آینه تشکیل شده است که یکی از آنها نیمه شفاف است. این آینه ها نور را از یکدیگر منعکس می کنند و فوتون ها را به طور مکرر ضرب می کنند. هنگامی که نور به اندازه کافی تقویت می شود، از آینه نیمه شفاف به عنوان یک پرتو لیزر بیرون می آید. این حفره نوری نقش مهمی در افزایش شدت نور و ایجاد یک پرتو منسجم دارد.
https://ostanha.tabnak.ir/fa/news/1169392/%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D8%A8%D8%B1%D8%AF%D9%87%D8%A7%DB%8C-%D9%84%DB%8C%D8%B2%D8%B1-%D8%AF%D8%B1-%D8%B5%D9%86%D8%B9%D8%AA
فرآیند تولید پرتو لیزر

پمپاژ: منبع انرژی محیط فعال را تحریک می کند و الکترون ها به سطح انرژی بالاتری منتقل می شوند.

وارونگی جمعیت: تعداد الکترون های برانگیخته در سطح انرژی بالاتر بیشتر از تعداد الکترون های سطح انرژی پایین تر است.

گسیل تحریک شده: فوتون ها با الکترون های برانگیخته برخورد می کنند و باعث گسیل فوتون های جدید با طول موج، فاز و جهت می شوند.

تقویت نوری: فوتون های تولید شده بین آینه های حفره نوری منعکس و تقویت می شوند.

خروجی نور لیزر: هنگامی که نور به اندازه کافی بالا باشد، از آینه نیمه شفاف به عنوان یک پرتو نور منسجم و شدید خارج می شود.

عملکرد لیزر بر اساس اصول فیزیکی انتشار تحریک شده و تقویت نوری است. لیزرها با استفاده از محیط فعال، منبع انرژی و حفره نوری مناسب، قادر به تولید پرتوهای نوری بسیار منسجم، قدرتمند و دقیق هستند که کاربردهای گسترده ای در صنایع مختلف، از پزشکی گرفته تا صنایع مخابراتی و نظامی دارند.

اجزای اصلی سیستم لیزر

یک سیستم لیزر به طور کلی از سه جزء اصلی تشکیل شده است:

محیط فعال (محیط افزایش): محیطی که می تواند با انتشار تحریک شده نور تولید کند. این ماده می تواند جامد، مایع یا گاز باشد.

منبع پمپ: منبعی که انرژی لازم برای تحریک اتم ها یا مولکول های یک محیط را فراهم می کند. این انرژی می تواند به صورت نور، الکتریسیته یا واکنش های شیمیایی باشد.

حفره نوری: ساختاری که فوتون ها را بین دو آینه قرار می دهد و به طور مکرر آنها را تقویت می کند تا زمانی که به اندازه کافی قوی شوند تا از یک طرف آینه شفاف خارج شوند.
https://ostanha.tabnak.ir/fa/news/1169366/%D8%B1%D9%88%D8%B4-%DA%A9%D8%A7%D8%B1-%D9%88-%DA%A9%D8%A7%D8%B1%D8%A8%D8%B1%D8%AF%D9%87%D8%A7%DB%8C-%D9%84%DB%8C%D8%B2%D8%B1
انواع لیزر

لیزرها بسته به نوع محیط کار به چند دسته تقسیم می شوند.

لیزرهای گازی: مانند لیزرهای هلیوم نئون (HeNe) و دی اکسید کربن (CO2) که در صنعت برشکاری و جوشکاری استفاده می شود.

لیزرهای جامد: مانند لیزر نئودیمیم: گارنت آلومینیوم ایتریم (Nd:YAG) که در پزشکی و صنعت استفاده می شود.

لیزرهای حالت جامد - مانند دیودهای لیزری که در دستگاه های الکترونیکی مصرفی مانند درایوهای DVD و CD استفاده می شوند.

لیزر رنگی: با رنگ های آلی به عنوان یک محیط فعال، قابلیت تنظیم طول موج را دارد.

لیزر فیبر: از فیبرهای نوری غنی شده با خاک های کمیاب مانند اربیوم و ایتربیوم استفاده می کند و در ارتباطات نوری استفاده می شود.

کاربرد لیزر

لیزرها به طور گسترده در زمینه های مختلف و زندگی روزمره مورد استفاده قرار می گیرند.

پزشکی: لیزر در جراحی های دقیق، درمان های پوستی، اصلاح بینایی (لیزیک) و دندانپزشکی استفاده می شود.

ارتباطات از راه دور: لیزرهای فیبر برای انتقال داده با سرعت بالا در شبکه های ارتباطی نوری استفاده می شود.

صنعت: لیزر برای برش، جوشکاری، حکاکی و اندازه گیری دقیق استفاده می شود.

تحقیقات علمی: فیزیک لیزر; آزمایش‌های شیمیایی و بیولوژیکی از لیزر برای مطالعه رفتار مواد در شرایط مختلف استفاده می‌کنند.

نظامی: لیزرها در سیستم های هدایت موشکی، دفاع هوایی و سلاح های لیزری استفاده می شوند.

آخرین تحولات

تکنولوژی لیزر دائما در حال پیشرفت است. پیشرفت های اخیر شامل توسعه لیزرهای فوق سریع (فمتوثانیه) برای تحقیقات علمی دقیق تر، لیزرهای پرقدرت برای مصارف صنعتی و نظامی و لیزرهای قابل حمل کوچکتر برای مصارف پزشکی و مصرف کننده است. به همین ترتیب، پیشرفت در نانوفوتونیک و لیزرهای کم توان منجر به افزایش کارایی و کاهش هزینه شده است.

اخرین حرف

لیزر به عنوان یکی از برجسته‌ترین نوآوری‌های قرن بیستم، تأثیر گسترده‌ای بر علم و فناوری داشته است. از جراحی های پزشکی دقیق گرفته تا ارتباطات نوری پرسرعت، لیزرها زندگی ما را به شدت تغییر داده اند. با پیشرفت‌های مستمر در این زمینه، انتظار می‌رود که کاربردها و قابلیت‌های لیزر همچنان به گسترش خود ادامه دهد و در آینده نوآوری‌هایی را به همراه داشته باشد.