لیزر چیست و چگونه کار می کند؟

لیزر یکی از مفیدترین اختراع های قرن بیستم است که کاربرد زیادی در زندگى، فنّاوری و صنعت دارد. لیزر امروزه در چاپگرها، در نگاشتن اطلاعات روى CD و DVD ها و خواندن آن ها، شبکه های کابل نورى، اندازه گیری دقیق طول، دستگاه هاى جوشکاری و برش فلزات، پژوهش های علمی، سرگرمی و … به کار می رود. همچنین در حرفه پزشکى برای جراحى، برداشتن لکه های پوستی، اصلاح دید چشم و دندانپزشکی و… از لیزر استفاده می شود.

لامپ قرمزی مانند شکل زیر 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 فوتونهای 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 می کند.

این کار را در لیزر با گسیل القایی انجام می دهیم.

گسیل القایی برای نخستین بار در سال ۱۹۱۷ میلادی توسط آلبرت اینشتین مطرح شد.

کلمه لیزر از ابتدای کلمات جمله انگلیسی (light amplification by stimulated emission of radiation) برداشته شده است.

گسیل خود به خودی

طبق مدل اتمی بور، اگر اتم از حالت برانگیخته به حالت پایه برگردد، یک فوتون در جهتی نامشخص آزاد می کند. به این حالت می گوییم گسیل خود به خودی. 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.

گسیل القایی در لیزر

 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.

برای بررسی عددی به نمودار انرژی نگاه کنید. برای اینکه اتم برانگیخته شود باید فوتونی با انرژی برابر با اختلاف دو تراز انرژی به اتم تابانده شود یعنی :

حالا اگر یک فوتون دیگر بتابد، الکترون به تراز پایه انرژی بر می گردد و دو فوتون مشخص و یکسان گسیل می شود.

شرط وارونی جمعیت در لیزر

حال ظرفی را در نظر بگیرید که تعداد زیادی اتم در آن قرار دارد. یکی از اتم ها یک فوتون دریافت می کند و گسیل القایی انجام می دهد و دو فوتون می فرستد. هر کدام از این دو فوتون به اتم دیگری می خورند و بنابر این دو فوتون گسیل القایی انجام می دهند و چهار فوتون گسیل می شود و به همین ترتیب تعداد بیشتری از اتم های ظرف توسط فوتون برانگیخته می شوند و گسیل انجام می دهند.

در گسیل القایی چشمه انرژی خارجی مناسب باید وجود داشته باشد تا الکترون ها را به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته کنند. این انرژی می توانند به روش‌های متعددی از جمله درخش های شدید نور معمولی و یا تخلیه ولتاژ بالا فراهم شود.

اگر انرژی کافی به اتم ها داده شود الکترون های بیشتری به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته ‌می شود. شرطی که به وارونی جمعیت معروف است.  

وارونی جمعیت الکترونها در یک محیط لیزری مربوط به وضعیتی است که تعداد الکترونها در تراز هایی موسوم به تراز های شبه پایدار نسبت به تراز پایین تر بسیار بیش تر باشند در این ترازها الکترونها مدت زمان بسیار طولانی تری (۱۰^-۳ ثانیه) (شکل الف) نسبت به حالت برانگیخته معمولی (۱۰^-۸ ثانیه) (شکل ب) باقی می مانند این زمان طولانی تر فرصت بیشتری برای افزایش وارونی جمعیت و در نتیجه تقویت نور لیزر فراهم می کند.

نخستین لیزر، موسوم به لیزر یاقوتی (جامد)، را تئودور مایمن در سال ۱۹۶۰ میلادی ساخت. مدتی پس از آن و در همان سال، علی جوان و همکارانش موفق به ساخت نخستین لیزر گازی هلیم نئون شدند.

نقشه مفهومی زیر را به ذهن بسپارید.

طرح واره ای از یک لیزر گازی هلیم نئون را در زیر می بینید.

---

ویدیو آموزشی اساس کار لیزر

در این ویدیو آموزشی با اساس کار لیزر و اجزای سازنده آن توسط استاد مصطفی کبیری آشنا می شوید. همچنین یاد می گیرید لیزر مخفف چیست و تفاوت پرتوهای آن با نور لامپ معمولی چگونه است.

مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات

---

---