دسته‌ها
فیزیک اتمی فیزیک اتمی فیزیک پیش دانشگاهی فیزیک دوازدهم

لیزر

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.

ph3 s5 laser 01 لیزر

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.

ph3 s5 laser 02 لیزر

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.

ph3 s5 laser 03 لیزر

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.

ph3 s5 laser 04 لیزر

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.

ph3 s5 laser 05 لیزر

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 :

ph3 s5 laser 06 لیزر

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.

ph3 s5 laser 07 لیزر

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 ثانیه) (شکل الف) نسبت به حالت برانگیخته معمولی (۱۰ 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.

ph3 s5 laser 20 لیزر

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.

ph3 s5 laser 09 لیزر

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

ph3 s5 laser 21 لیزر

دانلود نسخه PDF جزوه لیزر


کبیری

از کبیری

مصطفی کبیری کناری متولد سال ۱۳۶۷ در شهرستان فریدونکنار (استان مازندران) ، دبیر فیزیک دبیرستان های شهرستان کلاردشت با سوابق تحصیلی کارشناسی رشته دبیری فیزیک در دانشگاه مازندران و کارشناسی ارشد فیزیک حالت جامد در دانشگاه تربیت مدرس تهران (نا تمام) هستم . هدف از ایجاد این سایت برای من ، ایجاد یک محیطی آموزشی کارآمد است که در آن دانش آموزان بتوانند فیزیک را به صورت پایه ای و مفهومی بیاموزند .

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *