لیزر
لِیزِر (laser)
سرنام عبارتی انگلیسی به‌معنی تقویت نور با گسیل تحریکی تابش[۱]. وسیله‌ای برای تولید باریکۀ ظریف نور است. این نور می‌تواند بدون پاشیدگی تا فواصل بسیار دور انتقال یابد و براثر کانونی‌شدن، چگالیِ توان فوق‌العاده زیادی پدیدآورد. میزان چگالی توان برای لیزرهای پرانرژی ۱۰۸ وات بر سانتی‌متر مربع است. اصول کار لیزر مشابه اصول کارکرد میزر[۲]، نوسانگر یا تقویت‌کنندۀ میکروموج پُربسامد، است. برخی از کاربردهای لیزر عبارت‌اند از ارتباطات، زیرا باریکه‌های لیزری نسبت‌به امواج رادیویی اطلاعات بیشتری منتقل می‌کنند، همچنین برش‌کاری، مته‌کاری، جوش‌کاری، ردیابی ماهواره‌ها، پژوهش‌های پزشکی و زیست‌شناختی، و جراحی. ارتعاشات صوتی تولیدشده در پنجرۀ شیشه‌ای اتاق را با باریکۀ بازتابیدۀ لیزر تشخیص می‌دهند و در سالن‌های تئاتر، کنسرت، و نمایشِ نور نیز از لیزر برای تفریح و سرگرمی استفاده می‌کنند.
مادۀ لیزری. هر ماده‌ای که بیشتر اتم‌ها و مولکول‌هایش تحریک‌پذیر باشند و در حالت انرژی برانگیخته مستقر شوند، به‌‌منزلۀ مادۀ لیزری کاربرد دارد. بسیاری از جامدات، مایعات، و گازها را به این منظور به‌کار برده‌اند. ازجملۀ آن‌هاست بلور مصنوعی یاقوت که برای اولین تولید نور لیزر در ۱۹۶۰ به‌کار گرفته شد و خروجی تپشی پرقدرتی دارد، و مخلوط گازی هلیوم ـ نئون که نوری پیوسته ولی کم‌قدرت دارد.
کاربردها. لیزرهای گازی دی‌اُکسید کربُن (لیزرهای CO۲) کاربردهای تجاری بسیار دارند. این لیزرها باریکه‌هایی با توان ۱۰۰ وات یا بیشتر در ناحیۀ فروسرخ، به طول موج ۱۰.۶ میکرومتر، تولید می‌کنند در صنایع تولید لباس، برای برش هم‌زمان صدها لایه پارچه به‌کار می‌روند. طول موج لیزرهای رنگینه‌ای[۳]، که مواد لیزری آن‌ها به‌صورت رنگینه‌هایِ آلیِ کمپلکس در محلول است، در گسترۀ درخور توجهی از طیف مرئی قابل تنظیم و گزینش است.
گسیل فوتون. هر اتم که بتواند به‌اندازۀ کافی انرژی کسب کند، فوتونی از نور گسیل می‌کند که به‌صورت قطار موج بنیادی[۴] است. اتم با این انرژی حالت برانگیخته پیدا می‌کند. برانگیختگی اتم ممکن است براثر برخورد با اتم دیگر یا تابش نوری با طول موج مناسب اتفاق بیفتد. به فرآیند تأمین انرژی اتم دَمش[۵] می‌گویند. معمولاً اتم برانگیخته بسیار سریع، در کمتر از ۶-۱۰ ثانیه، فوتون گسیل می‌کند و این گسیل به‌صورت نامرتب (گسیل خودبه‌خودی[۶]) است. هرگاه اتم در حالت برانگیخته باشد و فوتونی با همان طول موج از کنارش بگذرد، فوتون اتم هم‌فاز با فوتون گذرنده گسیل می‌شود. (گسیل تحریکی[۷]). در لیزر، ترتیبی می‌دهند که فرآیند گسیل هم‌فاز فوتون‌ها به‌صورت انبوه و با نور پُرشدت اتفاق بیفتد.
لیزرهای هلیوم ـ نئون. لیزر هلیوم ـ نئون متداول‌ترین و ارزان‌ترین نوع لیزر است. این لیزر به‌صورت لولۀ شیشه‌ای سربسته‌ای حاوی مخلوطی از گازهای هلیوم و نئون در فشار کم است. در دوسر لوله دو آینۀ تخت قرارداده‌اند. انرژی تخلیه سبب «دَمش» اتم‌های نئون می‌شود که فوتون‌هایی با طول موج ۶-۱۰×۰.۶۳۲۸ متر (نور سرخ) گسیل می‌کند. نور تولیدشده در فاصلۀ بین آینه‌ها، گذارهای رفت‌وبرگشت پیدا می‌کند و در هر بارگذار بیشتر تقویت می‌شود. البته یکی از آینه‌ها را اندکی شفاف می‌سازند تا باریکه‌ای از نور سرخ از آن خارج شود.
همدوسی لیزر. نور لیزر بسیار همدوس و به‌همین سبب برای نمایش انواع آثار تداخلی قابل استفاده است. نور لیزر در تمام‌نگاری[۸] و اندازه‌گیری دقیق طول به‌روش تداخل‌سنجی[۹] کاربرد دارد. نور لیزر، با توجه به خاصیت همدوسی[۱۰]، دقیقاً موازی‌سازی می‌شود. اگر باریکه‌ای موازی به قطر یک متر تولید شود، گستردگی زاویه‌ای آن براثر پراش بسیار کمتر از یک ثانیۀ قوسی خواهد بود. با استفاده از این خاصیت، تپش‌های لیزر را به کرۀ ماه فرستاده‌اند و با آشکارسازی تپش‌های بازتابیده از آینه‌هایی در کرۀ ماه، اندازه‌گیری دقیق فاصله ماه تا زمین امکان‌پذیر شده است. گرمای متمرکزی که لیزر تولید می‌کند، کاربردهای بسیار در عملیات جراحی، جوش‌کاری، و مواردی از این دست یافته است. با استفاده از لیزر تپش‌هایی بسیاربسیار کوتاه‌مدت، برابر ۱۱-۱۰ ثانیه، و توان قله‌ای بسیاربسیار شدید، برابر ۱۰۱۴ وات، تولید می‌کنند. با این تپش‌ها می‌توان واکنش گداخت عناصر سبک‌وزن را برای تولید انرژی راه‌اندازی کرد که روش تولید انرژی در ستاره‌هایی مثل خورشید است. در ۱۹۹۵، لیزر امگا[۱۱] را در دانشگاه راچستر[۱۲] نیویورک ساختند. این لیزر تپش‌هایی با توان ۶۰ تریلیون وات و زمان دوام ۰.۶۵ نانوثانیه تولید می‌کند و برای مقاصد پژوهشی غیرتسلیحاتیِ گداخت‌هسته‌ای کاربرد دارد. در آزمایشگاه تابش لارنس لیورمور[۱۳]، واقع در کالیفرنیا، لیزری با توان ۱.۳ پتاوات (۱۳۰۰ تریلیون وات) ساخته‌اند (مه ۱۹۹۶).
لیزر اتمی. برای اولین‌بار در ۱۹۹۷، دانشمندان امریکایی نخستین لیزر اتمی را به‌نمایش گذاشتند. این لیزر نوع جدیدی از ماده گسیل می‌کند که در آن، اتم‌ها به‌صورت موج نور عمل می‌کنند. بنابه پیش‌بینی این مخترعان، لیزر جدید پیشرفت‌هایی را در تراشه[۱۴]های رایانه‌ای و تجهیزات ناوبری پدید خواهدآورد. نور در برخورد با اتم برانگیختۀ دیگر باعث گسیل بیشتر نور می‌شود. بر شدت پرتوهای نور، حین رفت‌وبرگشت بین آینه‌ها، افزوده می‌شود. در لیزر گازی، انرژی الکترون‌هایی که بین الکترودها در حرکت‌اند، به اتم‌های گاز منتقل می‌شود. اتمی که انرژی گرفته است، پرتوی از نور گسیل می‌کند. این پرتو هنگام برخورد با اتم برانگیختۀ دیگر باعث گسیل بیشتر نور می‌شود. پرتوهایی که بین دو آینۀ دو سر لوله در حال رفت‌وبرگشت‌اند، تولید نور را به‌شدت افزایش می‌دهند. نور تولیدشده سرانجام به‌شدتی می‌رسد که از آینۀ نیمه نقره‌اندود در یک سر لوله می‌گذرد و باریکه‌ای از لیزر پدید می‌آورد. در ضبط تمام‌نگاشت، نور عبوری حاصل از لیزر به دو باریکه تقسیم می‌شود. یکی از این باریکه‌ها مستقیماً به‌طرف صفحۀ عکاسی هدایت می‌شود و باریکۀ دیگر، پس از بازتاب از جسم، به صفحۀ عکاسی می‌رسد. ترکیب این دو باریکه نقشی روی صفحۀ عکاسی پدید می‌آورد که متضمن اطلاعاتی از شکل سه‌بعدی جسم است. اگر این صفحه را پس از ظهور در معرض نور لیزر قرار دهیم، نقش ضبط‌شده تصویر سه‌بعدی جسم را نشان می‌دهد. با توجه به قابلیت تمرکز در نواحی بسیار کوچک، می‌توان نور لیزر را در فرآیندهایی به‌کار برد که نیاز به‌دقت فراوان دارند. بادسنج[۱۵] لیزری، ساخت سازمان انرژی اتمیِ انگلیس در هاروِل، سرعت حرکت شاره‌ها را با لیزر اندازه می‌گیرد.
- ↑ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
- ↑ maser
- ↑ dye laser
- ↑ elementary wave train
- ↑ pumping
- ↑ spontaneous emission
- ↑ stimulated emission
- ↑ holography
- ↑ interferometry
- ↑ coherence
- ↑ omega laser
- ↑ University of Rochester
- ↑ Lawrence Livermore Radiation Laboratory
- ↑ chip
- ↑ anemometer