: ماهیت نور همدوس لیزر

!مقدمه

عمل ((لیزر|لیزرها)) بستگی به ((گسیل القایی)) دارد. که بوسیله ((ضرایب انیشتین|ضریب انیشتین)) __B₂₁__ مشخص می شود. ((میزر)) ‏به معنی تقویت کهموج بوسیله گسیل القایی تابش است و ((لیزر)) به همان معنی برای نور است. ‏میزرها مدتی قبل از لیزرها بوجود آمدند. علت عمده اینکه ، اتلاف انرژی حاصل از فرآیند رقیب گسیل خود به خودی در طول موجهای بلند خیلی کمتر است (__A₂₁.B₂₁ = V³__).‏

مجموعه‌ای از اتمها یا مولکولها با ترازهای انرژی (1) و (2) را در نظر می‌گیریم که تحت ‏تابش نوری به ((فرکانس)) __V₁₂__ قرار گرفته‌اند. هر اتم در حالت (1) دارای احتمال در واحد زمان __(B₁₂P (V₁₂__ برای اضافه کردن یک ((فوتون)) و در نتیجه تضعیف نور است در حالی که هر اتم حالت (2) دارای ‏احتمال __(B₁₂P(V₁₂__ برای اضافه کردن یک فوتون و در نتیجه تقویت نور است.‏




	{img src=img/daneshnameh_up/f/f1/demo.jpg}		{img src=img/daneshnameh_up/f/f1/demo.jpg}

!مکانیزم تابش همدوس لیزری

سرشتیهای تابش لیزر بطور کامل از این واقعیت ناشی می‌شود که تابش گسیل شده دقیقا دارای ‏همان فاز و جهت تابش القایی است. به عبارتی اگر تقویت بر تضعیف فزونی یابد اتمهای بسیاری را ‏می‌توان وادار به تابش همدوس کرد. در حالتهای عادی ، تعداد اتمها در حالت (1) بیشتر از اتمهای حالت (2) هستند. بطوری که در تعادل گرمایی ، جذب با ضرب ~~green:__e^-hv/KT__~~ که گسیل القایی غالب می‌آید. برای بدست آوردن تقویتی خالص باید تجمع معکوس گردد.

این کار ، به هر میزانی ، در ((نور مرئی|ناحیه مرئی)) ، به تنهایی کافی نیست. زیرا تعداد زیادی از اتمهای ‏برانگیخته بطور خود به خودی یعنی غیر همدوس فرو می‌افتند و از نقطه نظر تقویت همدوس تلف ‏می‌شوند. برای جبران کردن این اتلاف ، تقویت همدوس را ، با در برگرفتن تابش یک در حفره تشدید ‏کوک شده به فرکانس V₁₂ ، می‌افزایند. در نواحی مرئی و فرو سرخ یک چنین حفره‌ای زوج آینه ‏موازی با ضریب انعکاس بالا ، هر کدام واقع در یک انتهای ماده مورد __تجمع معکوس__ حاصل می‌شود.‏

((امواج ساکن|امواج ایستاده)) حاصل از انعکاسات متعدد بین دو انتهای این حفره دامنه‌ای به مراتب بیشتر از امواج ‏متحرکی دارند که تنها عبور ساده‌ای از درون ماده را ارائه می‌کنند. از آنجایی که حفره برای نور ‏دقیقا عمود بر ((آینه لیزری|آینه)) تنظیم شده است. لذا باریکه فرودی از انتهای آینه (یکی از آینه‌ها کمی قابلیت ‏عبور دارد) به شدت جهت دار است.

!عوامل اتلاف تابش لیزری

پاشندگی را می‌توان تا حد ده سانتیمتر در هر کیلومتر کوچک کرد. علاوه بر آن چون رفتار تابش ‏طوری است که گویی از یک نوسانگر غیر میرای تنها ، بجای تعداد زیادی نوسانگر نامربوط به هم ‏، منشأ گرفته است. لذا ناشی از ((تعریض دوپلری|جابه جایی دوپلر)) یا فشار ، یا حتی ناشی از طول عمر طبیعی ، هیچ ‏پاشندگی فرکانسی بوجود نمی‌آید. بنابرین نوار ((طول موج)) می‌تواند فوق العاده باریک باشد و ‏محدودیت آن اساسا توسط پارازیتهای گرمایی یا پایداری حفره تشدید معین می‌شود.

برای یک ((لیزر گازی)) ~~green:__ν/ν∆__~~ که معرف پاشندگی نوری لیزر می‌باشد، ممکن است از مرتبه ^14-10 ‏باشد. که همان مرتبه افت و خیز گرمایی و مکانیکی آینه است. این را می‌توان با حد دوپلر عادی که ‏حدود ^6-10 است، مقایسه کرد. این چگالش انرژی چه از نظر فضایی و چه طیفی علت اصلی شدت ‏زیاد میزرها و لیزرهاست.

در اکثر موارد انرژی به صورت تپه‌هایی به طول عمر چند میکرو ثانیه یا کمتر گسیل می‌شود، یعنی ‏چگالش نیز زود گذر است. قدرت قله‌ای تابش حاصل از یک ((لیزر یاقوت)) چند مگاواتی چیزی حدود 10¹² مرتبه بیشتر از قدرت تابش خورشید در همان ((زاویه فضایی|زاویه باریک فضایی)) و نوار فرکانسی است. اما این ‏تپه فقط ^-710 ثانیه عمر دارد. از طرق مختلف دستیابی به تجمع معکوس در اینجا بحث نخواهد شد، ‏زیرا تعداد کتابهای قابل دسترس در این زمینه بسیار زیاد است.




	{img src=img/daneshnameh_up/c/c5/laser-intro.jpg}		{img src=img/daneshnameh_up/c/c5/laser-intro.jpg}

!پمپاژ لیزر

اصل عمومی ، عبارت از انتخاب یک تراز فرا پایدار (2) و تجمع آن از طریق فروافت از تراز بالاتر ‏‏(3) است که خود بوسیله جذب تابش به طول موجهای کوتاه تر ، از حالت پایه به آن حالت رسیده ‏است، این فرآیند به ((پمپاژ نوری)) (1) موسوم است. بطور مثال ، در لیزر یاقوت نور قرمز 6943 ‏آنگستروم از طریق فرو افت اتمهای ناخالص کرومیوم از یک تراز فرا پایدار (2) به حالت پایه (1) بوجود می‌آید.

روش دیگر پمپاژ نوری بوسیله ((لیزر گازی هلیوم - نئون)) نشان داده شده است. از آنجایی که تمام ‏ترازها تیزند. لذا انرژی فقط می‌تواند در نوارهای بسیار باریک ((فرکانس)) جذب شود و برانگیزش ‏توسط درخشی از تابش پیوسته بسیار نامؤثر خواهد بود. در عوض تراز (2) در نئون از طریق ‏برخورد با اتمهای هلیوم فرا پایدار به همان انرژی ، حاصل از یک ((تخلیه الکتریکی)) مداوم تجمع می‌یابد. گذار لیزری (1) <--- (2) به حالت پایه پایان نمی‌یابد. بنابراین تراز (1) تجمع نسبتا کوچکی دارد ‏و عمل معکوس کردن تجمع می‌تواند بدون فرا پایدار شدن تراز (2) تحقق پذیرد. در واقع هر دو ‏تراز (1) و (2) به زیر ترازهای متعددی شکافته می‌شوند. در این فرآیند خطوط متعدد فروسرخ و لیزر با نور قرمز ایجاد می‌شود.

لیزر پالسی

‏برخلاف آنچه در حالت جامد انتظار می‌رود تراز (2) به جای نوار ، یک تراز تیز است، زیرا تراز پر ‏3d یون کرومیوم توسط الکترونهای خارجی از تأثیر میدانهای بلور محفوظ می‌ماند. این تراز بوسیله گدازهای غیر تابشی از نوار عریض (3) تجمع می‌یابد، در این حالت انرژی به ((شبکه بلوری|شبکه کریستالی)) ‏منتقل می شود. درخشی از تابش پیوسته برای برانگیختن اتمها به تراز (3) بکار می‌رود. به علت ‏برانگیزش درخشی و نیاز به اتلاف انرژی شبکه ، این لیزر به صورت تپش کار می‌کند. بازتابهای ‏متعدد به صیقل کردن و نقره اندود کردن سطوح انتهایی خود ((یاقوت)) حاصل می‌شود.

!طیف نمایی با لیزرها و میزرها

*گونه‌های وسیعی از میزرها و لیزرهای گازی و جامد تا کنون ساخته و پرداخته شده‌اند که تمامی ‏ناحیه طیفی از کهموج تا فرابنفش نزدیک را ، هر چند عموما در فرکانسهای ثابت معینی ، در بر می‌‏گیرند.

*ایجاد لیزرها برای ((امواج فرابنفش|ناحیه فرابنفش)) دور موضوع به مراتب مشکلتری است. زیرا در فرکانسهای بالا ‏گسیل خود به خودی و اتلاف از طریق بازتاب به سرعت افزایش می‌یابند.

*تا این اواخر استفاده از لیزرها در طیف نمایی به علت عدم قابلیت کوک آنها به فرکانسهای دلخواه ‏، محدود بود و معمولا بطور تصادفی می‌شد از یک منبع با فرکانس ثابت برای تجربه معین استفاده ‏کرد.

*((طیف نمایی رامان)) یک استثناء در این مورد است: طول موج تابش فرودی می‌تواند کاملا دلخواه ‏انتخاب شود و شدت زیاد لیزر بطور قابل توجهی مشکلات ناشی از ضعیف بودن خطوط رامان را ‏کاهش می‌دهد.

!کاربردهای نور همدوس لیزر

*برای سایر شاخه های طیف نمایی توسعه لیزرهای رنگین دورنمای هیجان انگیزی را عرضه می ‏دارد. لیزرهای رنگین در گستره وسیعی از طول موجها نور تاباند، و تقویت در هر طول موج دلخواه ‏از نور مرئی تا ((اشعه مادون قرمز|فروسرخ)) را می توان با انتخاب یک رنگ مناسب و جدا کردن نوار موجی مورد نیازاز ‏طریق ((توری پراش)) تا ((تداخل سنج)) بدست آورد.

*از طریق روش دو برابر کردن فرکانس می‌توان گستره ((طول موج)) را به ناحیه فرابنفش گسترش داد. ‏با بکار بردن یک لیزر رنگین کوک پذیر به عنوان منبع پایه برای ((طیف نمایی جذبی)) می‌توان از یک ((طیف سنج|‏طیف نگار)) متعارف صرف نظر کرد.

*شدت یک لیزر رنگین را می‌توان به آسانی تا حدی بزرگ کرد که بتواند تجمع هر حالت ‏برانگیخته شده مناسبی را ، که از طریق یک گذار تابشی از حالت اساسی بدست می‌آید، اشباع ‏کند. این بدان معنی است که می‌توان تجمع حالت پایه و حالت برانگیخته شده را واقعا با همدیگر ‏برابر کرد. در این صورت می‌توان اثرهای گوناگونی را در حالت برانگیخته نظیر جذب به حالتی ‏باز هم بالاتر ، فرآیندهای فرو پاشی برخوردی و تابشی و انتقال انرژی برانگیختگی به حالتهای مجاور را مورد بررسی قرار داد.

*باید اضافه کرد که لیزرها وسیله‌ای فوق العاده مفید در یک آزمایشگاه طیف نمایی برای کارهای ‏ساده ولی اساسی نظیر تنظیم طیف نگارها ، میزان کردن تداخل سنجها و بدست آوردن شکلهای خطی ، دستگاههای مفیدی هستند.

*از لیزرها بطور وسیعی در ((طیف سنج پلاسما)) به عنوان وسایل تشخیص برای اندازه گیری ‏مستقیم ~~green:دما~~ و ~~green:چگالی الکترونی~~ استفاده می‌شود.‏

!مباحث مرتبط با عنوان