درسنامه آموزشی فیزیک (3) دوازدهم علوم تجربی
فصل چهارم: لیزر
لیزر یکی از مفیدترین اختراعهای 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 آنها، شبکههاى کابل نورى، اندازه گیری دقیق طول، دستگاههاى جوشکاری و برش فلزات، پژوهشهای علمی، سرگرمی و ... به کار میرود. همچنین در حرفهٔ پزشکى برای جراحى، برداشتن لکههای پوستی، اصلاح دید چشم و دندانپزشکی و... از لیزر استفاده میشود (شکل ۴-1۷).
نخستین لیزر، موسوم به لیزر یاقوتی، را تئودور مایمن (2007-1927 م.) در سال 1960 میلادى ساخت. مدتی پس از آن و در همان سال، على جوان و همکارانش موفق به ساخت نخستین لیزر گازى هلیم نئون شدند.
مطابق مدل اتمی بور وقتی یک الکترون از تراز انرژی بالاتر به تراز انرژی پایینتر جهش میکند یک فوتون گسیل میشود. فرایند گسیل میتواند به صورت گسیل خود به خود و یا گسیل القایی باشد. در گسیل خود به خود (شکل ۴-۱۸ الف) فوتون در جهتی کاتورهای گسیل میشود. در حالی که در گسیل القایی (شکل ۴-۱۸ ب) که برای نخستین بار در سال 1917 میلادى توسط اینشتین مطرح شد، یک فوتون ورودی، الکترون برانگیخته را تحریک (یا القا) میکند تا تراز انرژی خود را تغییر دهد و به تراز پایینتر برود. برای گسیل القایی، انرژی فوتون ورودی باید دقیقاً با اختلاف ${{E}_{U}}-{{E}_{L}}$ انرژیهای دو تراز یعنی یکسان باشد.
گسیل القایی سه ویژگی عمده دارد. اول اینکه یک فوتون وارد و دو فوتون خارج میشود (شکل 5-20 ب). به این ترتیب این فرایند تعداد فوتونها را افزایش میدهد و نور را تقویت میکند. دوم اینکه فوتون گسیل شده، در همان جهت فوتون ورودی حرکت میکند. سوم اینکه فوتون گسیل شده با فوتون ورودی همگام یا دارای همان فاز است. به این ترتیب فوتونهایی که باریکهٔ لیزری را ایجاد میکنند هم بسامد، همجهت و همفاز هستند.
در گسیل القایی یک چشمهٔ انرژی خارجی مناسب باید وجود داشته باشد تا الکترونها را به ترازهای انرژی بالاتر برانگیخته کند. این انرژی میتواند به روشهای متعددی از جمله درخش های شدید نور معمولی و یا تخلیههای ولتاژ بالا فراهم شود. اگر انرژی کافی به اتمها داده شود، الکترونهای بیشتری به تراز انرژی بالاتر برانگیخته خواهند شد، شرطی که به وارونی جمعیت معروف است (شکل ۴-۱۹).
ب) در وضعیتی که وارونی جمعیت به وجود آید بیشتر الکترونها در تراز بالاتری (در مقایسه با تراز پایینتر) قرار دارند.
وارونی جمعیت الکترونها در یک محیط لیزری، مربوط به وضعیتی است که تعداد الکترونها در ترازهایی موسوم به ترازهای شبه پایدار نسبت به تراز پایینتر بسیار بیشتر باشند. در این ترازها، الکترونها مدت زمان بسیار طولانیتری $({{10}^{-3}}s)$ نسبت به حالت برانگیختهٔ معمولی $({{10}^{-8}}s)$ باقی میمانند. این زمان طولانیتر، فرصت بیشتری برای افزایش وارونی جمعیت و در نتیجه تقویت نور لیزر فراهم میکند.
خوب است بدانید
لیزر گازی هلیم نئون $(He-Ne)$
شکل الف، یک لیزر هلیم نئون و شکل ب، طرحی ساده از سازوکار ایجاد باریکهٔ لیزر را درون این لیزرها نشان میدهد. گاز کم فشاری شامل $\%15$ هلیم و $\%85$ ئون درون لولهٔ شیشهای قرار دارد. برای ایجاد وارونی جمعیت، از تخلیهٔ الکتریکی با ولتاژ بالا درون مخلوط گازی استفاده میشود. وقتی یک اتم با گسیل خودبه خود، فوتونی موازی با محور لوله گسیل کند، فرایند ایجاد باریکهٔ لیزر شروع میشود. این فوتون با گسیل القایی باعث میشود تا اتم دیگری دو فوتون موازی با محور لوله گسیل کند. این دو فوتون با گسیل القایی، چهار فوتون ایجاد میکنند. از چهار فوتون، هشت فوتون حاصل میشود و به همین ترتیب نوعی بهمن فوتونی به وجود میآید. برای اینکه فوتونهای بیشتر و بیشتری با گسیل القایی به وجود آیند دو انتهای لوله آینههایی قرار میدهند تا فوتونها را در داخل مخلوطی از گازهای هلیم و نئون به جلو و عقب بازتاب دهند. از آنجا که یکی از آینهها بازتاب دهندهٔ کامل نیست بخشی از فوتونها از لوله خارج میشوند و باریکهٔ لیزر را تشکیل میدهند. بازده لیزرهای هلیم نئون بسیار کم و در حدود $0/01$ تا $0/1$ درصد است، ولی به دلیل کیفیت خوب باریکهٔ لیزر ایجاد شده، کاربرد زیادی در صنعت و فعالیتهای علمی و آزمایشگاهی دارند.
