لیزر تکنولوژی‌ای است که توسط تقویب اپتیکی بر پایه تابش گسیل برانگیختگی (ترجمه فارسی عبارت انگلیسی Light Amplification by Stimulated Emission Radiation)، نور تولید می‌کند. حروف واژه لیزر(LASER) به ترتیب حرف اول کلمه‌های Light (نور)، Amplification (تقویت)، Stimulated (القایی)، Emission (گسیل)، Radiation (تابش) و به معنی تقویت نور توسط گسیل القایی تابش می‌باشد. ساده‌ترین ساختار تولید لیزر شامل دو آینه است که به صورت موازی روبروی هم قرار گرفته اند به گونه‌ای که یک نوسان ساز را تشکیل می‌دهند، با ایجاد یک محیط فعال بین آینه که روند تابش و بازتابش بین آن دو را تقویت کند عمل لیزش اتفاق می‌افتد. نور لیزر از موج‌هایی تشکیل شده که همگی هم فازند و طول موج یکسان دارند، در حالی که نور عادی شامل طول موج‌های مختلف است و موج‌های مختلف با یکدیگراختلاف فاز دارند. در لیزر که به آن میزر نیز گفته می‌شود، اتم‌ها یا مولکولها طوری برانگیخته می‌شوند که بیشتر آن‌ها در تراز انرژی بالاتر قرار دارند و تعداد کمتری در تراز انرژی پایین‌تر قرارمی‌گیرند. به این وضعیت، جمعیت وارون می‌گویند. فرآیند افزایش انرژی برای ایجاد جمعیت وارون، پمپاژ (یا دمش) نامیده می‌شود. به محض اینکه اتم‌ها یا مولکولها در این حالت بر انگیخته قرار بگیرند، به راحتی تابش می‌کنند. اگر فوتونی که بسامد آن متناظر با اختلاف انرژی این حالت برانگیخته و حالت پایه است به اتم برانگیخته‌ای برخورد کند، تابشی القایی در اتم برانگیخته به صورت فوتونی که هم بسامد ،هم فاز و هم جهت با فوتون برخورد کننده است، ایجاد می‌شود. فوتون برخورد کننده و فوتون حاصل از گسیل القایی می‌توانند هریک به یک اتم برانگیخته دیگری برخوردکنند و تابش‌های القایی بیشتری ایجاد کنند، که همگی هم بسامد و هم فاز هستند. این روند یک عمل ناگهانی از تابش همدوس در یک واکنش زنجیره‌ای سریع حاصل می‌کند و تمامی‌اتم‌ها به صورت زنجیره‌ای تخلیه می‌شوند (به حالت پایه بر می‌گردند). معمولا لیزر را طوری می‌سازند که نور گسیل شده بین دو انتهای یک کاواک تشدیدی که به آن تشدید گر می‌گویند به صورت بازتابی رفت و برگشت کند تا بالاخره باریکه نور بسیار کانونی شده و با شدت زیاد از یک انتها ی یک کاواک تشدیدی که به صورت جزیی بازتاب کننده است، خارج شود. اگر اتم‌ها پس از تخلیه مجدد به حالت برانگیخته دمیده شوند پرتو پیوسته‌ای از نور همدوس تولید می‌شود.

ماهیت لیزر

در لیزر که به آن میزر نیز گفته می‌شود، اتم‌ها یا مولکولها طوری برانگیخته می‌شوند که بیشتر آن‌ها در تراز انرژی بالاتر قرار دارند و تعداد کمتری در تراز انرژی پایین‌تر قرارمی‌گیرند. به این وضعیت، جمعیت وارون می‌گویند. فرآیند افزایش انرژی برای ایجاد جمعیت وارون، پمپاژ (یا دمش) نامیده می‌شود. به محض اینکه اتم‌ها یا مولکولها در این حالت بر انگیخته قرار بگیرند، به راحتی تابش می‌کنند. اگر فوتونی که بسامد آن متناظر با اختلاف انرژی این حالت برانگیخته و حالت پایه است به اتم برانگیخته‌ای برخورد کند، تابشی القایی در اتم برانگیخته به صورت فوتونی که هم بسامد ،هم فاز و هم جهت با فوتون برخورد کننده است، ایجاد می‌شود. فوتون برخورد کننده و فوتون حاصل از گسیل القایی می‌توانند هریک به یک اتم برانگیخته دیگری برخوردکنند و تابش‌های القایی بیشتری ایجاد کنند، که همگی هم بسامد و هم فاز هستند. این روند یک عمل ناگهانی از تابش همدوس در یک واکنش زنجیره‌ای سریع حاصل می‌کند و تمامی‌اتم‌ها به صورت زنجیره‌ای تخلیه می‌شوند (به حالت پایه بر می‌گردند). معمولا لیزر را طوری می‌سازند که نور گسیل شده بین دو انتهای یک کاواک تشدیدی که به آن تشدید گر می‌گویند به صورت بازتابی رفت و برگشت کند تا بالاخره باریکه نور بسیار کانونی شده و با شدت زیاد از یک انتها ی یک کاواک تشدیدی که به صورت جزیی بازتاب کننده است، خارج شود. اگر اتم‌ها پس از تخلیه مجدد به حالت برانگیخته دمیده شوند پرتو پیوسته‌ای از نور همدوس تولید می‌شود.

اجزا و سیستم کار لیزر

چهار عنصر اصلی برای تولید نور همدوس توسط تابش القایی در اجزا لیزر موردنیاز است که شامل آیینه نیمه شفاف،آیینه بازتاب کننده کامل، محیط فعال و مکانیزم تولید نور لیزر است. لیزر منبع نوری است که خواص یکتایی و منحصر به فرد را به نمایش می‌گذارد و در زمینه جوش‌کاری، نقشه بر داری، پزشکی، ارتباطات، دفاع ملی و نیز در زمینه‌های مختلف تحقیقات علمی‌کاربرد دارد. امروزه انواع گوناگون لیزر به صورت تجاری در دسترس است و در اندازه‌های متفاوتی یافت می‌شود به طوری که بعضی از آنها می‌توانند در نوک انگشت جای بگیرند و بعضی دیگر یک ساختمان بزرگ را پرمی‌کنند با وجود این تمام این لیزرها دارای خواص مشترکی هستند. برای شناخت لیزر لازم به توضیح عواملی چند می‌باشد. از جمله این عوامل محیط فعال لیزری است. محیط فعال لیزر می‌تواند اتم، مولکول و یا یون باشد. بعضی از مولکولهای سبک نیز قادر به اجرای عمل لیزر هستند. در مورد یون اتمی‌می‌توان از محیط فعال آرگون یونی و یا مولکول یونی نیتروژن نام برد. مولکولهای سنگین مثل رودامین‌ها، لیزر‌های رنگی را تشکیل می‌دهند و نیز می‌توانیم با وارد کردن ناخالصی‌ها در یک محیط خاص، محیط‌های فعال به صورت جامد را به وجود بیاوریم، مانند یاقوت که از حضور ناخالصی کروم یونیده در داخل اکسید آلومینیم تشکیل شده است و یا لیزرحالت جامد دیگر معروف به YAG:Nd. محیط فعال لیزر می‌تواند با استفاده از نیمه رساناها حاصل شده باشد مانند GaAs. در مثال‌های بالا اگر حرکت الکترون را در نظر بگیریم، از اتم به سمت مولکولهای سبک و سنگین و بالاخره به سوی نیمرساناها، گویی که گسترش حرکت الکترون مرتبا افزایش می‌یابد ولی در تمامی‌آنها الکترون به هسته (و یا هسته ها) مقید هستند. حال می‌توانیم این قید را هم کنار بگذاریم، در این صورت الکترون به صورت آزاد خواهیم داشت یعنی به هیچ وجه مقید به هسته‌ای نیستند، در اینجاست که از لیزرهای الکترون آزاد صحبت می‌شود. بنابراین، دراولین قدم شناخت لیزر محیط فعال می‌باشد که این محیط به صورت اتم، مولکول (و یایون اتم و مولکول) است. محیط فعال را ازنظر ماهیت فیزیکی می‌توان در فازهای گاز، مایع، جامد و نیمه رسانا نیز تقسیم بندی کرد.

محیط فعال

محیط فعال، همانطور که به آن اشاره شد مجموعه‌ای از اتم‌ها یا مولکولهاست که می‌توانند به حالتی باتجمع یا جمعیت وارون، یعنی وضعیتی که اتمها یا مولکولها ی در حالت برانگیخته نسبت به اتمها ی حالت پایه هستند، برانگیخته شوند. دو حالتیکه برای گذار از یک حالت بالاتر به یک حالت پایین‌تر در اجرا ی عمل تقویت برگزیده می‌شوند، یعنی دو حالتی که درواقع در عمل لیزری شرکت دارند باید دارای خواص معینی باشند. اولین مشخصه آن است که اتم‌ها باید برای زمان نسبتا طولانی در تراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون‌های تابشی القایی از تعداد فوتون‌های تابشی خودبخودی بیشتر شود. دومین مشخصه وجود یک روش موثر پمپاژ اتمهاست تا جمعیت تراز انرژی بالایی که در حالت عادی بسیار کمتر از جمعیت تراز پایه است، افزایش یابد و پدیده وارونی جمعیت رخ دهد. افزایش جمعیت تراز پایینی به بیش از جمعیت حالت انرژی بالایی باعث منفی شدن وارونی جمعیت شده و ازتقویت نور توسط تابش القایی جلوگیری می‌کند. به بیان دیگر، با رفتن اتم‌ها از تراز انرژی بالایی به تراز انرژی پایینی فوتون‌های بیشتری توسط تابش خودبخودی از دست می‌روند. که جهت گیری آنها کاتوره‌ای است و موج‌های وابسته به آنها هم فاز نیستند.

خواص نور لیزر

محیط فعال، همانطور که به آن اشاره شد مجموعه‌ای از اتم‌ها یا مولکولهاست که می‌توانند به حالتی باتجمع یا جمعیت وارون، یعنی وضعیتی که اتمها یا مولکولها ی در حالت برانگیخته نسبت به اتمها ی حالت پایه هستند، برانگیخته شوند. دو حالتیکه برای گذار از یک حالت بالاتر به یک حالت پایین‌تر در اجرا ی عمل تقویت برگزیده می‌شوند، یعنی دو حالتی که درواقع در عمل لیزری شرکت دارند باید دارای خواص معینی باشند. اولین مشخصه آن است که اتم‌ها باید برای زمان نسبتا طولانی در تراز بالاتر بمانند تا تعداد فوتون‌های تابشی القایی از تعداد فوتون‌های تابشی خودبخودی بیشتر شود. دومین مشخصه وجود یک روش موثر پمپاژ اتمهاست تا جمعیت تراز انرژی بالایی که در حالت عادی بسیار کمتر از جمعیت تراز پایه است، افزایش یابد و پدیده وارونی جمعیت رخ دهد. افزایش جمعیت تراز پایینی به بیش از جمعیت حالت انرژی بالایی باعث منفی شدن وارونی جمعیت شده و ازتقویت نور توسط تابش القایی جلوگیری می‌کند. به بیان دیگر، با رفتن اتم‌ها از تراز انرژی بالایی به تراز انرژی پایینی فوتون‌های بیشتری توسط تابش خودبخودی از دست می‌روند. که جهت گیری آنها کاتوره‌ای است و موج‌های وابسته به آنها هم فاز نیستند.