نور مهار شده

در 16 مه 1960 دکتر تئودر مایمن اولین لیزر را در آزمایشگاه های شرکت هواپیمایی هیوز،در مالیبو درکالیفرنیا با موفقیت بکار انداخت. میله ای از یاقوت مصنوعی که کمتر از 5/2 سانتی متر طول و حدود 8/0 سانتی متر قطر داشت درون لامپ درخشی شیشه ای مار پیچی شکلی قرار داده شده بود.دو انتهای تخت میله یاقوت به دقت صیقل و با نقره پوشش داده می شود.  ظهور ناگهانی نور در لامپدرخشی برقرار شد وپرتوی کوتاه باریک از نور قرمز لیزر،روشن تر از خورشید، از انتهای میله ی یاقوت بیرون جست.به این طریق انرژی نور مهار ولیزر اختراع شده بود.

لیزر چیست؟

نور لیزر نوع کاملا جدیدی از نور است،درخشانتر وشدیدتر از هرچه که در طبیعت یافت می شود. می توان نور لیزری آنچنان قوی تولید کرد که هر ماده ی شناخته شده روی زمین را درکسری از ثانیه بخار کند. می تواند سخت ترین فلزات را سوراخ کند یا به حالتی جسم سختی مثل الماس را سوراخ کند و از آن بگزرد.

برعکس،باریکه های کم قدرت و فوق العاده دقیق انواع دیگر لیزر را می توان برای انجام دادن کار های بسیار ظعیف مثل جراحی روی چشم انسان بکار برد. نور لیزر را می توان خیلی دقیق کنترل کرد و بصورت باریکه مداومی به نام موج-پیوسته یا انفجار های سریعی به نام تپ (پالس) در آورد.

اگر چه اصول بنیادی لیزراز چهل سال پیش شناخته شده بود،نمایش اولین لیزر دریچه ای را به طرف یکی از هیجان انگیز ترین و پر دامنه ترین پیشرفت های تکنولوژیکی قرن بیستم گشود.در ظرف چند سال پس از نمایش اولین لیزر ،انواع بسیار گوناگونی از لیزرها به صورت ابزار های عملی به صور گوناگون به کار گرفته شدند،وهمان طور که خواهیم دید، لیزرها تکنولوژی  واقعا انتقلابی جدیدی را بوجود آورده اند وتأثیر آن ها بر زندگی ما در آینده نیز ادامه خواهد داشت.

امروزه، گستره وسیعی از لیزرها در همه جا بکار گرفته شده اند. فروشگاه های بزرگ و بسیاری از انبار های بزرگ خرده فروشی برای جستجوی خود به خود، ثبت قیمتها و صورت برداری از اقلام خریداری شده درقسمت حساب کننده از لیزر بهره می گیرند. در دستگاه های ویدئویی از نور لیزر برای «خواندن» دیسک های ویدئویی و ایجاد تصویر متحرک همراه با صدا اغستفاده می کنند .مقدار زیادی اطلاعات را روی دیسک های لیزری ضبط می کنند تا بعدا روی صفحه ی کامپیوتر خوانده شوند یا توسط چاپگر های لیزری به شکل نسخه سخت روی کاغذ چاپ شوند.

در پزشکی ، از نور لیزر به عنوان نوع جدیدی «چاقوی جراحی» بدون خون ریزی استفاده می شود و وقتی که نسجی مثل قسمت معیوب کیسه صفرا در خلال جراحی برداشته می شود رگ های خونی بسته می شود.

در صنعت از لیزرها برای عملیات گرمایی فلزات ، جوش دادن قسمت ها به یکدیگر و وسایل همترازی دقیق استفاده می شود.لیزرها را برای اندازه گیری دقیق فاصله های خیلی بزرگ و نیز فاصله های خیلی کوچک به کار می برند. افزون بر اینها، لیزرها را همراه با تارهای نوری برای انتقال بهتر داده ها و بهبود ارتباط تلفنی به کار می گیرند.لیزرها درحال تغییر دادن نحوه پژوهش دانشمندان هستند.لیزرها می توانند چشمه جدیدی از قدرت الکتریکی بیافرینند، مشابه فرایندی که در خورشید ما برای ایجاد انرژی به وجود می آید.

لیزر چگونه کار می کند؟

هر لیزر قسمت های اساسی مشخصی دارد. اول اینکه باید یک چشمه انرژی وجود داشته باشد. اغلب چشمه انرژی الکتریسیته است، ولی بجای آن می توان یک چشمه پر قدرت نور معمولی ،واکنش شیمیایی، یا حتی لیزر دیگر نیز به کار برد.

قسمت لازم دیگر لیزر به محیط فعال موسوم است. محیط فعال ماده ای است که می تواند انرژی را جذب و آزاد کند. این محیط می تواند جامد باشد ، مثل یاقوت یا بلورهای دیگر، مایع باشد،مثل بعضی رنگینه ها ،یا گاز باشد، مثل دی اکسید کربن. باریکه لیزر در وقع در محیط فعال تولید می شود.

آخرین قسمت اساسی لیزر سازی و کار پسخوراند است . ساز وکار پسخوراند از دو آینه یا سطوح بازتابنده دیگر تشکیل شده است که در دو انتهای محیط فعال قرار می گیرند. یکی از آینه ها ، به نام جفتگر خروجی باز تابنده جزئی است.

عمل لیزری در چند مرحله انجام می گیرد . چشمه انرژی، درخشی از نور گسیل می دارد و محیط فعال آن را جذب می کند. انرژی جذب شده ،بعضی از اتمهای محیط فعال را بر می انگیزد و آنها به تراز انرژی زیاد تر می پرند.درخشهای مکرر نور به برانگیزش، یا پمپ اتم های محیط فعال ادامه می دهد. وقتی که در محیط فعال تعداد اتمهای برانگیخته یعنی انرژی زیاد بیشتر از اتم ها انرژی کم باشد،وارونی جمعیت به وجود می آید. پدید آمدن وارونی جمعیت برای عمل لیزری ضروری است.

در حین عمل لیزری ،اتمهای با انرژی زیاد ،در حال برگشتن به تراز انرژی کم ، انرژی اضافی خود را به صورت مقادیر نوری ظریفی به اسم فوتون تابش می کنند.این نور به نوبه خود ، اتم های دیگری رادر محیط فعال برمی انگیزندو همین اتم ها نیز نور تولید می کنند . به این ترتیب اتمهای بیشتر و بیشتری از محیط فعال فوتون تابش می کنند و واکنش زنجیره ای افزایش انرژی راه می افتد. این پدیده به گسیل القایی موسوم است.آینه های دو سر لیزر نور گسیل شده را به محیط فعال بر می گردانند و نور باز هم پر شدت می شود،فرآیندی که تقویت نام دارد. با بیشتر و بیشتر شدن شدت، نور ایجاد شده در لیزر آنقدر قوی میشود که از جفتگر خروجی که به طورجزئی نقره اندوداست به صورت نور لیزر به بیرون می گریزد.معمولا لیزر هارا بر حسب محیط فعالشان نامگذاری می کنند. مثلا در لیزر یاقوتمحیط فعال تکه جامدی از یاقوت است. درلیزر رودامین استفاده می کنند. رودامین مایع رنگینه فلوترسانی است که بعنوان محیط فعال بکارمی رود. درلیزر گازی از کربن دی اکسید  به عنوان محیط فعال بهره می گیرند و در لیزر گازی از مخلوط گاز های هلیم نئون استفاده می شود. در لیزر های نیمرسانا یا دیودی ، بلور ها که بخش کوچکی از وسایل کوچک الکترونیکی را تشکیل می دهند محیط های فعال هستند.

ماهیت نور

مقداری از دانش لازم برای ساخت اولین لیزر از همان اوایل قرن بیستم موجود بود.ولی قبل از اینکه بتوان اولین لیزر را ساخت،لازم بود که دانشمندان چیزهای بیشتری را در مورد ساختار و رفتار اتمها فرا گیرند.

جنس اتمها

هر ماده ای از ذراتی به نام اتم تشکیل شده است.اتمها کوچکترین واحد یک عنصر شیمیایی هستند و تا هنگامی که آن عنصر وجود دارد می توانند وجود داشته باشند. میلیونها از این اتمها، با اندازه زیر میکروسکوپی، می توانند در نوک یک سوزن جا بگیرند.

درسالهای 1910و1911 ارنس راترفورد ودو تن از دانشجویانش آزمایش هایی رادر کمبریج انگلیسی به عمل آوردند. این آزمایشها نشان دادند که اتم از ذرات کوچکتری به نام پروتون،نوترون و الکترون تشکیل شده است. در مرکز اتم هسته واقع است که از پروتونها و نوترونها تشکیل شده است( بجز اتم هیدروژن، که فقط یک پروتن در هسته اش دارد.) پروتونها بار الکتریکی مثبت دارند و نوترونها بار الکتریکی ندارند.

الکترونها، که بار منفی دارند، در مدارهایی به گرد هسته می چرخند. تعداد الکترونها که در مدارهایی به گرد هسته اتم می چرخند مساوی تعداد پروتونها درهسته اتم است. بنابراین بار منفی الکترونها با بار مثبت پروتونها به طوری موازنه دارند که اتم درحالت عادی خنثا است، و مجموع بار الکتریکی آن صفر است.

اولین مدار، یا تراز انرژی، که از همه به هسته نزدیکتر است می تواند تا دو الکترون داشته باشد. دومین مدار که از هسته دور تر است می تواند تا هشت الکترون و سومین مدار تا 18 الکترون داشته باشد وبه همین ترتیب، با تعداد مشخصی الکترون ممکن برای هر تراز انرژی . برای شناسایی تراز ها انرژی آنها را با حروف مشخص کرده اند، که فقط از لحاظ تاریخی ارزش دارند. اولین نوار، نوار K است و نوار های انرژی بعدی به ترتیب دور شدن از هسته نوارهای L،M،N،O،P،Q هستند. الکترونهای دورترین مدار از هسته در بالاترین تراز انرژی هستند.

در1913، نیلس بور برای توضیح رفتار مشاهده شده در اتمها نظریه ای را پیشنهاد کرد. او اتم را منظومه شمسی مینیاتوری تصور کرد که الکترونها در یک مدار یا مدارهای بیشتر به دور هسته مرکزی می گردنند، خیلی شبیه به سیارات که به گرد خورشید می گردنند. اگر چه این دید از ساختار اتمی امروزه ناکافی به نظر می رسد، ولی هنوز برای توصیف رفتار اتمی مفید است.

بنابر مدل بور برای اتم، الکترونها درمدار های خاصی بدون اینکه انرژی تابشی گسیل دارند به دور هسته می گردنند. اتم وقتی درحالت پایه است که تمام الکترونهایش در پایینترین تراز انرژی باشند. این حالت، حالت عادی، یعنی پایدار اتم است.

ولی، بور همچنین فرض کرد که الکترون می تواند ناگهانی از مدار خاصی به مدار دیگر اتم بپرد. الکترون برای حرکت از تراز انرژی پایینتر به تراز انرژی بالاتر باید انرژی بدست آورد. الکترون در حرکت از تراز انرژی بالاتر به تراز انرژی پایینتر انرژی ازدست می دهد. الکترون با جذب یا گسیل انرژی تابشی یا نور می تواند از یک تراز انرژی به تراز دیگر جهش کند.

اگر انرژی چشمه خارجی الکترونهای مدار به گرد هسته را بر انگیزند، یک یا تعداد بیشتری ازالکترونها ممکن است به قدر کافی انرژی جذب کنند و به مدار بالاتر، یا تراز انرژی بعدی بجهند. در این صورت اتم برانگیخته ودر حالت نا پایدار است و فقط برای زمان خیلی کوتاهی به نام طول عمر حالت برانگیخته می تواند درآن حالت باقی بماند. وقتی که الکترون به تراز انرژی پایینتر فروافتد، ارژی تابشی به شکل نور از دست می دهد.

ذره یا موج؟

در سال 1860 جیمزکلرک ماکسول توانست بطور تجربی ثابت کند که نور بصورت موج منتشر می شود. او دستگاه معادلاتی را برای توصیف طبیعت موجی نور ابداع کرد و نشان داد که موجهای الکترومغناطیسی که خودش نظریه  آنها را پرداخته بود دقیقا با سرعت نور حرکت می کنند. ماسکول همچنین نشان داد که امواج الکترومغناطیسی خاص دیگر مربوط به نور را نیز دارا هستند:آنها می توانند باز تابیده شوند، شکست یابند، پراشیده شوند و نقش تداخلی ایجاد کنند.

با وجود این، حیرت دانشمندان درباره بعضی از ویژگی های ادامه یافت. آنها دریافتند که نور گاهی چنان رفتار می کند که گویی از جریانی از ذرات تشکیل شده است.

در آستانه ی پایان قرن، ماکس پلانک فیزیکدان معروف این نظریه را بنیاد نهاد که نور از واحدهای درست یا بسته های انرژی تابشی تشکیل شده است، که آنها را کوانتا نامید. به علاوه، او براین نظریه بودکه کوانتم نور نمی تواند تقسیم شود.

بعضی از مواد می توانند انرژی تابشی را جذب و سپس آن را بصورت نور تابش کنند. وقتی که این امردر اتم بطور طبیعی اتفاق می افتد، گسیل خود به خود نام دارد. نور مرئی که در گسیل خود به خود آزاد می شود به شکل بسته های نور یا کوانتم های انرژی است. الکترونهای یک اتم فقط می توانند نوری با بسامد (فرکانس) معین که با یکی از جهشهای انرژی ممکن آنها «جور» باشد جذب یا گسیل دارند.

نور لیزر شکل می گیرد

لیزرها نور به خصوصی ایجاد می کنند که با نور سفیدی که در طبیعت یافت می شود یا از چشمه هایی مثل چراغ قوه یا شمع به دست می آید متفاوت است. نور سفید معمولی آمیزه بی نظمی از طول موجهای نوری بسیار متفاوتی است که در آمیخته اند و در جهتهای مختلف حرکت می کنند، درست مثل آمیزه مغشوش صداهای درهم که ما بصورت نوفه می شنویم. به این دلیل این نور را نور ناهمدوس می نامند.

نظیر یک نوای موسیقی، نور گسیلی از لیزر همه طول موج یکسان دارند و از این رو گاهی به آن نور «خالص» نیز می گویند. به علاوه، امواج نوری لیزر همزمان با هم گام بر می دارند یا همفاز حرکت می کنند. قله هر موج با قله امواج دیگر منطبق است. به این دلایل نور لیزر منظم است ونور همدوس نامیده می شود.

ویژگی دیگر نور لیزر راستایی بودن آن است. لیزر با باریکه های مستقیم حرکت می کند و نظیر نور معمولی پخش نمی شود. مثلا، باریکه نور چراغ قوه که بر دیواری درفاصله حدود 320 متر می افتد دایره ای به قطر 65 متر را روشن می کند. ولی، باریکه لیزر بر همین دیوار و در همین فاصله دایره ای به قطر حدود 3/0 متر را می پوشاند.

چون امواج نور گسیلی از لیزر همه طول موج یا بسامد یکسان دارند، این نور تکرنگ یا تکفام است. نور معمولی با عبور از منشور به رنگین کمانی از رنگهای جورواجور طیف مرئی تجزیه می شود. ولی نور لیزر با گذشتن از منشور به همان صورت باریکه مستقیم تکفام وارد شده خارج می شود.