tgoop.com/physics_786/10311
Last Update:
#فیزیک۳
#لیزر
لیزر (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) دستگاهی است که نور هم‌فاز، تک‌رنگ و بسیار متمرکز تولید می‌کند. ایجاد لیزر بر اساس فرآیند گسیل القایی تابش (Stimulated Emission) و تقویت نور است. در ادامه مراحل و اصول کلی ایجاد لیزر توضیح داده می‌شود:
---
### اصول پایه‌ای ایجاد لیزر:
۱. گسیل القایی (Stimulated Emission):
- در حالت عادی، الکترون‌ها در اتم‌ها یا مولکول‌ها در سطوح انرژی پایین‌تر (حالت پایه) قرار دارند. اگر به این اتم‌ها انرژی داده شود (مثلاً با تابش نور یا برخورد الکترون‌ها)، الکترون‌ها به سطوح انرژی بالاتر (حالت برانگیخته) منتقل می‌شوند.
- هنگامی که یک فوتون با انرژی مناسب به اتم برانگیخته برخورد کند، الکترون به سطح انرژی پایین‌تر بازگشته و یک فوتون دیگر گسیل می‌کند. این فوتون جدید دارای همان فرکانس، فاز و جهت فوتون اولیه است. این فرآیند را گسیل القایی می‌نامند.
۲. معکوس شدن جمعیت (Population Inversion):
- برای ایجاد لیزر، باید تعداد اتم‌های برانگیخته بیشتر از اتم‌های در حالت پایه باشد. این حالت را معکوس شدن جمعیت می‌گویند. برای رسیدن به این حالت، از یک منبع انرژی خارجی (مانند نور یا جریان الکتریکی) استفاده می‌شود تا الکترون‌ها به سطوح انرژی بالاتر برانگیخته شوند.
۳. تقویت نور (Light Amplification):
- هنگامی که معکوس شدن جمعیت اتفاق می‌افتد، گسیل القایی به طور زنجیره‌ای رخ می‌دهد و تعداد فوتون‌ها به سرعت افزایش می‌یابد. این فوتون‌ها هم‌فاز و هم‌جهت هستند و نور تقویت می‌شود.
۴. تشدیدگر نوری (Optical Resonator):
- برای ایجاد پرتوی لیزر، از یک تشدیدگر نوری استفاده می‌شود. تشدیدگر معمولاً شامل دو آینه موازی است که یکی کاملاً بازتابنده و دیگری نیمه‌بازتابنده است.
- فوتون‌ها بین این دو آینه به جلو و عقب بازتاب می‌شوند و در هر عبور، با گسیل القایی، تعداد فوتون‌ها افزایش می‌یابد. در نهایت، پرتوی لیزر از آینه نیمه‌بازتابنده خارج می‌شود.
---
### اجزای اصلی یک لیزر:
۱. محیط فعال (Active Medium):
- محیط فعال ماده‌ای است که در آن معکوس شدن جمعیت و گسیل القایی اتفاق می‌افتد. این محیط می‌تواند گاز (مانند He-Ne)، مایع (مانند رنگ‌های آلی) یا جامد (مانند کریستال یاقوت یا نیمه‌هادی‌ها) باشد.
۲. منبع انرژی (Pump Source):
- منبع انرژی برای برانگیختن اتم‌ها یا مولکول‌های محیط فعال استفاده می‌شود. این منبع می‌تواند نور (لامپ فلاش یا لیزر دیگر)، جریان الکتریکی یا حتی یک واکنش شیمیایی باشد.
۳. تشدیدگر نوری (Optical Resonator):
- تشدیدگر نوری شامل دو آینه است که نور را در محیط فعال به دام می‌اندازد و باعث تقویت آن می‌شود. یکی از آینه‌ها کاملاً بازتابنده و دیگری نیمه‌بازتابنده است تا پرتوی لیزر بتواند از آن خارج شود.
---
### انواع لیزر:
۱. لیزرهای گازی (مانند He-Ne و CO₂):
- در این لیزرها، محیط فعال یک گاز است. لیزر He-Ne نور قرمز تولید می‌کند، در حالی که لیزر CO₂ نور مادون قرمز تولید می‌کند.
۲. لیزرهای حالت جامد (مانند یاقوت و Nd:YAG):
- در این لیزرها، محیط فعال یک کریستال یا شیشه‌ای است که با یون‌های فلزی دوپ شده است. این لیزرها معمولاً نور مرئی یا مادون قرمز تولید می‌کنند.
۳. لیزرهای نیمه‌هادی (مانند دیودهای لیزری):
- در این لیزرها، محیط فعال یک نیمه‌هادی (مانند GaAs) است. این لیزرها کوچک و کارآمد هستند و در دستگاه‌هایی مانند دی‌وی‌دی پلیرها و اشاره‌گرهای لیزری استفاده می‌شوند.
۴. لیزرهای مایع (مانند لیزرهای رنگی):
- در این لیزرها، محیط فعال یک محلول شیمیایی است که می‌تواند طول‌موج‌های مختلفی از نور را تولید کند.
---
### کاربردهای لیزر:
لیزرها در زمینه‌های مختلفی استفاده می‌شوند، از جمله:
- پزشکی: جراحی‌های لیزری، درمان‌های پوستی و دندانپزشکی.
- صنعت: برش و جوشکاری مواد، اندازه‌گیری دقیق.
- ارتباطات: فیبر نوری و انتقال داده‌ها.
- سرگرمی: نمایش‌های لیزری و اشاره‌گرها.
- علم و تحقیقات: طیف‌سنجی و آزمایش‌های فیزیکی.
---
### نتیجه‌گیری:
لیزر با استفاده از فرآیند گسیل القایی و تقویت نور در یک محیط فعال ایجاد می‌شود. معکوس شدن جمعیت و تشدیدگر نوری نقش کلیدی در تولید پرتوی لیزر دارند. لیزرها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، کاربردهای گسترده‌ای در علم، صنعت و زندگی روزمره دارند.
@physics_786
BY انجمن فیزیک دانشگاه هرات
Share with your friend now:
tgoop.com/physics_786/10311