امروزه لیزرها جایگاه ویژه‌ای را در بخش تحقیق و توسعه هر کشوری دارا هستند. در مجامع علمی این بحث به صورت جدی مطرح است که بعد از ترانزیستور، لیزر مهمترین اختراع فناوری از زمان جنگ جهانی دوم بوده است. در این مطلب در مورد لیزر حالت جامد و کاربردهای آن خواهید آموخت. همچنین تاریخچه‌ای کلی از لیزر و عملکرد آن را نیز در این مطلب توضیح داده‌ایم. اگر شما نیز به مبحث لیزر و خصوصاً لیزر حالت جامد علاقه‌مند هستید خواندن این مطلب را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

لیزر چیست؟

لیزر دستگاهی است که باعث تحریک اتم‌ها یا مولکول‌ها برای انتشار نور در طول موج‌های خاص و تقویت نور می‌شود و به طور معمول یک پرتوی بسیار باریک از تابش تولید می‌کند. این انتشار به طور کلی دامنه بسیار محدودی از طول موج‌های مرئی، مادون قرمز یا ماورا بنفش را پوشش می‌دهد. انواع مختلفی از لیزرها با ویژگی‌های بسیار متنوع تولید شده است. لیزر یا Laser مخفف کلمه (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation) و به معنای «تابش نور تقویت شده به وسیله گسیل القایی» است.

لیزر
تصویر 1: قسمت‌های مختلف یک لیزر

چه کسی برای اولین بار لیزر را کشف کرد؟

منشأ این اختراع پیچیده و پر هیاهو در دنیای علم، اینشتین در سال 1917 بود. اینشتین اولین کسی بود که مفهومی را با نام پرتو برانگیخته یا گسیل القایی مطرح کرد. اساساً گسیل القایی فرآیندی است که در آن یک الکترون در یک اتم به دلیل برهم کنش با یک موج الکترومغناطیسی به حالتی با انرژی کمتر می‌رود. در حقیقت این مفهوم پایه و اساس کار لیزر است.

تقریباً 40 سال پس از انتشار نظریات اینشتین در مورد گسیل القایی دو فیزیکدان به نام‌های «چارلز تاونز» (Charles Townes) و «آرتوس شاولو» (Arthus Schawlow)، میزر یا MASER که مخفف «تابش مایکروویو تقویت شده به وسیله گسیل القایی» (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) است را اختراع کردند. در میزر از گاز آمونیاک و تابش مایکروویو برای ایجاد پرتویی نزدیک به نور مرئی استفاده شد. در حقیقت میزر از اصل گسیل القایی برای به دست آوردن مقدار زیادی فوتون در یک پرتو ثابت استفاده می‌کند که اساس کار همه لیزرهای امروزی است.

شش سال بعد تاونز، شاولو و سرپرست آن‌ها یعنی «تئودور مایمن» (Theodore Maiman) لیزر یاقوت سرخ را اختراع کردند. این اولین لیزر نوری بود که با استفاده از یک کریستال یاقوت استوانه‌ای شکل در یک لوله کوارتز که یک آینه کاملاً بازتابنده در یک سر آن و یک آینه تا حدودی بازتابنده در سر دیگر آن قرار داشت ساخته شد. لیزر مایمن یک دسته پالس سریع منتشر می‌کرد و به همین دلیل لیزر پالسی نامیده شد.

سازنده اولین لیزر حالت جامد
تصویر 2: سازنده اولین لیزر حالت جامد

به این صورت باید اولین لیزر را به مایمن اختصاص داد اما درست مانند کاشف حساب دیفرانسیل و انتگرال در مورد مبدع لیزر نیز کمی بحث و جدال وجود دارد. شخصی به نام «گوردون گولد» (Gordon Gould) دانش آموز تاونز بود و اولین شخصی بود که از لیزر به صورت جهانی استفاده کرد.

گولد پس از دیدن کار تاونز به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد کار لیزر خود را در سال 1958 آغاز کرد. او در سال 1959 اقدام به گرفتن حق ثبت اختراع کرد اما درخواست او رد شد و کار او سرقت شد و بارها و بارها مورد استفاده قرار گرفت تا اینکه سرانجام در سال 1977 به عنوان اختراع او ثبت شد.

جهش بعدی در فناوری لیزر، لیزر گازی بود که در آن به جای کریستال از گاز به عنوان واسطه استفاده شد. «علی جوان» (َAli Javan) برخلاف لیزر پالسی مایمن برای اولین بار از مخلوط هلیوم و نئون برای ساخت اولین لیزر نوری پیوسته استفاده کرد. همچنین این اولین لیزری بود که با استفاده از انرژی الکتریکی و تبدیل آن به نور لیزر کار می‌کرد.

تنها دو سال بعد و در سال 1962 اولین لیزر نیمه هادی توسط «رابرت هال» (Robert Hall) اختراع شد. این نوع لیزر از روشی مشابه دیود ساطع‌کننده نور برای تولید تابش استفاده می‌کند و در حال حاضر متداول‎ترین نوع لیزر در بازار است. تولید این نوع لیزر بسیار آسان و ارزان است و بسیار کوچک است. این نوع از لیزرها را می‌توان در همه دستگاه‌های پخش‌کننده CD تا اسکنر بارکد پیدا کرد.

مقدار دما و بُرد یک پرتو لیزر تا چه حد می‌تواند باشد؟

در مورد بالاترین دمای باریکه لیزری آزمایشی در سال 2012 انجام شد که در آن با فشردن قطعه‌ای از آلومینیوم با قوی‌ترین لیزر اشعه ایکس در جهان فیزیکدانان ماده را تا $$3.6$$ میلیون درجه فارنهایت (2 میلیون درجه سانتیگراد) گرم کردند و آن را به طور خلاصه داغ‌ترین جسم روی زمین معرفی کردند. برای مقایسه باید گفت فقط مکان‌هایی در مرکز خورشید یا مرکز یک انفجار هسته‌ای از این دما گرم‌تر هستند.

در مورد برد یک لیزر نیز باید گفت با انجام آزمایشات زیاد و موثر نیروی دریایی ارتش آمریکا انتظار دارد که یک سلاح لیزری را بین سال‌های 2017 تا 2021 با برد موثر یک مایل ($$1.6$$ کیلومتر) عملیاتی کند. سطح دقیق انرژی و نیرویی که این لیزر استفاده خواهد کرد ناشناخته است اما انرژی این سلاح لیزری برای درگیری هواپیماهای کوچک و قایق‌های پرسرعت بین 15-50 کیلووات تخمین زده می‌شود.

اساس کار لیزر چگونه است؟

یک باریکه لیزر هنگامی ایجاد می‌شود که الکترون‌های موجود در اتم‌های موجود در شیشه‌ها، کریستال‌ها یا گازها انرژی حاصل از جریان الکتریکی یا لیزر دیگر را جذب کرده و برانگیخته شوند. الکترون‌های برانگیخته از مدار کم انرژی به مدار با انرژی بالاتر در اطراف هسته اتم منتقل می‌شوند. در هنگام بازگشت این الکترون‌ها به حالت عادی یا پایه خود فوتون (ذرات نور) را ساطع می‌کنند.

این فوتون‌ها همه در یک طول موج و منسجم هستند، به این معنی که تاج‌ها و قله‌های امواج نور همه بر روی یکدیگر قرار دارند. اما برای مثال در مقابل نور مرئی معمولی شامل چندین طول موج است و منسجم نیست.

همچنین نور لیزر از  جهات دیگر نیز با نور طبیعی متفاوت است. اول اینکه نور آن فقط شامل یک طول موج (یک رنگ خاص) است. طول موج خاص نور لیزر با توجه به مقدار انرژی آزاد شده هنگام بازگشت الکترون تحریک شده به مدار قبلی خود تعیین می‌شود. دوم نور لیزر جهت‌دار است. در حالی که لیزر پرتو بسیار پرانرژی را تولید می‌کند، برای مثال چراغ قوه نوری منتشر می‌کند که پراکنده است و از آنجا که نور لیزر منسجم است در فواصل وسیعی حتی تا کره ماه و بیشتر به صورت یک باریکه متمرکز باقی می‌ماند.

برای آشنایی بیشتر با طرز کار لیزر مطلب لیزر چیست؟ — به زبان ساده که توسط مجله فرادرس منتشر شده است را بخوانید.

برای آشنایی بیشتر با فیزیک لیزر، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک لیزر را مشاهده کنید که توسط فرادرس ارائه شده، لینک این آموزش در ادامه آورده شده است.

انواع لیزر چیست؟

انواع لیزر
تصویر 3: لیستی از انواع لیزرها در جهان

کریستال، شیشه‌ها، نیمه‌هادی‌ها، گازها، مایعات، پرتوهای الکترونی با انرژی بالا و حتی ژلاتین دوپ و تخدیر شده با موادی خاص می‌توانند پرتوهای لیزر تولید کنند.

در طبیعت نیز گازهای داغ در مجاورت ستارگان درخشان می‌توانند در فرکانس‌های مایکروویو تابش‌های تشدیدی ایجاد کنند. با این حال به دلیل عدم وجود کاواک‌های تشدیدی در ابرهای گازی در نهایت پرتویی تولید نمی‌شود.

در لیزرهای کریستال و شیشه، اولین لیزر یاقوتی «مایمن» (Maiman) نور ناشی از یک منبع خارجی اتم‌هایی را برانگیخته می‌کرد که به عنوان دوپانت شناخته شده و با غلظت کم به ماده میزبان اضافه شده‌ بودند. از نمونه‌های مهم این نوع لیزر می‌توان به شیشه و کریستال‌های دوپ شده با عنصر کمیاب زمینی یعنی نئودیمیم و شیشه‌های دوپ شده با اربیوم یا ایتربیم اشاره کرد که می‌توانند به عنوان لیزر یا تقویت کننده فیبر نوری استفاده شوند.

اتم‌های تیتانیوم که به یاقوت کبود مصنوعی دوپینگ می‌شوند نیز می‌توانند پرتو تحریک شده‌ای در محدوده کاملاً گسترده ایجاد کنند و در لیزرهای قابل تنظیم با طول موج استفاده می‌شوند.

به علاوه بسیاری از گازهای مختلف نیز می‌توانند به عنوان محیط لیزری عمل کنند. لیزر معمول هلیوم-نئون حاوی مقدار کمی نئون و مقدار زیادی هلیوم است. اتم‌های هلیوم انرژی الکترون‌های عبوری از گاز را گرفته و آن را به اتم‌های نئون که نور ساطع می‌کنند منتقل می‌کنند.

مشهورترین لیزرهای هلیوم-نئون نور قرمز ساطع می‌کنند اما این لیزرها می‌توانند نور زرد، نارنجی، سبز یا مادون قرمز نیز تولید کنند. توان‌ معمول این لیزرها در محدوده میلی وات است.

اتم‌های آرگون و کریپتون که از یک یا دو الکترون در لایه آخر خود تشکیل شده‌اند می‌توانند نوری با توان میلی وات تا وات را در طول موج‌های مرئی و فرابنفش تولید کنند. قوی‌ترین لیزر گازی تجاری لیزر دی‌اکسیدکربن است که می‌تواند باریکه نوری با توان کیلووات تولید کند.

لیزرهای پرکاربرد امروزه لیزرهای دیود نیمه رسانا هستند که با عبور جریان الکتریکی از این نوع لیزرها نور مرئی یا مادون قرمز منتشر می‌شود. انتشار نور در منطقه اتصال بین دو منطقه دوپ شده با مواد مختلف رخ می‌دهد. این نقطه و محل اتصال از نوع p-n اگر در داخل یک کاواک مناسب باشد می‌تواند به عنوان یک محیط لیزر عمل کند و باعث تولید تابش تحریک شده و عمل لیزر می‌شود.

چند نوع لیزر دیگر نیز هستند که در تحقیقات استفاده می‌شوند. «لیزرهای رنگینه‌ای» (dye lasers) دارای محیط‌های لیزری مایع هستند که حاوی مولکول‌های رنگی آلی بوده و می‌توانند نور را در طیف وسیعی از طول موج‌ها ساطع کنند. در این نوع لیزرها با تغییر کاواک لیزر یا تیون می‌توان طول موج خروجی را تغییر داد.

لیزرهای شیمیایی لیزرهای گازی هستند که در آنها یک واکنش شیمیایی مولکول‌های برانگیخته‌ای را تولید می‌کند که طول موج برانگیخته ایجاد می‌کنند.

در «لیزرهای آزاد الکترونی» (Free Electron Laser) گسیل القایی از الکترون‌هایی حاصل می‌شود که از یک میدان مغناطیسی عبور می‌کنند. ویژگی این میدان مغناطیسی این است که جهت و شدت آن‌ به صورت دوره‌ای تغییر می‌کند و سبب می‌شود الکترون‌ها شتاب گرفته و انرژی حاصل را به صورت تابش ساطع کنند.

از آنجا که الکترون‌ها بین سطوح انرژی کاملاً مشخصی جابه‌جا نمی‌شوند برخی از متخصصان این سوال را مطرح می‌کنند که آیا لیزر الکترون آزاد یا FEL را باید لیزر نامید؟ با این حال در حال حاضر این برچسب به انواع لیزرهای الکترون آزاد چسبیده است. بسته به انرژی پرتو الکترون و تغییرات میدان مغناطیسی لیزرهای الکترون آزاد را می‌توان در طیف گسترده‌ای از طول موج‌ها تنظیم کرد.

لیزر حالت جامد چه نوع لیزری است؟

لیزرهای حالت جامد یا لیزرهای دیود لیزرهایی هستند که در آن‌ها محیط‌های حالت جامد یا میزبان مانند بلورها یا شیشه‌ها با یون‌های خاکی کمیاب، فلزات یا لیزرهای نیمه رسانا دوپ شده‌اند. اگرچه لیزرهای نیمه رسانا نیز دستگاه‌هایی با حالت جامد هستند اما آنها اغلب در دسته لیزرهای حالت جامد قرار نمی‌گیرند. لیزرهای حالت جامد دوپ شده با یون (که گاهی اوقات به آن‌ها لیزرهای عایق دوپ نیز گفته می‌شود) می‌توانند به صورت «بالک لیزر» (bulk lasers)، «فیبر لیزر» (fibre lasers) یا لیزر موجبر ساخته شوند. لیزرهای حالت جامد می‌توانند از چند میلی‌وات و (در نسخه‌های با قدرت بالاتر) تا چند کیلووات توان خروجی ایجاد کنند.

اولین لیزر حالت جامد و در واقع اولین لیزر، لیزر پالسی یاقوت بود که توسط مایمن در سال 1960 ساخته شد. با این حال بعدها سایر محیط‌های حالت جامد به دلیل عملکرد برتر ترجیح داده شدند.

لیزر حالت جامد چیست؟

لیزرهای حالت جامد یا لیزرهای دیود ابزارهای اصلی و متعارف کار در دنیای پیشرفته‌اند که از نظر اندازه، عملکرد و کاربرد با لیزرهای نیمه هادی متفاوت هستند.

لیزرهای حالت جامد لیزرهایی هستند که محیط فعال آنها معمولاً مقدار کم یک یون در یک میزبان حالت جامد است و میزبان غالباً یک کریستال منفرد است. حدود $$1\%$$ این کریستال از گونه‌های مختلف یونی مانند یون نئودیمیم ($$Nd^{+3}$$) تشکیل شده که در ساختار کریستال جامد که به عنوان میزبان شناخته می‌شود دوپ یا تخدیر می‌شود.

برای برخی کاربردهای خاص، میزبان یک قطعه شیشه است که از مهمترین آن‌ها می‌توان به شیشه دوپ شده با یون اربیوم ($$Er^{+3}$$) اشاره کرد. این قطعه شیشه در نهایت با یک فیبر نازک پوشانده شده و در سیستم‌های مخابراتی استفاده می‌شود.

لیزرهای حالت جامد از پمپاژ نوری توسط لیزرها یا لامپ‌های دیگر برای تولید طیف گسترده‌ای از دستگاه‌های لیزر استفاده می‌کنند. وارونگی جمعیت (شرایطی که در آن جمعیت اتمی حالت انرژی بالاتر از جمعیت اتمی حالت انرژی پایین‌تر بیشتر است) در لیزرهای حالت جامد هنگامی ایجاد می‌شود که محیط فعال، فوتون‌ها را از یک منبع نوری شدید جذب کند.

یک دسته مهم از لیزرهای حالت جامد شامل لیزرهای قابل تنظیم و فوق سریع هستند. این سیستم‌ها از لیزرهای حالت جامد برای برانگیختگی استفاده می‌کنند و از نظر خصوصیات حرارتی و نوری شباهت‌های دیگری نیز دارند.

یک سیستم لیزری حالت جامد پمپ شده نوری از نظر اندازه بسیار بزرگتر از یک لیزر نیمه هادی است. پمپ نوری ممکن است یک دیود نیمه هادی پرقدرت، یا یک آرایه کوچک از دیودهای نیمه هادی روی یک تراشه و یا یک دسته آرایه برای لیزر با خروجی‌های حداکثر تا 1000 وات باشد.

دیود لیزری
تصویر 4: لیزر حالت جامد و دیود لیزری

قبل از ظهور دیودهای لیزری (دیودهای لیزری می‌توانند مستقیماً انرژی الکتریکی را به نور تبدیل کنند)، لیزرهای حالت جامد یا توسط لامپ‌ها پمپ می شدند یا به طور مداوم به عنوان لیزری با قدرت متوسط کار می‌کردند. با این حال لامپ‌های فلش پالسی برای انرژی خروجی لیزر یک ژول در هر پالس نیز مورد استفاده قرار می‌گرفتند. البته از آنجا که تعداد آرایه‌های دیود مورد نیاز برای تأمین لیزر یک ژول در هر پالس گران است لامپ‌ها هنوز در تجارت لیزر حالت جامد جایگاه مهمی دارند.

محیط فعال لیزر حالت جامد از کریستال میزبان غیرفعال و یون فعال تشکیل شده است و این اجزای سازنده هستند که نام لیزر حالت جامد را مشخص می‌کنند. به عنوان مثال لیزر  نئودیمم: یاگ (Nd:YAG) از کریستال گارنت آلومینیوم ایتریوم (YAG) تشکیل شده که مقدار کمی نئودیمیم به عنوان ناخالصی به آن افزوده شده است. این یون Nd است ($$Nd^{+3}$$ است که به شکل $$Nd_2O_3$$ به مواد برای ساختن تک بلور اضافه می‌شود) که در کریستال وارونگی جمعیت ایجاد کرده و فوتون نور لیزر را تولید می‌کند.

به طور معمول در یون لیزر $$0.1\%$$ تا $$1\%$$ یون‌های فلزی کریستال یا شیشه میزبان وجود دارد. با این حال مواردی وجود دارد که در آن‌ها نام میزبان یون فعال در لیزر حالت جامد به عنوان نام لیزر استفاده می‌شود. Nd:YAG را اغلب لیزر YAG می‌نامند و دلیل این نامگذاری به زمانی ربط دارد که تنها لیزر خوب حالت جامد لیزر YAG با ترکیبات کم یون $$Nd^{+3}$$ بود.

امروزه لیزرهای حالت جامد خوبی وجود دارند که از YAG به عنوان میزبان برای Yb (اتربیوم لیزر با طول موج $$1.03$$ میکرومتر)، Ho (هولمیوم لیزر با طول موج $$2.1$$ میکرومتر)، Tm (تولیوم لیزر با طول موج $$2$$ میکرومتر) یا Er (اربیوم لیزر با طول موج $$2.9$$ میکرومتر) استفاده می‌شود.

در همه موارد بالا ماده میزبان معمولاً به شکل یک میله ساده پیکربندی می‌شود که از یک بلور رشد یافته مصنوعی یا یک شیشه جدا می‌شود. برای یکی از موارد مهم محیط فعال یعنی شیشه اربیوم، شیشه با عناصر کمی از اربیوم بر روی یک فیبر نازک بسیار بلند کشیده می‌شود و از این وسیله معمولاً به عنوان تقویت کننده در فیبر تقویت کننده دوپ شده با اربیوم (EDFA) استفاده می‌شود.

همان طور که گفتیم اولین لیزر حالت جامد و در واقع اولین لیزر موجود لیزر یاقوت سرخ بود. در این لیزر از یک چراغ فلاش برای ایجاد وارونگی جمعیتی در یک میله استوانه‌ای برش خورده از بلورهای منفرد بزرگ $$Al_2O_3$$ که حاوی مقادیر کمی ناخالصی به شکل $$Cr_2O_3$$ است استفاده شده است. این ماده دارای نام عمومی یاقوت است که مدت‌ها قبل از شناخته شدن ترکیب شیمیایی آن (یا مفهوم لیزر) به ماده طبیعی یعنی گوهر داده شده بود. پس از اینکه لیزر حالت جامد یاقوت معرفی شد سایر ترکیبات یون و میزبان آن نیز مورد بررسی قرار گرفت. در ادامه این مطلب چندین لیزر رایج حالت جامد را معرفی می‌کنیم.

ساختار اولین لیزر حالت جامد
تصویر 5: ساختار اولین لیزر حالت جامد

لیزر حالت جامد Nd:YAG

لیزر Nd:YAG رایج‌ترین لیزر حالت جامد امروزی است. این لیزر را می‌توان در کارهای صنعتی مانند جوشکاری فلزات سنگین، در جراحی‌ها مانند انجام جراحی‌های ظریف و دقیق، در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی که اندازه‌گیری دقیق طیف‌سنجی انجام می‌دهند و در ماهواره در حال چرخش حول سیاره مریخ که توپوگرافی دقیق این سیاره را اندازه‌گیری می‌کند پیدا کرد. لیزرهای Nd:YAG که در هر یک از این کاربردهای متنوع یافت می‌شوند دارای خصوصیات متمایزی هستند که آن‌ها را برای استفاده مناسب می‌کند.

به عنوان مثال احتمالاً لیزر جوشکاری یک لیزر بزرگ و پمپ شده نوری با لامپ است، در حالی که احتمالاً لیزر سیستم جراحی یک سیستم کوچکتر و پمپ شده نوری با دیود است که برای تولید نور سبز فرکانس دو برابر می‌شود. لیزر طیف‌سنجی نیز می‌تواند یک سیستم پمپاژ دیودی باشد که با استفاده از تشدید کننده‌های خاص پهنای باند آن کاهش یابد. در نهایت لیزری که حول مدار مریخ می‌چرخد با سوئیچ Q تولید پالس‌های کوتاه برای اندازه‌گیری فاصله می‌کند.

یون نئودیمیم را می‌توان به عنوان ناخالصی به ساختار شیشه اضافه کرد و ترکیبی از یون/ میزبان را داشت که لیزر حالت جامد شیشه نئودیمیم (Nd:glass) تولید می‌کند. اگرچه یون نئودیمیم سه بار مثبت در هر دو لیزر حالت جامد Nd:YAG و Nd:glass وجود دارد اما دو لیزر اشتراکات بسیار کمی با یکدیگر دارند. حتی طول موج‌های این دو لیزر حالت جامد نیز کمی متفاوت است (زیرا میدان‌های الکتریکی دو میزبان سطح انرژی را به طور متفاوتی جابه‌جا می‌کنند). Nd:glass در ذخیره انرژی بسیار بهتر از Nd:YAG عمل می‌کند و بنابراین از لیزرهای Nd:glass در کاربردهای پرانرژی و سوئیچ Q استفاده می‌شود.

لیزرهای بزرگ Nd:glass می‌توانند پالس‌هایی به بزرگی 100 ژول و بیشتر را تولید کنند در حالی که لیزر حالت جامد Nd:YAG از یک نوسانگر منفرد Q سوئیچ تشکیل شده و سطح انرژی آن محدود به 1 ژول در پالس است. از طرف دیگر هدایت حرارتی شیشه بسیار کمتر از YAG است و بنابراین لیزرهای YAG برای کاربردهای با قدرت متوسط ​​بالا ترجیح داده می‌شوند. یک نوسان‌ساز Nd:YAG با لامپ نوری پمپ شده شامل چندین میله Nd:YAG که به صورت سری به هم متصل شده‌اند می‌تواند یک خروجی در حد کیلووات یا بیشتر تولید کند.

لیزر Nd:YAG
تصویر 6: لیزر Nd:YAG

هدایت گرمایی مکانیزمی برای حذف گرمای هدر رفته از فضای داخلی میله میزبان لیزر است. در این فرآیند یک ماده خنک کننده گرما را از سطح میله خارج می‌کند. اگر گرما به اندازه کافی سریع از فضای داخلی کریستال برداشته نشود میزبان بیش از حد گرم شده و کیفیت نوری بلور را مخدوش می‌کند.

یون اربیوم سه بار مثبت یعنی $$Er^{+3}$$ را می‌توان به عنوان ناخالصی به YAG، شیشه و سایر میزبان‌ها اضافه کرد. در YAG طول موج لیزر $$2.9$$ میکرومتر است و نور این لیزر برای چشم بی‌خطر است، به این معنی که نمی‌تواند به شبکیه آسیب برساند.

جذب شدید نور با طول موج 3 میکرومتر توسط بافت سبب می‌شود تا لیزر حالت جامد $$Er^{+3}:YAG$$ برای کاربردهای پزشکی ایده‌آل باشد. در شیشه یون $$Er^{+3}$$ می‌تواند پرتو لیزری با طول موج $$1.5$$ میکرومتر ساطع کند که این طول موج اتلاف را در فیبرهای نوری کمینه می‌کند.

فیبرهای تقویت کننده دوپ شده اربیوم یا EDFAs فیبر شیشه با دوپینگ $$Er^{+3}$$ هستند که توسط لیزرهای نیمه هادی برانگیخته می‌شوند و به طور گسترده‌ای در سیستم‌های مخابراتی جهان کاربرد دارند. این فیبرها مستقیماً سیگنال منتقل شده روی کابل‌های فیبر نوری را تقویت می‌کنند. قبل از کاربرد EDFAها در سیستم مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری، سیگنال نوری در کابل‌ها برای تقویت ابتدا باید به سیگنال الکتریکی تبدیل شده و سپس مجدداً برای انتقال به سیگنال نوری تبدیل می‌شد. به این دلیل است که ظهور EDFA در اواسط دهه 1990 انقلابی در ارتباطات از راه دور مخابراتی ایجاد کرد.

روش دیگر استفاده از یون دومی است که نور پمپ شده را موثرتر از یون اولیه لیزر جذب می‌کند. گاهی به لیزرهای حالت جامد یون/میزبان یون دیگری اضافه می‌شود. به عنوان مثال ممکن است به لیزر Ho:YAG یون‌های کروم ($$Cr^{+3}$$) یا تولیوم ($$Tm^{+3}$$) که به شدت نور پمپ شده را جذب می‌کنند و انرژی را به باریکه لیزر یون هولمیوم منتقل می‌کنند دوپ شوند. عملکرد EDFAها به شدت به انتقال انرژی از یون‌های Yb که به فیبر‌های شیشه‌ای به صورت مشترک دوپ می‌شوند وابسته است.

لیزر حالت جامد پمپ شده با دیود

از نظر تاریخی لیزرهای پمپاژ شده با لامپ نسل‌های قدیمی لیزرهای پمپاژ شده با دیود هستند و ظهور و سادگی پمپاژ لیزر با دیود توضیح لیزر را آسان‌تر کرده است. در روش پمپاژ نوری با لامپ از منبع نوری نسبتاً ارزان قیمت استفاده می‌شود اما کارآیی آن نسبت به پمپاژ دیود بسیار ضعیف‌تر است.

دیودها یا آرایه‌های دیود در واحد انرژی گران‌تر هستند با این حال و با توجه به هزینه‌های بالای آرایه‌های دیود نیمه‌هادی پرقدرت پمپاژ نوری توسط دیود اغلب ترجیح داده می‌شود زیرا این روش در محیط لیزر گرمای بسیار کمتری تولید می‌کند و دارای بازده کل قابل توجهی است.

نمودار سطح انرژی برای $$Nd^{+3}$$ یک سیستم با چهار سطح است. به این معنی که نور پمپ شده با توجه به انرژی داده شده به لیزر در یک میلیاردم ثانیه یا کمتر برای کاهش سطح فوقانی انرژی، به حالتی می‌رود که سطح لیزر فوقانی نباشد.

به همین ترتیب در پایین‌ترین سطح نردبان انرژی، این سطح نیز به سرعت کاهش می‌یابد به همین دلیل این لیزر را یک لیزر چهار سطحی می‌نامیم. این سطوح تنها سطوح انرژی یون Nd نیستند و برخی از سطوح دیگر انرژی این یون نیز می‌توانند به عنوان سطوح پایین‌تر انرژی از انتقال ثانویه لیزر با طول موج 1338 و 946 نانومتر باشند.

با به حداکثر رساندن تاثیر در طول موج‌های گفته شده به عنوان طول موج‌های ثانویه و به حداقل رساندن تاثیر طول موج‌های اولیه لیزر می‌توان لیزر را به تابش پرتو در طول موج‌های ثانویه وادار کرد.

بسیاری از ترکیبات یون/ میزبان را می‌توان با دیود پمپ نوری کرد. نئودیمیم در سایر میزبان‌ها رفتاری مشابه حالت Nd:YAG دارد. لیزرهای هولمیوم با تابش خروجی در منطقه 2 تا 3 میکرومتر اغلب با تولیوم (Tm) دوپ می‌شوند. یون‌های Tm به طور کارآمد تابش پمپ شده را از یک دیود لیزر در طول موج 785 نانومتر جذب می‌کنند و انرژی آن را به پرتو لیزری یون Ho منتقل می‌کنند. دیودهای لیزری که این پمپ نوری 785 نانومتری را تأمین می‌کنند مشابه دیودهایی هستند که در لیزر Nd:YAG با طول موج 808 نانومتر پمپ نوری انجام می‌دهند. همچنین لیزرهای Er:glass نیز می‌توانند با اتربیوم (Yb) که پمپ نوری را با طول موج 960 نانومتر جذب می‌کند و انرژی را به اربیوم منتقل می‌کند دوپ شوند.

اما همه ترکیبات یون/میزبان برای پمپاژ دیودی مناسب نیستند. به عنوان مثال Ti:sapphire به نور پمپ شده سبز احتیاج دارد و برای استفاده با پمپاژ دیودی مناسب نیست. همچنین زمان ذخیره در این نوع لیزر بسیار کوتاهتر از Nd:YAG است و اگر بخواهیم پمپاژ نوری با دیود را انجام دهیم به تعداد زیادی دیود نیاز داریم.

کاربردهای لیزر حالت جامد

در این قسمت از رایج‌ترین کاربردهای لیزر جامد یا لیزر دیود صحبت خواهیم کرد. از کاربردهای عمده لیزر جامد یا لیزر دیود می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • فناوری‌های مربوط به لیزر (جوشکاری، برشکاری و غیره)
  • فناوری‌های مربوط به دستگاه‌های الکترونیکی
  • دارو
  • لیدار (روشی برای اندازه‌گیری فواصل و دامنه‌ها با ساطع کردن پرتو لیزری و دریافت آن توسط سنسور)
  • سیستم‌های نظارت بر آلاینده‌های جوی
  • پردازش اطلاعات نوری
  • فیبر نوری یکپارچه
  • طیف سنجی لیزری
  • تشخیص لیزر پلاسما و همجوشی حرارتی هسته‌ای کنترل شده
  • شیمی لیزری و جداسازی ایزوتوپ لیزری
  • اپتیک غیرخطی
  • عکاسی با سرعت فوق‌العاده بالا
  • ژیروسکوپ لیزری
  • زلزله نگارها و سایر ابزارهای فیزیکی مربوط به لرزه نگاری

در جدول زیر رایج‌ترین انواع لیزرهای دیود یا حالت جامد و طول موج پرتوهایی که از این نوع لیزرها به دست می‌آیند را معرفی می‌کنیم.

نوع لیزر طول موج باریکه لیزر
$$Nd-YAG$$ $$1.06, 0.53, 0.355, 0.266$$
$$Nd-glass$$ $$1.06, 0.53, 0.355, 0.266$$
$$Er-glass$$ $$1.54$$
Rubin $$0.63$$
$$Tl-sapphire$$ $$0.66-0.98$$
$$Cr-BeAl_{2}O_{4}$$ $$0.72-0.78$$

کاربرد لیزر حالت جامد در سلاح‌های نظامی

در ماه می سال 2020 نیروی دریایی آمریکا نمایشی از سلاح جدیدی را عمومی کرد که می‌تواند هواپیمای دشمن را با پرتوی نور سرنگون کند. این فناوری و نمایش آن فاصله بین پرتوهای لیزی در زندگی واقعی و آنچه در فیلم‌ها دیده‌ایم که در آن از سلاح‌ها به جای گلوله پرتوهای نوری خارج می‌شود و دشمن را ناکام می‌کند را به شدت کاهش می‌دهد.

تصویر 7: آزمایش سلاح لیزری ماه می 2020 توسط نیروی دریایی آمریکا

در فیلم کوتاهی که نیروی دریایی ارتش آمریکا منتشر کرد یک توپ لیزری نصب شده روی کشتی را نشان می‌دهد که از آن یک پرتو نور خارج می‌شود. در این سلاح از لیزر حالت جامد برای پرتو نور پر انرژی و انهدام هدف استفاده شده است.

این ویدئو کوتاه و کمی ناامید کننده است زیرا هیچ صدایی روی ویدیو وجود ندارد که نشان دهد آیا این سلاح لیزری نیز مانند سلاح‌های قدیمی صدای تیراندازی تولید می‌کند یا خیر؟

در این فیلم کوتاه در ابتدا یک کلیپ شش ثانیه‌ای از پرتو لیزری بسیار درخشان نشان داده می‌شود که از کشتی ساطع می‌شود و یک کلیپ شش ثانیه‌ای دیگر نشان می‌دهد که بدنه یک هواپیمای بدون سرنشین که در حال پرواز است آتش گرفته و سپس پهپاد از آسمان سقوط می‌کند.

این سلاح جدید که از لیزر حالت جامد ساخته شده به نام LWSD شناخته می‌شود که مخفف «لیزر حالت جامد – نمایش تکامل فناوری سلاح لیزری» (Solid State Laser — Technology Maturation Laser Weapon System Demonstrator) است. به گفته نیروی دریایی آمریکا این نمایش یکی از آخرین آزمایش‌های استفاده از لیزر حالت جامد با انرژی بالا در سلاح‌های لیزری است.

قدرت این سلاح لیزری هنوز مشخص نیست اما طبق گزارش‌هایی که موسسه مطالعات استراتژیک آمریکا در سال 2018 منتشر کرد انتظار می‌رود که قدرت پرتوی این سلاح لیزری حالت جامد تا 150 کیلووات باشد.

در سلاح‌های لیزری مقدار زیادی فوتون به سمت هدف فرستاده می‌شود و مزیت این سلاح‌ها در این است که دیگر جهت وزش باد و برد حرکت بر نتیجه نهایی تاثیر ندارد و شما تنها با هدف و سرعت نور سر و کار دارید.

معرفی فیلم آموزش فیزیک لیزر

آموزش فیزیک لیزر

مجموعه فرادرس در تولید و تهیه محتوای آموزشی خود اقدام به تهیه فیلم آموزش فیزیک لیزر برای دانشجویان علوم پایه و فنی و مهندسی کرده است. این مجموعه آموزشی از هفت درس تشکیل شده و برای دانشجویان رشته علوم پایه و فنی مهندسی مفید است. پیش نیاز این مجموعه آموزشی آموزش اپتیک (نورشناسی) و کوانتوم است.

درس اول و دوم این مجموعه به ترتیب به آموزش مفاهیم مقدماتی و برهم کنش تابش با اتم ها و یون ها اختصاص دارد. درس سوم و چهارم در مورد فرایندهای تحریک و روش های آن و کاواک های تشدید نوری صحبت خواهد کرد و درس پنجم به رفتار لیزر پیوسته و پالسی می‌پردازد. درس ششم این مجموعه آموزشی خواص باریکه لیزری را معرفی می‌کند و در نهایت در درس هفتم طرز کار چند لیزر بررسی می‌شود.

جمع‌بندی

این مطلب به معرفی لیزر حالت جامد یا لیزر دیود و کاربردهای آن اختصاص دارد. بدین منظور ابتدا در مورد لیزر و انواع لیزر صحبت کردیم. سپس تاریخچه کشف لیزر و نوع کارکرد لیزر را بررسی کردیم.

در ادامه لیزر حالت جامد و انواع لیزر دیود یا حالت جامد را معرفی کردیم و سپس کاربردهای این نوع لیزر را نام بردیم. همچنین در جدولی طول موج‌های لیزرهای حالت جامد رایج را نیز معرفی کردیم.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

سارا داستان (+)

«سارا داستان»، دکتری فیزیک نظری از دانشگاه گیلان دارد. او به فیزیک بسیار علاقه‌مند است و در زمینه‌ متون فیزیک در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 6 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *