لیزر چیست؟ — به زبان ساده

امروزه کلمه لیزر را در خیلی جاها می‌شنویم. از نشانگرها (پوینتر - Pointer) در جلسات ارائه گرفته تا چاپگرهای لیزری، کلینیک‌های زیبایی و کاربرد‌های پزشکی، مخابرات نوری، برش فلزات در صنعت، اسلحه‌های لیزری و ... همه کاربردهایی از لیزر هستند. آیا تا به حال به چگونگی عملکرد یک لیزر فکر کرده‌اید؟ آیا با فیزیک لیزر آشنایید؟ آیا می‌دانید تفاوت لیزر با نور معمولی چیست؟ اگر پاسخ‌تان منفی است، با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا به زبانی ساده با لیزر و ساختار آن آشنا شوید.

لیزر چیست؟

با اینکه احتمالاً می‌دانید ماهیت لیزر و نور معمولی، یکسان و هر دو موجی الکترومغناطیسی (شامل بسته‌های انرژی به اسم فوتون) هستند؛ اما یک لیزر می‌تواند از نور معمولی یک لامپ بزرگ یا حتی نور حاصل از فلش عکاسی در شب قوی‌تر باشد. شاید مثال زیر برای درک شهودی از تفاوت لیزر و نور معمولی مناسب باشد.

فیلم آموزش فیزیک لیزر در فرادرس

کلیک کنید

فرض کنید که در وان حمام، دست خود را به صورت رفت و برگشت حرکت داده و یک موج تولید می‌کنید. احتمالاً بتوانید با افزایش سرعت و تکرار این کار موجی قدرتمند‌تر را تولید کنید. حال اگر می‌توانستید این کار را میلیون‌ها بار در اقیانوسی بزرگ انجام دهید چه اتفاقی می‌افتاد؟! می‌توان گفت که یک لیزر کاری مشابه فوق را با امواج نوری انجام می‌دهد. در واقع تقویت نور در یک لیزر، با نور ضعیفی آغاز و طی چندین بار حرکت رفت و برگشتی در محیطی موسوم به کاواک، بر انرژی آن افزوده و تقویت می‌شود.

ویژگی‌های پرتو لیزر

احتمالاً بار‌ها نشانگرهای لیزری (Pointer) را در دست گرفته‌اید. با نگاه دقیق‌تری به آن متوجه سه تفاوت اصلی آن با نور معمولی حاصل از یک لامپ می‌شوید:

• نور معمولی حاصل از یک لامپ شامل همه رنگ‌ها (همه فرکانس‌های مرئی)، به اصطلاح نور سفید است. اما نور حاصل از لیزر، پهنای فرکانسی کمتری داشته و در شرایط ایده‌آل می‌تواند نوری «تک‌رنگ» (Monochromatic) تولید کند. برای مثال یک لیزر می‌تواند پرتویی با رنگ‌های مختلف، اغلب سبز و قرمز و یا حتی بی‌رنگ در فرکانس‌های مادون قرمز و فرابنفش و ایکس ($$X$$) تولید کند.
• نور حاصل از یک لامپ در همه جهات پخش می‌شود؛ حتی با استفاده از لنز یا بازتاب‌دهنده‌‌ها در چراغ‌قوه‌ها نور آن مسیری مخروطی و در نهایت پخش (واگرا) می‌شود. در حالی که نور حاصل از یک لیزر، پرتویی باریک بوده که به دلیل واگرایی خیلی کم مسیر طولانی‌تری نسبت به نور عادی طی می‌کند. این مفهوم به «همدوسی» (Coherence) طولی معروف است.
• یک لامپ، پرتوهایی در فازهای مختلف تولید می‌کند. در واقع فاز هر پرتو یا به طور دقیق‌تر هر فوتون تابشی، در هر زمان متفاوت بوده و هیچ نظم خاصی در آن‌ها وجود ندارد. این در صورتی است که پرتوهای حاصل از یک لیزر همگی هم‌فاز بوده و در یک زمان مشخص همگی با‌هم به بیشینه و دامنه خود می‌رسند. این امر به همدوسی زمانی معروف است. پرتو حاصل از لیزر را می‌توان مثل رژه منظم سربازان ارتش که همگی در یک ردیف و پشت سرهم با حرکات یکسان راه می‌روند، تشبیه کرد. در حالی که نور حاصل از یک لامپ مثل پیاده‌شدن مسافران قطار است که همگی به صورت غیر‌منظم به سمت درب‌های خروجی هجوم ‌می‌آورند.

سه عامل ذکر شده در فوق، تفاوت اصلی پرتو لیزری و پرتو معمولی حاصل از یک لامپ است.

لیزر چگونه کار می‌کند؟

برای اینکه درک بهتری از چگونگی عملکرد و نحوه ساخت یک لیزر داشته باشیم، نیاز است تا با مبحث تابش‌های اتمی آشنا شوید. به طور خلاصه یک الکترون در مدار‌های انرژی اطراف هسته، با جذب انرژی به تراز‌های بالاتر می‌رود. این الکترون در ترازهای بالایی پایدار نبوده و تمایل دارد به یک حالت پایدار برود. در نتیجه انرژی اضافی خود را به صورت فوتون، تابش کرده و خود به ترازهای پایین‌تر می‌رود. فرکانس یا طول موج فوتون تابش شده به اختلاف انرژی دو تراز بستگی دارد. برای آشنایی بیشتر با این امر می‌توانید به مطالب «طیف اتمی — از صفر تا صد» و «مدل اتمی بور — به زبان ساده» رجوع کنید.

حال فرض کنید تعداد زیادی از این الکترون‌های ناپایدار با انرژی زیاد، یکباره همگی (تحت کنترل ما) به ترازی با انرژی پایین‌تر رفته و تابش کنند؛ با تقویت این تابش در محیط کاواک، نور پرقدرت لیرز تولید و توسط لنزهایی به بیرون هدایت می‌شود.

برای ساخت یک لیزر به چه چیزهایی نیاز داریم؟

برای این کار به دو قسمت مهم و پایه‌ای که اساس کار لیزر در آن‌ها نهفته است، نیاز داریم:

فیلم آموزش آشنایی با کاربردهای لیزر

کلیک کنید

• محیط (ماده) فعال یا «محیط بهره» (Gain Medium)؛ منظور محیطی است که الکترون‌های اتم‌های آن را برانگیخته می‌کنیم تا به ترازهای بالاتری روند. این محیط بسته به کاربرد و نوع لیزر می‌تواند به صورت جامد، مایع و گاز باشد.
• ابزار یا سیستمی که با آن اتم‌های محیط بهره را تحریک و در واقع الکترون‌های آن را برانگیخته کنیم. به طور مثال می‌توان به یک لامپ فلش زئون پر قدرت، تخلیه الکتریکی (ولتاژ بالا) در یک محیط بهره گازی یا یک لیزر دیگر اشاره کرد.

در ادامه با یک مثال روند ساخت و چگونگی عملکرد یک لیزر معمولی با نور قرمز را شرح می‌دهیم. محیط فعال این لیزر حالت جامد، کریستال یاقوت قرمز (Ruby) بوده که توسط لامپ فلش احاطه شده است (شکل 3). توجه شود که کلیت و اساس کار همه لیزرها به طریق زیر است.

مطابق با شکل فوق، عملکرد لیزر را می‌توانیم به صورت زیر تشریح کنیم:

1. با برقراری جریان الکتریکی، منبع ولتاژ بالا، انرژی لازم برای روشن شدن لامپ فلش را فراهم‌ می‌کند.
2. با قطع و وصل جریان الکتریکی و انجام این کار به طور متناوب، با خاموش و روشن شدن منبع ولتاژ بالا و در نتیجه روشن و خاموش شدن لامپ فلش انرژی لازم جهت برانگیخته شدن اتم‌های محیط فعال یا بهره فراهم می‌شود. این انرژی، توسط فوتون تابش‌شده از لامپ فلش به اتم‌های کریستال یاقوت قرمز منتقل می‌شود.
3. اتم‌های کریستال یاقوت قرمز (کره‌های سبز رنگ) فوتون‌های تابش شده از لامپ فلش را جذب و در نتیجه الکترون‌هایشان به تراز‌های بالاتر گذار می‌کنند. این الکترون‌ها تمایل به پایداری و رفتن به حالت زمین (Ground State) را دارند که این کار را با تابش فوتون (کره‌های کوچک آبی) در عرض چند میلی ثانیه انجام می‌دهند. این امر به «گسیل خودبه‌خودی» (Spontaneous Emission) معروف است.
4. فوتون‌های گسیل شده در داخل ساختار کریستال روبی (محیط بهره) با سرعت نور حرکت می‌کنند.
5. فوتون‌های موجود در سیستم (حاصل از لامپ فلش یا گسیل خودبه‌خودی) می‌توانند با اتم‌های برانگیخته نیز برخورد کنند. در این صورت الکترون‌ها انرژی خود را به صورت فوتونی آزاد کرده و به ترازی با انرژی پایین تر می‌روند. در این‌ حالت می‌توان گفت که یک فوتون باعث تولید فوتون دیگری شده است که به «گسیل القایی» ( Stimulated Emission) می‌گویند. در واقع نور تقویت شده (Light Amplification) حاصل از فرآیند تابش گسیل القایی (Stimulated Emission of Radiation) نور لیزر را تشکیل می‌دهد. کلمه «لیزر» (LASER) با کنار هم گذاشتن حرف اول دو عبارت فوق حاصل می‌شود.
6. نور تولید شده در قسمت پنجم نیاز به تقویت بیشتری دارد. این کار را با قرار دادن دو بازتابنده ابتدا و انتهای محیط فعال انجام می‌دهند. در واقع به مجموعه این سیستم کاواک می‌گویند که در آن فوتون‌ها با حرکت رفت و برگشت و بازتاب از بازتابنده‌ها تقویت می‌شوند. از آنجا که واژه آینه بیشتر تداعی کننده بازتاب نور مرئی است و از آنجا که یک لیزر ممکن است در فرکانس های مادون قرمز، فرابنفش یا حتی اشعه ایکس کار کند،‌ بهتر است که از کلمه بازتابنده به جای آینه استفاده کنیم. چرا که پدیده جذب و بازتاب تابعی از ضریب شکست و در نتیجه تابعی از طول موج است. شماره ۶ در شکل (۳) بیانگر بازتابنده (آینه) ۱۰۰ درصد (تمام نور را بازتاب می‌کند) است.
7. برای اینکه نور تقویت شده حاصل از فرآیند گسیل القایی بتواند از کاواک خارج شود، نیاز است تا یکی از بازتابنده‌ها به مقدار جزئی نور را عبور دهد. معمولاً استفاده از بازتابنده (آینه) های 99~90 درصد برای این امر مناسب است.
8. نور عبور و خارج شده از بازتابنده جزئی می‌تواند توسط ادوات اپتیکی مناسب مثل لنزها و کوپلرها به محیط خارج هدایت یا به یک فیبر نوری مناسب کوپل شود.

در ادامه دو بحث تابش خودبه‌خودی و القایی را بیشتر بررسی می‌کنیم. همچنین پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقاله «میزر (Maser) -- به زبان ساده» داشته باشید. میزرها قبل اختراع لیزر‌ها، اختراع شدند که فیزیک‌ ان‌ها منجر به ساخت لیزر شد. لیزر‌، در واقع لیزر یک میزر اپتیکی است. MASER در حالت کلی مخفف عبارت "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" است.

تابش خود‌ به خودی

تابش‌های لیزری، همانند تابش‌های هسته‌ای و رادیواکتیو خطرناک نیستند. البته از لحاظ توان می‌توانند برای چشم خطرناک و یا باعث سوختگی پوستی شوند. همانطور که پیشتر گفته شد، ماهیت تابش لیزری، تابش فوتون از الکترون‌های برانگیخته است و ارتباطی به هسته اتمی (پروتون و نوترون) ندارد. تابش لیزر، موجی الکترومغناطیسی بوده که بسته به فرکانسش در طیف الکترومغناطیسی همانند اشعه ایکس، فرابنفش، مرئی و مادون قرمز جای می‌گیرد.

به طور کلی سازوکار تابش خودبه‌خودی در تمامی منابع نوری مثل شمع، لامپ و حتی لیزر دخیل است. الکترون‌های یک جسم تحت تابش امواج، در واقع در برخورد با فوتون‌ها یا با افزایش دما و جذب انرژی گرماییِ، انرژی‌شان زیاد شده و به ترازهایی با انرژی بالاتر می‌روند. از آنجا که این وضعیت جدید ناپایدار است، الکترون‌ها تمایل دارند که انرژی‌شان را به صورت تابش فوتون از دست داده و به تراز‌هایی با انرژی کمتر گذار کنند. این اتفاق در مدت زمان خیلی کوتاهی رخ می‌دهد.

در فرآیند تابش خودبه‌خودی، فوتون‌های حاصل از یک منبع نوری معمولی با یکدیگر از حیث فرکانس و فاز متفاوت‌اند. دلیل این امر گذارهای متفاوت الکترون‌‌ها به تراز‌های مختلف است. لذا نور حاصل را «سفید»، یعنی نوری شامل همه فرکانس‌ها می‌نامند. همچنین نور تابش شده جهت خاصی نداشته و به صورت تصادفی در همه جهات منتشر می‌شود.

تابش القایی

اکثر اتم‌های یک محیط، تعداد الکترون‌های بیشتری در حالت پایه نسبت به حالت برانگیخته دارند. دلیل اینکه در شرایط عادی مواد تابش خودبه‌خودی ندارند (البته در ناحیه مرئی) نیز همین است. حال فرض کنید که بتوانیم با اعمال انرژی کافی (اصطلاحاً پمپ کردن انرژی) الکترون‌ها را به تراز برانگیخته ببریم. در این حالت تعداد جمعیت الکترون‌های برانگیخته نسبت به الکترون‌های حالت پایه بیشتر می‌شود. به این حالت «وارونی جمعیت» (Population Inversion) می‌گویند.

فیلم آموزش فیزیک لیزر در فرادرس

کلیک کنید

حال فرض کنید که مقدار انرژی به قدری باشد که بتوانیم این الکترون‌های برانگیخته را قبل از تابش خود‌به‌خودی و برگشت به حالت پایه یا ترازهایی با انرژی کمتر، برای مدتی در آن حالت برانگیخته نگه داریم. اصطلاحاً به این تراز «شبه پایدار» (Meta-Stable State) می‌گویند.

حال اگر فوتونی که انرژیش برابر با اختلاف انرژی دو تراز برانگیخته و پایه باشد به محیط فعال (محیط بهره) بتابد و با الکترون برخورد کند، باعث می‌شود که الکترون فوتونی با همان انرژی تابش و به حالت پایه باز گردد. به این امر تابش القایی می‌گویند. در این صورت دو فوتون (یکی فوتون اولیه تابش شده و دومی فوتون تابش شده از الکترون) در محیط داریم که در واقع نور تقویت شده محسوب می‌شود (شکل 6). هر کدام از این فوتون‌ها می‌توانند با برخورد به دیگر الکترون‌های برانگیخته فوتون دیگری تولید کنند. در انتهای این امر تعداد زیادی از فوتون‌های هم‌فرکانس داریم که در داخل کاواک پر‌شدت‌تر شده و باریکه‌ پرانرژی و همدوس لیزر با پهنای فرکانسی کم را تشکیل می‌دهند.

چرا نور لیزر، تک رنگ (تک فرکانس) و همدوس است؟

پاسخ این سوال در قسمت قبل، یعنی تابش القایی نهفته است. اگر با ساختار و ترازهای اتمی آشنا باشید (مدل بور)، می‌دانید که انرژی ترازهای اتمی به صورت گسسته تغییر می‌کند. در واقع انرژی ترازها متغیری کوانتیده است.

فرض کنید که می‌خواهیم لیزری طراحی و بسازیم که در طول موج یا فرکانسی خاص کار کند (انتخاب محیط فعال (بهره) مناسب، امری مهم است). در واقع الکترون‌های برانگیخته محیط فعال (بهره) باید تابشی در طول موج مد نظر ما داشته باشند. از‌ آنجا که ترازهای انرژی کوانتیده بوده و الکترون‌ها فقط به تراز‌هایی خاص می‌توانند گذار کنند، باید انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز، یعنی اختلاف انرژی ترازی که در آن قرار دارد و ترازی که قرار است به آن گذار کند، به آن بدهیم. این امر بیانگر این است که هیچ الکترونی وجود ندارد که انرژی‌اش مقداری بین دو تراز باشد.

همان‌طور که پیشتر گفته شد، مطابق شکل (6) انرژی لازم برای برانگیخته کردن الکترون و گذار آن به تراز مد نظر را توسط فوتونی با مقدار انرژی ($$hf=E_{1}-E_{0}$$) فراهم می‌کنیم. اگر مقدار این انرژی بیشتر یا کمتر از مقدار ($$hf=E_{1}-E_{0}$$) باشد، الکترون سر جای خود می‌ماند.

الکترون برانگیخته شده که در تراز شبه پایدار قرار گرفته ناپایدار بوده و تمایل دارد با تابش فوتونی به تراز با انرژی پایین‌تر گذار کند. جرقه این کار توسط فوتونی با همان مقدار انرژی ($$hf=E_{1}-E_{0}$$) زده می‌شود. در این صورت الکترون با تابش فوتونی با انرژی (فرکانس) برابر با فوتون اولیه به تراز پایین‌تر رفته و در نتیجه تکرار این فرآیندها، نور حاصل از تابش القایی، تقویت می‌شود.

پاسخ این که چرا لیزر در فرکانسی خاص کار می‌کند، همین امر است. در واقع فقط تابش‌هایی تقویت می‌شوند که فرکانس متناظر با اختلاف انرژی دو تراز داشته باشند. پس به طور خلاصه فرآیند گسیل القایی که مکانیزم اصلی عملکرد یک لیزر است، باعث ایجاد تعداد خیلی زیادی از فوتون‌های هم‌فرکانس و هم‌فاز (همدوس) می‌شود که در نهایت این فوتون‌ها در محیط کاواک تقویت و توسط ادوات اپتیکی مناسب به بیرون هدایت می‌شوند. لازم به ذکر است که هر پرتو یا پالس لیزر به هر حال کمی پهنای فرکانسی دارد که این امر ناشی از گذارهای الکترون به زیرلایه‌های (عدد کوانتومی فرعی $$l$$) مختلف از یک تراز است.

در انتها پیشنهاد می‌کنیم، وید‌ئویی جذاب از چند آزمایش‌ که با لیزر‌‌هایی قدرتمند انجام شده است را در زیر مشاهده کنید:

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مسئله
• مجموعه آموزش‌های مهندسی الکترونیک
• فیبر نوری -- به زبان ساده
• مخابرات فیبر نوری -- راهنمای جامع
• طیف الکترومغناطیسی — به زبان ساده
• طیف مرئی -- به زبان ساده
• موجبر (ٌWaveguide) چیست؟ -- به زبان ساده

^^