ماهيت نور همدوس ليزر

عمل ليزرها بستگي به گسيل القايي دارد. كه بوسيله ضريب انيشتين B21 مشخص مي شود. ميزر ‏به معني تقويت كهموج بوسيله گسيل القايي تابش است و ليزر به همان معني براي نور است. ‏ميزرها مدتي قبل از ليزرها بوجود آمدند.علت عمده اينكه ، اتلاف انرژي حاصل از فرآيند رقيب گسيل خود به خودي در طول موجهاي بلند خيلي كمتر است.

مقدمه

عمل ليزرها بستگي به گسيل القايي دارد. كه بوسيله ضريب انيشتين B21 مشخص مي شود. ميزر ‏به معني تقويت كهموج بوسيله گسيل القايي تابش است و ليزر به همان معني براي نور است. ‏ميزرها مدتي قبل از ليزرها بوجود آمدند.علت عمده اينكه ، اتلاف انرژي حاصل از فرآيند رقيب گسيل خود به خودي در طول موجهاي بلند خيلي كمتر است (A21.B21= V3).‏
مجموعه‌اي از اتمها يا مولكولها با ترازهاي انرژي (1) و (2) را در نظر مي‌گيريم كه تحت ‏تابش نوري به فركانس V12قرار گرفته‌اند. هر اتم در حالت (1) داراي احتمال در واحد زمان (B12P (V12 براي اضافه كردن يك فوتون و در نتيجه تضعيف نور است در حالي كه هر اتم حالت (2) داراي ‏احتمال (B12P(V12 براي اضافه كردن يك فوتون و در نتيجه تقويت نور است.

‏مكانيزم تابش همدوس ليزري

سرشتيهاي تابش ليزر بطور كامل از اين واقعيت ناشي مي‌شود كه تابش گسيل شده دقيقا داراي ‏همان فاز و جهت تابش القايي است. به عبارتي اگر تقويت بر تضعيف فزوني يابد اتمهاي بسياري را ‏مي‌توان وادار به تابش همدوس كرد. در حالتهاي عادي ، تعداد اتمها در حالت (1) بيشتر از اتمهاي حالت (2) هستند. بطوري كه در تعادل گرمايي ، جذب با ضرب e-hv/KTكه گسيل القايي غالب مي‌آيد. براي بدست آوردن تقويتي خالص بايد تجمع معكوس گردد.

اين كار ، به هر ميزاني ، در ناحيه مرئي ، به تنهايي كافي نيست. زيرا تعداد زيادي از اتمهاي ‏برانگيخته بطور خود به خودي يعني غير همدوس فرو مي‌افتند و از نقطه نظر تقويت همدوس تلف ‏مي‌شوند. براي جبران كردن اين اتلاف ، تقويت همدوس را ، با در برگرفتن تابش يك در حفره تشديد ‏كوك شده به فركانس V12 ، مي‌افزايند. در نواحي مرئي و فرو سرخ يك چنين حفره‌اي زوج آينه‏موازي با ضريب انعكاس بالا ، هر كدام واقع در يك انتهاي ماده مورد تجمع معكوس حاصل مي‌شود.‏

امواج ايستاده حاصل از انعكاسات متعدد بين دو انتهاي اين حفره دامنه‌اي به مراتب بيشتر از امواج ‏متحركي دارند كه تنها عبور ساده‌اي از درون ماده را ارائه مي‌كنند.از آنجايي كه حفره براي نور ‏دقيقا عمود بر آينه تنظيم شده است. لذا باريكه فرودي از انتهاي آينه (يكي از آينه‌ها كمي قابليت ‏عبور دارد) به شدت جهت دار است.

عوامل اتلاف تابش ليزري

پاشندگي را مي‌توان تا حد ده سانتيمتر در هر كيلومتر كوچك كرد. علاوه بر آن چون رفتار تابش ‏طوري است كه گويي از يك نوسانگر غير ميراي تنها ، بجاي تعداد زيادي نوسانگر نامربوط به هم ‏، منشأ گرفته است. لذا ناشي از جابه جايي دوپلر يا فشار ، يا حتي ناشي از طول عمر طبيعي ، هيچ ‏پاشندگي فركانسي بوجود نمي‌آيد. بنابرين نوار طول موج مي‌تواند فوق العاده باريك باشد و ‏محدوديت آن اساسا توسط پارازيتهاي گرمايي يا پايداري حفره تشديد معين مي‌شود.

براي يك ليزر گازي ν/ν∆كه معرف پاشندگي نوري ليزر مي‌باشد، ممكن است از مرتبه 14-10 ‏باشد. كه همان مرتبه افت و خيز گرمايي و مكانيكي آينه است. اين را مي‌توان با حد دوپلر عادي كه ‏حدود6-10 است، مقايسه كرد. اين چگالش انرژي چه از نظر فضايي و چه طيفي علت اصلي شدت‏زياد ميزرها و ليزرهاست.

در اكثر موارد انرژي به صورت تپه‌هايي به طول عمر چند ميكرو ثانيه يا كمتر گسيل مي‌شود، يعني ‏چگالش نيز زود گذر است. قدرت قله‌اي تابش حاصل از يك ليزر ياقوت چند مگاواتي چيزي حدود 1012 مرتبه بيشتر از قدرت تابش خورشيد در همان زاويه باريك فضايي و نوار فركانسي است. اما اين ‏تپه فقط -710 ثانيه عمر دارد. از طرق مختلف دستيابي به تجمع معكوس در اينجا بحث نخواهد شد، ‏زيرا تعداد كتابهاي قابل دسترس در اين زمينه بسيار زياد است.

پمپاژ ليزر

اصل عمومي ، عبارت از انتخاب يك تراز فرا پايدار (2) و تجمع آن از طريق فروافت از تراز بالاتر ‏‏(3) است كه خود بوسيله جذب تابش به طول موجهاي كوتاه تر ، از حالت پايه به آن حالت رسيده ‏است، اين فرآيند به پمپاژ نوري (1) موسوم است. بطور مثال ، در ليزر ياقوت نور قرمز 6943 ‏آنگستروم از طريق فرو افت اتمهاي ناخالص كروميوم از يك تراز فرا پايدار (2) به حالت پايه (1) بوجود مي‌آيد.

روش ديگر پمپاژ نوري بوسيله ليزر گازي هليوم - نئون نشان داده شده است. از آنجايي كه تمام ‏ترازها تيزند. لذا انرژي فقط مي‌تواند در نوارهاي بسيار باريك فركانس جذب شود و برانگيزش ‏توسط درخشي از تابش پيوسته بسيار نامؤثر خواهد بود. در عوض تراز(2) در نئون از طريق ‏برخورد با اتمهاي هليوم فرا پايدار به همان انرژي ، حاصل از يك تخليه الكتريكي مداوم تجمع مي‌يابد. گذار ليزري (1) <--- (2) به حالت پايه پايان نمي‌يابد. بنابراين تراز (1) تجمع نسبتا كوچكي دارد ‏و عمل معكوس كردن تجمع مي‌تواند بدون فرا پايدار شدن تراز (2) تحقق پذيرد. در واقع هر دو ‏تراز (1) و (2)به زير ترازهاي متعددي شكافته مي‌شوند. در اين فرآيند خطوط متعدد فروسرخ و ليزر با نور قرمز ايجاد مي‌شود.

ليزر پالسي

‏برخلاف آنچه در حالت جامد انتظار مي‌رود تراز (2) به جاي نوار ، يك تراز تيز است، زيرا تراز پر ‏3dيون كروميوم توسط الكترونهاي خارجي از تأثير ميدانهاي بلور محفوظ مي‌ماند. اين تراز بوسيله گدازهاي غير تابشي از نوار عريض (3) تجمع مي‌يابد، در اين حالت انرژي به شبكه كريستالي ‏منتقل مي شود. درخشي از تابش پيوسته براي برانگيختن اتمها به تراز (3) بكار مي‌رود. به علت ‏برانگيزش درخشي و نياز به اتلاف انرژي شبكه ، اين ليزر به صورت تپش كار مي‌كند. بازتابهاي ‏متعدد به صيقل كردن و نقره اندود كردن سطوح انتهايي خود ياقوت حاصل مي‌شود.

طيف نمايي با ليزرها و ميزرها

گونه‌هاي وسيعي از ميزرها و ليزرهاي گازي و جامد تا كنون ساخته و پرداخته شده‌اند كه تمامي ‏ناحيه طيفي از كهموج تا فرابنفش نزديك را ، هر چند عموما در فركانسهاي ثابت معيني ، در بر مي‌‏گيرند.

ايجاد ليزرها براي ناحيه فرابنفش دور موضوع به مراتب مشكلتري است. زيرا در فركانسهاي بالا ‏گسيل خود به خودي و اتلاف از طريق بازتاب به سرعت افزايش مي‌يابند.

تا اين اواخر استفاده از ليزرها در طيف نمايي به علت عدم قابليت كوك آنها به فركانسهاي دلخواه ‏، محدود بود و معمولا بطور تصادفي مي‌شد از يك منبع با فركانس ثابت براي تجربه معين استفاده ‏كرد.

طيف نمايي رامان يك استثناء در اين مورد است: طول موج تابش فرودي مي‌تواند كاملا دلخواه ‏انتخاب شود و شدت زياد ليزر بطور قابل توجهي مشكلات ناشي از ضعيف بودن خطوط رامان را ‏كاهش مي‌دهد.

كاربردهاي نور همدوس ليزر

براي ساير شاخه هاي طيف نمايي توسعه ليزرهاي رنگين دورنماي هيجان انگيزي را عرضه مي ‏دارد. ليزرهاي رنگين در گستره وسيعي از طول موجها نور تاباند، و تقويت در هر طول موج دلخواه ‏از نور مرئي تا فروسرخ را مي توان با انتخاب يك رنگ مناسب و جدا كردن نوار موجي مورد نيازاز ‏طريق توري پراش تا تداخل سنج بدست آورد.

از طريق روش دو برابر كردن فركانس مي‌توان گستره طول موج را به ناحيه فرابنفش گسترش داد. ‏با بكار بردن يك ليزر رنگين كوك پذير به عنوان منبع پايه براي طيف نمايي جذبي مي‌توان از يك ‏طيف نگار متعارف صرف نظر كرد.

شدت يك ليزر رنگين را مي‌توان به آساني تا حدي بزرگ كرد كه بتواند تجمع هر حالت‏برانگيخته شده مناسبي را ، كه از طريق يك گذار تابشي از حالت اساسي بدست مي‌آيد، اشباع ‏كند. اين بدان معني است كه مي‌توان تجمع حالت پايه و حالت برانگيخته شده را واقعا با همديگر ‏برابر كرد. در اين صورت مي‌توان اثرهاي گوناگوني را در حالت برانگيخته نظير جذب به حالتي ‏باز هم بالاتر ، فرآيندهاي فرو پاشي برخوردي و تابشي و انتقال انرژي برانگيختگي به حالتهاي مجاور را مورد بررسي قرار داد.

بايد اضافه كرد كه ليزرها وسيله‌اي فوق العاده مفيد در يك آزمايشگاه طيف نمايي براي كارهاي ‏ساده ولي اساسي نظير تنظيم طيف نگارها ، ميزان كردن تداخل سنجها و بدست آوردن شكلهاي خطي ، دستگاههاي مفيدي هستند.

از ليزرها بطور وسيعي در طيف سنج پلاسما به عنوان وسايل تشخيص براي اندازه گيري‏مستقيم دما و چگالي الكتروني استفاده مي‌شود.