راز قدرت لیزر در چیست؟
لیزر در واقع یک کلمه بی‌معنی بوده که از چسباندن حروف اول کلمات یک عبارت طولانی ساخته شده است؛ این عبارت: «تقویت نور ناشی از گسیل القایی»( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) است. این مفهوم اندکی عجیب و نا‌آشنا به نظر می‌رسد بنابراین خوب است بفهمیم گسیل القایی چیست و چطور می‌شود نوری که در اثر آن ایجاد می‌شود را تقویت کرد.
بر اساس یک مدل نه‌چندان درست ولی کارآمد، می‌توان فرض کرد الکترون‌ها در مدارهای با انرژی معین دور هسته اتم می‌چرخند. این مدارها را ترازهای مختلف انرژی می‌نامند و هر چه مداری از هسته دورتر باشد انرژی الکترونی‌ای که در آن مدار در حال چرخش است، بیشتر خواهد بود. نتیجه اینکه اگر به الکترونی در یکی از مدارهای پایین انرژی بدهیم، مثلا از راه گرم کردن ماده و دادن انرژی گرمایی به اتم‌های آن یا از راه تاباندن یک پرتو نور به اتم‌ها، این الکترون می‌تواند به مدارهای بالاتر بپرد؛ البته به این شرط که مقدار انرژی کافی باشد. فکر می‌کنید اگر برعکس این اتفاق بیفتد چه می‌شود؟ یعنی اگر الکترونی از مدار بالاتر به مدار پایین‌تر بیاید انرژی آزاد شده کجا می‌رود؟ از آنجا که این انرژی در مدت زمان کوتاهی آزاد می‌شود، به شکل نور درمی‌آید؛ البته نه یک باریکه نور پیوسته بلکه یک جرقه روشن. الکترون‌ها به طور کم و بیش تصادفی بین مدارهای مختلف
جا به جا می‌شوند و در نتیجه از خودشان انرژی گسیل می‌کنند. به این فرآیند گسیل خود به خودی می‌گویند. از این انرژی‌ها نمی‌توان استفاده مفید کرد چرا که خیلی پراکنده هستند. هر کدام از این نورها در یک زمان و با یک طول موج ایجاد می‌شوند و در نتیجه چون انرژی هر کدام‌شان به تنهایی کم است، قابل استفاده نیستند. اما همان طور که در دنیای انسان‌ها اتحاد رمز پیروزی است، در دنیای ذرات اتمی هم اگر بتوانیم این نورها یا همان انرژی‌ها را با هم متحد کنیم، مقدارشان آنقدر زیاد می‌شود که می‌توانند کارهای عجیب و غریب بکنند. لیزر همان نورهایی است که با هم متحد شده‌اند و عامل ایجاد این اتحاد هم گسیل القایی است.
گسیل القایی؛ رمز پیروزی
اما این گسیل القایی چیست و چطور می‌توان آن را ایجاد کرد؟ دو اتم از یک ماده مشابه را در نظر بگیرید که الکترون یکی در تراز انرژی حالت پایدار و دیگری در حالت برانگیخته، یعنی در مدار و تراز بالاتر انرژی قرار گرفته است. تعدادی فوتون هم که همان ذرات تشکیل دهنده نور هستند، داریم که انرژی‌شان با اختلاف انرژی این دو تراز اتم برابر است. اگر یکی از این فوتون‌ها به یکی از این اتم‌ها نزدیک شود چه اتفاقی می‌افتد؟ بنا بر آنچه گفتیم دو اتفاق ممکن است: این فوتون جذب اتم برانگیخته شود و با بردن آن به حالت پایه، دو برابر مقدار اختلاف انرژی دو تراز انرژی آزاد شود یا اینکه جذب اتم حالت پایه شود و الکترون آن را به تراز بالاتر ببرد و در حالت برانگیختگی قرار دهد. اما فوتون ما ترجیح می‌دهد کدامیک از این کارها را بکند؟ یعنی برای فوتون اتم برانگیخته جالب‌تر است یا اتم در حالت پایه؟
جواب این سوال را تا سال 1917 کسی نمی‌دانست تا اینکه اینشتین سر و کله‌اش پیدا شد و با مذاکره با فوتون‌ها به این نتیجه رسید که برای فوتون‌ها عموما فرقی نمی‌کند جذب کدامیک از این اتم‌ها شوند. او این نتیجه را به زبانی کمی پیچیده‌تر این طور اعلام کرد که احتمال جذب و گسیل فوتون با هم برابر است، بنا بر این نظریه‌ای داد به نام وارونگی جمعیت. او گفت اگر بخواهیم با تاباندن فوتون‌ها به اتم‌های یک ماده، اتم‌های بیشتری این فوتون‌ها را جذب و بعد انرژی آزاد کنند باید بیشتر اتم‌ها را در حالت برانگیخته قرار بدهیم که البته این موضوع واضحی است، اما از آنجا که بیشتر اتم‌های مواد اغلب در حالت پایه قرار دارند، این حرف به معنای وارونه کردن ترکیب جمعیتی اتم‌های برانگیخته و اتم‌های پایه است. به خاطر همین هم اینشتین اسم نظریه‌اش را گذاشت وارونگی جمعیت. برای آنکه بتوانیم وارونگی جمعیت ایجاد کنیم، لازم است به اتم‌های ماده انرژی بدهیم تا الکترون‌هایشان در حالت برانگیخته قرار بگیرند.
دیگر به گسیل القایی خیلی نزدیک شدیم یا شاید هم به آن رسیده باشیم. وقتی در اتم‌های یک ماده وارونگی جمعیت ایجاد کردیم، فوتون‌ها را به آنها می‌تابانیم. آن وقت همه اتم‌های برانگیخته همزمان به حالت پایه می‌روند؛ این می‌شود همان اتحادی که حرفش را زده بودیم یا همان گسیل القایی. گسیل بودنش که معلوم است، القایی را هم به خاطر این می‌گویند که در اثر وارونگی جمعیتی که ما ایجاد کرده‌ایم این گسیل به وجود آمده است.
حالا خوب است به یک سوال فکر کنیم: اگر برای گسیل القایی لازم است وارونگی جمعیت ایجاد شود و برای وارونگی جمعیت هم انرژی لازم داریم، پس فایده لیزر چیست؟ لیزر که انرژی تولید نمی‌کند بلکه همان قدر که انرژی گرفته به ما پس می‌دهد. جواب این سوال را قبلا داده‌ایم. گفتیم که رمز قدرتمندی لیزر، اتحاد است. لیزر و هیچ وسیله دیگری در دنیا انرژی تولید نمی‌کند بلکه انرژی را به شکل مناسبی که ما می‌خواهیم درمی‌آورد. لیزر باعث می‌شود انرژی‌های پراکنده‌ای که ما به اتم‌ها داده بودیم به شکلی متمرکز دربیاید یا به زبان خودمان متحد شود. مقدار انرژی لیزر نیست که باعث کاربردهای فراوان آن شده بلکه همین تمرکز انرژی است که آن را خارق‌العاده کرده است.
تفاوت لیزر با دیگر نورها چیست؟
همان طور که گفتیم، خروجی لیزر یک پرتو نوری است اما این پرتو نوری با نورهای معمولی مثل نور شمع یا چراغ قوه تفاوت‌هایی دارد. این تفاوت‌ها به خاطر روش تولید متفاوت آن است.
نور لیزر تک‌رنگ است. رنگ نور مربوط به فرکانس آن است و فرکانس نور هم به چیزی جز انرژی آن مربوط نمی‌شود. از آنجا که همه فوتون‌هایی که از اتم‌ها گسیل شده‌اند مقدار معینی انرژی دارند، فرکانس همه‌شان هم یکی است و بنا بر این پرتو نور لیزر برخلاف نور سفید که از طیف رنگ‌ها ساخته شده، تک‌رنگ است.
پرتو لیزر یک باریکه نور موازی و هم‌جهت است. وقتی لامپ اتاق را روشن می‌کنیم، نور آن در همه جهات پراکنده می‌شود و همه اتاق را روشن می‌کند اما نور لیزر تا فاصله‌های بسیار دور همگرا می‌ماند و در فضا پخش نمی‌شود. بسیاری از کاربردهای مربوط به مسافت‌سنجی یا نشانه‌گیری به این خاصیت مهم لیزر وابسته‌اند.
نور لیزر همدوس است. به زبان ساده یعنی اینکه همه فوتون‌های یک باریکه لیزر با هم نوسان می‌کنند.
لیزر راه‌حلی به دنبال یک مسأله
وقتی لیزر کشف شد هیچ‌کس نمی‌دانست فایده و کاربرد آن چیست. در روزهای نخستین کشف لیزر این جمله خیلی مشهور بود: راه‌حلی به دنبال یک مسأله. زمان زیادی لازم است تا کشف بتواند به طور ملموس و کاربردی مورد استفاده قرار گیرد. ممکن است سال‌ها طول بکشد تا انسان‌ها اهمیت واقعی یک اکتشاف را دریابند. بر خلاف گذشته، امروزه ما می‌دانیم که لیزر در زمینه‌های مختلفی مثل ارتباطات، صنعت، پزشکی و حفاظت از محیط زیست کاربردهای زیادی دارد.
کاربردهای صنعتی لیزر
در صنعت از لیزر استفاده‌های فراوانی می‌شود مثلا در ابزارهایی مثل وسایل نشانه‌گیری یا اندازه‌گیری. در صنعت ماشین‌سازی، لیزر برای اندازه‌گیری دقت گردی گلوله یا طاق آنها مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک پرتو لیزر را به سطح گلوله می‌تابانند و پراکندگی آن را هنگام بازتاب از سطح گلوله بررسی می‌کنند. به این ترتیب وجود هر اختلالی در فرم گرد گلوله، از روی الگوی پراکندگی قابل تشخیص است. لیزر می‌تواند نقش یک تراز حباب‌دار را هم داشته باشد؛ یک پرتو لیزری با جارو کردن یک سطح می‌تواند هموار بودن سطح را نشان دهد. یکی از کاربردهای این روش تراز کردن دیوارهای ساختمان‌های بلند است که لازم است با دقت بسیار زیادی تراز شوند. از لیزر برای برش‌های بسیار دقیق و همین طور برای تشخیص دقیق میزان صیقلی و همواری سطوح مختلف هم استفاده می‌شود.
کاربردهای زیست محیطی
فناوری لیزر حتی در زمینه محیط زیست هم کاربرد دارد. به عنوان مثال می‌توان با استفاده از لیزر، میزان سم وارد شده به محیط از یک محفظه مملو از دود را تعیین کرد؛ آن هم از فاصله دور. همچنین می‌توان مقدار اوزن، دود و مه فتوشیمیایی جو را پیش‌بینی و اندازه‌گیری کرد؛ چه در سطح زمین و چه در لایه‌های بالاتر جو. یکی دیگر از کاربردهای بسیار مهم لیزر، استفاده از آن در تصفیه فاضلاب‌هاست.
ارتباطات
لیزر به عنوان یک منبع نوری در تمامی فیبرهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد. پهنای باند این فیبرها بیش از یکصد هزار برابر یک کابل مسی معمولی است. لیزر نسبت به تداخل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خارجی حساس نیست و در نتیجه، شنیدن مکالمه تلفنی دیگری، همان که به اصطلاح می‌گوییم خط رو خط افتادن، به ندرت اتفاق می‌افتد. فیبرهای نوری در انتقال داده‌ها و مخابرات در سراسر دنیا به وفور به کار برده می‌شوند.
تحقیقات آزمایشگاهی
لیزر به مهم‌ترین ابزار پژوهشی در زمینه‌های فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و پزشکی در سراسر دنیا تبدیل شده است و در موارد زیر از آن استفاده می‌شود:
• ثبت فرآیندهای شیمیایی فراسریع (بسیار سریع) مثل ایجاد پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها برای تشکیل مولکول‌ها
•مطالعه شکاف سلولی (دو نیم شدن سلول‌ها) یا ورود ویروس‌ها به سلول.
• کاهش بسیار زیاد دمای مولکول‌ها.
• انتقال بیشترین انرژی ممکن به مواد مختلف در یک‌بازه زمانی کوتاه برای دریافت انواع گسیل‌های مختلف.
پزشکی
لیزر در پزشکی برای کارهای دقیقی مانند جراحی‌ها استفاده می‌شود. جراحی مغز نمونه‌ای از یک جراحی دقیق و ظریف است که جراح نیاز دارد ناحیه مورد نظر را با دقت بسیار زیاد مورد بررسی قرار دهد. برای اطمینان بیشتر، لیزرها هم به منظور اندازه‌گیری و هم به منظور نشانه‌گیری ناحیه تحت درمان استفاده می‌شوند. ماه‌گرفتگی، زگیل و ضایعات پوستی به سادگی با یک لیزر غیرمتمرکز از میان می‌روند. این جراحی‌ها با سرعت بیشتری انجام می‌گیرد و سریع‌تر بهبود می‌یابد و بهتر از همه آنکه نسبت به جراحی‌های معمولی که با تیغ جراحی صورت می‌گیرند درد کمتری دارند.
ذخیره اطلاعات
یکی از استفاده‌های هر روزی ما از لیزر در دستگاه DVD player است. اطلاعات، مثلا فایل‌های متنی یا فیلم، عکس و موسیقی، ابتدا به شکل دیجیتال درمی‌آیند یعنی تبدیل به دنباله‌هایی از صفر و یک‌ها می‌شوند. این دنباله صفر و یک را می‌توان به شکل دنباله‌ای از شیارها درآورد که مثلا هر شیار نشان دهنده یک و هر خط صاف نشان‌دهنده صفر باشد. این دنباله را به شکل یک نوار مارپیچ روی لوح فشرده یا روی DVD ایجاد می‌کنند. البته این شیارها بسیار نازکند و ضخامت‌شان در ابعاد میکرومتر است. برای خواندن این اطلاعات مثل نابیناها عمل می‌کنیم. همان طور که افراد نابینا با کشیدن انگشت روی برجستگی‌ها و فرورفتگی‌های خط بریل آن را می‌خوانند، ما هم باید انگشتی به باریکی همان شیارها داشته باشیم تا بتوانیم آن را بازخوانی کنیم. این انگشت خیلی باریک، همان پرتو لیزر است و هیچ جایگزین دیگری هم ندارد. باریکه لیزر، از روی این نوارهای مارپیچ در تمام سطح DVDعبور می‌کند و دنباله شیارهای روی مارپیچ را می‌خواند. این اطلاعات که هنوز به شکل صفر و یک هستند، بعد از پردازش به شکل اصلی خود درمی‌آیند.
نشانه‌گیر لیزری تفنگ (مگسک لیزری تفنگ)
دو نوع مختلف از نشانه‌گیرهای لیزری برای تفنگ‌ها ساخته می‌شود. در نوع اول، پرتوهای لیزری موازی با مسیر گلوله فرستاده می‌شوند تا نقطه اصابت گلوله را بررسی و قابل رویت کنند. این روش ویژه تیراندازان ماهر و نشانه‌گیرهای حرفه‌ای است.
بعضی دیگر به جای خط صلیبی‌شکل داخل دوربین اسلحه، نقطه قرمزی داخل کادر نشانه‌گیری دارند. این نوع به نشانه‌گیری بهتر کمک می‌کند.
اندازه‌گیری سرعت با استفاده از لیزر
روش پلیس برای اندازه‌گیری سرعت اتومبیل‌ها بر اساس یک سیگنال لیزری است که به سوی هدف فرستاده می‌شود. این پرتو پس از برخورد با هدف بازگشته و با نوری که هنوز با اتومبیل برخورد نکرده ترکیب می‌شود. حاصل این ترکیب یک نوسان است. هرچه فرکانس این نوسان بالاتر باشد، نشان‌دهنده این است که هدف سریع‌تر حرکت می‌کرده است. سرعت باید مستقیما از مقابل یا از پشت سر اندازه‌گیری شود. اگر جهت اندازه‌گیری زاویه‌دار باشد، سرعت اندازه‌گیری شده از مقدار واقعی سرعت کمتر خواهد بود. این بدان معنی است که امکان اندازه‌گیری ارقام اشتباه خیلی بزرگ وجود ندارد. دقت اندازه‌گیری بستگی به این دارد که اتومبیل بخش مناسبی برای بازتاب داشته باشد. پلاک اتومبیل برای این منظور بسیار مناسب است چون معمولا از جنسی ساخته می‌شود که بازتاب‌دهنده خوبی است. سطوح کدر نیز قابل قبول هستند اما بیشینه مسافت را کاهش می‌دهند.
مسافت‌سنج لیزری
امروزه عمده‌ترین کاربران مسافت‌سنج‌های لیزری، نقشه‌برداران و ساختمان‌سازها هستند اما در صنعت اتومبیل‌سازی نیز از آن استفاده می‌کنند. در ماشین‌های جدید، وسیله‌ای به نام کمک پارک وجود دارد که با استفاده از مسافت‌سنج لیزری به راننده کمک می‌کند تا هنگام پارک کردن فاصله خود را با اتومبیل پشت سرش تخمین بزند. همچنین با استفاده از این وسیله، فاصله اتومبیل جلویی نیز هنگام رانندگی در بزرگراه‌ها یا جاده‌ها برای راننده معلوم خواهد شد. می‌توان دستگاه را روی فاصله معینی تنظیم و قفل کرد تا همیشه همان‌قدر با ماشین جلویی فاصله داشته باشیم. این کار رانندگی را بهتر و سریع‌تر خواهد کرد. علاوه بر اینها، در بیشتر روبات‌هایی که دید مکانیکی دارند از این نوع لیزر استفاده می‌شود.
کابل نوری بلندگوها
امروزه همه تقویت کننده‌ها (آمپلی‌فایرها) یک کابل نوری جهت انتقال به بلندگو دارند. مزیت این روش آن است که سیستم نسبت به تداخل میدان‌های الکترومغناطیسی حساس نیست. این تداخل ممکن است به علت وجود قطعات الکتریکی یا فرستنده‌های رادیویی مثل تلفن‌های همراه اتفاق بیفتد. منبع نوری که به عنوان فرستنده استفاده می‌شود، یک لیزر نیمه‌رسانای کوچک است.
نورشناخت غیرخطی
شاولو و بلومبرگن برای شرکت در توسعه طیف‌نمایی لیزر برنده جایزه نوبل شدند. از نمونه‌های کاربردی این کار استفاده در نور شناخت غیرخطی است؛ یعنی روش‌های تاثیر یک پرتو بر دیگری و پیوستن به چند پرتو لیزری به طور ثابت. این پدیده‌ها بدین معناست که در اصل یک پرتو نور می‌تواند با یک پرتو نور دیگر هدایت شود. اگر در آینده کسی بخواهد یک کامپیوتر نوری بسازد که در ذخیره داده‌ها خیلی سریع‌تر و کارآمدتر عمل کند باید اساس کار خود را بر مبنای نور شناخت غیرخطی قرار دهد.
سردسازی
با این روش القایی اتم‌ها انرژی گرمایی‌شان را به نور لیزری داده و به این ترتیب دمایشان پایین و پایین‌تر می‌رود. وقتی دمای اتم‌ها به نزدیکی صفر مطلق نزول می‌کند، اتم‌ها به شکل متراکمی درآمده و توده‌های اتمی می‌سازند. این پدیده برخی از جنبه‌های درونی طبیعت را آشکار می‌کند.
لیزرهای نیمه‌رسانا
آلفرو و کرومر برای فعالیت‌هایشان در زمینه فیزیک نیمه‌رساناها برنده جایزه نوبل شدند. آنها نوعی از ماده را مورد بررسی قرار دادند که برای اولین‌بار برای ساخت لیزرهای نیمه‌رسانا مورد استفاده قرار گرفت؛ نوعی لیزرهای بسیار کوچک که امروزه ارزان‌ترین (روشن‌ترین) و کوچک‌ترین لیزرهای موجود هستند.
هدف از ساختن آنها تولید همزمان منبع نوری و ذخیره انرژی با قرار دادن آینه‌هایی در یک کریستال بود. این کشف نه‌تنها اساس کار بسیاری از وسایل ارزان و قابل حمل بود بلکه منجر به ساخت اطلاعات نوری (اپتیکی) شبکه‌های اینترنتی شد. دستگاه laser writer و
cd player ، نشانه‌گیر لیزری و دستگاه خواندن بارکدها که امروزه صندوقدارهای سوپرمارکت‌ها و فروشگاه‌های کوچک و بزرگ از آن استفاده می‌کنند، همگی بر مبنای این کشف ساخته شده‌اند. ليزر؛ يك راه‌حل براي چند مسأله
راز قدرت لیزر در چیست؟
لیزر در واقع یک کلمه بی‌معنی بوده که از چسباندن حروف اول کلمات یک عبارت طولانی ساخته شده است؛ این عبارت: «تقویت نور ناشی از گسیل القایی»( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) است. این مفهوم اندکی عجیب و نا‌آشنا به نظر می‌رسد بنابراین خوب است بفهمیم گسیل القایی چیست و چطور می‌شود نوری که در اثر آن ایجاد می‌شود را تقویت کرد.
بر اساس یک مدل نه‌چندان درست ولی کارآمد، می‌توان فرض کرد الکترون‌ها در مدارهای با انرژی معین دور هسته اتم می‌چرخند. این مدارها را ترازهای مختلف انرژی می‌نامند و هر چه مداری از هسته دورتر باشد انرژی الکترونی‌ای که در آن مدار در حال چرخش است، بیشتر خواهد بود. نتیجه اینکه اگر به الکترونی در یکی از مدارهای پایین انرژی بدهیم، مثلا از راه گرم کردن ماده و دادن انرژی گرمایی به اتم‌های آن یا از راه تاباندن یک پرتو نور به اتم‌ها، این الکترون می‌تواند به مدارهای بالاتر بپرد؛ البته به این شرط که مقدار انرژی کافی باشد. فکر می‌کنید اگر برعکس این اتفاق بیفتد چه می‌شود؟ یعنی اگر الکترونی از مدار بالاتر به مدار پایین‌تر بیاید انرژی آزاد شده کجا می‌رود؟ از آنجا که این انرژی در مدت زمان کوتاهی آزاد می‌شود، به شکل نور درمی‌آید؛ البته نه یک باریکه نور پیوسته بلکه یک جرقه روشن. الکترون‌ها به طور کم و بیش تصادفی بین مدارهای مختلف
جا به جا می‌شوند و در نتیجه از خودشان انرژی گسیل می‌کنند. به این فرآیند گسیل خود به خودی می‌گویند. از این انرژی‌ها نمی‌توان استفاده مفید کرد چرا که خیلی پراکنده هستند. هر کدام از این نورها در یک زمان و با یک طول موج ایجاد می‌شوند و در نتیجه چون انرژی هر کدام‌شان به تنهایی کم است، قابل استفاده نیستند. اما همان طور که در دنیای انسان‌ها اتحاد رمز پیروزی است، در دنیای ذرات اتمی هم اگر بتوانیم این نورها یا همان انرژی‌ها را با هم متحد کنیم، مقدارشان آنقدر زیاد می‌شود که می‌توانند کارهای عجیب و غریب بکنند. لیزر همان نورهایی است که با هم متحد شده‌اند و عامل ایجاد این اتحاد هم گسیل القایی است.
گسیل القایی؛ رمز پیروزی
اما این گسیل القایی چیست و چطور می‌توان آن را ایجاد کرد؟ دو اتم از یک ماده مشابه را در نظر بگیرید که الکترون یکی در تراز انرژی حالت پایدار و دیگری در حالت برانگیخته، یعنی در مدار و تراز بالاتر انرژی قرار گرفته است. تعدادی فوتون هم که همان ذرات تشکیل دهنده نور هستند، داریم که انرژی‌شان با اختلاف انرژی این دو تراز اتم برابر است. اگر یکی از این فوتون‌ها به یکی از این اتم‌ها نزدیک شود چه اتفاقی می‌افتد؟ بنا بر آنچه گفتیم دو اتفاق ممکن است: این فوتون جذب اتم برانگیخته شود و با بردن آن به حالت پایه، دو برابر مقدار اختلاف انرژی دو تراز انرژی آزاد شود یا اینکه جذب اتم حالت پایه شود و الکترون آن را به تراز بالاتر ببرد و در حالت برانگیختگی قرار دهد. اما فوتون ما ترجیح می‌دهد کدامیک از این کارها را بکند؟ یعنی برای فوتون اتم برانگیخته جالب‌تر است یا اتم در حالت پایه؟
جواب این سوال را تا سال 1917 کسی نمی‌دانست تا اینکه اینشتین سر و کله‌اش پیدا شد و با مذاکره با فوتون‌ها به این نتیجه رسید که برای فوتون‌ها عموما فرقی نمی‌کند جذب کدامیک از این اتم‌ها شوند. او این نتیجه را به زبانی کمی پیچیده‌تر این طور اعلام کرد که احتمال جذب و گسیل فوتون با هم برابر است، بنا بر این نظریه‌ای داد به نام وارونگی جمعیت. او گفت اگر بخواهیم با تاباندن فوتون‌ها به اتم‌های یک ماده، اتم‌های بیشتری این فوتون‌ها را جذب و بعد انرژی آزاد کنند باید بیشتر اتم‌ها را در حالت برانگیخته قرار بدهیم که البته این موضوع واضحی است، اما از آنجا که بیشتر اتم‌های مواد اغلب در حالت پایه قرار دارند، این حرف به معنای وارونه کردن ترکیب جمعیتی اتم‌های برانگیخته و اتم‌های پایه است. به خاطر همین هم اینشتین اسم نظریه‌اش را گذاشت وارونگی جمعیت. برای آنکه بتوانیم وارونگی جمعیت ایجاد کنیم، لازم است به اتم‌های ماده انرژی بدهیم تا الکترون‌هایشان در حالت برانگیخته قرار بگیرند.
دیگر به گسیل القایی خیلی نزدیک شدیم یا شاید هم به آن رسیده باشیم. وقتی در اتم‌های یک ماده وارونگی جمعیت ایجاد کردیم، فوتون‌ها را به آنها می‌تابانیم. آن وقت همه اتم‌های برانگیخته همزمان به حالت پایه می‌روند؛ این می‌شود همان اتحادی که حرفش را زده بودیم یا همان گسیل القایی. گسیل بودنش که معلوم است، القایی را هم به خاطر این می‌گویند که در اثر وارونگی جمعیتی که ما ایجاد کرده‌ایم این گسیل به وجود آمده است.
حالا خوب است به یک سوال فکر کنیم: اگر برای گسیل القایی لازم است وارونگی جمعیت ایجاد شود و برای وارونگی جمعیت هم انرژی لازم داریم، پس فایده لیزر چیست؟ لیزر که انرژی تولید نمی‌کند بلکه همان قدر که انرژی گرفته به ما پس می‌دهد. جواب این سوال را قبلا داده‌ایم. گفتیم که رمز قدرتمندی لیزر، اتحاد است. لیزر و هیچ وسیله دیگری در دنیا انرژی تولید نمی‌کند بلکه انرژی را به شکل مناسبی که ما می‌خواهیم درمی‌آورد. لیزر باعث می‌شود انرژی‌های پراکنده‌ای که ما به اتم‌ها داده بودیم به شکلی متمرکز دربیاید یا به زبان خودمان متحد شود. مقدار انرژی لیزر نیست که باعث کاربردهای فراوان آن شده بلکه همین تمرکز انرژی است که آن را خارق‌العاده کرده است.
تفاوت لیزر با دیگر نورها چیست؟
همان طور که گفتیم، خروجی لیزر یک پرتو نوری است اما این پرتو نوری با نورهای معمولی مثل نور شمع یا چراغ قوه تفاوت‌هایی دارد. این تفاوت‌ها به خاطر روش تولید متفاوت آن است.
نور لیزر تک‌رنگ است. رنگ نور مربوط به فرکانس آن است و فرکانس نور هم به چیزی جز انرژی آن مربوط نمی‌شود. از آنجا که همه فوتون‌هایی که از اتم‌ها گسیل شده‌اند مقدار معینی انرژی دارند، فرکانس همه‌شان هم یکی است و بنا بر این پرتو نور لیزر برخلاف نور سفید که از طیف رنگ‌ها ساخته شده، تک‌رنگ است.
پرتو لیزر یک باریکه نور موازی و هم‌جهت است. وقتی لامپ اتاق را روشن می‌کنیم، نور آن در همه جهات پراکنده می‌شود و همه اتاق را روشن می‌کند اما نور لیزر تا فاصله‌های بسیار دور همگرا می‌ماند و در فضا پخش نمی‌شود. بسیاری از کاربردهای مربوط به مسافت‌سنجی یا نشانه‌گیری به این خاصیت مهم لیزر وابسته‌اند.
نور لیزر همدوس است. به زبان ساده یعنی اینکه همه فوتون‌های یک باریکه لیزر با هم نوسان می‌کنند.
لیزر راه‌حلی به دنبال یک مسأله
وقتی لیزر کشف شد هیچ‌کس نمی‌دانست فایده و کاربرد آن چیست. در روزهای نخستین کشف لیزر این جمله خیلی مشهور بود: راه‌حلی به دنبال یک مسأله. زمان زیادی لازم است تا کشف بتواند به طور ملموس و کاربردی مورد استفاده قرار گیرد. ممکن است سال‌ها طول بکشد تا انسان‌ها اهمیت واقعی یک اکتشاف را دریابند. بر خلاف گذشته، امروزه ما می‌دانیم که لیزر در زمینه‌های مختلفی مثل ارتباطات، صنعت، پزشکی و حفاظت از محیط زیست کاربردهای زیادی دارد.
کاربردهای صنعتی لیزر
در صنعت از لیزر استفاده‌های فراوانی می‌شود مثلا در ابزارهایی مثل وسایل نشانه‌گیری یا اندازه‌گیری. در صنعت ماشین‌سازی، لیزر برای اندازه‌گیری دقت گردی گلوله یا طاق آنها مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک پرتو لیزر را به سطح گلوله می‌تابانند و پراکندگی آن را هنگام بازتاب از سطح گلوله بررسی می‌کنند. به این ترتیب وجود هر اختلالی در فرم گرد گلوله، از روی الگوی پراکندگی قابل تشخیص است. لیزر می‌تواند نقش یک تراز حباب‌دار را هم داشته باشد؛ یک پرتو لیزری با جارو کردن یک سطح می‌تواند هموار بودن سطح را نشان دهد. یکی از کاربردهای این روش تراز کردن دیوارهای ساختمان‌های بلند است که لازم است با دقت بسیار زیادی تراز شوند. از لیزر برای برش‌های بسیار دقیق و همین طور برای تشخیص دقیق میزان صیقلی و همواری سطوح مختلف هم استفاده می‌شود.
کاربردهای زیست محیطی
فناوری لیزر حتی در زمینه محیط زیست هم کاربرد دارد. به عنوان مثال می‌توان با استفاده از لیزر، میزان سم وارد شده به محیط از یک محفظه مملو از دود را تعیین کرد؛ آن هم از فاصله دور. همچنین می‌توان مقدار اوزن، دود و مه فتوشیمیایی جو را پیش‌بینی و اندازه‌گیری کرد؛ چه در سطح زمین و چه در لایه‌های بالاتر جو. یکی دیگر از کاربردهای بسیار مهم لیزر، استفاده از آن در تصفیه فاضلاب‌هاست.
ارتباطات
لیزر به عنوان یک منبع نوری در تمامی فیبرهای نوری مورد استفاده قرار می‌گیرد. پهنای باند این فیبرها بیش از یکصد هزار برابر یک کابل مسی معمولی است. لیزر نسبت به تداخل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی خارجی حساس نیست و در نتیجه، شنیدن مکالمه تلفنی دیگری، همان که به اصطلاح می‌گوییم خط رو خط افتادن، به ندرت اتفاق می‌افتد. فیبرهای نوری در انتقال داده‌ها و مخابرات در سراسر دنیا به وفور به کار برده می‌شوند.
تحقیقات آزمایشگاهی
لیزر به مهم‌ترین ابزار پژوهشی در زمینه‌های فیزیک، شیمی، زیست‌شناسی و پزشکی در سراسر دنیا تبدیل شده است و در موارد زیر از آن استفاده می‌شود:
• ثبت فرآیندهای شیمیایی فراسریع (بسیار سریع) مثل ایجاد پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها برای تشکیل مولکول‌ها
•مطالعه شکاف سلولی (دو نیم شدن سلول‌ها) یا ورود ویروس‌ها به سلول.
• کاهش بسیار زیاد دمای مولکول‌ها.
• انتقال بیشترین انرژی ممکن به مواد مختلف در یک‌بازه زمانی کوتاه برای دریافت انواع گسیل‌های مختلف.
پزشکی
لیزر در پزشکی برای کارهای دقیقی مانند جراحی‌ها استفاده می‌شود. جراحی مغز نمونه‌ای از یک جراحی دقیق و ظریف است که جراح نیاز دارد ناحیه مورد نظر را با دقت بسیار زیاد مورد بررسی قرار دهد. برای اطمینان بیشتر، لیزرها هم به منظور اندازه‌گیری و هم به منظور نشانه‌گیری ناحیه تحت درمان استفاده می‌شوند. ماه‌گرفتگی، زگیل و ضایعات پوستی به سادگی با یک لیزر غیرمتمرکز از میان می‌روند. این جراحی‌ها با سرعت بیشتری انجام می‌گیرد و سریع‌تر بهبود می‌یابد و بهتر از همه آنکه نسبت به جراحی‌های معمولی که با تیغ جراحی صورت می‌گیرند درد کمتری دارند.
ذخیره اطلاعات
یکی از استفاده‌های هر روزی ما از لیزر در دستگاه DVD player است. اطلاعات، مثلا فایل‌های متنی یا فیلم، عکس و موسیقی، ابتدا به شکل دیجیتال درمی‌آیند یعنی تبدیل به دنباله‌هایی از صفر و یک‌ها می‌شوند. این دنباله صفر و یک را می‌توان به شکل دنباله‌ای از شیارها درآورد که مثلا هر شیار نشان دهنده یک و هر خط صاف نشان‌دهنده صفر باشد. این دنباله را به شکل یک نوار مارپیچ روی لوح فشرده یا روی DVD ایجاد می‌کنند. البته این شیارها بسیار نازکند و ضخامت‌شان در ابعاد میکرومتر است. برای خواندن این اطلاعات مثل نابیناها عمل می‌کنیم. همان طور که افراد نابینا با کشیدن انگشت روی برجستگی‌ها و فرورفتگی‌های خط بریل آن را می‌خوانند، ما هم باید انگشتی به باریکی همان شیارها داشته باشیم تا بتوانیم آن را بازخوانی کنیم. این انگشت خیلی باریک، همان پرتو لیزر است و هیچ جایگزین دیگری هم ندارد. باریکه لیزر، از روی این نوارهای مارپیچ در تمام سطح DVDعبور می‌کند و دنباله شیارهای روی مارپیچ را می‌خواند. این اطلاعات که هنوز به شکل صفر و یک هستند، بعد از پردازش به شکل اصلی خود درمی‌آیند.
نشانه‌گیر لیزری تفنگ (مگسک لیزری تفنگ)
دو نوع مختلف از نشانه‌گیرهای لیزری برای تفنگ‌ها ساخته می‌شود. در نوع اول، پرتوهای لیزری موازی با مسیر گلوله فرستاده می‌شوند تا نقطه اصابت گلوله را بررسی و قابل رویت کنند. این روش ویژه تیراندازان ماهر و نشانه‌گیرهای حرفه‌ای است.
بعضی دیگر به جای خط صلیبی‌شکل داخل دوربین اسلحه، نقطه قرمزی داخل کادر نشانه‌گیری دارند. این نوع به نشانه‌گیری بهتر کمک می‌کند.
اندازه‌گیری سرعت با استفاده از لیزر
روش پلیس برای اندازه‌گیری سرعت اتومبیل‌ها بر اساس یک سیگنال لیزری است که به سوی هدف فرستاده می‌شود. این پرتو پس از برخورد با هدف بازگشته و با نوری که هنوز با اتومبیل برخورد نکرده ترکیب می‌شود. حاصل این ترکیب یک نوسان است. هرچه فرکانس این نوسان بالاتر باشد، نشان‌دهنده این است که هدف سریع‌تر حرکت می‌کرده است. سرعت باید مستقیما از مقابل یا از پشت سر اندازه‌گیری شود. اگر جهت اندازه‌گیری زاویه‌دار باشد، سرعت اندازه‌گیری شده از مقدار واقعی سرعت کمتر خواهد بود. این بدان معنی است که امکان اندازه‌گیری ارقام اشتباه خیلی بزرگ وجود ندارد. دقت اندازه‌گیری بستگی به این دارد که اتومبیل بخش مناسبی برای بازتاب داشته باشد. پلاک اتومبیل برای این منظور بسیار مناسب است چون معمولا از جنسی ساخته می‌شود که بازتاب‌دهنده خوبی است. سطوح کدر نیز قابل قبول هستند اما بیشینه مسافت را کاهش می‌دهند.
مسافت‌سنج لیزری
امروزه عمده‌ترین کاربران مسافت‌سنج‌های لیزری، نقشه‌برداران و ساختمان‌سازها هستند اما در صنعت اتومبیل‌سازی نیز از آن استفاده می‌کنند. در ماشین‌های جدید، وسیله‌ای به نام کمک پارک وجود دارد که با استفاده از مسافت‌سنج لیزری به راننده کمک می‌کند تا هنگام پارک کردن فاصله خود را با اتومبیل پشت سرش تخمین بزند. همچنین با استفاده از این وسیله، فاصله اتومبیل جلویی نیز هنگام رانندگی در بزرگراه‌ها یا جاده‌ها برای راننده معلوم خواهد شد. می‌توان دستگاه را روی فاصله معینی تنظیم و قفل کرد تا همیشه همان‌قدر با ماشین جلویی فاصله داشته باشیم. این کار رانندگی را بهتر و سریع‌تر خواهد کرد. علاوه بر اینها، در بیشتر روبات‌هایی که دید مکانیکی دارند از این نوع لیزر استفاده می‌شود.
کابل نوری بلندگوها
امروزه همه تقویت کننده‌ها (آمپلی‌فایرها) یک کابل نوری جهت انتقال به بلندگو دارند. مزیت این روش آن است که سیستم نسبت به تداخل میدان‌های الکترومغناطیسی حساس نیست. این تداخل ممکن است به علت وجود قطعات الکتریکی یا فرستنده‌های رادیویی مثل تلفن‌های همراه اتفاق بیفتد. منبع نوری که به عنوان فرستنده استفاده می‌شود، یک لیزر نیمه‌رسانای کوچک است.
نورشناخت غیرخطی
شاولو و بلومبرگن برای شرکت در توسعه طیف‌نمایی لیزر برنده جایزه نوبل شدند. از نمونه‌های کاربردی این کار استفاده در نور شناخت غیرخطی است؛ یعنی روش‌های تاثیر یک پرتو بر دیگری و پیوستن به چند پرتو لیزری به طور ثابت. این پدیده‌ها بدین معناست که در اصل یک پرتو نور می‌تواند با یک پرتو نور دیگر هدایت شود. اگر در آینده کسی بخواهد یک کامپیوتر نوری بسازد که در ذخیره داده‌ها خیلی سریع‌تر و کارآمدتر عمل کند باید اساس کار خود را بر مبنای نور شناخت غیرخطی قرار دهد.
سردسازی
با این روش القایی اتم‌ها انرژی گرمایی‌شان را به نور لیزری داده و به این ترتیب دمایشان پایین و پایین‌تر می‌رود. وقتی دمای اتم‌ها به نزدیکی صفر مطلق نزول می‌کند، اتم‌ها به شکل متراکمی درآمده و توده‌های اتمی می‌سازند. این پدیده برخی از جنبه‌های درونی طبیعت را آشکار می‌کند.
لیزرهای نیمه‌رسانا
آلفرو و کرومر برای فعالیت‌هایشان در زمینه فیزیک نیمه‌رساناها برنده جایزه نوبل شدند. آنها نوعی از ماده را مورد بررسی قرار دادند که برای اولین‌بار برای ساخت لیزرهای نیمه‌رسانا مورد استفاده قرار گرفت؛ نوعی لیزرهای بسیار کوچک که امروزه ارزان‌ترین (روشن‌ترین) و کوچک‌ترین لیزرهای موجود هستند.
هدف از ساختن آنها تولید همزمان منبع نوری و ذخیره انرژی با قرار دادن آینه‌هایی در یک کریستال بود. این کشف نه‌تنها اساس کار بسیاری از وسایل ارزان و قابل حمل بود بلکه منجر به ساخت اطلاعات نوری (اپتیکی) شبکه‌های اینترنتی شد. دستگاه laser writer و
cd player ، نشانه‌گیر لیزری و دستگاه خواندن بارکدها که امروزه صندوقدارهای سوپرمارکت‌ها و فروشگاه‌های کوچک و بزرگ از آن استفاده می‌کنند، همگی بر مبنای این کشف ساخته شده‌اند. ارسال نظر
پربیننده