بیگ بنگ: واژه لیزر(Laser) یک سرنام گرفته شده از عبارت: (Light amplification by stimulated emission of radiation) است، به معنی تقویت نور به شیوه ی گسیل القایی تابش است.

به گزارش بیگ بنگ، گسیل القایی کلید نحوه ی کار لیزر است، این مفهوم در سال 1917 توسط آلبرت اینشتین معرفی شد. اگرچه دنیا تا سال 1960 منتظر ماند تا نحوه کار لیزر را ببیند، کار بزرگ مربوط به تکامل آن چند دهه پیش آغاز شده بود. اختراع لیزر کاربرد بزرگ فیزیک کوانتومی در فناوری است، نور لیزر مانند نور یک لامپ روشنایی عادی، هنگامی گسیل می شود که اتم ها از یک حالت کوانتومی به حالت کوانتومی با انرژی پایین تر گذاری انجام دهند. اما در لیزر –و نه در چشمه های نوری دیگر-اتم ها با هم عمل می کنند تا نوری با سرشت های ویژه متعدد تولید کنند:

1- نور لیزر بسیار تکفام است. نور یک لامپ التهابی عادی در گستره ی پیوسته ای از طول موج ها گسترده می شود و به واقع تکفام نیست. تابش ناشی از یک تابلو نئونی فلوئور تاب با تقریب یک در 10^6 بخش تکفام است، اما دقت در روشنی نور لیزر می تواند چندین مرتبه بزرگتر و تا حدود 1 در 10^15 بخش باشد.

2- نور لیزر بسیار همدوس است. موج های بلند فردی مربوط به نور لیزر ممکن است به چند صدکیلومتر طول برسند. وقتی دو باریکه مجزا چنین مسافتی را در مسیرهای جداگانه می پیمایند و باز ترکیب انجام می دهند، منشاء مشترک خود را به یاد دارند و می توانند نقشی از فریزهای تداخلی را تشکیل دهند. طول همدوسی متناظر مربوط به موج های بلند فردی گسیل شده از یک لامپ روشنایی معمولا کمتر از یک متر است. همدوسی زمانی فوتون های نور لیزر به معنی هماهنگی بین آنها از لحاظ وضعیت ارتعاشی(فاز) آنهاست. همدوسی مکانی نور لیزر، یعنی هماهنگی بین فوتون های تشکیل دهنده نور لیزر، از لحاظ راستای انتشار آنهاست.

3- نور لیزر بسیار جهت مند است. باریکه لیزر خیلی کم گسترده می شود؛ باریکه لیزر فقط به این علت از حالت موازی محض خارج می شود که در دهانه ی خروجی لیزر پراشیده می شود. برای مثال، یک تپ لیزری به کار رفته در اندازه گیری مسافت زمین تا ماه یک خال روشن به قطر چند متر بر روی سطح ماه به وجود می آورد. نور یک لامپ روشنایی عادی را با کمک عدسی می توان به باریکه تقریبا موازی تبدیل کرد، اما این باریکه خیلی بیشتر از نور لیزر واگرا می شود. هر نقطه از رشته یک لامپ روشنایی باریکه مجزایی تشکیل می دهد و واگرایی زاویه ای باریکه مرکب حاصل به اندازه رشته بستگی دارد.

4- نور لیزر می تواند به شدت کانونی شود. اگر دو باریکه نور مقدار یکسانی از انرژی را حمل کنند باریکه ای که به صورت خال کوچک تری کانونی شده است در روی خال شدت بیشتری خواهد داشت.در مورد نور لیزر خال کانونی شده می تواند انقدرکوچک باشد به آسانی شدت  10^17 w/cm2 حاصل شود. در مقابل، شدت شعله اکسی استیلن تنها در حدود 10^3  w/cm2 است.

لیزرها براساس آهنگ خروج انرژی از آنها به دو دسته پیوسته و پالسی تقسیم می شوند. نور لیزرهای پیوسته کار به طور پیوسته گسیل می شود، ولی نور لیزرهای پالسی در زمان های کوتاه که به این زمان « دوام پالس» گفته می شود، ارائه می گردد. لیزرها را براساس حالت ماده لیزرزا، به لیزرهای حالت جامد، لیزرهای گازی، لیزر رزینه، لیزرهای نیمه هادی و لیزرهای الکترون آزاد تقسیم بندی می کنند. همچنین ممکن است لیزرها را براساس نوع ماده نشکیل دهنده محیط لیزرزایی نیز تقسیم بندی کنند. به گسیل های لیزر گونه با طول موج های بلندتر در ناحیه میکروویو، میزر گفته می شود. اصولا لیزر به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می شود.

در سال 1958 اولین بار پیشنهاد استفاده از میزر در بسامد های نوری در مقاله ای توسط اسکاولو و تاونز داده شد. در بخش ارتباطات نیز توانایی لیزر در جایگزینی مخابره الکترومغناطیسی معلوم شد. در سال 1960 میمن موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. در سال 1960 دانشمندان با مخابره پالس نور عملا از لیزر استفاده کردند.

لیزر، نور شدیدی تولید نمود که بیش از میلیون ها بار روشن تر از نور خورشید بود. در سال 1967 فرانسویان توسط اشعه ی لیزر تابش شده از ایستگاه هایی که در زمین قرار داشت، دو ماهواره خود را در فضا تعقیب کردند.

بدین ترتیب لیزر بسیار کاربردی شد، نوری که توسط لیزر گسیل می گردد همان طور که اشاره شد، در یک جهت و بسیار پرانرژی و درخشنده است که قدرت نفوذ بالایی نیز دارد، به طوریکه در الماس نیز نفوذ می کند. امروزه استفاده از لیزر در صنعت به عنوان جوش آورنده فلزات و در پزشکی به عنوان چاقوی جراحی بدون درد بسیار متداول است.

لیزر ها سه قسمت اصلی دارند:

1) پمپ انرژی یا چشمه انرژی، ممکن است این پمپ نوری یا شیمیایی و یا حتی لیزر باشد. 2) ماده پایه و فعال که نام گذاری لیزر به واسطه ماده فعال صورت میگیرد. 3) تشدید کننده اپتیکی که شامل دو آینه باز تابنده کلی و جزیی می باشد.

کوچکترین لیزرها که در انتقال صدا و داده ها از طریق فیبر های نوری به کار می روند، محیط فعال شدن بلور نیمرسانایی به اندازه تقریبی سر یک سوزن است. این لیزرها با همه کوچکی خود می توانند توانی در حدود 200 mw تولید کنند. بزرگترین لیزرها، که برای پژوهش در زمینه گداخت هسته ای و مقاصد اخترشناسی و نظامی بکار می روند،ساختمان بزرگی را اشغال می کنند. چنین لیزر بزرگی می تواند تپ ها ی کوتاه لیزری تولید کند که میزان توان آن در طول هر تپ در حدود 10^14 w باشد. برای پرهیز کردن از خاموشی برق سراسری در طول یک تپ، انرژی لازم برای هر تپ با آهنگی پایا در طول بازه ی زمانی نسبتا دراز تپ ها ذخیره می شود. از جمله کابردهای فراوان لیزرها، خواندن رمزینه ها(bar code)، ساختن و خواندن لوح های فشرده، انواع عمل های جراحی در پزشکی، نقشه برداری، برش پارچه در صنعت پوشاک، جوش دادن بدنه ی اتومبیل ها و تولید تمام نگاشت ها را می توان نام برد.

نویسنده: میلاد اسکندر دوست / سایت علمی بیگ بنگ

منابع:
مبانی فیزیک/هالیدی
فیزیک از اغاز تا امروز/حسین جوادی و افسانه جوادی