ماهیت نور همدوس لیزر

مقدمه

عمللیزرهابستگی بهگسیل القاییدارد. که بوسیلهضریب انیشتینB₂₁مشخص میشود. میزر‏به معنی تقویت کهموج بوسیله گسیل القایی تابش است ولیزربه همان معنی برای نور است. ‏میزرها مدتی قبل از لیزرها بوجود آمدند. علت عمدهاینکه ، اتلاف انرژی حاصل از فرآیند رقیب گسیل خود به خودی در طول موجهای بلند خیلیکمتر است (A₂₁.B₂₁ = V³).‏

مجموعه‌ای از اتمها یا مولکولها با ترازهای انرژی (1) و (2) را در نظر می‌گیریم که تحت ‏تابش نوری بهفرکانس V₁₂ قرار گرفته‌اند. هر اتم در حالت (1) دارای احتمال در واحدزمان(B₁₂P (V₁₂برای اضافه کردن یکفوتونو در نتیجه تضعیف نور است در حالی که هر اتم حالت (2) دارای ‏احتمال(B₁₂P(V₁₂برای اضافه کردن یک فوتون و در نتیجه تقویتنور است.‏

مکانیزم تابش همدوس لیزری

سرشتیهای تابش لیزر بطور کامل از این واقعیتناشی می‌شود که تابش گسیل شده دقیقا دارای ‏همان فاز و جهت تابش القایی است. بهعبارتی اگر تقویت بر تضعیف فزونی یابد اتمهای بسیاری را ‏می‌توان وادار به تابشهمدوس کرد. در حالتهای عادی ، تعداد اتمها در حالت (1) بیشتر از اتمهای حالت (2) هستند. بطوری که در تعادل گرمایی ، جذب با ضربe^-hv/KTکه گسیل القایی غالبمی‌آید. برای بدست آوردن تقویتی خالص باید تجمع معکوس گردد.

این کار ، به هرمیزانی ، درناحیه مرئی، به تنهایی کافی نیست. زیراتعداد زیادی از اتمهای ‏برانگیخته بطور خود به خودی یعنی غیر همدوس فرو می‌افتند واز نقطه نظر تقویت همدوس تلف ‏می‌شوند. برای جبران کردن این اتلاف ، تقویت همدوس را، با در برگرفتن تابش یک در حفره تشدید ‏کوک شده به فرکانس V₁₂ ،می‌افزایند. در نواحی مرئی و فرو سرخ یک چنین حفره‌ای زوج آینه ‏موازی با ضریبانعکاس بالا ، هر کدام واقع در یک انتهای ماده موردتجمع معکوسحاصلمی‌شود.‏


امواج ایستادهحاصل از انعکاسات متعدد بیندو انتهای این حفره دامنه‌ای به مراتب بیشتر از امواج ‏متحرکی دارند که تنها عبورساده‌ای از درون ماده را ارائه می‌کنند. از آنجایی که حفره برای نور ‏دقیقا عمود برآینهتنظیم شده است. لذا باریکه فرودی ازانتهای آینه (یکی از آینه‌ها کمی قابلیت ‏عبور دارد) به شدت جهت دار است.

عوامل اتلاف تابش لیزری

پاشندگی را می‌توان تا حد ده سانتیمتر در هرکیلومتر کوچک کرد. علاوه بر آن چون رفتار تابش ‏طوری است که گویی از یک نوسانگر غیرمیرای تنها ، بجای تعداد زیادی نوسانگر نامربوط به هم ‏، منشأ گرفته است. لذا ناشیازجابه جایی دوپلریا فشار ، یا حتی ناشی ازطول عمر طبیعی ، هیچ ‏پاشندگی فرکانسی بوجود نمی‌آید. بنابرین نوارطولموجمی‌تواند فوق العاده باریک باشد و ‏محدودیت آن اساسا توسط پارازیتهایگرمایی یا پایداری حفره تشدید معین می‌شود.

برای یکلیزرگازی ν/ν∆ که معرف پاشندگی نوری لیزرمی‌باشد، ممکن است از مرتبه^14-10 ‏باشد. که همان مرتبه افت و خیزگرمایی و مکانیکی آینه است. این را می‌توان با حد دوپلر عادی که ‏حدود^6-10 است، مقایسه کرد. این چگالش انرژی چه از نظر فضایی و چه طیفی علتاصلی شدت ‏زیاد میزرها و لیزرهاست.

در اکثر موارد انرژی به صورت تپه‌هایی بهطول عمر چند میکرو ثانیه یا کمتر گسیل می‌شود، یعنی ‏چگالش نیز زود گذر است. قدرتقله‌ای تابش حاصل از یکلیزریاقوتچند مگاواتی چیزی حدود 10¹²مرتبه بیشتر از قدرت تابش خورشیددر همانزاویه باریک فضاییو نوار فرکانسی است. امااین ‏تپه فقط^-710 ثانیه عمر دارد. از طرق مختلف دستیابی به تجمع معکوسدر اینجا بحث نخواهد شد، ‏زیرا تعداد کتابهای قابل دسترس در این زمینه بسیار زیاداست.

پمپاژ لیزر

اصل عمومی ، عبارت از انتخاب یک تراز فرا پایدار (2) و تجمع آناز طریق فروافت از تراز بالاتر ‏‏(3) است که خود بوسیله جذب تابش به طول موجهایکوتاه تر ، از حالت پایه به آن حالت رسیده ‏است، این فرآیند بهپمپاژ نوری (1) موسوم است. بطور مثال ، درلیزر یاقوت نور قرمز 6943 ‏آنگستروم از طریق فرو افت اتمهای ناخالص کرومیوم از یکتراز فرا پایدار (2) به حالت پایه (1) بوجود می‌آید.

روش دیگر پمپاژ نوریبوسیلهلیزر گازی هلیوم - نئوننشان داده شده است. از آنجایی که تمام ‏ترازها تیزند. لذا انرژی فقط می‌تواند در نوارهای بسیار باریکفرکانسجذب شود و برانگیزش ‏توسط درخشی از تابش پیوسته بسیار نامؤثر خواهد بود. در عوضتراز (2) در نئون از طریق ‏برخورد با اتمهای هلیوم فرا پایدار به همان انرژی ، حاصلاز یکتخلیه الکتریکیمداوم تجمع می‌یابد. گذارلیزری (1) <--- (2) به حالت پایه پایان نمی‌یابد. بنابراین تراز (1) تجمع نسبتاکوچکی دارد ‏و عمل معکوس کردن تجمع می‌تواند بدون فرا پایدار شدن تراز (2) تحققپذیرد. در واقع هر دو ‏تراز (1) و (2) به زیر ترازهای متعددی شکافته می‌شوند. دراین فرآیند خطوط متعدد فروسرخ و لیزر با نور قرمز ایجاد می‌شود.

لیزر پالسی
‏برخلاف آنچه در حالت جامد انتظار می‌رود تراز (2) به جای نوار ، یک تراز تیزاست، زیرا تراز پر ‏3d یون کرومیوم توسط الکترونهای خارجی از تأثیر میدانهای بلورمحفوظ می‌ماند. این تراز بوسیله گدازهای غیر تابشی از نوار عریض (3) تجمع می‌یابد،در این حالت انرژی بهشبکه کریستالی‏منتقل می شود. درخشی از تابشپیوسته برای برانگیختن اتمها به تراز (3) بکار می‌رود. به علت ‏برانگیزش درخشی ونیاز به اتلاف انرژی شبکه ، این لیزر به صورت تپش کار می‌کند. بازتابهای ‏متعدد بهصیقل کردن و نقره اندود کردن سطوح انتهایی خودیاقوتحاصل می‌شود.

طیف نمایی با لیزرها و میزرها

• گونه‌های وسیعی از میزرها و لیزرهای گازی و جامد تا کنون ساخته و پرداختهشده‌اند که تمامی ‏ناحیه طیفی از کهموج تا فرابنفش نزدیک را ، هر چند عموما درفرکانسهای ثابت معینی ، در بر می‌‏گیرند.
• ایجاد لیزرها برایناحیه فرابنفشدور موضوع به مراتب مشکلتریاست. زیرا در فرکانسهای بالا ‏گسیل خود به خودی و اتلاف از طریق بازتاب به سرعتافزایش می‌یابند.
• تا این اواخر استفاده از لیزرها در طیف نمایی به علت عدم قابلیت کوک آنها بهفرکانسهای دلخواه ‏، محدود بود و معمولا بطور تصادفی می‌شد از یک منبع با فرکانسثابت برای تجربه معین استفاده ‏کرد.
• طیف نمایی رامانیک استثناء در این مورداست: طول موج تابش فرودی می‌تواند کاملا دلخواه ‏انتخاب شود و شدت زیاد لیزر بطورقابل توجهی مشکلات ناشی از ضعیف بودن خطوط رامان را ‏کاهش می‌دهد.

کاربردهای نور همدوس لیزر

• برای سایر شاخه های طیف نمایی توسعه لیزرهای رنگین دورنمای هیجان انگیزی راعرضه می ‏دارد. لیزرهای رنگین در گستره وسیعی از طول موجها نور تاباند، و تقویت درهر طول موج دلخواه ‏از نور مرئی تافروسرخرا می توان با انتخاب یک رنگ مناسب و جدا کردن نوار موجی مورد نیازاز ‏طریقتوریپراشتاتداخلسنجبدست آورد.
• از طریق روش دو برابر کردن فرکانس می‌توان گسترهطولموجرا به ناحیه فرابنفش گسترش داد. ‏با بکار بردن یک لیزر رنگین کوک پذیر بهعنوان منبع پایه برایطیفنمایی جذبیمی‌توان از یک‏طیف نگارمتعارف صرف نظر کرد.
• شدت یک لیزر رنگین را می‌توان به آسانی تا حدی بزرگ کرد که بتواند تجمع هر حالت‏برانگیخته شده مناسبی را ، که از طریق یک گذار تابشی از حالت اساسی بدست می‌آید،اشباع ‏کند. این بدان معنی است که می‌توان تجمع حالت پایه و حالت برانگیخته شده راواقعا با همدیگر ‏برابر کرد. در این صورت می‌توان اثرهای گوناگونی را در حالتبرانگیخته نظیر جذب به حالتی ‏باز هم بالاتر ، فرآیندهای فرو پاشی برخوردی و تابشیو انتقال انرژی برانگیختگی به حالتهای مجاور را مورد بررسی قرار داد.
• باید اضافه کرد که لیزرها وسیله‌ای فوق العاده مفید در یک آزمایشگاه طیف نماییبرای کارهای ‏ساده ولی اساسی نظیر تنظیم طیف نگارها ، میزان کردن تداخل سنجها وبدست آوردن شکلهای خطی ، دستگاههای مفیدی هستند.
• از لیزرها بطور وسیعی درطیف سنج پلاسمابه عنوان وسایل تشخیص برایاندازه گیری ‏مستقیمدماوچگالی الکترونیاستفاده می‌شود.‏