ایرن‏آن

از نخستين روزهاي بررسي تكنولوژي ليزر ، پي برده شد كه نور ليزر خواص مشخصه اي دارد كه آن را از نورهاي ايجاد شده از ساير منابع متمايز مي كند. در اين بخش ، به چگونگي ظهور اين خواص از ماهيت فرايند ليزر مي پردازيم و به اختصار مثالهايي را از چگونگي استفاده از آنها براي كاربردهاي ويژه ليزر ، در نظر مي گيريم. واضح است كه چنين مباحثي بايد بسيار گزينشي باشد و مثالهاي ارايه شده در اينجا بيشتر براي نشان دادن تنوع و گوناگوني كاربردهاي ليزر انتخاب شده اند تا هر دليل ديگري.
از آنجا كه نشر القايي ،‌فوتونهايي را با راستاي انتشار دقيقاً يكسان توليد مي كند، استفاده از پيكربندي آينه انتهايي به تقويت گزينشي باريكه محوري كه تنها قطري در حدود m m ? دارد منجر مي شود. بدين ترتيب ليزر ، باريكه اي نازك و اساساً موازي از نور را كه معمولاً داراي توزيع گاوسي از شدت است ، از آينه خروجي به بيرون نشر مي كند.
زاويه واگرايي باريكه مقداري در حدودm radian ? است كه در فاصله يك كيلومتري ، تنها قسمتي به عرض يك متر را روشن مي كند، ليزرهاي اكسي پلكس واگرايي باريكه كمتر از ??? ميكروراديان دارند. هرچند كه ميزان واگرايي باريكه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجي تعيين مي شود ،‌ولي با ابزار اپتيكي مناسب مي توان همين واگرايي اندك را به مقدار زيادي تصحيح كرد. به عنوان مثالي از اينكه باريكه ليزر تا چه حد قابل موازي سازي است، به اين مطلب توجه كنيد كه مي توان بازتابش نور ليزر را از روي بازتابنده هايي كه فضانوردان طي ماموريت فضايي آپولو در سطح كره ماه كار گذاشتند، در زمين مشاهده كرد.
همراستا سازي نوري يكي از كاربردهاي بسيار برجسته موازي سازي و پهناي باريكه نازك ليزرها در صنعت سازه و نظارت بر آلودگي اتمسفر مورد استفاده قرارمي گيرد . در مورد اخير، با بهره گيري از پهناي باريكه نازك ليزر است كه امكان نظارت بر گازهاي خروجي از دودكش كارخانه ها ، با تجزيه و تحليل نور پراكنده ، از روي سطح زمين امكان پذير مي شود.

شدت:


شدت زياد، خاصيتي است كه بيش از ساير موارد همراه نور ليزر است و در حقيقت ليزرها بالاترين شدتهاي شناخته شده روي زمين را ايجاد مي كنند. از آنجا كه ليزر باريكه اي موازي از نور را نه در تمام جهتها ، بلكه در راستاي مشخصي نشر ميكند، مناسبترين معيار شدت، تابيدگي است . از آنجا كه انرژي در واحد زمان برابر توان است، داريم:
سطح / توان I = تابيدگي
با اين حال در استفاده از اين معادله بايد تاكيد كرد كه منظور از «توان» ، توان خروجي ليزر است و نه توان ورودي آن.براي بررسي درست تابيدگي يك نوع ليزر، مي توان به اين نكته توجه كرد كه شدت ميانگين آفتاب روي سطح زمين به اندازه يك كيلووات بر متر مربع يعني m W ?? است.
ابتدا يك ليزر قدرتمند آرگون را كه تواني در حدود W ?? در طول موج nm ??? نشر مي كند، در نظر مي گيريم. با فرض سطح مقطعي برابر mm ? براي باريكه ،‌اين مقدار باعث ايجاد تابيدگي mW ?? = ( m ?? )/ (W ??) مي شود . در واقع با متمركز كردن باريكه تا رسيدن به حد پراش ناشي از ابزار اپتيكي متمركز كننده ، مي توان تابيدگي را افزايش داد. از اين جنبه نيز نور ليزر به طور مشخصي خواص غير عادي را نشان مي دهد، به گونه اي كه با متمركز كردن آن مي توان به شدتهايي دست يافت كه از شدت خود منبع فراتر مي رود.معمولاً امكان چنين چيزي براي منابع معمولي نور وجود ندارد. به عنوان يك اصل كلي ، حداقل شعاع باريكه متمركز شده قابل قياس با طول موج است، بنابراين در مثال فوق ، سطح مقطع m ?? غير واقعي نيست و باعث ايجاد شدت متمركز شده اي برابرmW?? مي شود.
با اين حال، در ليزرها كه ابتدا انرژي را در اثر وارونگي جمعيت ذخيره مي كنند و سپس آن را از طريق نشر يك تپ نور رها مي كنند، يافتن بيشترين شدتهاي خروجي نامنتظره نيست. اگر چه بايد به ياد داشت كه شدت پيك تنها براي زمان بسيار كوتاهي قابل حصول است.
براي مثال يك ليزر ياقوت سوييچ شده مناسب كه تپهاي ns ?? (s ?? = ns? ) در طول موج nm ??? نشر مي كند ، مي تواند در هر تپ ، خروجي پيكي برابر GW ? با باريكه پهني به سطح مقطع mm ??? ايجاد كند. بدين ترتيب تابيدگي ميانگين هر تپ تقريباً برابر W m ?? × ? است كه با تمركز مناسب مي توان دست كم آن را به اندازه ?? برابر افزايش داد. بايد توجه كرد كه در تمام اين محاسبات تقريبي ، به طور ضمني تصور شده است كه درطول دوام هر تپ، مقدار شدت ثابت است. حال آنكه در حقيقت ، در ابتدا يك صعود و در انتها يك واپاشي مشخص وجود دارد، به بيان ديگر يك نيمرخ زماني هموار در آنجا هست. از آنجا كه شدت پيك حاصل از يك ليزر تپي به طور وارون با مدت تپ متناسب است، روشهاي گوناگوني براي كاستن ازطول تپ وجود دارد تا شدت آن افزايش يابد.
اكنون به چند كاربرد ليزر بر اساس شدتهاي زياد، نگاهي كوتاه مي اندازيم. يك مثال بسيار واضح در صنعت، همان برش و جوشكاري با ليزر است. در چنين مقاصدي به ويژه ليزرهاي پرتوان كربن ديوكسيد Nd:YAG و كه تابش زير قرمز دارند، مناسب اند. چنين ليزرهايي تقريباً هر نوع ماده اي را مي توانند ببرند، هر چند در برخي موارد مانند چوب يا كاغذ براي جلوگيري از سوختگي بايد فواره اي از گاز بي اثر به كار برده شود، از سوي ديگر، فواره اكسيژن باعث تسهيل برش فولاد مي شود. براي مثال يك ليزر متمركز در گستره mW ?? مي تواند mm ? فولاد را در تقريباً s ?، يا mm ? چرم را درs ??، ببرد. كاربردهايي از اين نوع را مي توان در صنايع زيادي از هوافضا تا نساجي ، پيدا كرد و تنها در آمريكا، چند هزار سيستم ليزر براي اين هدف به كار مي روند.
يكي از نويد بخش ترين كاربردهاي پزشكي در جراحي چشم است كه تا كنون براي اين منظور چندين روش باليني به خوبي ارايه شده است. مثلاً، پارگي شبكيه را كه باعث كوري موضعي مي شود، مي توان با« جوشكاري نقطه اي » توسط تپهاي پرشدت نور حاصل از ليزر آرگون، با بافت نگه دارنده آن ( يعني كوروييد ) متصل كرد. مزاياي بسيار زيادي براي استفاده از ليزر در چنين جراحيهايي وجود دارد ، روش ليزري تخريبي نيست و نيازي به بيهوشي نداردو با توجه به مدت كوتاه تپها ، نيازي به بي حركت كردن طولاني چشم وطي درمان احساس نمي شود.

همدوسي:


همدوسي خاصيتي است كه به بهترين وجه نور ليزر را از ساير انواع نور متمايز مي كند و بازهم اين خاصيت ، نتنجه ماهيت فرايند نشر القايي است. اغلب، نور حاصل از منابع معمول گرمايي كه توسط نشر خودبه خودي كار مي كنند، به نور آشفته موسوم است، معمولاً در اين موارد، هيچ همبستگي بين فاز فوتونهاي گوناگون وجود ندارد و در اثر تداخلهاي اساساً تصادفي بين آنها، افت و خيز محسوسي در شدت پديد مي آيد. در مقابل در ليزر، فوتونهايي كه توسط محيط برانگيخته ليزر نشر مي شوند، با ساير فوتونهاي موجود در حفره، همفازند. مقياس زماني كه طي آن همبستگي فاز برقرار مي ماند، به عنوان زمان همدوسي شناخته مي شود و از رابطه زير به دست مي آيد:
tc= 1/u
كه در آن u پهناي خط نشر است. طول همدوسي مستقيماً با اين عامل ارتباط دارد.
tc = ctc
بنابراين ، دو نقطه در طول باريكه ليزر به فاصله اي كمتر از طول همدوسي، بايد فاز مرتبطي داشته باشند. طول همدوسي يك مد خروجي حاصل از يك ليزر گازي ممكن است m ??? باشد، ولي اين مقدار براي يك ليزر نيم رسانا ، تقريباً mm ? است. اندازه گيري طول يا زمان همدوسي يك ليزر با طيف بيني افت و خيز شدت ، انجام مي شود و وسيله مناسبي براي تعيين پهناي خط نشر فراهم مي كند.
همان طور كه در دو نمودار شكل ?. ?? نشان داده شده است، تابش آشفته و همدوس آمار فوتوني كاملاً متفاوتي دارند. اين نمودار نشان دهنده توزيع احتمال يافتن N فوتون در حجمي است كه در يك متوسط زماني، تعداد ميانگين M را در خود دارد. نور آشفته در توزيع بوز ـ اينشتين صدق مي كند:
آشفتهM/(M+1)=PN
حال آنكه نور همدوس معمولاً در توزيع پواسون صدق مي كند:
همدوس Me / N = PN
هر چند اگر اين دو نور، تابيدگي ميانگين يكساني داشته باشند (با I V/hc u M = به M ارتباط پيدا مي كند )، بيشتر فرايندهاي شامل برهم كنش نور و ماده نمي توانند تمايزي بين آنها قايل شوند، ولي در فرايندهاي چند فوتوني چنين نخواهد بود.
بر خلاف انتظار، كاربردهاي اندكي براي همدوسي ليزر وجود دارد، مهمترين كاربرد آن به اصطلاح، تمام نگاري است، كه روشي براي تهيه تصاوير سه بعدي به شمار ميرود. اين فرايند شامل تهيه يك نوع تصوير ويژه ، به نام تمام نگاشت روي صفحه اي حاوي امولسيون مناسب عكاسي است بر خلاف بيشتر انواع متداول تصاوير عكاسي تمام نگاشت حاوي اطلاعاتي نه تنها پيرامون شدت بلكه در مورد فاز نور بازتابيده از موضوع نيز هست واضح است كه با منبع نور آشفته نمي توان به چنين تصويري دست يافت. نورپردازي عكس، تصوير سه بعدي واقعي را بازسازي مي كند. در حال حاضر يكي از مشكلات اصلي آن است كه تنها امكان تهيه تمام نگاشتهاي تكفام وحود دارد، زيرا اگر براي تهيه تصوير اصلي از گستره اي از طول موجها استفاده شود، اطلاعات مربوط به فاز از بين مي رود، هر چند اكنون به راحتي مي توان تمام نگاشت را در نور سفيد به وضوح مشاهده كرد، ولي رنگهاي اين تصاوير تنها در اثر تداخل به وجود مي آيند و رنگهاي اصلي جسم نيستند.

تكفامي:


آخرين مشخصه بارز نور ليزر و خاصيتي كه بيشترين ارتباط را با كاربردهاي شيميايي دارد. تكفامي اساسي آن است. اين خاصيت از آن حقيقت منشا مي گيرد كه تمام فوتونها در اثر گذار بين دو تراز انرژي اتمي يا مولكولي مشابه، نشر مي شوند و بنابراين تقريباً‌ فركانسهاي دقيقاً يكساني دارند. با وجود اين، همواره گستره كوچكي از توزيع فركانسها وجود داردكه ممكن است چندين فركانس يا طول موج گسسته را در بر گيرد و باعث برقراري شرط موج ايستا شود.
نتيجه آن است كه تعداد كمي از فركانسها با فواصل اندك از يكديگر، ممكن است در عمل ليزر حضور داشته باشند، به طوري كه براي رسيدن به تكفامي بهينه، بايد وسيله اضافي ديگري را براي گزينش فركانس در ليزر تعبيه كرد. معمولاً براي اين كار از يك سنجه استفاده مي شود كه عنصري اپتيكي است كه درون حفره ليزر قرار مي گيرد و به گونه اي تنظيم مي شود كه تنها يك طول موج معين بتواند بين دو آينه انتهايي، به طور نامتناهي به جلو و عقب حركت كند. در ليزرهايي با خروجي پيوسته، تهيه پهناي خط نشر به كوچكي cm ? ، كاري بسيار ساده است و در ليزرهاي با فركانس تثبيت شده، پهناي خط ميتواند چهار تا پنج توان ده كوچكتر داشته باشد. عامل كيفيت Q كه برابر با نسبت فركانس نشر شده u به پهناي خط Du است، يكي از عاملهاي مهمي است كه ليزر را توصيف مي كند.
Q = u/Du
بدين ترتيب، مقدار عامل Q به سادگي مي تواند به بزرگي ?? باشد و اين مقدار به وضوح از اهميت زيادي در طيف بيني تفكيك بالا برخوردار است. اغلب متخصصان طيف بيني ترجيح مي دهند كه پهناي خط را بر حسب واحدهاي طول موج يا عدد موج بيان كنند، كه مورد آخر نشان دهنده تعداد طول موجهاي تابش در واحد طول معمولاً‌ در سانتي متر، است (u=?/l) . روابط سودمند بين بزرگي پرامترهاي مربوط به پهناي خط به قرار زير است:
Dl=l/Q
Du=Dl/l
جداسازي ايزوتوپ زمينه مهم ديگري براي كاربرد فن تكفامي زياد منبع ليزر است. از آنجا كه مولكولهايي كه از نظر محتواي ايزوتوپي با هم متفاوت اند، معمولا فركانسهاي جذب اندك متفاوتي دارند، با استفاده از ليزري با پهناي خط بسيار باريك، به طور گزينشي مي توان مخلوطي از مواد را برانگيخت و سپس با وسايل ديگري جدا كرد. تمايل زياد به استفاده از اين كاربرد در صنايع هسته اي نامنتظره نيست.