کتاب مهندسی‌ لیزر

[klausmeister]

در سال ۱۹۵۷ گردن گولد (Gordon Gould) از کاواک فبری-پرو به عنوان یک قسمت از لیزر استفاده کرد. او ایده‌اش را در دفتر چه آزمایشگاه‌اش با عنوان "laser" "Light Amplification By Stimualated Emission of Radiation" سندیت داد. او چهار تأ حق ثبت امتیاز بدست آورد: یکی‌ در سال ۱۹۷۷ در باره تقویت کننده لیزر که با نور پمپاژ میشود، یکی‌ در سال ۱۹۷۹ در مورد کاربرد‌های گوناگون از لیزر، یکی‌ در سال ۱۹۸۷ در باره لیزر که با وابار الکترسیته پمپاژ میشود، و یکی‌ در سال ۱۹۸۸ در باره پنجره دارای زاویه بروستر در لیزر.

در سال ۱۹۵۸ شاولو و تاونس یک مقاله نوشتند با عنوان "Infrared and Optical Masers" که توضیح می‌دهد چطور میزر نوری ساخت.

A. L. Schawlow and C. H. Townes, Phys. Rev. ۱۱۲:۱۹۴۰ (۱۹۵۸)

نیروی پمپاژ که نیاز داریم محاسبه شد (۱۰mw برای مکعب ۱cm) و نشان دادند که بکار خور است، موضوع استفاده از کاواک چند مدی گفتگو شده، و تعدادی از نقشه طرح برای انتخاب مد (و همچنین کاواک دراز فبری-پرو) ارائه شد. امکان سه و چهار حالتی‌ لیزر حالت جامد (قسمت ۲.۱)، پهنای خط، و تنظیم طول موج (گفتار ۱۱) هم کوتاه ذکر شد.

پدیدار شدن این مقاله باعث علاقه زیادی در گروه‌های علمی‌ شد. پروژ‌های لیزر گوناگونی آغاز شد که فقط در ماده لیزر زائی فرق داشتند. پتر سوروکین و میرک ستیونسن (peter P. Sorokin and Mirek Stevenson) در IBM با کلسیم فلوراید که با خاک کمیاب ناخالص شده کار کردند، تئودر میمن (theodor Maiman) در هیوز (hughes) با یاقوت سرخ کار کرد، و علی‌ جوان در آزمایشگاه بل (bell Labs) با مخلوط هلیوم-نئون کار کرد.

[klausmeister]

در ۱۶ ماه مه ۱۹۶۰ میمن و همکارانش اقدام لیزر را در یک میله یاقوت "صورتی" (غلظت کرمیوم کم) به دست آوردند. میمن مقاله‌اش را به Physical Review Letters ارائه داد، ولی‌ مقاله‌اش پذیرفته نشد. او سپس مقاله‌اش را به Nature فرستاد که پذیرفته شد.

T.H. Maiman, Nature ۱۸۷:۴۹۳(۱۹۶۰)

بزودی بعد از این گروه آزمایشگاه بل (bell Labs) یک مقاله دیگر منتشر کردند که اقدام لیزر در یاقوت "سرخ" را گزارش داد.

A. L. Schawlow and G. E. Devlin, Phys. Rev. Lett. ۶:۹۶(۱۹۶۱)

در ۱۲ دسامبر ۱۹۶۰، علی‌ جوان، ویلیام بنت و دنالد هریت اقدام لیزر در مخلوط گاز هلیوم-نئون را بدست آوردند.

A. Javan, W. R. Bennett, Jr., and D. R. Herriott, Phys. Rev. Lett. ۶:۱۰۶ (۱۹۶۱)

در سال ۱۹۶۳ کومار پاتل اقدام لیزر در CO۲ را بدست آورد.

C./K. N. Patel, Phys. Rev. A۱۳۶:۱۱۸۷ (۱۹۶۴)

در سال ۱۹۶۴ یوسف گوسیک، مرکس، و لِ گراند وان اویترت اقدام لیزر در ND:YAG و ویلیام بریدجس در آرگن-یون را بدست آوردند.

J. E. Geusic, H. M. Marcos, and L. G. Van Uitert, Appl. Phys. Lett. ۴:۱۸۲ (۱۹۶۴)

W. B. Bridges, Appl. Phys. Lett. ۴:۱۲۸ (۱۹۶۴)، and erratum ۵:۳۹ (۱۹۶۴)

همانطور که اگر مقاله‌های شاولو و تاونس را دوباره بخونیم امروز، این احساس را میگیریم که ساخت میزر مرئی (لیزر) خیلی‌ سخت باشد. قابل شگفت است که کاملا ساده از کار در آمد. امروز، ماده لیزر در حالت جامد، مایع، گاز و پلاسما در همه طول موج‌ها نشان داده شده‌اند (تصویر ۱.۱ و ۱.۲).

[klausmeister]

تصویر ۱.۱

تصویر ۱.۲

[klausmeister]

۱.۲ بازار لیزر
لیزر در تعداد زیادی از کاربرد‌های پژوهشی و تجاری استفاده میشود. بعضی‌ از این کاربرد‌ها (مانند نمایش نور با لیزر) مهیج هستند، اما نیاز به چند تا لیزر بیشتر ندارند. کاربرد‌های دیگر (مانند نشان دار سازی آلومینیوم با لیزر) کمتر مشهور هستند، اما ارزش قابل توجهی‌ در بازار لیزر را تشکیل میدهند. یک نگاه به تاریخ فروش لیزر در جهان نشان میدهد که پردازش ماده (ماشین کردن با لیزر) بالای لیست است و این پیروی میشود با پزشکی‌ و سپس با پژوهش و توسعه. فروش لیزر برای ارتباطات هم در حال افزایش قابل توجهی‌ است. ملاحظه بکنید که کاربرد‌های لیزر ذکر شده که نفوذ قاطع در بازار لیزر بازرگانی دارند (بازرسی، اندازه گیری، چاپ با لیزر، و خواندن با رمز میله ای) جزأ ارزش کمی‌ در سراسر بازار لیزر دارند. فروش لیزر CO۲ همیشه بالای لیست است. این بیشتر بخاطر کاربرد‌های صنعتی در پردازش ماده است (مانند نشان دار سازی با لیزر، برش، و جوش).

لیزر‌های حالت جامد هم فروش خیلی‌ زیاد و سازگاری در خلال ده‌های گذشته داشته اند به ویژه دوم هستند پشت فروش لیزر CO۲. لیزر‌های حالت جامد همچنین در معرض فروش برای ماشین کردن با لیزر و کاربرد‌های پزشکی‌ قرار میگیرند. قیمت بالای این سیستم ها، مانند لیزر CO۲ ، موجب پنهان شدن تعداد فروش کم آنها میشود.

جالب است رشد فروش دائمی لیزر‌های حالت جامد و CO۲ را با تنزل فروش لیزر‌های یونی مقایسه کرد. فروش لیزر‌های یونی در سال ۱۹۸۹ به نقطه اوجش رسید و بعد از آن همینطور تا حالا در حال سقوط است.

فروش لیزر‌های دیودی نیمه رسانا بیشترین تغییر تماشائی را نشان داده اند. از سال ۱۹۸۵ تا ۱۹۹۲ تعداد فروش لیزر نیمه رسانا چهار برابر شد. کاربرد‌های اصلی این لیزر در فراورده‌های حافظه نوری (مانند CD صوتی و دیجیتال) و در چاپ با لیزر است.

یک تحول جالب در بازار لیزر مربوط به لیزر هلیوم-نئون و لیزر‌های دیودی نیمه رسانای سرخ پیش آمد. وقتی‌ که لیزر‌های سرخ در بازار آمدند، این نظریه بود که این لیزر جایگزین لیزر هلیوم-نئون میشود. این قضیه به نتیجه نرسید چونکه با اینکه لیزر هلیوم-نئون تا اندازه‌ای سهم در بازار رمز میله‌ای را از دست داد، خیلی‌ از کاربرد‌های مربوط به آزمایشگاه و تنظیم پرتو برگشتند به استفاده از لیزر هلیوم-نئون بخاطر بهتر بودن کیفیت پرتوی این لیزر.

لیزر‌های اکزیمر هم متحمل تغییرات در بازار فروش شدند. این لیزر اول برای بازار پژوهش و توسعه ساخته شد ولی‌ همیطور که این بازار تنزل یافت، بیشتر در بازار تجاری به فروش رفت.

یک زمانی‌ بود که میگفتند لیزر یک "حل است که دنبال مشکل میگردد". امروز ولی‌ افزایش تعداد کاربرد‌های تجاری لیزر یک بنیاد کامل برای سراسر این صنعت تهیه می‌کند.

[klausmeister]

۱.۳ تراز‌های انرژی در اتم
لیزر را ما میتوانیم از ماده حالت جامد، مایع، گاز و یا پلاسما بسازیم. در همه این مثال‌ها عمل لیزر پیش میاید چون وقتیکه سیستم از یک تراز انرژی بالاتر به تراز پائین تر عبور می‌کند، فوتون گسیل میشود. در بعضی‌ از مثال ها (مانند لیزر CO۲) این دو تراز انرژی دو مد اهتزازی (نوسانی) ملکول هستند (رجوع کنید به قسمت ۱۲.۱). در مثال های دیگر (مانند لیزر دیودی نیم رسانا) این دو تراز های انرژی نوار هازش (رسانا) و نوار ارزش (ظرفیت) نیم رسانا هستند (رجوع بکنید به قسمت ۱۲.۳). ولی‌ در بیشتر اوقات این دو تراز های انرژی حالت الکترونی در اتم یا یون هستند.
برای توضیح بیشتر مورد تراز های الکترونی‌، بیاد بیاورید که ما میتوانیم اتم را به عنوان یک هسته مرکزی مدل سازی بکنیم که تشکیل شده باشد از پروتون و نوترون و اینها هم با ابر الکترون‌ها محاصره شده باشند. این الکترون ها میتوانند فقط تراز های انرژی مشخصی‌ را اشغال بکنند. این تراز‌ها به گروه‌های مختلف (به نام لایه‌های اصلی‌) سازمان بندی شده اند که با n عدد کوانتومی پریست مشخص میشوند. درون لایه‌های اصلی‌، الکترون‌ها همینطور به مدار‌های الکترون بخش بندی میشوند. ساده‌ترین مدار‌ها (به نام مدار‌های s) مدار‌های کروی هستند که از دو الکترون دارای دو اسپین وارونه نسبت به یکدیگر میباشند. مدار‌های p که پیچیده تر هستند شبیه به دمبل هستند (با یک دمبل در هر مسیر بعد مختصات) و روی همرفته دارای ۶ الکترون هستند. مدار‌های بعد از s و p همچنین پیچیده تر میشوند و این ترتیب را پیروی میکنند: d,f,g,h,i,k,l,.... (بدون j ).
ساختمان الکترونی اتم را ما طوری میتوانیم مختصر بیان کنیم که عدد کوانتومی پریست، حرف مدار الکترون و تعداد الکترون‌ها در هر مدار را تشریح دهد. برای مثال آرگون را اینطور بیان می‌کنیم:

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 1.1 = آرگون

و کریپتون را اینطور بیان می‌کنیم:

1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^6 1.2 = کریپتون

در اتم‌های واقعی‌ مدار‌های الکترون گوناگون دوباره به زیرمدار‌های دیگر بخش بندی میشوند که انرژی آنها به وسیله کنش واکنش پیچیده تر درون اتم مشخص میشوند (تصویر ۱.۵).
در بیشتر محیط لیزر ها، انتقال بین تراز‌های انرژی الکترون در لایه‌های خارجی‌ اتم پیش میاید. برای مثال، در لیزر آرگون-یون، عمل لیزر وقتی‌ پیش میاید که الکترون‌ها از تراز ۴p به تراز ۴s عبور میکنند (تصویر ۱.۵). این تراز‌های انرژی خیلی‌ بالا تر از ترتیب تراز اساسی‌ که در برابری ۱.۱ داده شده، هستند.
مثال ۱.۱
اتم خاک کمیاب نئودیمیوم اغلب در سیستم لیزر حالت جامد به عنوان ماده نا خالص کننده محیط لیزر استفاده میشود. ترتیب الکترونی نئودیمیوم به چه شکل است؟
پاسخ: جدول ترتیب الکترونی را میتوانیم در کتاب شیمی‌ پیدا کنیم
1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^6 3d^10 4s^2 4p^6 4d^10 5s^2 5p^6 6s^2 4f^4 1.3 = نئودیمیوم

[klausmeister]

تصویر ۱.۵

pic1.5[1].jpg

[klausmeister]

۱.۴ گسیل القایی پایه

۱.۴.۱ عبور بین حالت‌های لیزر

واژه لیزر (LASER) یک سرنام برای (Light Amplification by Stimulated Emission) "تقویت نور بوسیله گسیل القایی تابش" است. برای درک بهتر این سرنام بیاد بیاورید که فوتون چطور در اتم ایجاد میشود. وقتی‌ الکترون خودبخود از یک تراز انرژی E۲ به تراز انرژی پایین تر E۱ میرود، یک فوتون از اتم خارج میشود با انرژی

eq 1.4.jpg

h ثابت پلانک است،

delnu.jpg

فرکانس نور لیزر. ما این فرایند را گسیل خودبخود مینامیم (نگاه کنید به تصویر ۱.۶).

گسیل خودبخود آنی‌ رخ نمیدهد. الکترونها برای چند مدت کوتاهی در تراز انرژی بالا میمانند قبل از اینکه خودبخود به تراز انرژی پایین بروند. ثابت زمان برای فرایند گسیل خودبخود را عمر خودبخود مینامند. ولی‌ ما میتوانیم عبور یک الکترون را از یک انرژی به انرژی دیگر با یک فوتون مجبور بکنیم

[klausmeister]

به این معنی‌ که یک فوتون با مقدار انرژی  

hdelnu.jpg

   میتواند عبور یک الکترون را از حالت ۲ به حالت ۱ مجبور یا القأ بکند، که بازده یک فوتون دیگر با انرژی        

delE.jpg

     بشود. این فرایند گسیل القایی ناشی‌ دو فوتون با انرژی  

hdelnu.jpg

  را میشود. و به علاوه این فوتون‌ها هم فاز هستند، دارای یک قطبش هستند، و به یک مسیر حرکت میکنند (نگاه کنید به تصویر ۱.۷). 
نور لیزر دلخواه از گروه فوتون‌هایی‌ تشکیل شده که دارای یک فرکانس (طول موج) و در فاز هستند. اگر بخواهیم مستقیمأ درک کنیم نور لیزر از فوتون‌هایی‌ تشکیل شده که همه اشان یک رنگ هستند و با هم رژه میروند.  
تصویر ۱.۶

tasvir1.6.jpg

[klausmeister]

تصویر ۱.۷

pic1.7.jpg

مثال ۱.۲
ملاحظه بکنید به دو تراز انرژی E۲ = ۲.۵ eV و E۱ = ۱.۰ eV. انرژی فوتونی که از ما بین این دو حالت‌ها خودبخود گسیل میشود چقدر است؟ طول موج فوتون چقدر است؟

[klausmeister]

پاسخ: رابطه انرژی در برابری (۱.۴) داده شده است.

eq1.5.jpg

طول موج را با تغییر در برابری (۱.۴) بدست میاوریم:

eq1.6.jpg

یا به شکلی‌ بیاوریم که بتوانیم ساده بیاد بیاوریم:

eq1.7.jpg

[klausmeister]

مثال ۱.۳

در مهندسی‌ لیزر بعضی‌ از وقت‌ها اشکال با تعداد رقم‌های معنی‌ دار پیش میاید. برای نشان دادن این موضوع دو حساب را برای طول موج عبور در لیزر بین دو حالت انرژی E۲=۲.۵ eV و E۱=۱.۰ eV انجام بدهید. در حساب نخست مقدار‌های دقیق برای h و c0 را استفاده کنید. در حساب دوم مقدار‌های تقریبی J-sec 6.6*10^(-34) و 3*10^(8) m/sec را استفاده کنید.

پاسخ: حساب در مثال ۱.۲ را تکرار می‌کنیم:

eqs 1.8 1.9.jpg

نتیجه حساب مقدار تقریبی با نتیجه حساب مقدار دقیق تقریبأ ۲,۵۹nm با هم فرق دارند. این فرق در طول موج خیلی‌ بزرگتر از پهنای خط عبور نور در لیزر معمولی است.
راهنما برای استفاده از تعداد رقم‌های معنی‌ دار در این کتاب را میتوانید در پیوست پیدا کنید.

[klausmeister]

۱.۴.۲ حالت برگشت جمعیت

تنها راهی‌ که بتوانیم بازیافت در لیزر را بدست بیاوریم این است که جمعیت الکترون‌ها در تراز انرژی بالا بیشتر از تعداد الکترون‌ها در تراز انرژی پایین باشد. این وضعیت را برگشت (معکوس) جمعیت مینامند. (توضیحات بیشتر در قسمت ۲.۲)

در حالت توازن گرمایی نسبت جمعیت بین دو حالت به وسیله برابری بولتسمن مقرر میشود:

eq 1.10.jpg

N۲ جمعیت در حالت بالا است، N۱ جمعیت در حالت پایین است، KB ثابت بولتسمن است و T دما است.

توجه بکنید که علامت منفی‌ در توان تابع نشان میدهد که معکوس جمعیت فقط در شرط "دمای منفی‌" ایجاد میشود! این نتیجه نخست برای دانشمندان لیزر خیلی‌ آشفته کننده بود چونکه دمای منفی‌ تحقق بخش نیست.

برابری بولتسمن اما فقط وضعیت‌های در تعادل گرمایی را شرح میدهد. عمل لیزر ولی‌ در تعادل گرمایی پیش نمیاید. بجای این تراز انرژی بالا را به وسیله پمپاژ که یک نوع روند نامتعادل است، با الکترون پر میکنند . ما میتوانیم یک تپش نور، یک جرقه الکتریکی‌ یا یک واکنش شیمیایی را برای پر کردن حالت بالای لیزر استفاده بکنیم.

[klausmeister]

مثال ۱.۴

دو حالت انرژی را در نظر بگیرید، E۲=۲.۱۰ eV و E۱=۱.۰ eV. فرض کنید که ۱.۰*۱۰^ ۱۶ electrons/cm^۳ در E۱ وجود دارند. در دمای ۱۰۰۰k چند تا الکترون در حالت انرژی E۲ هستند؟

پاسخ: از برابری بولتسمن (برابری ۱.۱۰) استفاده می‌کنیم

eq 1.11-1.13.jpg

مثال ۱.۵

دو حالت انرژی را در نظر بگیرید، E۲=۲.۱۰ eV و E۱=۱.۰ eV. فرض کنید که ۱.۰*۱۰^۱۶ electrons/cm^۳ در E۲ و ۱.۰*۱۰^۱۵ electrons/cm^۳ در E۱ وجود دارند. به چه دمایی نیاز داریم که بتوانیم این توزیع جمعیت را در حالت توازن گرمایی بوجود بیاوریم؟

پاسخ: برابری بولتسمن (برابری ۱.۱۰) را برای T حل می‌کنیم

eq 1.14-1.16.jpg

توجه بکنید به دمای منفی‌! این وضعیت در تعادل گرمایی پیش نمیاید چونکه دمای منفی‌ تحقق بخش نیست. اما همچنین نسبت‌های جمعیت در سیستم‌های لیزر که در وضعیت پمپاژ نامتعادل هستند، خیلی‌ معمولی هستند.

[4Duniverse]

[klausmeister]

۱.۵ توان و انرژی

لیزر میتواند در مد تپشی یا موج پیوسته (Continuous Wave) عمل بکند. اغلب برای کاهش گرما در سیستم لیزر (این در سیستم لیزر نیم رسانا معمولا پیش میاید) از عمل تپشی لیزر استفاده میشود. بیشتر اوقات اما عمل تپشی لیزر با روش‌هایی‌ مانند (راهگزینی فاکتور کیفیت) Q-Switching (دستگاهی که انرژی لیزر را به تپش متمرکز می‌کند) و (قفل مد) Mode-Locking (که پهنای تپش را در زمان باریک می‌کند) با هم ترکیب میشود. لیزر‌هایی‌ که با راهگزینی فاکتور کیفیت و قفل مد هستند، بدلیل باریک بودن نسبی‌ تپش، قابلیت متمرکز کردن چگالی‌ قله توان را دارند. (برای اطلاعات بیشتر در باره راهگزینی فاکتور کیفیت و قفل مد به قسمت‌های ۶.۲ و ۶.۴ رجوع کنید).

وقتی‌ که در باره خاصیت‌های لیزر‌های تپشی در برابر لیزر های با موج پیوسته صحبت میشود، باید به چند تا نکته توجه کنیم چونکه استفاده از Watts (برای شرح قله توان) خیلی‌ راحت میتواند با استفاده از Watts (برای شرح توان متوسط) اشتباه بشود. در این نوشته ما از این تعریف‌ها استفاده می‌کنیم:

توان متوسط: توان (با واحد Watts) لیزر موج پیوسته یا انرژی برای هر تپش (با واحد Joules) ضربدر میزان تکرار تپش (Pulse Repetition Rate) (با واحد Hz) برای لیزر‌های تپشی را میتوانیم به این صورت بنویسیم:

eq 1.17.jpg

قله توان: انرژی برای هر تپش (در واحد Joules) تقسیم بر فاصله زمانی‌ تپش (در واحد ثانیه)

eq 1.18.jpg

چگالی‌ انرژی متوسط: انرژی (در واحد Joules) برای هر مساحت واحد (در واحد m^۲ یا cm^۲).

چگالی‌ توان متوسط: توان متوسط (در واحد Watts) برای هر مساحت واحد (در واحد m^۲ یا cm^۲).

چگالی‌ قله توان: قله توان (در واحد Watts) برای هر مساحت واحد (در واحد m^۲ یا cm^۲).