از نخستين روزهاي بررسي تکنولوژي ليزر ، پي برده شد که نور ليزر خواص مشخصه اي دارد که آن را از نورهاي ايجاد شده از ساير منابع متمايز مي کند. 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 کاربردهاي ويژه ليزر ، در نظر مي گيريم. واضح است که چنين مباحثي بايد بسيار گزينشي باشد و مثالهاي ارايه شده در اينجا بيشتر براي نشان دادن تنوع و گوناگوني کاربردهاي ليزر انتخاب شده اند تا هر دليل ديگري.
از آنجا که نشر القايي ،‌فوتونهايي را با راستاي انتشار دقيقاً يکسان توليد مي کند، استفاده از پيکربندي آينه انتهايي به تقويت گزينشي باريکه محوري که تنها قطري در حدود m m 1 دارد منجر مي شود. بدين ترتيب ليزر ، باريکه اي نازک و اساساً موازي از نور را که معمولاً داراي توزيع گاوسي از شدت است ، از آينه خروجي به بيرون نشر مي کند.
زاويه واگرايي باريکه مقداري در حدودm radian 1 است که در فاصله يک کيلومتري ، تنها قسمتي به عرض يک متر را روشن مي کند، ليزرهاي اکسي پلکس واگرايي باريکه کمتر از 200 ميکروراديان دارند. هرچند که ميزان واگرايي باريکه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجي تعيين مي شود ،‌ولي با ابزار اپتيکي مناسب مي توان همين واگرايي اندک را به مقدار زيادي تصحيح کرد. به عنوان مثالي از اينکه باريکه ليزر تا چه حد قابل موازي سازي است، به اين مطلب توجه کنيد که مي توان بازتابش نور ليزر را از روي بازتابنده هايي که فضانوردان طي ماموريت فضايي آپولو در سطح کره ماه کار گذاشتند، در زمين مشاهده کرد.
همراستا سازي نوري يکي از کاربردهاي بسيار برجسته موازي سازي و پهناي باريکه نازک ليزرها در صنعت سازه و نظارت بر آلودگي اتمسفر مورد استفاده قرارمي گيرد . در مورد اخير، با بهره گيري از پهناي باريکه نازک ليزر است که امکان نظارت بر گازهاي خروجي از دودکش کارخانه ها ، با تجزيه و تحليل نور پراکنده ، از روي سطح زمين امکان پذير مي شود.

شدت:

شدت زياد، خاصيتي است که بيش از ساير موارد همراه نور ليزر است و در حقيقت ليزرها بالاترين شدتهاي شناخته شده روي زمين را ايجاد مي کنند. از آنجا که ليزر باريکه اي موازي از نور را نه در تمام جهتها ، بلکه در راستاي مشخصي نشر ميکند، مناسبترين معيار شدت، تابيدگي است . از آنجا که انرژي در واحد زمان برابر توان است، داريم:
سطح / توان I = تابيدگي
با اين حال در استفاده از اين معادله بايد تاکيد کرد که منظور از «توان» ، توان خروجي ليزر است و نه توان ورودي آن.براي بررسي درست تابيدگي يک نوع ليزر، مي توان به اين نکته توجه کرد که شدت ميانگين آفتاب روي سطح زمين به اندازه يک کيلووات بر متر مربع يعني m W 10 است.
ابتدا يک ليزر قدرتمند آرگون را که تواني در حدود W 10 در طول موج nm 488 نشر مي کند، در نظر مي گيريم. با فرض سطح مقطعي برابر mm 1 براي باريکه ،‌اين مقدار باعث ايجاد تابيدگي mW 10 = ( m 10 )/ (W 10) مي شود . در واقع با متمرکز کردن باريکه تا رسيدن به حد پراش ناشي از ابزار اپتيکي متمرکز کننده ، 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 که با متمرکز کردن آن مي توان به شدتهايي دست يافت که از شدت خود منبع فراتر مي رود.معمولاً امکان چنين چيزي براي منابع معمولي نور وجود ندارد. به عنوان يک اصل کلي ، حداقل شعاع باريکه متمرکز شده قابل قياس با طول موج است، بنابراين در مثال فوق ، سطح مقطع m 10 غير واقعي نيست و باعث ايجاد شدت متمرکز شده اي برابرmW10 مي شود.
با اين حال، در ليزرها که ابتدا انرژي را در اثر وارونگي جمعيت ذخيره مي کنند و سپس آن را از طريق نشر يک تپ نور رها مي کنند، يافتن بيشترين شدتهاي خروجي نامنتظره نيست. اگر چه بايد به ياد داشت که شدت پيک تنها براي زمان بسيار کوتاهي قابل حصول است.
براي مثال يک ليزر ياقوت سوييچ شده مناسب که تپهاي ns 25 (s 10 = ns1 ) در طول موج nm 694 نشر مي کند ، مي تواند در هر تپ ، خروجي پيکي برابر GW 1 با باريکه پهني به سطح مقطع mm 500 ايجاد کند. بدين ترتيب تابيدگي ميانگين هر تپ تقريباً برابر W m 10 × 2 است که با تمرکز مناسب مي توان دست کم آن را به اندازه 10 برابر افزايش داد. بايد توجه کرد که در تمام اين محاسبات تقريبي ، به طور ضمني تصور شده است که درطول دوام هر تپ، مقدار شدت ثابت است. حال آنکه در حقيقت ، در ابتدا يک صعود و در انتها يک واپاشي مشخص وجود دارد، به بيان ديگر يک نيمرخ زماني هموار در آنجا هست. از آنجا که شدت پيک حاصل از يک ليزر تپي به طور وارون با مدت تپ متناسب است، روشهاي گوناگوني براي کاستن ازطول تپ وجود دارد تا شدت آن افزايش يابد.
اکنون به چند کاربرد ليزر بر اساس شدتهاي زياد، نگاهي کوتاه مي اندازيم. يک مثال بسيار واضح در صنعت، همان برش و جوشکاري با ليزر است. در چنين مقاصدي به ويژه ليزرهاي پرتوان کربن ديوکسيد Nd:YAG و که 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 کاغذ براي جلوگيري از سوختگي بايد فواره اي از گاز بي اثر به کار برده شود، از سوي ديگر، فواره اکسيژن باعث تسهيل برش فولاد مي شود. براي مثال يک ليزر متمرکز در گستره mW 10 مي تواند mm 3 فولاد را در تقريباً s 1، يا mm 3 چرم را درs 10، ببرد. کاربردهايي از اين نوع را مي توان در صنايع زيادي از هوافضا تا نساجي ، پيدا کرد و تنها در آمريکا، چند هزار سيستم ليزر براي اين هدف به کار مي روند.
يکي از نويد بخش ترين کاربردهاي پزشکي در جراحي چشم است که تا کنون براي اين منظور چندين روش باليني به خوبي ارايه شده است. مثلاً، پارگي شبکيه را که باعث کوري موضعي مي شود، مي توان با« جوشکاري نقطه اي » توسط تپهاي پرشدت نور حاصل از ليزر آرگون، با بافت نگه دارنده آن ( يعني کوروييد ) متصل کرد. 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 کوتاه تپها ، نيازي به بي حرکت کردن طولاني چشم وطي درمان احساس نمي شود.

همدوسي:

همدوسي خاصيتي است که به بهترين وجه نور ليزر را از ساير انواع نور متمايز مي کند و بازهم اين خاصيت ، نتنجه ماهيت فرايند نشر القايي است. اغلب، نور حاصل از منابع معمول گرمايي که توسط نشر خودبه خودي کار مي کنند، 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 که توسط محيط برانگيخته ليزر نشر مي شوند، با ساير فوتونهاي موجود در حفره، همفازند. مقياس زماني که 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
که در آن u پهناي خط نشر است. طول همدوسي مستقيماً با اين عامل ارتباط دارد.
tc = ctc
بنابراين ، دو نقطه در طول باريکه ليزر به فاصله اي کمتر از طول همدوسي، بايد فاز مرتبطي داشته باشند. طول همدوسي يک مد خروجي حاصل از يک ليزر گازي ممکن است m 100 باشد، ولي اين مقدار براي يک ليزر نيم رسانا ، تقريباً mm 1 است. اندازه گيري طول يا زمان همدوسي يک ليزر با طيف بيني افت و خيز شدت ، انجام مي شود و وسيله مناسبي براي تعيين پهناي خط نشر فراهم مي کند.
همان طور که در دو نمودار شکل 1. 11 نشان داده شده است، تابش آشفته و همدوس آمار فوتوني کاملاً متفاوتي دارند. اين نمودار نشان دهنده توزيع احتمال يافتن N فوتون در حجمي است که در يک متوسط زماني، تعداد ميانگين M را در خود دارد. نور آشفته در توزيع بوز ـ اينشتين صدق مي کند:
آشفتهM/(M+1)=PN
حال آنکه نور همدوس معمولاً در توزيع پواسون صدق مي کند:
همدوس Me / N = PN
هر چند اگر اين دو نور، تابيدگي ميانگين يکساني داشته باشند (با I V/hc u M = به M ارتباط پيدا مي کند )، بيشتر فرايندهاي شامل برهم کنش نور و ماده نمي توانند تمايزي بين آنها قايل شوند، ولي در فرايندهاي چند فوتوني چنين نخواهد بود.
بر خلاف انتظار، کاربردهاي اندکي براي همدوسي ليزر وجود دارد، مهمترين کاربرد آن به اصطلاح، تمام نگاري است، که روشي براي تهيه تصاوير سه بعدي به شمار ميرود. اين فرايند شامل تهيه يک نوع تصوير ويژه ، به نام تمام نگاشت روي صفحه اي حاوي امولسيون مناسب عکاسي است بر خلاف بيشتر انواع متداول تصاوير عکاسي تمام نگاشت حاوي اطلاعاتي نه تنها پيرامون شدت بلکه در مورد فاز نور بازتابيده از موضوع نيز هست واضح است که با منبع نور آشفته نمي توان به چنين تصويري دست يافت. نورپردازي عکس، تصوير سه بعدي واقعي را بازسازي مي کند. در حال حاضر يکي از مشکلات اصلي آن است که تنها امکان تهيه تمام نگاشتهاي تکفام 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 اکنون به راحتي مي توان تمام نگاشت را در نور سفيد به وضوح مشاهده کرد، ولي رنگهاي اين تصاوير تنها در اثر تداخل به وجود مي آيند و رنگهاي اصلي جسم نيستند.

تکفامي:

آخرين مشخصه بارز نور ليزر و خاصيتي که بيشترين ارتباط را با کاربردهاي شيميايي دارد. تکفامي اساسي آن است. اين خاصيت از آن حقيقت منشا مي گيرد که تمام فوتونها در اثر گذار بين دو تراز انرژي اتمي يا مولکولي مشابه، نشر مي شوند و بنابراين تقريباً‌ فرکانسهاي دقيقاً يکساني دارند. با وجود اين، همواره گستره کوچکي از توزيع فرکانسها وجود داردکه ممکن است چندين فرکانس يا طول موج گسسته را در بر گيرد و باعث برقراري شرط موج ايستا شود.
نتيجه آن است که تعداد کمي از فرکانسها با فواصل اندک از يکديگر، ممکن است در عمل ليزر حضور داشته باشند، به طوري که براي رسيدن به تکفامي بهينه، بايد وسيله اضافي ديگري را براي گزينش فرکانس در ليزر تعبيه کرد. معمولاً براي اين کار از يک سنجه استفاده مي شود که عنصري اپتيکي است که درون حفره ليزر قرار مي گيرد و به گونه اي تنظيم مي شود که تنها يک طول موج معين بتواند بين دو آينه انتهايي، به طور نامتناهي به جلو و عقب حرکت کند. در ليزرهايي با خروجي پيوسته، تهيه پهناي خط نشر به کوچکي cm 1 ، کاري بسيار ساده است و در ليزرهاي با فرکانس تثبيت شده، پهناي خط ميتواند چهار تا پنج توان ده کوچکتر داشته باشد. عامل کيفيت Q که برابر با نسبت فرکانس نشر شده u به پهناي خط Du است، يکي از عاملهاي مهمي است که ليزر را توصيف مي کند.
Q = u/Du
بدين ترتيب، مقدار عامل Q به سادگي مي تواند به بزرگي 10 باشد و اين مقدار به وضوح از اهميت زيادي در طيف بيني تفکيک بالا برخوردار است. اغلب متخصصان طيف بيني ترجيح مي دهند که پهناي خط را بر حسب واحدهاي طول موج يا عدد موج بيان کنند، که مورد آخر نشان دهنده تعداد طول موجهاي تابش در واحد طول معمولاً‌ در سانتي متر، است (u=1/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 کاربرد فن تکفامي زياد منبع ليزر است. از آنجا که مولکولهايي که از نظر محتواي ايزوتوپي با هم متفاوت اند، معمولا فرکانسهاي جذب اندک متفاوتي دارند، با استفاده از ليزري با پهناي خط بسيار باريک، به طور گزينشي مي توان مخلوطي از مواد را برانگيخت و سپس با وسايل ديگري جدا کرد. تمايل زياد به استفاده از اين کاربرد در صنايع هسته اي نامنتظره نيست.
منبع:http://www.academist.ir
/خ