هر‌ آنچه درباره لیزر ها و طرز کارشان باید بدانید

لیزر‌ها و میزر‌ها از جالب توجه‌ترین ابزار‌ها‌ی روز دنیا هستند که کاربرد فراوانی در صنعت و پزشکی دارند و باعث پیشرفت علوم مختلف شده‌اند. مدت‌زمان زیادی نیست که از ایده‌ی ساخت اولین لیزر جهان توسط چارلز تاونز می‌گذرد؛ وی در سال ۱۹۶۴ برنده‌ی نوبل فیزیک شد.

وی در ابتدا ایده‌ی ساخت میزر را داشت. شاید این سؤال ذهنتان را مشغول کرده باشد که تفاوت لیزر با میزر در چیست؟ پاسخ در طول موج نوری است که این دستگاه‌ها می‌توانند تولید کنند. میزرها در ناحیه‌ی ماکروویو کار می‌کنند و ابتدای نام آن‌ها، از ابتدا‌ی کلمه‌ی ماکروویو گرفته شده است. جالب است بدانید که مخترع اولین لیزر گازی هلیوم - نئون جهان، علی جوان، فیزیکدان ایرانی است. امروزه همه‌ی ما از لیزر‌ها به‌صورت مستقیم و غیر مستقیم استفاده می‌کنیم. در خانه، محل کار و حتی ایمیل‌ها‌ی ما توسط سیگنال‌ها‌ی لیزری منتقل می‌شوند. دانسته یا ندانسته، تمام طول روز از لیزر‌ها استفاده می‌کنیم؛ اما چند نفر از ما می‌دانیم که آن‌ها چه هستند و چگونه کار می‌کنند؟

لیزر چیست؟

لیزر‌ها تفاوت بسیاری با نور معمولی دارند. برای درک بهتر این تفاوت، فقط امواج آبی که در وان حمام تشکیل می‌شوند با امواج بزرگ دریا مقایسه کنید. اگر دقت کرده باشید، می‌توانید با حرکت دست خود به سمت جلو و عقب، امواج نسبتا بزرگی در وان حمام تشکیل بدهید که هر‌چه این کار را بیشتر ادامه بدهید، امواج بزرگ‌تر و قوی‌تر می‌شوند. اگر می‌توانستید شبیه این کار را در یک اقیانوس انجام دهید، مسلما بعد از چند میلیون بار تکرار، امواج بسیار بزرگ و پرقدرتی توسط دست شما تشکیل می‌شوند. یک لیزر، کاری مشابه همین را با امواج نور انجام می‌دهد. فرایند تقویت نور در یک لیزر، با نور بسیار ضعیف شروع می‌شود و آنقدر انرژی به موج نور اضافه می‌شود تا در نهایت یک موج نور متمرکز و قوی داشته باشیم.

ویژگی‌ها‌ی نور لیزر 

لامپ‌ها یا منابع نور معمولی دیگر، نور سفید دارند که ترکیبی از تمام فرکانس‌ها‌ی مرئی نور است. اما لیزر‌ها پهنای فرکانسی بسیار باریکی دارند و در شرایط ایده‌آل، تک‌فرکانس هستند. برای مثال ممکن است لیزر‌های قرمز، سبز یا آبی را دیده باشید و حتی لیزر‌ها‌ی مادون قرمز یا فرابنفش. بنابر‌این هرچه پهنا‌ی فرکانس لیزر باریک‌تر باشد، لیزر بازده بیش‌تری خواهد داشت.

اگر دقت کرده باشید یا از این پس دقت کنید، می‌توانید بینید که لامپ‌ها و منابع نور معمولی، نور را در همه‌ی جهت‌ها پخش می‌کنند. برخلاف منابع نور دیگر، لیزر‌ها یک باریکه‌ی نوری بسیار نازک و کم‌پهنا گسیل می‌کنند که این مسئله باعث تمرکز انرژی تمام پرتو‌‌ها‌ی نور در یک نقطه‌ی کوچک می‌شود.

نور‌ها‌ی معمولی، شامل پرتو‌ها‌ی غیر هم‌فازی هستند که هر کدام از آن‌ها با فاز خاصی نوسان می‌کند و هیچ نظم مشخصی بین تمامی آن‌ها نیست. درحالی‌که پرتو‌ها‌ی نوری تشکیل‌دهنده‌ی نور لیزر همگی فاز یکسانی دارند؛ به این معنا که همه باهم به مقدار بیشینه و کمینه می‌رسند.  می‌توانید یک نور معمولی را مثل جمعیتی که در یک پیاده‌رو به‌طور نامنظم در حال حرکت هستند تصور کنید که به هم برخورد می‌کنند یا روی زمین می‌افتند یا هر بی‌نظمی دیگری در حرکت آن‌ها دیده می‌شود. در مقابل، نور لیزر را دسته‌ای از سرباز‌ها‌ی ارتش تصور کنید که با نظم بسیار در حال رژه رفتن هستند.

این سه ویژگی، باعث می‌شود که لیزر‌ها از دیگر نور ها متمایز شوند.

برای ساخت یک لیزر به چه چیزهایی احتیاج داریم؟

۱. فضایی که از اتم‌ها‌ی یک ماده پر شده باشد: این ماده می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد و به نام ماده فعال لیزر شناخته می‌شود. بسته به حالت ماده فعال می‌توانیم لیزر‌ها‌ی گازی یا لیزر‌های جامد داشته باشیم. ویژگی مهم ماده فعال، قابلیت برانگیخته شدن آن است.

۲. سیستمی لازم داریم که با آن بتوانیم ماده‌ی محیط فعال را برانگیخته کنیم. منظور از برانگیخته کردن این است که با انرژی دادن به الکترون‌ها‌ی اتم‌ها، آن‌ها را از حالت پایه‌ی انرژی یعنی کم‌ترین انرژی به حالت برانگیخته منتقل کنیم. 

برای ایجاد یک لیزر قرمز معمولی، می‌توان از یاقوت به‌عنوان ماده‌ی فعال لیزر استفاده کرد. در تصویر پایین، ماده‌ی فعال با رنگ قرمز نشان داده شده است. سیم‌ها‌ی زیگزاگ زردرنگ به دور آن پیچیده شده است و جربان آن مانند لامپ‌ها‌ی فلش، دائما قطع و وصل می‌شود.

چگونه یک هسته‌ی کریستال و محفظه‌ی سیمی لیزر را می‌سازند؟

۱. یک منبع ولتاژ قوی، جریان برق را دائما قطع و مجددا وصل می‌کند.

۲. هر بار که جریان وصل می‌شود، انرژی زیادی به کریستال یاقوت منتقل می‌شود. این انرژی به‌صورت فوتون به ماده فعال منتقل می‌شود.

۳. اتم‌ها‌ی کریستال یاقوت که در شکل بالا با دایره‌های سبزرنگ نشان داده شده‌اند، انرژی پمپ‌شده را جذب می‌کنند. در این هنگام، الکترون‌ها‌ی ظرفیت این اتم‌ها به حالت انرژی بالاتر منتقل می‌شوند. پس از گذشت چند میلی‌ثانیه، الکترون‌ها به حالت انرژی اولیه‌ی خود یا در اصطلاح به حالت پایه‌ی خود بازمی‌گردند و یک فوتون نور گسیل می‌کنند که در شکل با دایره‌ها‌ی آبی نشان داده شده‌ است. به این فرایند، مرحله‌ی گسیل خود‌به‌خودی گفته می‌شود.

۴. فوتون‌ها‌ی گسیل‌شده از الکترون‌ها، در ماده‌ی فعال با سرعت نور حرکت رفت و برگشت انجام می‌دهند.

۵. گاهی اتفاق می‌افتد که یکی از فوتون‌ها به یکی از الکترون‌ها‌ی برانگیخته برخورد می‌کند و باعث می‌شود که الکترون به حالت پایه‌ی خود بازگردد. در این صورت، پس از این فرایند، علاوه بر اینکه فوتون اولیه هنوز هم موجود است، فوتون دیگری نیز گسیل می‌شود که در اصطلاح به این فرایند گسیل القایی گفته می‌شود. اکنون، یک فوتون نور باعث تولید فوتون نوری دیگری شده است؛ یعنی نور تقویت شده (Light Amplification) که فرایند گسیل القایی (Stimulated Emission of Radiation) باعث آن شده است. در اینجا اگر حروف پررنگ را به هم بچسبانیم، کلمه‌ی LASER ساخته خواهد شد. در واقع نام لیزر دقیقا از نحوه‌ی کار آن گرفته شده است.

۶. در ابتدا و انتها‌ی محیط لیزر، آینه‌هایی قرار دارند که فوتون‌ها‌ی تولیدشده را دائما بازتاب می‌کنند. بنابراین فوتون‌ها به‌صورت پیوسته در محیط لیزر در رفت و آمد هستند.

۷. یکی از آینه‌ها‌ی به‌کاررفته در محیط لیزر، قسمتی از فوتون‌ها را بازتاب می‌کند و اجازه می‌دهد که بخشی از فوتون‌ها از محیط لیزر بیرون بروند.

۸. فوتون‌ها‌ی بیرون‌آمده از محیط لیزر، همان پرتو‌ها‌ی لیزری پر‌انرژی هستند که اکنون می‌توانند مورد استفاده قرار بگیرند.

گسیل خود‌به‌خودی

بیایید با حرف R لیزر یعنی تابش آغاز کنیم. تابش‌ها‌ی لیزری هیچ ارتباطی به تابش‌ها‌ی هسته‌ای و رادیو‌اکتیو ندارند. لیزر‌ها، تابش‌ها‌ی معمولی مانند تابش‌های رادیویی، اشعه‌ی X، مادون قرمز و فرابنفش تولید می‌کنند. با اینکه این تابش‌ها هم توسط اتم‌ها تولید می‌شوند، فرایند آن کاملا متفاوت است و با جا‌به‌جا شدن دائمی الکترون‌ها در یک ماده ایجاد می‌شود. الکترون‌ها همیشه در پایین‌ترین انرژی یعنی اولین پله‌ی نردبان نشسته‌اند و منتظر هستند تا از بیرون، انرژی دریافت کنند. اگر انرژی لازم برای رفتن به پله‌ی بعدی را دریافت کنند، بی درنگ به پله‌ی بعدی، یعنی تراز برانگیخته خواهند رفت. اما بودن در این تراز یا پله چندان طول نمی‌کشد؛ چرا که الکترون‌ها علاقه‌ی بیشتری به بودن در حالت پایه‌ی خود دارند. برای بازگشتن به حالت پایه، انرژی گرفته‌شده باید پس داده شود که الکترون این انرژی را با تابش یک فوتون از دست می‌دهد. به این فرایند، گسیل خود‌به‌خودی الکترون گفته می‌شود؛ چرا که اتم به خودی خود تابش می‌کند.

معمولا یک دسته از اتم‌ها، تعداد الکترون‌ها‌ی بیش‌تری در حالت پایه نسبت به حالت برانگیخته دارند که به همین دلیل مواد مختلف معمولا به‌صورت خود‌به‌خودی تابش نمی‌کنند. اما اگر با استفاده از روش‌ها‌ی خاص پمپ انرژی به آن‌ها انرژی بدهیم و الکترون‌ها را برانگیخته کنیم چطور؟ در این صورت، جمعیت تراز برانگیخته از جمعیت تراز پایه بیش‌تر می‌شود، بنابر‌این الکترون‌ها‌ی زیادی آماده‌ی تابش کردن هستند. به این وضعیت، وارونی جمعیت گفته می‌شود؛ چرا که اتم‌ها نسبت به حالت معمول خود دچار وارونگی در جمعیت تراز‌ها شده‌اند. اکنون فرض کنید بتوانیم در حدی به انرژی دادن ادامه بدهیم که جمعیت برانگیخته نتوانند سریعا به تراز پایه برگردند و برای مدت نسبتا طولانی در تراز برانگیخته بمانند.

در این صورت به‌اصطلاح یک تراز متا استیبل درست کرده‌ایم. در این هنگام اگر فوتونی با انرژی دقیقا برابر با انرژی بین دو تراز پایه و برانگیخته را به محیط ماده فعال لیزر بتابانیم، این فوتون با برخورد به یکی از الکترون‌ها‌ی برانگیخته، آن را به حالت پایه برمی‌گرداند. این در حالی است که در پایان، فوتون تابش‌شده هنوز باقی است و الکترون بازگشته نیز فوتونی با همان انرژی فوتون قبلی تابش می‌کند. به این فرایند، گسیل القایی گفته می‌شود. هر کدام از دو فوتون تولیدشده می‌تواند الکترون‌ها‌ی برانگیخته‌ی دیگری را به حالت پایه برگرداند. در اصطلاح نور را تقویت می‌کنیم یعنی یک فوتون به سمت ماده فعال تابش کردیم و دو فوتون دریافت کردیم. در پایان، انبوهی از فوتون‌ها با فرکانس یکسان تولید می‌شود که باریکه‌ی پر‌انرژی تک فرکانس و همدوس لیزری را تشکیل می‌دهد.

اگر طرز کار لیزر‌ها به گونه ای که توضیح دادیم باشد، پس چرا تک رنگ و تک فرکانس هستند و چرا نور همدوس ایجاد می‌کنند؟

پاسخ سؤالات بالا به مفهوم انرژی برمی‌گردد. انرژی از بسته‌ها‌ی کوچکی به نام کوانتوم تشکیل شده است. این بسته‌ها‌ی انرژی بیشتر شبیه به پول هستند. برای مثال، پولی که شما در جیبتان دارید، مضرب صحیحی از واحد پول شما است که می‌تواند دلار، ریال، سنت یا هر واحدپول دیگری باشد. شما نمی‌توانید یک دهم سنت یا یک بیستم ریال پول داشته باشید. شبیه به این موضوع را برای انرژی در داخل اتم‌ها هم داریم.

دقیقا شبیه به پله‌ها‌ی یک نردبان، حالت‌ها‌ی انرژی هم مقادیر مشخص و ثابتی دارند که بین آن‌ها فاصله وجود دارد. شما فقط می‌توانید پای خود را روی هر کدام از پله‌ها‌ی نردبان بگذارید و بین پله‌ها نمی‌توانید. الکترون‌ها در یک اتم همین شرایط را دارند و فقط می‌توانند حالت‌های انرژی مجاز را اشغال کنند و نمی‌توانند انرژی بین دو حالت را داشته باشند. برای بردن الکترون از یک حالت انرژی به حالت بالاتر آن، باید یک کوانتوم انرژی برابر با اختلاف انرژی دو حالت را به الکترون داد تا بتواند به حالت بالا‌تر برود. در غیر این صورت اگر انرژی داده‌شده به الکترون کمتر یا حتی بیشتر از اختلاف انرژی بین دو حالت باشد، الکترون سر جای خود باقی می‌ماند. زمانی که الکترون‌ها از حالت برانگیخته به حالت انرژی قبلی خود باز گردند، فوتونی با انرژی دقیقا برابر با اختلاف انرژی دو تراز گسیل می‌کنند و این انرژی ثابت و دقیق باعث می‌شود که لیزر در یک فرکانس خاص کار کند و بنابر این یک رنگ خاص که متناظر با فرکانس نور گسیلی است، قابل مشاهده است. فرایند گسیل القایی در یک لیزر باعث ایجاد انبوهی از فوتون‌های هم‌فرکانس، هم‌فاز یا در اصطلاح همدوس و پر‌انرژی می‌شود که می‌توان از آن‌ها بهره‌ی فراوان برد.

اختراع لیزر

می‌توانیم تولد لیزر را به دو دهه‌ی اول قرن بیستم مربوط بدانیم. زمانی که آلبرت انشتین نظریه‌ی کوانتومی نور را در سال ۱۹۰۵ ابداع و منتشر کرد. همچنین در سال ۱۹۱۷ مکانیزم گسیل القایی بیان شد. این دو مکانیزم، کلید‌ها‌ی دست‌یابی به علم مربوط به لیزر‌ها هستند.

لیزرطرح اصلی از لیزر طراحی‌شده توسط چارلز و آرتور در دهه‌ی ۱۹۵۰. قسمت‌ها‌ی اصلی به‌صورت رنگی مشخص شده‌اند.

لیزر‌ها پس از میزر‌ها به وجود آمدند. میزر‌ها هم شبیه به لیزر‌ها هستند با این تفاوت که میزر به جای نور مرئی، امواج ماکروویو تولید می‌کنند. میزر در دهه‌ی ۱۹۵۰ توسط چارلز تاونز و آرتور کاولو اختراع شد. کار آن‌ها نوبل سال ۱۹۶۴ برای چارلز و نوبل سال ۱۹۸۱ برای آرتور در پی داشت. پس لیزر از کجا آمد؟ در سال ۱۹۵۷ یکی از دانشجویان چارلز به نام گوردون گولد در دفتر آزمایشگاه خود به‌صورت تئوری، طرز کار یک میزر را که با نور مرئی کار می‌کند صورت‌بندی کرد و کلمه‌ی لیزر را ابداع کرد؛ اما متأسفانه هیچ‌گاه کار خود را به ثبت نرساند. با اینکه چارلز و آرتور را به‌عنوان او این کسانی که ایده‌ی لیزر را دادند می‌شناسیم، اولین کسی که یک لیزر ساخت تئودور میمن بود که متأسفانه هیچ‌گاه آن‌گونه که شایسته بود از او تقدیر نشد.