اصل لیزر

اصل لیزر بر اساس انتشار تحریک شده است، مفهومی که اولین بار توسط انیشتین در اوایل قرن بیستم مطرح شد. فرآیند اصلی به شرح زیر است:

- انتقال الکترون: اتم‌ها یا مولکول‌ها در محیط کار تحت تأثیر منبع پمپ (مانند انرژی الکتریکی، انرژی نور و غیره) انرژی به دست می‌آورند، از سطح انرژی کم به سطح انرژی بالا تبدیل می‌شوند و وارد حالت برانگیخته می‌شوند. از آنجایی که سطح انرژی بالا ناپایدار است، اتم ها یا مولکول ها به طور خود به خود به سطح انرژی پایین برمی گردند و فوتون ها را در این فرآیند آزاد می کنند.

- بازتاب حفره تشدید: این فوتون‌ها در داخل حفره تشدید به عقب و جلو منعکس می‌شوند و با سایر اتم‌ها یا مولکول‌های حالت برانگیخته در محیط کار برهم‌کنش می‌کنند و باعث انتشار تحریک‌شده‌تر می‌شوند. این باعث می شود تعداد فوتون ها به طور ناگهانی افزایش یابد و در نتیجه نور لیزر با شدت بالا، بسیار تک رنگ و بسیار جهت دار ایجاد شود.

اجزای لیزر

لیزر عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است: محیط کار، منبع پمپ و حفره تشدید.

- محیط کار: این پایه و اساس تولید لیزر است. از یک محیط فعال تشکیل شده است که وارونگی جمعیت را ممکن می کند، مانند یاقوت، شیشه نئودیمیم، یا گاز دی اکسید کربن.

- منبع پمپ: انرژی را برای محیط کار فراهم می کند و انتشار تحریک شده را القا می کند. روش های رایج شامل تحریک الکتریکی و تحریک نوری است.

- حفره تشدید: متشکل از آینه های بازتاب داخلی کامل و آینه های بازتاب داخلی جزئی، بازخورد و یک محیط نوسانی را برای فوتون ها فراهم می کند و به آنها اجازه می دهد چندین بار در داخل حفره به جلو و عقب سفر کنند، اثر انتشار تحریک شده را افزایش داده و در نهایت خروجی لیزر را تشکیل می دهد.

تفاوت بین لیزرهای تک حالته و چند حالته

تفاوت اصلی بین لیزرهای تک حالته و چند حالته در تعداد حالت های پرتو خروجی نهفته است.

- لیزر تک حالته: تنها از یک حالت انتشار نور پشتیبانی می کند. دارای کیفیت پرتو بالا، جهت و انسجام خوب، نقطه پرتو دایره ای استاندارد و زاویه واگرایی کوچک است. برای کاربردهای با دقت بالا مانند تداخل سنج های لیزری و ارتباطات فیبر نوری مناسب است.

- لیزر چند حالته: از حالت های متعدد انتشار نور پشتیبانی می کند. دارای زاویه واگرایی پرتو خروجی بزرگ، شکل پرتو و توزیع شدت پیچیده، و طول پیوستگی کوتاه‌تر، اما قدرت خروجی بالا است. برای کاربردهای کم تقاضا مانند پردازش مواد و روشنایی لیزر مناسب است.

لیزر - پرتوهای گاوسی

لیزرها پرتوهای گاوسی نامیده می شوند زیرا توزیع شدت آنها در سطح مقطع آنها تقریباً با تابع گاوسی مطابقت دارد، به این معنی که شدت در مرکز زیاد است و به تدریج به سمت لبه ها کاهش می یابد و منحنی زنگوله ای را نشان می دهد.

این مشخصه توزیع از خود تکرارپذیری لیزر در طول تشکیل آن در حفره تشدید ناشی می شود. حتی پس از پراش و انتشار، توزیع شدت آن یک فرم گاوسی را حفظ می کند. پرتوهای گاوسی دارای عملکرد فوکوس عالی و تک رنگ هستند، به طور موثر رقابت حالت را کاهش می‌دهند و کیفیت پرتو را بهبود می‌بخشند و باعث می‌شوند در طراحی سیستم‌های نوری، پردازش لیزر و سایر زمینه‌ها به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند.

طبقه‌بندی لیزر لیزرها را می‌توان به روش‌های مختلفی طبقه‌بندی کرد که یکی از آنها بر اساس محیط کار است:

- لیزرهای حالت جامد: این لیزرها از مواد جامد به عنوان محیط کار استفاده می کنند، مانند لیزرهای گارنت آلومینیومی دوپ شده با نئودیمیم (Nd:YAG). این لیزرها معمولا توان خروجی بالا و پایداری خوبی دارند و به طور گسترده در پردازش صنعتی، پزشکی و تحقیقات علمی استفاده می شوند.

- لیزرهای گازی: این لیزرها از گازهایی به عنوان محیط کار استفاده می کنند، مانند لیزرهای هلیوم نئون (He-Ne) و لیزرهای دی اکسید کربن (CO2). لیزرهای گازی کاربردهای گسترده ای در مناطق طیفی مرئی و مادون قرمز دارند.

- لیزرهای مایع: که به عنوان لیزرهای رنگی نیز شناخته می شوند، از محلول های رنگ آلی به عنوان محیط کار استفاده می کنند. قابلیت تنظیم طول موج آنها مزایای منحصر به فردی در تحقیقات علمی و زیست پزشکی به آنها می دهد.

- لیزرهای نیمه هادی: در این لیزرها از مواد نیمه هادی به عنوان محیط کار استفاده می شود، مانند دیودهای لیزر. این لیزرها مزایایی در کوچک سازی و یکپارچه سازی دارند و به طور گسترده در ارتباطات نوری، چاپ لیزری و سایر زمینه ها استفاده می شوند.

- لیزرهای الکترون آزاد: این لیزرها از پرتوهای الکترون آزاد پرسرعت به عنوان محیط کار استفاده می کنند. آنها طیف گسترده ای از توان خروجی و طول موج را ارائه می دهند که آنها را برای فیزیک با انرژی بالا و طیف سنجی اشعه ایکس مناسب می کند.