ليزرهاي ديودي نيم رسانا پرفروشترين نوع ليزر در جهان هستند. اين ليزرها اولين بار در سال 1962 ساخته شدند و گفته مي‌شود اكنون در مرحله‌اي هستند كه از بسياري جهات قابل قياس با موقعيت صنعت الكترونيك سيليسيومي در حدود 25 سال پيش است. بدون ترديد نيروي اصلي در پس اين پيشرفت ، رشد سريع صنعت مخابرات است، اما ذخيره سازي اطلاعات (خواندن/نوشتن CD ، پويشگرهاي رمز ميله‌اي) ، اشاره به دور (نشانگرهاي ليزري) و كاربردهاي ماشين كاري نيز اهميت روزافزوني يافته‌اند.
طي چند سال اخير ليزرهاي ديودي به توانايي خروجي بالاتر ، ابعاد كوچكتر ، كارايي بالاتر ، اعتماد پذيري بيشتر و از همه اينها مهمتر به پوشش طول موجي پهنتر از IR ميانه تا انتهاي آبي رنگ طيف الكترومغناطيس ، دست يافته‌اند. براي سالهاي متمادي ، دستيابي به منابع نوري تكفام كوك همدوس ، با عملكرد آسان و ارزان از IR ميانه تا UV ، هدفي براي متخصصان طبف بيني بوده است. به غير از طيف بينيهاي متداول جذبي و فلوئورساني ، طيف بيني رامان و بيضي سنجي نيز از ليزرهاي ديودي به عنوان منابع نور همدوس بهره‌مند شده‌اند.
به تازگي متخصصان طيف بيني ، فنون با حساسيت زياد مثل طيف بيني درون حفره را با ليزرهاي ديودي تركيب كرده‌اند. در طيف بيني بنيادي ، كاربرد منابع ليزري جديد به تعيين ساختار راديكالهاي آزاد يا گونه‌هاي خوشه‌اي عجيب و غريب منجر شده است. براي نظارتهاي اتمسفري ، ليزرهاي ديودي دماي اتاق كه در 8 تا 13µM نشر مي‌كنند، پيشرفتي اساسي به سمت بهبود كيفيت هوا هستند.
در پزشكي ، كاربرد ليزرهاي ديودي در مقطع نگاري نوري و در تجزيه غير تزريقي خون ، مثلا پيش بيني سطح گلوكز خون ، تشخيص پزشكي را با انقلابي مواجه كرده است. در صنعت ، حسگرهاي شيميايي ارزان قيمت در كنترل فرآيند اهميت يافته‌اند، براي كنترل در محل فرآيندهاي احتراقي ، آشكار سازي پسماندهاي گازي در نقطه تخليه و كنترل كيفيت در صنايع دارويي و غذايي ليزرهاي ديودي ديگري نيز هستند كه براي اندازه گيريهاي جريان ، شمارش و سنجش ابعاد ذرات سودمندند.
ارتعاشهاي خوب
IR ميانه، يكي از محدوده‌هاي طيف الكترومغناطيسي است كه ليزرهاي ديودي در آن به ايفاي نقش پرداخته‌اند. مطالعه ارتعاشهاي بنيادي مولكولها كه در اين ناحيه اتفاق مي‌افتد، تا كنون بر ليزرهاي ديودي ساخته شده از نمكهاي سرب كه با سرمازايي خنك شده‌اند متكي بوده است. با اين حال تجهيزات خنك كننده با سرمازايي بر هزينه‌هاي خريد و عملياتي چنين ليزرهايي بسيار مي‌افزايد. ليزرهاي ديودي IR ميانه كه از تركيبات همانند ساخته شده‌اند و در دماي اتاق كار مي‌كنند، كم كم به عنوان جانشيني براي حسگرهاي شيميايي ارزان مطرح مي‌شوند.
گفتني است اين حسگرها براي آشكار سازي اتمسفري و آلودگي و همچنين نظارت بر فرآيندهاي صنعتي بكار مي‌روند. مثلا ، نيم رساناهايي مانند aLgAssB/iNgAaSb كه تا زير 3000nm كار مي‌كنند. دستيابي به اكثر ارتعاشهاي كششي C_H را مقدور مي‌سازند. نشر ليزر در اين طول موجها ، به دليل وجود گاف نوار باريك كه ساختار الكتروني اين مواد را مي‌سازد، امكان پذير است. در نتيجه فقط مقدار بسيار كمي انرژي براي ارتقاي الكترونها به انرژي بالاتر نوار رسانش ، مورد نياز است.
با اين حال مهيجترين پيشرفت در آشكارسازي IR ميانه ، ساخت ليزرهاي آبشار كوانتومي (QCL) است. اين ليزرها را اولن بار دانشمندان بل لبز - لوسنت در آمريكا در سال 1994 ارائه كردند كه با روشي كاملا متفاوت از ليزرهاي ديودي نيم رساناي معمول كار مي‌كنند. طول موج نوري كه آنها نشر مي‌كنند به گاف نوار نيم رسانا بستگي ندارد، بلكه بيشتر به ضخامت لايه‌هاي سازنده نيمرسانا در قطعه وابسته است.
ليزرهاي ديودي در عمل
يك ليزر نيم رسانا اساسا از اتصال بين يك نيم رساناي نوع P (غني از "حفره‌هاي" مثبت) و يك نيم رساناي نوع n (غني از الكترونها) تشكيل مي‌شود. بر اثر عبور جريان الكتريكي از محل اتصال ، الكترونها و حفره‌ها مي‌توانند باز تركيب شوند كه در اين فرآيند نور نشر مي‌شود. طول موج نشر با گاف نوار ماده نيم رسانايي كه ديود را مي‌سازد، تفاوت انرژي لازم براي صعود الكترون از نوار انرژي والانس پايينتر به نوارهاي رسانش پرانرژي‌تر در بالا تعيين مي‌شود. در وسايل ساده با تغيير جريان الكتريكي بكار رفته يا دماي ليزر ، تنظيم طول موج مقدور مي‌شود.
با ماده گاليم آرسنيد (GaAs) خالص يك طول موجي ساخته شد، اما در عمل به علت نياز و دشواري در تطابق شبكه ، اين امر با محدوديت مواجه مي‌شود. ليزرها با هر دو روش رشد همراستاي بلور با باريكه مولكولي و رسوب دهي شيميايي بخار فلز - آلي ساخته مي‌شوند. اين ليزرها با داشتن 50 درصد تبديل الكتريسيته به نور ، كارآمدترين نوع ليزرند كه در نتيجه باعث كاهش هزينه عملياتي مي‌شود.
هرگاه لايه به اندازه كافي نازك باشند (كمتر از 20nm) مكان الكترونهاي نيم رسانا فقط در يك بعد محدود مي‌شود: حالتهاي انرژي در نوارهاي والانس و رسانش كوانتيده شده و فقط ترازهاي انرژي معيني مجاز مي‌شود. لذا لايه‌هاي نيم رسانا مانند چاههاي كوانتومي خواهند بود و مي‌توان آنها را با لايه‌هاي غير فعال (غير ليزر ساز) روي هم چيد و ليزرهايي ساخت كه قادرند نور خروجي پر توانتري توليد كنند. در اين QCL ها ، الكترونها از چند مرحله پي در پي افت انرژي ، مي‌گذرند و همزمان با حركت در نوعي آبشار الكتروني ، فوتون نشر مي‌دهند. فاصله نزديك نوارهاي انرژي الكتروني ، نشر نور در گستره IR ميانه تا دور را ممكن مي‌سازد. چندين گروه پژوهشي ، در حال رقابت براي توليد نوع تجاري QCL در گستره 6 تا 12µm هستند كه دريچه مهمي را بر روي نظارت اتمسفري ، خواهد گشود.
در سال 1998 گروه فدريكاكاپاسوازبل لبز - لوسنت تكنولوژي ، ليزري توليد كرد كه داراي شبكه بلوري AlInAs/InGaAs با فواصل بين اتمي منطبق با شبكه InP بود و مي‌توانست در 8,3µm با توان تپي 180mW در دماي اتاق ، نشر كند. امروزه مي‌توان ليزرهايي را كه در اين محدوده كار مي‌كنند از GaAs/AlGaAs تهيه كرد، كه هم ارزانترند و هم آسانتر ساخته مي‌شوند. هر چند نتايج اخير گروه كاپاسو در آشكارسازي مقادير ناچيز گازهايي مانند CH4 ، N2O هنوز به حد حساسيت آشكارسازي ليزرهاي نمك سرب ، يعني در حد ppb يا كمتر ، نرسيده است.
ليزرهاي حفره عمودي نشر كننده از سطح (VCSEL) نوعي ليزر جديد هستند. آنها كه عمدتا براي مخابرات نوري ساخته شده‌اند، براي كار در طول موج بلند و با خروجي تپي 2,9µm در دماي اتاق ، نيز بكار مي‌روند. آنها كيفيت باريكه بهتري ايجاد مي‌كنند و از بسياري از ليزرهاي جانشين كه در طول موجهاي بلندتر كار مي‌كنند، آسانتر ساخته مي‌شوند. در سال 1997، ديرك رله ، برند زومپف و هاينتس - دتلف كرونفلت ، از دانشگاه صنعتي برلين ، روش ديگري براي توليد تابش IR ميانه براي آشكارسازي گازي ، ارائه دادند. آنها در يك بلور AgGaSe2 ، خروجي دو ليزر ديودي IR نزديك (يكي در 1290µm و ديگري 1572nm) را باهم مخلوط و نوري با فركانس متفاوت در حدود 7,2µm) 1380cm-1) براي شناسايي SO2 توليد كردند.
كنترل در خط
هم اكنون ليزرهاي ديودي نيم رسانا در IR نزديك ، به ويژه در حوالي طول موجهاي مخابراتي 1300 و 1550nm ، كاملا توسعه يافته‌اند. بهبود فنون ساخت در حال حاضر به معني امكان پذير شدن ساخت ليزرهايي است كه در طول موجهاي بسيار دقيقي كار مي‌كند. مثلا ، ليزرهاي پسخوري توزيع يافته (DFB) كه معمولا با قرار دادن يك شبكه گزينشگر درون حفره ليزر ، براي صاف كردن طول موجهاي مطلوب ، ساخته مي‌شوند، به عنوان حسگرهاي شيميايي ارزان قيمت در نظارت بر انتشار آلاينده‌ها و كنترل فرآيند، بالقوه مفيدند.
گروه من در دانشگاهها درزفييد ، براي استفاده از ليزرهاي ديودي در كنترل فرآيند در خط از طريق نظارت در محل ، به ويژه در محيطهاي خطرناك كه در آن باريكه ليزر با استفاده از تار نوري به درون واكنشگاه هدايت مي‌شود، فنوني را توسعه داده است. براي كنترل فرآيند و بهبود كارايي ، مي‌توان تجزيه سريع محتوي واكنشگاه را به يك حلقه پسخور متصل كرد. با همكاري مارتين پمبل از دانشگاه سالفورد ، توانستيم به واكنشهايي كه درون واكنشگاهها به طريق رسوب دهي شيميايي بخار انجام مي‌گيرند نظر بيندازيم. گفتني است اين واكنشها ، فهم مهمي براي توليد بسياري از پوشش دهيهاي ظريف سطحي را فراهم مي‌سازند.
محدويتهاي طيف بيني با ليزر ديودي
يكي از محدويتهاي طيف بيني با ليزر ديودي آن است كه به علت باريكي گستره تنظيم طول موج ، يك ليزر معمولا فقط ميتواند يك گونه شيميايي را شناسايي كند. رانالد هانسون و همكاران در دانشگاه استانفورد با بكار گيري روشي موسوم به تقسيم چندگانه طول موج (WDM) بر اين مشكل غلبه كردند و توانستند در يك اتاقك احتراق ، چند گونه مختلف و خواص آنها را مشاهده كنند. روش WDM عبارت است از ارسال همزمان چند طول موج مختلف از درون يك تار نوري. هانسون و گروهش با استفاده از سه ليزر ديودي با تنظيبم جداگانه ، توانستند بطور همزمان غلظت H2O ، O2 و نيز دما و فشار را در شعله H2 _ O2.
مسئله ديگر در آشكار سازي همزمان چند گونه شيميايي ، احتمال "خط روي خط افتادن" يا تداخل علائم است. دانشمندان CSO Mesure در فرانسه ، براي اجتناب از اين مشكل به هنگام اندازه گيري تابش زير قرمز در فضا ، از يك ليزر ديودي IR نزديك كه روي مقادير جذبي چرخشي - ارتعاشي C2H2 (در حدود 1530nm) تثبيت شده بود، به عنوان منبع مرجع استفاده كرده‌اند.
كار آنها بخشي از يك پژوهش 5 ساله مربوط به تداخل سنج زير قرمز ارزيابي اتمسفري (IASI) اما مهندسان مخابرات براي جلوگيري از مشكل خط روي افتادن ، وقتي كه چند طول موج مدوله شده كم فاصله در فركانسهاي GHz از درون يك تار نوري ارسال مي‌شود، از همين رويكرد استفاده مي‌كنند. "قفل كردن" طول موج ليزر روي استانداردهاي مولكولي نظير HCN و C2H2 ، هر گونه تداخل بين علائم مختلف را متوقف مي‌كند.
خروجي پر انرژي
دانشمندان دانشگاه كاليفرنيا در سانتريابارا با استفاده از بلورهاي ليتيم نيوبات (LiNbOsub>3) يا پتاسيم فسفات. فركانساي خروجي از ليزرهاي ديودي را در انتهاي پر انرژي‌تر طيف الكترومغناطيسي دو برابر كرده‌اند. اين كار ميتواند در ناحيه آبي فرابنفش طيف الكترومغناطيسي ، توانهاي خروجي در حد 0,1mW توليد كند. در اين طول موجها ، ليزرهاي ديودي قادرند عناصري مانند آلومينيم (394nm) ، گاليم (403nm) و اينديم (410nm) را شناسايي و رشد لايه‌هاي نيمرسانا ، از جمله ساخت ساير ليزرهاي ديودي را تعقيب كنند. در مقايسه با لامپهاي كاتد تو خالي متداول كه در طيف بين جذب اتمي بكار مي‌روند.
ليزرهاي ديودي ، كوك پذيرند (شناسايي چند گونه‌اي امكان پذير مي‌سازند)، پر شدت ترند (بنابراين داده‌ها را سريعتر كسب مي‌كنند) و كنترل دقيقتري را مقدور مي‌سازند. انتهاي آبي طيف الكترومغناطيسي ، يكي از فعالترين حوزه‌هاي پژوهشي درباره ليزرهاي ديودي است كه در آن ، ليزرهاي بر پايه GaN ، شدت و سرعت انتقال داده‌هاي ذخيره شده را به حداكثر مي‌رسانند. براي شيميدانان ، ليزرهاي آبي ، عملا براي دستيابي به گذارهاي الكتروني مولكولهايي مانند O3 و NO2 مفيد است و به ساخت سيستمهاي قابل حمل نظارت اتمسفري مي‌انجامد.
حسگرهاي تار نوري
گسترش سريع صنعت مخابرات ، جدا از كابلهاي تار نوري براي انتقال داده‌ها ، به توسعه حسگرهاي تار نوري براي ارسال نور به مكانهاي دور دست منجر شده است. حسگرهاي تار نوري مي‌توانند يا ذاتي باشند يا عارضي ، در اولي ، تغييرات در محيط مستقيما بر خواص تار اثر مي‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغيير در محيط مستقيما بر خواص تار اثر مي‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغيير شكل ناشي از خمش خود را حس مي‌كند. بر اثر خم شدن تار ، نور به بيرون از آن نشت مي‌كند. از طرف ديگر ، حسگرهاي عارضي تغيير محيطي را به تغيير در خواص عبور نور در تار تبديل مي‌كنند.
تارهاي نوري بر اساس بازتاب دروني كلي باريكه نور عمل مي‌كنند، بنابراين هرگاه ضريب شكست نور در تار تغيير كند، نور ميتواند به بيرون نشت كند. از اين مسئله مي‌توانيم براي آشكار سازي تغيير ارتفاع سطح مايع يا براي اندازه گيري با تفكيك پايين فشار درون مايع استفاده كرد. بخشي از ميدان الكترومغناطيسي نور ليزر به خارج از تار هم گسترش مي‌يابد و مولكولهاي در سطح يا نزديك تار مي‌توانند اين موج محو شونده را جذب كنند.
در سال 1997، يواخيم كاستز و ماوروس تا كه از مؤسسه فرانهوفر در آلمان از اين پديده براي آشكار سازي هيدروكربنها در آب استفاده كردند. روشي كه آنها استفاده كردند يعني تجزيه موج محو شونده با ليزرهاي ديودي (Ewald) ، عبارت است از استفاده از تارهاي نقره هاليد در IR ميانه كه با فيلم بسياري نازكي روكش شده است. هيدروكربنها درون اين اندود بسپاري نفوذ مي‌كنند و از روي جذبهاي اثر انگشتي‌شان شناسايي مي‌شوند. به علت جذب قوي آب در ناحيه IR استفاده از طيف بيني معمولي عبوري IR امكان پذير نيست.
حكايتهاي دروني
طيف بيني جذب درون حفره اي ليزر (Iclas) فناوري حساسي است كه طيف بيني سال با ليزرهاي گازي بزرگ و ليزرهاي رنگينه‌اي بكار برده مي‌شده است. اين روش شامل تقويت جذب نور ليزر ، با قرار دادن نمونه درون حفره ليزر به جاي خارج آن است. فوتونهاي ليزر بين دو آينه انتهايي سازنده حفره ليزر به جلو و عقب بازتابيده مي‌شوند و عملا طول مسير جذب را هزاران مرتبه افزايش مي‌دهند. پيترتوشك و والري بف در دانشگاه هامبورگ ، از اين اصل براي ساختن يك آشكار ساز بسيار كوچك و حساس آلودگي گازي استفاده كرده‌اند.
ليزر ديودي مورد استفاده ، عملا براي تأمين توان ليزر 20cm آنهاست كه از يك تار نوري فلوئور و زيركوناتي دوپه شده با اتمهاي پروزئوديميم و ايتربيم تشكيل شده بود. نور ليزر ديودي در 850nm ، اتمهاي دوپه كننده را در تار برانگيخته و نور مرئي نشر مي‌كند. گفتني است همانطوري كه كه تقويت مي‌شود، اگر نمونه يك گاز در يك انتهاي حفره در جلوي آينه نيم باز تابيده قرار داده شود، متخصصان طيف بيني مي‌توانند طيف جذبي تقويت شده را آشكار كنند.
منبع: رشد
:: موضوعات مرتبط:
لیزر های دیودی،
، :: برچسب‌ها:
لیزر دیودی,
انواع لیزر,
مکانیسم لیزر دیودی,
ساختار لیزر دیودی,
لیزر های دیودی,
مقاله در مورد لیزر های دیودی,
معروفترين ليزر (در حقيقت يكي از معروفترين ليزرها) ليزر He - Ne است. ماده فعال آن مخلوطي از هليوم و نئون است كه با نسبت حدود 10 قسمت هليوم و 1 قسمت نئون بدست مي‌آيد. اين مخلوط در يك لوله نازك از جنس B (بور) با قطر حدود چند ميليمتر صداي حدود 0.1 تا 1 متر در فشار حدود 10 ميليمتر جيوه قرار مي‌گيرد. تخليه الكتريكي در آن بوقوع مي‌پيوندد و فقط نكته قابل توجه اينكه به دليل كم شدن مقاومت لوله وقتي تخليه الكتريكي شروع مي‌شود. مقاومت بايد بطور سري با منبع تغذيه قرار مي‌گيرد تا جريان را محدود سازد.
تئوري ليزرهاي هليوم - نئون
گذارهاي ليزري بين ترازهاي انرژي نئون با چندين گذار مختلف ممكن است. اين گذارها بين گروه ترازها كه با 3S به 2S نشان داده شده‌اند، اتفاق مي‌افتد. متأسفانه تحريك كردن مستقيم اتمهاي Ne به اين ترازها بسيار مشكل ناكارآمد است و لذا از يك روش كمكي بايد استفاده نمود و خوشبختانه ترازهاي هليوم (21S و 23S) كه كاملا نزديك به ترازهاي 2S و 3S نئون هستند و به علاوه به آساني در تخليه الكتريكي دمش مي‌شود. وقتي هليومهاي تحريك شده به اتمهاي نئون در حالت پايه برخورد مي‌كنند، ممكن است انرژي خود را به آنها بدهند و آنها را به تراز تحريكي مورد نظر Ne بفرستند.
ترازهاي هليوم و نئون دقيقا بر روي هم منطبق نيستند، ولي اختلاف آنها كم است و اين اختلاف با انرژيهاي جنبشي اتمها در تبادل انرژي تقريبا جبران مي‌شود. فرآيند تحريك اتمهاي نئون را مي‌توان با معادلات زير نشان داد:
e1 + He → He* + e2
He* + Ne → Ne* + He
كه e1 و e2 انرژيهاي الكترون قبل و بعد از برخورد مي‌باشد. و علامت ستاره نشان از تحريك اتم و حضور در حالت تحريكي دارد.
مكانيزم ليزرهاي چهار ترازي
هر يك از گذارهاي چهار گانه ليزر (3.39 ميكرون ، 1.150 ميكرون ، 832.8 نانومتر ، 543.5 نانومتر) با ديگري از شروع و يا پايان گذار شريك است. و از اينرو است كه اين گذارها همواره باهم رقابت مي‌كنند و دقت خاص بايد اعمال شود تا از گذارهاي ناخواسته جلوگيري شود. بهترين راه اين است كه آينه‌هاي ليزر براي طول موج مورد نظر بازتاب كننده بسيار خوبي باشند.
ليزر هليم- نئون مثال ديگري از ليزرهاي 4 ترازي است. و بنابراين لازم است جمعيت تراز پاييني ليزر در حداقل ممكن نگه داشته شود، بدين معني كه الكترونها در تراز پايين ليزر بايد به سرعت به حالت پايه برگردند. در نئون يك فرآيند پله‌اي وجود دارد، فرآيند اول از 2P به 1S كه گذار انتقال سريع است و دومي 1S به حالت پايه كه خيلي سريع نيست، گذار دوي با برخورد به جداره لوله تقويت مي‌شود. در واقع نشان داده شده است كه بهره ليزر با قطر لوله نسبت عكس دارد و بنابراين قطر لوله تخليه بايد در حداقل ممكن نگه داشته شود.
مكانيزم ترازهاي ليزر هليوم - نئون
گذار 2P به 1S مورد توجه است، به دليل اينكه رنگ لامپهاي نئون را دارد. بنابراين تراز 2P توسط تخليه الكتريكي معمولا دمش مي‌شود و اين باعث افزايش جمعيت تراز 2P و متعاقبا كاهش جمعيت معكوس مي‌شود (لااقل براي طول موجهاي 5 ميكرون و 632.8 نانومتر و 543.5 نانومتر). در حقيقت نيز باعث كاهش توان ليزر در لوله‌هاي با جريانهاي زياد مي‌گردد. بنابراين ما نمي‌توانيم با افزايش جريان ، توان خروجي ليزر را افزايش دهيم و از اينرو ليزر He - Ne همچنان يك ليزر نسبتا كم توان باقي مي‌ماند. گر چه ليزرهاي هليوم - نئون توان كمي ، اساسا بين 0.5 تا 10 ميلي وات دارند. داراي ويژگيهاي ديگري از قبيل پهناي باريك خط و كيفيت بسيار خوبي هستند.
ساختار ليزر هليوم - نئون
گر چه گاهي ليزرهاي هليوم - نئون با آينه‌هاي خارجي ، براي وقتي كه لازم است قطعات اپتيكي ما در داخل كاواك قرار دهيم ساخته مي‌شود. ولي بهتر است آينه‌هاي بر روي لوله نصب شوند، طرح اين ليزر در شكل زير نشان داده شده است. در اين مورد لوله شيشه‌اي استوانه‌اي آينه‌ها را كه به محفظه متصل شده‌اند محكم نگه مي‌دارد. ماده فعال در لوله موئينه شيشه‌اي سخت كه از آند به سمت كاتد كشيده شده است، قرار دارد. لوله كاتد از جنس آلياژي از آلومينيم است كه گسيلهاي الكتروني از داخل آن بوجود مي‌آيد.
چندين فرآيند از جمله گسيل فوتوالكتريك و الكترونهاي تونلي از لايه اكسيد روي سطح كاتد گسيل اين الكترونها را توضيح مي‌دهد. خيلي مهم است كه آينه‌هاي با كيفيت عالي و مقاوم در برابر تخليه الكتريكي بكار گرفته مي‌شود. اينگونه آينه‌ها معمولا از چندين لايه با ضخامتهاي ربع طول موج و از جنس دي اكسيد تيتانيوم و دي اكسيد سيليكان ساخته مي‌شود. اگر نوري پلاريزه مورد نياز است بايد پنجره‌هاي بروستر بكار گرفته شود.
ليزر وسيله‌اي براي توليدي پرتوي تكفام و همدوس در نواحي نور فرابنفش ، مرئي و يا فروسرخ از طيف امواج الكترومغناطيسي است. كلمه ليزر در حقيقت از حروف اول كلمه‌هاي عبارت انگليسي زير گرفته شده است:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
اين عبارت به معني "تقويت نور با روش گسيل الفايي تابش" گرفته شده است، كه همه آنها اصطلاحهايي فيزيكي هستند. از آنجا كه باريكه نور ليزر همدوس است (يعني امواج آن همفاز هستند و به عبارت ديگر مانند سربازاني هستند كه باهم پا مي‌كوبند، با واگرايي بسيار كم پيش مي‌رود و مانند نور معمولي نبوده و كمتر پخش مي‌شود) و در نتيجه چگالي و يا تراكم آن در فضا ثابت مي‌باشد. پرتو ليزر همچنين مزيت تمركز زياد انرژي در واحد سطح را دارد.
مباني نظري
اتمها در حالتهاي گسسته‌اي از انرژي وجود دارند. وقتي يك اتم كه در حالت پايه (پايين‌ترين حالت انرژي) است انرژي جذب كند، به حالت انرژي برانگيخته‌اي صعود مي‌كند. به دنبال آن در بازگشت به حالت پايه چه بطور مستقيم و چه از طريق حالتهاي انرژي مياني ، فوتونهاي تابشي با بسامد و طول موجي گسيل مي‌دارد كه بستگي به اختلاف انرژي بين حالتهاي انرژي "شبه پايدار" مي‌باشند.گسيل فوتون از اتمها در حالتهاي انرژي شبه پايدار گاه به تأخير مي‌افتد تا در نهايت به گسيل تابش فلورسنانسي يا فسفرسانسي منجر شود.
اتمهايي كه براي عملكرد ليزر مناسب مي‌باشند، بايد حداقل داراي چنين حالت شبه پايداري باشند. وقتي يك فوتون كه از حالت شبه پايدار اتمي گسيل شده ، از نزديكي يك اتم ديگر كه در همان حالت است عبور كند ميتواند آن اتم را ترغيب كند تا يك فوتون تابشي گسيل دارد كه داراي انرژي (و طول موج) ، جهت ، قطبش و فاز يكسان مانند خودش باشد. هر يك از چنين فوتونهاي ترغيب شده‌اي خود نيز مي‌توانند باز هم فوتون مشابه ديگري را ترغيب كنند. اين فرآيند كه اساس عملكرد ليزر است يك فرآيند جمع شونده و پيوسته است و مي‌توان با ايجاد شرايط مناسب آن را تقويت كرد.
تهيه تعداد لازم از اتمهايي كه در حالت انرژي شبه پايدار صحيح باشند، ضرورت اساسي براي عملكرد ليزر است. عملكرد ليزر بستگي به ايجاد يك "واروني تعداد" دارد كه در آن بيشتر اتمها در حالت شبه پايدار مي‌باشند. انرژي را بايد به اين تعداد "پمپ كرد" تا واروني لازم را ايجاد كنند. بنابراين حالت شبه پايدار مستقيما و يا با تنزل از يك حالت بالاتر بوجود مي‌آيد.
ليزرهاي دي اكسيدكربن
ليزر دي اكسيدكربن (CO2) نمونه‌اي از يك ليزر گاز مولكولي پر قدرت است. باريكه خروجي وقتي كانوني شود ميتواند صفحات الماس و فولاد ضخيم را در عرض چند ثانيه برش دهد. نمودار تراز انرژي يك گاز مولكولي بطور قابل توجهي پيچيده‌تر از آن براي يك اتم است. حالتهاي انرژي مه قبلا توضيح داده شده بصورت ترازها منجر به گسيل نور مرئي مي‌شوند. هر تراز الكتروني در يك مولكول گاز بطور كلي داراي زير ترازهايي مربوط به ارتعاشات مجاز ملكولي مي‌باشد و هر يك از اين ترازهاي ارتعاشي نيز زير ترازهايي بر اساس دوران مجاز مولكولي دارند.
عملكرد ليزر از طريق گذارهاي بين ترازهاي ارتعاشي - دوراني مختلف امكان پذير مي‌شود و تابش خروجي به صورت فرو سرخ (فوتونهاي كم انرژي) مي‌باشد. ليزر CO2 با استفاده از اين نوع گذار يك باريكه خروجي مثلا به طول موج 10.6 ميكرومتر در عملكرد موج پيوسته (CW) مي‌دهد. طراحي ليزر ، CO2 شبيه He - Ne است، با اين تفاوت كه مخلوط گاز (9% دي اكسيد كربن ، 15% نيتروژن ، 76% هليوم) پيوسته و بطور يكنواخت از داخل لوله عبور مي‌كند. پمپ كردن اين ليزر مانند ليزر هليوم- نئون با برانگيزش dc انجام مي‌گيرد. لوله را بايد خنك كرد، اين كار معمولا با جريان آب بطور يكنواخت از ميان يك پوشش به دور لوله صورت مي گيرد.
ليزر زايي در CO2
عمل ليزر كنندگي در ليزر CO2 بواسطه انتقال انرژي از اتمهاي نيتروژن برانگيخته به ترازهاي انرژي مجاور مولكولهاي CO2 صورت مي‌گيرد. بهره توان بالاي ليزر CO2 (حدود 15%) به دليل پايين قرار داشتن حالتهاي انرژي ارتعاشي و دوراني دي اكسيدكربن كه انرژي كمي براي برانگيختگي لازم دارند. با قرار دادن يك Q - سوئيچ مي‌توان ليزر CO2 را از عملكرد موج پيوته به عملكرد پالسي (ضربه‌اي) تبديل كرد. با استفاده از اين شيوه يك ليزر 100 واتي CW ميتواند پالسهاي 100 كيلو واتي در عرض 150 نانو ثانيه و با 400 پالس در ثانيه ايجاد كند.
ليزر CO2 نمونه‌اي از يك نوع طيفي غني از منبع انرژي است، زيرا تعداد بسيار زيادي از انتقالهاي ليزري امكان پذير مي‌باشند. ليزرهاي با چنين مشخصه‌اي را ليزرهاي قابل تنظيم مي‌گويند. ليزرهاي CO2 جديد بعضا روي بيش از 85 طول موج مختلف قابل تنظيم هستند. تنظيم ممكن است با شيوه خوش ساختي از طيف نگار "ليترو" كه در آن از يك منشور و يا از يك توري پراش براي پراكندگي استفاده مي‌شود، انجام گيرد. در يك انتهاي ليزر ، منشور تمام نقره اندودي كه قابل چرخش است قرار دارد و نور را طوري پراكنده (پاشنده) مي‌كند كه فقط خط طيف با محور ليزر هم خط مي‌شود و به دنبال آن تقويت مي‌گردد و امواج ايستاده بجاي مي‌گذارد.
منبع: رشد
:: موضوعات مرتبط:
لیزر دی اکسید کربن،
، :: برچسب‌ها:
لیزر,
انواع لیزر,
لیزر دی اکسید کربن,
لیزر co2,
مقاله در مورد لیزر,
,
در ليزرهاي رزينه‌اي الكترونها مقيد به يك اتم و يا يك مولكول هستند و يا در طول زنجيره‌اي از اتمها كه مولكول دو قطبي را تشكيل مي‌دهند، آزادي حركت دارند. نيز در ليزرهاي نيم رسانا الكترونها ميتواند كه در تمام حجم بلور حركت كنند. ولي در ليزر الكترون آزاد ، كه يكي از جديدترين و جالبترين انواع ليزرهاست، الكترونها بيشتر از موارد فوق الذكر آزادي حركت دارند.
در ليزر الكترون آزاد الكترونها آزادانه در يك ميدان مغناطيسي متناوب حركت مي‌كنند و در اثر برهمكنش ميدان الكترومغناطيسي با الكترونهايي كه در اين ساختار تناوبي در حركتند، فرآيند گسيل القايي رخ مي‌دهد. از نظر تاريخي ، ليزر الكترون آزاد اولين بار در سال 1951 بوسيله Mets پيشنهاد شد. اين ليزر قادر به كار در ناحيه طيفي مرئي و ماوراء بنفش هستند، ولي تا كنون اين ليزرها تنها در طول موج λ = 3/4µm عمل كرده است.
سينماتيك اندركنش الكترون آزاد- فوتون
ليزرهاي الكترون آزاد ، علت تشعشع انرژي الكترومغناطيسي ، شتاب الكترونها در ميدان متناوب است. نمونه مشابه براي چنين تشعشعي ، تشعشع سينكروترون الكترونهايي است كه در يك ميدان مغناطيسي حركت دايره‌اي انجام مي‌دهند ولي اين تشعشع طيف وسيعي را مي‌پوشاند، لذا براي نوسان ليزري مناسب نيست. در ليزر الكترون آزاد ، الكترونها مجبورند در جهت عرضي (x يا y) حركت موجي انجام دهند، در حاليكه با سرعتهاي نسبيتي در جهت محور اصلي (z) حركت مي‌كنند.
مقدار بيشتري از انرژي ميدان تشعشعي حاصله ، بر خلاف تشعشع سينكروترون داراي باند باريكه‌اي از فركانس است و اين براي نوسان ليزري مناسب است. اين فركانسها در واقع فركانسهايي هستند كه الكترونها با يك طول موج اپتيكي ، عقب نشيني مي‌كند. تشعشع منتشره در هر نقطه در طول مسير با تشعشع منتشره در زمانهاي قبلي در يك رديف قرار گرفته و بدين ترتيب يك جمع شوندگي ميدان ايجاد مي‌شود (چنين سرعت الكترون نسبيتي است). يك نقطه نظر ديگر ، مبادله توان ( Ex(r,t)Vx(r,t بين الكترون متحرك و موج الكترومغناطيسي متحرك با يك ميدان (E(r,t مي‌باشد. شرط همزماني استنتاج شده در بالا ، تضمين مي‌كند كه علامت ExVx نبايد تغيير كند، چون هر تغيير علامتي در Vx اتفاق بيفتد، در همان زمان Ex تغيير علامت مي‌ديد.
توان ExVx كه از باريكه الكترون به موج الكترومغناطيسي جاري مي‌شود، پيوسته است (اين توان حادي شده ممكن است منفي باشد). فركانسهاي گذار فركانسهايي هستند كه طي آن سرعت الكترون تغيير جهت مي‌دهد. الكترون آزاد ، انرژي E1 از ميدان الكتريكي يك فوتون با انرژي Eph جذب كرده و يا به آن يك فوتون مي‌دهد و با انرژي E2 خاتمه مي‌يابد.
چون الكترونها حركت نسبيتي دارند لذا انرژي آنها نيز بايد از روابط نسبيتي محاسبه شود. اما مشاهده مي‌كنيم كه تغيير در انرژي Ee∆ يك الكترون ، ايجاد يك گذار از مختوم P1 به P2 مي‌كند كه كوچكتر از انرژي (P1 - P2) فوتون با مختوم (P1 - P2) مي‌باشد. اين نتيجه در سه بعد نيز صادق است. يكي از راه حلهاي اين مسئله ميانجيگري در اندركنش بين الكترون و باريكه نور (فوتونها) بوسيله انتقال پريوديك فضايي است كه با مضاربي از 2π/L جذب مي‌كند (L پريود است)، اختلال ميتواند بر فوتون ، الكترون و يا هر دو اثر كند.
براي مشاهده نحوه عمل ، فرض مي‌كنيم در تيوبهاي موج رونده ميكروويو ، جائيكه ميدان الكترومغناطيسي در يك ساختار پريوديك منتشر مي‌شود، به ميدان يك حركت پريوديك اضافي وارد مي‌شود. در مورد يك ليزر الكترون آزاد ، اين حركت الكترون است كه بطور پريوديكي با بكار بردن يك ميدان مغناطيسي بطور فضايي پريوديكي مدوله مي‌شود. البته مي‌توان ميدان الكترومغناطيسي را بطور فضايي مدوله كرد، اين كار با بكار بردن يك موجي كه بطور فضايي پريوديكي است، عملي مي‌باشد.
هرگاه در تيوبهاي موج رونده و شتاب دهنده‌هاي خطي ذرات باردار ، به نقطه نظر كلاسيكي برگرديم: يك الكترون را در نظر مي‌گيريم كه با سرعت V در حركت است و با يك ميدان الكترومغناطيسي رونده كه ميدانهاي مغناطيسي و الكتريكي آن به ترتيب بصورت (E(r,t)B(r,t است، اندركنش مي‌كند.
شرط همزماني (The synchrcnism crndition)
براي اينكه يك تبادل انرژي بين الكترون (با انرژي γmc2) و يك ميدان E صورت مي‌گيرد، لازم است كه سرعت الكترون (v) در امتداد E ، مؤلفه غير صفر داشته باشد. (γ ضريب تبديل جرم نسبيتي است) در مورد موج الكترومغناطيسي تخت كه در جهت z منتشر مي‌شود Ez = 0 بوده و Ex ≠ 0 است. براي اينكه بايستي بررسي الكترون يك مؤلفه عرضي Vx داشته باشيم، چون Vz < c است، الكترون نسبت به موج عقب مي‌افتد و بايستي تغيير علامت دهد (جهت سرعت تغيير مي‌كند)، لذا تبادل خالص انرژي بين الكترون و باريكه متوسط گيري مي‌شود.
يك راه حل آشكار اين مسئله ودار كردن الكترون به تغيير سرعتش مي‌باشد. بطوري كه در يك جهت با ميدان عرضي حركت مي‌كند. اين كار با بكار بردن يك ميدان مغناطيسي عرضي پريوديكي فضايي (با پريود 0λ) در حضور يك موج الكترومغناطيسي تخت با طول موج λ بيان مي‌شود. بردار سرعت الكترون در z = 0 با ميدان روبرو شده و داراي يك سرعت عرضي موازي جهت ميدان (Vx||Ex) مي‌باشد. بطوري كه VxEx>0 است. يك الكترون مشابه در دو نقطه اضافي ديگر نشان داده شده‌اند. بخشي از يك ميدان الكتريكي كه در ابتدا در نقطه z = 0 با الكترون روبرو شده ، در نقطه Vx 0 است، ولي ميدان الكترومغناطيسي سريعتر و جلوتر از الكترون حركت مي‌كند بطوري كه Ex < 0 و ExVx > 0 است.
در نقطه z = λ0 ، Vx > 0 است و Ex > 0 است لذا ExVx>0 مي‌باشد. بنابراين در هر نقطه ExVx> 0 است و الكترون بطور پيوسته قرمز شده و به ميدان اپتيكي انرژي مي‌دهد. شرط تشديد P1 - P2 = ±t.k مي‌باشد.
نشر خود به خودي و بهره در FEL
وقتي كه الكترون در ميدان مغناطيسي wigglel حركت شتابدار انجام مي‌دهد (و اين شتاب پريوديك و عرضي مي‌باشد) و از آن يك تشعشع خودبخودي بوجود مي‌آيد، بطوري كه طيف حاصل از اين تشعشع از روابط مشابه توري پيروي مي‌كند. (پريودهاي ميدان مغناطيسي براي الكترون به مثابه توري مي‌باشد). الكترون شتابدار موج الكترومغناطيسي تشعشع مي‌كند و اين تشعشع در يك ساختار پريوديك صورت مي‌گيرد. بهره به عنوان اختلاف بين آهنگ نشر و جذب تحريكي بوسيله الكترونهاي تشعشعي مي‌باشد.
مزايا وكاربردهاي FEL
يكي از مزيتهاي FEL نسبت به ليزرهاي اتمي اين است كه در FEL با افزايش طول اندركنش L ، بهره الزاما افزايش پيدا نمي‌كند و ممكن است بهره از بين رفته و حتي منفي شود و خود L افزايش مي‌يابد، فركانس براي ماكزيمم بهره به مقدار تشديد خود نزديك مي‌شود.
در نوسانگرهاي FEL تشعشع از افت و خيز چگالي باريكه الكتروني و يا از نشر خودبخودي آغاز مي‌شود و هنگامي كه توان تبديلي از باريكه الكتروني بتوان تشعشعي از اتلافات تشعشع در مشدد زياد باشد عمل ليزر صورت مي‌گيرد. مزيت اصلي FEL به ليزرهاي كوانتومي قابليت تنظيم تشعشع آن مي‌باشد. در ليزرهاي كوانتومي طول موج ليزر بوسيله انرژي گذارهاي بين ترازهاي كوانتومي اتمها يا مولكولها در ماده فعال مشخص مي‌شود و علي‌رغم تنوع و تعداد مواد فعال ليزري تعداد ترازهاي كوانتومي محدود است (محدود به معني متناهي) ولي در FEL ها طول موج ليزر بوسيله پارامترهاي باريكه الكتروني و ساختار الكتروديناميكي آنها مشخص مي‌شود (ديوارهاي موجي ، آينه‌هاي مشدد و ...) نيز با مشخصه‌هاي ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي در ناحيه اندركنش.
تشعشع FEL ميتواند بر يك نقطه كه سايز آن با پديده‌هاي پراش مشخص مي‌شود، متمركز گردد.
تقويت نور در FEL ها در خلأ صورت مي‌گيرد، لذا اثرات ماده فعال روي نور وجود ندارد و پراش نيز كم است. لذا اين ليزر براي طي مسير طولاني و توانهايي بالا مناسب است، ولي در ليزرهاي معمولي بخاطر پراكندگي ماده فعال توان خروجي كم است، ولي مشكل عمده FEL ها تكنيك شتاب دهنده الكتروني است.
بهره FEL ها بالاي 100% است، ولي محدوديتهاي موجود (نه از نظر فيزيكي) باعث شده كه ركورد بهره از 34% تجاوز نكند.
از اين ليزرها در علم و صنعت ، مانند فعل و انفعالات مواد ميكرو ليتوگرافي ، جداسازي ايزوتوپها ، كاربردهاي شيميايي ، گرمايش پلاسما و ... استفاده مي‌شود.
منبع: رشد
:: موضوعات مرتبط:
لیزر الکترون آزاد،
، :: برچسب‌ها:
لیزر,
لیزر الکترون آزاد,
مقاله در مورد لیزر,
انواع لیزر,
در اين نوع ليزر ، ماده فعال ايجاد كننده ليزر ، يك يون فلزي است كه با غلظت كم در شبكه يك بلور يا درون شيشه ، به صورت ناخالصي قرار داده شده است. فلزاتي كه براي اين منظور بكار مي‌روند عبارتند از:
اولين سري فلزات واسطه
لانتانيدها
آكتنيدها
ازمهمترين ليزرهاي حالت جامد مي‌توان از ليزر ياقوت كه يك ليزر سه ترازي است و ليزرهاي نئودنيوم (Nd:glass , Nd:YAG) مي‌توان نام برد.
ليزر گازي
ماده فعال در اين سيستمها يك گاز است كه به صورت خالص يا همراه با گازهاي ديگر مورد استفاده قرار مي‌گيرند. بعضي از اين مواد عبارتنداز: نئون به همراه هليوم (ليزر هليم_نئون) ، دي اكسيد كربن به همراه نيتروژن و هليوم ، آرگون ، كريپتون ، هگزا فلورئيد و ... .
ليزر مايع
از مايعات بكار رفته در اين نوع ليزرها اغلب به منظور تغيير طول موج يك ليزر ديگر استفاده مي‌شود. (اثر رامان). بعضي از اين مواد عبارتند از: تولوئن ، بنزن و نيتروبنزن. گاهي محيط فعال برخي از اين ليزرها را محلولهاي برخي تركيبات آلي رنگين از قبيل مايعاتي نظير اتانول ، متانول يا آب تشكيل مي‌دهد. اين رنگها اغلب جز رنگهاي پلي‌متين يا رنگهاي اگزانتين و يا رنگهاي كومارين هستند.
ليزر نيم رسانا
اين نوع ليزرها به ليزر ديود و يا ليزر تزريقي نيز معروفند. نيم رساناها از دو ماده كه يكي كمبود الكترون داشته ، (نيم رساناي نوع p) و ديگري الكترون اضافي دارد، (نيم رساناي نوع n) تشكيل شده‌اند. وقتي اين دو به يكديگر متصل مي‌شوند، در محل اتصال ناحيه‌اي به نام منطقه اتصال p_n بوجود مي‌آيد. آن منطقه جايي است كه عمل ليزر در آن رخ مي‌دهد.
الكترونهاي آزاد از ناحيه n و از طريق اين منطقه به ناحيه p مهاجرت مي‌كنند. الكترون هنگام ورود به منطقه اتصال ، انرژي كسب مي‌كند و هنگامي كه مي‌خواهد به ناحيه p وارد شود، اين انرژي را به صورت فوتون از دست مي‌دهد. اگر ناحيه p به قطب مثبت و ناحيه n به قطب منفي يك منبع الكتريكي وصل شود، الكترونها از ناحيه n به ناحيه p حركت كرده و باعث مي‌شوند تا در منطقه اتصال ، غلظت زيادي از مواد فعال بوجود آيد. با از دست دادن فوتون ، تابش الكترومغناطيسي حاصل مي‌گردد.
چنانچه دو انتهاي منطقه اتصال را صيقل دهند، آنگاه يك كاواك ليزري بوجود خواهد آمد. اصولا اين نوع ليزرها را طوري مي‌سازند كه با استفاده از ضريب شكست دو جز p و n ، كار تشديد پرتو ليزر انجام شود. يكي از نقاط ضعف ليزرهاي نيم رسانا همين است، زيرا با تغيير دما ، ميزان ضريب شكست و به دنبال آن خواص پرتو حاصله ، تفاوت خواهد كرد. به همين دليل ليزرهاي ديودي نسبت به تغييرات دما بسيار حساس هستند.
در يك نوع از اين ليزرها از بلور گاليم_آرسنيد استفاده مي‌شود كه در آن تلوريم و روي به عنوان ناخالصي وارد مي‌شوند. هنگامي كه در بلور فوق بجاي برخي از اتمهاي آرسنيك ، اتم تلوريم قرار داده شود، جسم حاصل نيم رسانايي از نوع n برده و وقتي كه اتمهاي روي مستقر مي‌گردند، ماده بدست آمده از خود خاصيت نيم رساناي p را نشان خواهد داد.
یا درست قبل از اتمام برچسب
قرار دهید -->
:: موضوعات مرتبط:
انواع لیزر،
، :: برچسب‌ها:
لیزر,
انواع لیزر,
لیزر شیمیایی,
ما در این وبلاگ تلاش داریم تا با معرفی تکنولوژی های برتر روز دنیا به جوانان و علاقه مندان به علم در این مرز و بوم آریایی و علم دوست، قدمی کوچک در جهت انقلاب علمی دانشمندان بزرگ ایران عزیز برداریم. با آرزوی موفقیت.
تبادل لینک هوشمند برای تبادل لینک ابتدا ما را با عنوان مطالب برتر علمی دنیا و آدرس chortke.LXB.ir لینک نمایید سپس مشخصات لینک خود را در زیر نوشته . در صورت وجود لینک ما در سایت شما لینکتان به طور خودکار در سایت ما قرار میگیرد.
<-PollName->
آمار
وب سایت:
تبادل لینک هوشمند 
