* دكتر رضا اسلامي فارساني / دكتر سيدكامران كامروا / دكتر فرهاد رضوان

در بخش نخست اين مقاله، ضمن ارائه تاريخچه اي از چگونگي توجه به پديده نور و شكل گيري تفكر ليزر برمبناي فيزيك كوانتومي، در نهايت به ساخت ليزر در اواسط سال ۱۹۶۰ ميلادي با استفاده از ميله ياقوت مصنوعي اشاره شد.
اين ليزر داراي نور قرمز رنگ بود و به اين ترتيب عصر ليزر متولد شد .
در بخش پاياني، بقيه مطلب را پي مي گيريم.

خبر ساخت نخستين ليزر به سرعت در سراسر جهان طنين انداز شد و در مدت كوتاهي، ليزرهاي مختلف به بازار عرضه شدند. نخستين ليزر گازي جهان (ليزر هليم ـ نئون) توسط پروفسور ايراني، علي جوان در آزمايشگاه تلفن بل در آمريكا در دسامبر ۱۹۶۱ ساخته شد. در همين سال، ليزر در حالت جامد «نئوديميم» و در سال۱۹۶۲ نيز نخستين ليزرهاي نيمه هادي به توليد رسيدند. در ادامه، ليزرهاي آرگن، گاز كربنيك، رنگي موادآلي، اگزايمر و... ساخته شدند. در دهه ۱۹۸۰ نيز توليد ليزر اشعه ايكس و در دهه هاي اخير هم توليد ليزر ماوراي بنفش دور، امكانپذير شد.
در كنار ساخت انواع ليزرها توسط بشر، در فضا نيز ليزر كشف شده است. سابقه اين ليزرها كه ليزر طبيعي ناميده مي شوند به سال۱۹۶۵ برمي گردد. در اين سال در سحابي «اريون»، ليزر مايكروويو (ميزر) و به دنبال آن در سال،۱۹۷۹ در همين سحابي ليزر مادون قرمز نزديك، كشف شد. در ادامه و در سال،۱۹۸۱ ليزر گازكربنيك در اتمسفر مريخ و زهره، در ۱۹۹۵ ليزر مادون قرمز دور و بالاخره در ،۱۹۹۶ ليزر ماوراي بنفش توسط تلسكوپ فضايي هابل، شناسايي شدند.
در مجموع ازنظر تاريخي، مي توان ليزر را در سه مقطع شامل ليزر در عهد باستان (ليزر طبيعي در قالب گياهي خودرو)، ليزر در قرن بيستم (ليزرهاي ساخت دست بشر) و ليزرهاي طبيعي جديد (ليزر در فضا) معرفي كرد.
امروزه ليزر معناي كاملاً متفاوتي با ليزر عهد باستان دارد. اما همين ليزرهاي جديد در برخي كاربردهاي بخصوص در پزشكي، مشابه ليزر عهد قديم هستند. از اين رو مي توان گفته «پليني » در قرن اول ميلادي براي گياه ليزر را به دستگاههاي ليزري جديد نيز عموميت داد. او مي گويد: ليزر از اعجازآميزترين موهبتهاي طبيعت است كه براي مصارف گوناگون سودمند است.
با اين مقدمه طولاني، در ادامه به تعريف ليزر، اجزاي اصلي آن و ويژگي هاي اين نور خواهيم پرداخت.
تعريف ليزر
در آغاز اشاره كرديم كه اساس تشكيل ليزر برمبناي پديده «نشر برانگيخته »است. نشر برانگيخته، اصطلاحي است كه براساس «نشر خودبه خودي » تعريف مي شود. هنگامي كه در ماده اي، اتم يا مولكول از يك منبع خارجي انرژي دريافت مي كند، الكترونها اين انرژي را گرفته و به مدارهاي بالاتر انتقال مي يابند. در اين حالت، اصطلاحا ًاتم تحريك شده است. اما حضور الكترون در مدار با انرژي بالاتر دوامي نداشته و در مدت بسيار كوتاهي به مدار پايين تر سقوط مي كند و انرژي دريافتي را پس مي دهد.
انرژي حاصل در اين حالت به صورت فوتون منتشر مي شود كه اين فوتونها به صورت امواجي حاوي انرژي بوده و همان نور معمولي را تشكيل مي دهند. اما اگر الكترونهاي انرژي گرفته و انتقال يافته به مدارهاي بالا توسط فوتونهاي ديگر تحريك و به مدارهاي پايين انتقال يابند، اين تحريك باعث توليد و خروج فوتونهاي مشابه هم مي شود كه اساس تشكيل ليزر است.
به عبارت ديگر، آنچه در طبيعت شاهدآن هستيم و نور مي ناميم، حاصل ايجاد فوتونهاي مستقل از هم و بدون تأثير فوتونهاي ديگر و ناشي از يك نشر خودبه خودي و بدون اختيار است. اما در ليزر، فوتونهاي ديگر سبب توليد فوتونهاي هماهنگ با رفتاري مشابه مي شوندكه ناشي از پديده نشربرانگيخته يا القايي است.
براي تشريح بهتر اين دو نوع نشر و تفاوت نور و ليزر به ذكر مثالي مي پردازيم. فرض كنيد مقداري شن در دست خود داشته باشيم. هنگامي كه آن را به سمت ديواري پرتاب مي كنيم، مجموعه شنها پيش از رسيدن به ديوار پراكنده شده و هر يك از دانه هاي شن به گوشه اي از ديوار برخورد خواهند كرد لذا اثر تخريبي آنها بر روي ديوارناچيز است. حال اگر همين عمل را مجدداً تكرار كنيم به گونه اي كه قادر باشيم دانه هاي شن را به يكديگر فشرده و از مجموع آنها يك قطعه مشابه سنگ ايجاد كنيم، در برخورد اين مجموعه شن با ديوار، قطعاً شاهد خرابي آن خواهيم بود. در واقع فوتون هاي هم رفتار ناشي از نشر برانگيخته مشابه قطعه متشكل از دانه هاي ريز شن هستند كه يكديگر را تقويت كرده و اثربخشي بيشتري در مقايسه با فوتونهاي مستقل تشكيل دهنده نور (دانه هاي شن مجزا) خواهند داشت.
اجزاي اصلي ليزر
در يك نگاه ساده مي توان هر ليزر را متشكل از ۳قسمت اصلي شامل ماده فعال، كاواك و منبع تغذيه در نظر گرفت.
ماده فعال، ماده اي است كه تحريك مي شود و فوتونهاي مشابه ايجاد مي كند. از اين رو اين ماده يا به عبارتي اين محيط، سبب توليد نور ليزر مي شود. هرگاه نام ليزر بيان مي شود، كلمه اي كه به دنبال آن مي آيد، مشخص كننده ماده فعال ليزر است. به عنوان مثال در ليزر گازكربنيك و ليزر آرگن به ترتيب گازكربنيك و ارگن ماده فعال ليزر را تشكيل مي دهند يعني مولكول و اتم اين مواد سبب توليد ليزر مي شوند. ماده فعال ليزر مي تواند گاز، مايع، جامد و نيمه هادي باشد.
كاواك، محفظه اي بسته حاوي ماده فعال و دو آينه در ابتدا و انتهاي آن است كه ضمن نگهداري ماده فعال، شرايط لازم را براي تقويت نور فراهم مي كند. در طراحي و ساخت ليزرهاي گازي نظير هليم ـ نئون و آرگن، در دو سر اين محفظه (كه در ساده ترين حالت خود مي تواند از جنس شيشه باشد)، دو الكترود نصب شده است كه عمل تحريك ماده فعال را بر عهده دارند. آينه ها با انجام انعكاس و ايجاد حركت رفت و برگشتي فوتونها در محفظه، سبب تقويت پرتو توليدي مي شوند. علاوه بر اين و براي خروج نور ليزر حاصل نيز اين آينه ها داراي ضريب انعكاس متفاوتي هستند. يكي از آينه ها داراي ضريب انعكاسي حدود صددرصد بوده و ديگري با ضريب انعكاس كمتر امكان خروج ليزر را از محفظه كاواك فراهم مي سازد.
منبع تغذيه، نقش تأمين انرژي لازم براي عمل تحريك را ايفا مي كند. اين انرژي سبب تحريك ماده فعال ليزر درون كاواك شده تا در نهايت ليزر توليد و از دستگاه خارج شود.
ويژگي هاي نور ليزر
ليزر داراي ويژگيهاي خاصي است. تك فامي، همدوسي، واگرايي كم و شدت بالا، مهمترين مشخصه هاي ليزر محسوب مي شوند.
تك فامي، به معني يكسان بودن طول موج تمامي فوتونهاي يك ليزر است. در حالي كه امواج در نور معمولي (نظير نور منتشرشده از يك لامپ)، داراي طول موجهاي مختلفي هستند.
همدوسي، بيانگر هم فاز بودن فوتونهاي نور ليزر است. به عبارت ديگر، در حالت همدوسي، اختلاف بين فازها براي نقاط مختلف موج صفر است.
واگرايي كم، بدان معني است كه نور ليزر داراي واگرايي اندك است و برخلاف نور معمولي پراكنده نمي شود. پرتو ليزر به صورت يك باريكه موازي در مسير منتشر مي شود. در حالي كه نور معمولي با واگرايي و باز شدن در طول مسير همراه است.
شدت بالا، بيانگر آن است كه فوتونهاي نور ليزر به صورت متمركز عمل مي كنند و از اين رو، شدت بالايي براي ليزر فراهم مي شود.
اين ويژگيهاي منحصر به فرد سبب شده است تا نور ليزر به صورت يك دسته پرتو تك فام موازي و متراكم با شدت بالا و واگرايي كم معرفي شود. امروزه محققان با توجه به اين خصوصيات، توانسته اند با به كارگيري يك و ياتركيبي از ويژگيهاي ليزر، كاربردهاي فراواني براي آن تعريف و سيستمهاي متنوعي را طراحي و به بازار عرضه كنند. گستردگي به كارگيري ليزر در رشته هاي مختلف سبب شده است كه امروزه ليزر را با نام «نور جادويي» و «نور شگفت انگيز » معرفي كنند. امروزه به جرأت مي توان گفت كه در همه رشته هاي علوم مختلف، ليزر به نوعي به صورت مستقيم يا غيرمستقيم به كار گرفته مي شود.