لیزر دیودی
لیزرهای دیودی نیمرسانا پرفروشترین نوع لیزر در جهان هستند. این لیزرها اولین بار در سال ۱۹۶۲ ساخته شدند و گفته میشود اکنون در مرحلهای هستند که از بسیاری جهات قابل قیاس با موقعیت صنعت الکترونیک سیلیسیومی در حدود ۲۵ سال پیش است. نیروی اصلی در پس این پیشرفت، رشد سریع صنعت مخابرات است، اما ذخیره سازی اطلاعات (خواندن/نوشتن CD، پویشگرهای رمز میلهای)، اشاره به دور (نشانگرهای لیزری) و کاربردهای ماشینکاری نیز اهمیت روزافزونی یافتهاند.
محتویات |
کاربردها [ویرایش]
طی چند سال اخیر لیزرهای دیودی به توانایی خروجی بالاتر، ابعاد کوچکتر، کارایی بالاتر، اعتماد پذیری بیشتر و از همه اینها مهمتر به پوشش طول موجی پهنتر از IR میانه تا انتهای آبی رنگ طیف الکترومغناطیس، دست یافتهاند. برای سالهای متمادی، دستیابی به منابع نوری تکفام کوک همدوس، با عملکرد آسان و ارزان از IR میانه تا UV، هدفی برای متخصصان طبف بینی بودهاست. به غیر از طیفبینیهای متداول جذبی و فلوئورسانی، طیف بینی رامان و بیضیسنجی نیز از لیزرهای دیودی به عنوان منابع نور همدوس بهرهمند شدهاند.
به تازگی متخصصان طیف بینی، فنون با حساسیت زیاد مثل طیف بینی درون حفره را با لیزرهای دیودی ترکیب کردهاند. در طیفبینی بنیادی، کاربرد منابع لیزری جدید به تعیین ساختار رادیکالهای آزاد یا گونههای خوشهای عجیب و غریب منجر شدهاست. برای نظارتهای اتمسفری، لیزرهای دیودی دمای اتاق که در ۸ تا 13µM نشر میکنند، پیشرفتی اساسی به سمت بهبود کیفیت هوا هستند.
در پزشکی، کاربرد لیزرهای دیودی در مقطعنگاری نوری و در تجزیه غیر تزریقی خون، مثلا پیشبینی سطح گلوکز خون، تشخیص پزشکی را با انقلابی مواجه کردهاست. در صنعت، حسگرهای شیمیایی ارزان قیمت در کنترل فرآیند اهمیت یافتهاند، برای کنترل در محل فرآیندهای احتراقی، آشکار سازی پسماندهای گازی در نقطه تخلیه و کنترل کیفیت در صنایع دارویی و غذایی لیزرهای دیودی دیگری نیز هستند که برای اندازه گیریهای جریان، شمارش و سنجش ابعاد ذرات سودمندند.
ارتعاشات عالی [ویرایش]
IR میانه، یکی از محدودههای طیف الکترومغناطیسی است که لیزرهای دیودی در آن به ایفای نقش پرداختهاند. مطالعه ارتعاشهای بنیادی مولکولها که در این ناحیه اتفاق میافتد، تا کنون بر لیزرهای دیودی ساخته شده از نمکهای سرب که با سرمازایی خنک شدهاند متکی بودهاست. با این حال تجهیزات خنک کننده با سرمازایی بر هزینههای خرید و عملیاتی چنین لیزرهایی بسیار میافزاید. لیزرهای دیودی IR میانه که از ترکیبات همانند ساخته شدهاند و در دمای اتاق کار میکنند، کم کم به عنوان جانشینی برای حسگرهای شیمیایی ارزان مطرح میشوند.
این حسگرها برای آشکارسازی اتمسفری و آلودگی و همچنین نظارت بر فرآیندهای صنعتی بکار میروند. مثلا، نیم رساناهایی مانند aLgAssB/iNgAaSb که تا زیر 3000nm کار میکنند. دستیابی به اکثر ارتعاشهای کششی C_H را مقدور میسازند. نشر لیزر در این طول موجها، به دلیل وجود گاف نوار باریک که ساختار الکترونی این مواد را میسازد، امکان پذیر است. در نتیجه فقط مقدار بسیار کمی انرژی برای ارتقای الکترونها به انرژی بالاتر نوار رسانش، مورد نیاز است.
با این حال مهیجترین پیشرفت در آشکارسازی IR میانه، ساخت لیزرهای آبشار کوانتومی (QCL) است. این لیزرها را اولن بار دانشمندان بل لبز - لوسنت در آمریکا در سال ۱۹۹۴ ارائه کردند که با روشی کاملا متفاوت از لیزرهای دیودی نیمرسانای معمول کار میکنند. طول موج نوری که آنها نشر میکنند به گاف نوار نیمرسانا بستگی ندارد، بلکه بیشتر به ضخامت لایههای سازنده نیمرسانا در قطعه وابستهاست.
لیزرهای دیودی در عمل [ویرایش]
یک لیزر نیم رسانا اساسا از اتصال بین یک نیم رسانای نوع P (غنی از "حفرههای" مثبت) و یک نیم رسانای نوع n (غنی از الکترونها) تشکیل میشود. بر اثر عبور جریان الکتریکی از محل اتصال، الکترونها و حفرهها میتوانند باز ترکیب شوند که در این فرآیند نور نشر میشود. طول موج نشر با گاف نوار ماده نیم رسانایی که دیود را میسازد، تفاوت انرژی لازم برای صعود الکترون از نوار انرژی والانس پایینتر به نوارهای رسانش پرانرژیتر در بالا تعیین میشود. در وسایل ساده با تغییر جریان الکتریکی بکار رفته یا دمای لیزر، تنظیم طول موج مقدور میشود.
با ماده گالیم آرسنید (GaAs) خالص یک طول موجی ساخته شد، اما در عمل به علت نیاز و دشواری در تطابق شبکه، این امر با محدودیت مواجه میشود. لیزرها با هر دو روش رشد همراستای بلور با باریکه مولکولی و رسوب دهی شیمیایی بخار فلز - آلی ساخته میشوند. این لیزرها با داشتن ۵۰ درصد تبدیل الکتریسیته به نور، کارآمدترین نوع لیزرند که در نتیجه باعث کاهش هزینه عملیاتی میشود.
هرگاه لایه به اندازه کافی نازک باشند (کمتر از 20nm) مکان الکترونهای نیم رسانا فقط در یک بعد محدود میشود: حالتهای انرژی در نوارهای والانس و رسانش کوانتیده شده و فقط ترازهای انرژی معینی مجاز میشود. لذا لایههای نیم رسانا مانند چاههای کوانتومی خواهند بود و میتوان آنها را با لایههای غیر فعال (غیر لیزر ساز) روی هم چید و لیزرهایی ساخت که قادرند نور خروجی پر توانتری تولید کنند. در این QCLها، الکترونها از چند مرحله پی در پی افت انرژی، میگذرند و همزمان با حرکت در نوعی آبشار الکترونی، فوتون نشر میدهند. فاصله نزدیک نوارهای انرژی الکترونی، نشر نور در گستره IR میانه تا دور را ممکن میسازد. چندین گروه پژوهشی، در حال رقابت برای تولید نوع تجاری QCL در گستره ۶ تا 12µm هستند که دریچه مهمی را بر روی نظارت اتمسفری، خواهد گشود.
در سال ۱۹۹۸ گروه فدریکاکاپاسوازبل لبز - لوسنت تکنولوژی، لیزری تولید کرد که دارای شبکه بلوری AlInAs/InGaAs با فواصل بین اتمی منطبق با شبکه InP بود و میتوانست در 8,3µm با توان تپی 180mW در دمای اتاق، نشر کند. امروزه میتوان لیزرهایی را که در این محدوده کار میکنند از GaAs/AlGaAs تهیه کرد، که هم ارزانترند و هم آسانتر ساخته میشوند. هر چند نتایج اخیر گروه کاپاسو در آشکارسازی مقادیر ناچیز گازهایی مانند CH4، N2O هنوز به حد حساسیت آشکارسازی لیزرهای نمک سرب، یعنی در حد ppb یا کمتر، نرسیدهاست. لیزرهای حفره عمودی نشر کننده از سطح (VCSEL) نوعی لیزر جدید هستند. آنها که عمدتا برای مخابرات نوری ساخته شدهاند، برای کار در طول موج بلند و با خروجی تپی 2,9µm در دمای اتاق، نیز بکار میروند. آنها کیفیت باریکه بهتری ایجاد میکنند و از بسیاری از لیزرهای جانشین که در طول موجهای بلندتر کار میکنند، آسانتر ساخته میشوند. در سال ۱۹۹۷، دیرک رله، برند زومپف و هاینتس - دتلف کرونفلت، از دانشگاه صنعتی برلین، روش دیگری برای تولید تابش IR میانه برای آشکارسازی گازی، ارائه دادند. آنها در یک بلور AgGaSe2، خروجی دو لیزر دیودی IR نزدیک (یکی در 1290µm و دیگری 1572nm) را باهم مخلوط و نوری با فرکانس متفاوت در حدود 7,2µm) 1380cm-1) برای شناسایی SO2 تولید کردند.
كنترل در خط [ویرایش]
هم اكنون لیزرهای دیودی نیم رسانا در IR نزدیك ، به ویژه در حوالی طول موجهای مخابراتی 1300 و 1550nm ، كاملا توسعه یافتهاند. بهبود فنون ساخت در حال حاضر به معنی امكان پذیر شدن ساخت لیزرهایی است كه در طول موجهای بسیار دقیقی كار میكند. مثلا ، لیزرهای پسخوری توزیع یافته (DFB) كه معمولا با قرار دادن یك شبكه گزینشگر درون حفره لیزر ، برای صاف كردن طول موجهای مطلوب ، ساخته میشوند، به عنوان حسگرهای شیمیایی ارزان قیمت در نظارت بر انتشار آلایندهها و كنترل فرآیند، بالقوه مفیدند.
گروه من در دانشگاهها درزفیید ، برای استفاده از لیزرهای دیودی در كنترل فرآیند در خط از طریق نظارت در محل ، به ویژه در محیطهای خطرناك كه در آن باریكه لیزر با استفاده از تار نوری به درون واكنشگاه هدایت میشود، فنونی را توسعه داده است. برای كنترل فرآیند و بهبود كارایی ، میتوان تجزیه سریع محتوی واكنشگاه را به یك حلقه پسخور متصل كرد. با همكاری مارتین پمبل از دانشگاه سالفورد ، توانستیم به واكنشهایی كه درون واكنشگاهها به طریق رسوب دهی شیمیایی بخار انجام میگیرند نظر بیندازیم. گفتنی است این واكنشها ، فهم مهمی برای تولید بسیاری از پوشش دهیهای ظریف سطحی را فراهم میسازند.
محدویتهای طیف بینی با لیزر دیودی [ویرایش]
یكی از محدویتهای طیف بینی با لیزر دیودی آن است كه به علت باریكی گستره تنظیم طول موج ، یك لیزر معمولا فقط میتواند یك گونه شیمیایی را شناسایی كند. رانالد هانسون و همكاران در دانشگاه استانفورد با بكار گیری روشی موسوم به تقسیم چندگانه طول موج (WDM) بر این مشكل غلبه كردند و توانستند در یك اتاقك احتراق ، چند گونه مختلف و خواص آنها را مشاهده كنند. روش WDM عبارت است از ارسال همزمان چند طول موج مختلف از درون یك تار نوری. هانسون و گروهش با استفاده از سه لیزر دیودی با تنظیبم جداگانه ، توانستند بطور همزمان غلظت H2O ، O2 و نیز دما و فشار را در شعله H2 _ O2.
مسئله دیگر در آشكار سازی همزمان چند گونه شیمیایی ، احتمال "خط روی خط افتادن" یا تداخل علائم است. دانشمندان CSO Mesure در فرانسه ، برای اجتناب از این مشكل به هنگام اندازه گیری تابش زیر قرمز در فضا ، از یك لیزر دیودی IR نزدیك كه روی مقادیر جذبی چرخشی - ارتعاشی C2H2 (در حدود 1530nm) تثبیت شده بود، به عنوان منبع مرجع استفاده كردهاند.
كار آنها بخشی از یك پژوهش 5 ساله مربوط به تداخل سنج زیر قرمز ارزیابی اتمسفری (IASI) اما مهندسان مخابرات برای جلوگیری از مشكل خط روی افتادن ، وقتی كه چند طول موج مدوله شده كم فاصله در فركانسهای GHz از درون یك تار نوری ارسال میشود، از همین رویكرد استفاده میكنند. "قفل كردن" طول موج لیزر روی استانداردهای مولكولی نظیر HCN و C2H2 ، هر گونه تداخل بین علائم مختلف را متوقف میكند.
خروجی پر انرژی [ویرایش]
دانشمندان دانشگاه كالیفرنیا در سانتریابارا با استفاده از بلورهای لیتیم نیوبات (LiNbOsub>3) یا پتاسیم فسفات. فركانسای خروجی از لیزرهای دیودی را در انتهای پر انرژیتر طیف الكترومغناطیسی دو برابر كردهاند. این كار میتواند در ناحیه آبی فرابنفش طیف الكترومغناطیسی ، توانهای خروجی در حد 0,1mW تولید كند. در این طول موجها ، لیزرهای دیودی قادرند عناصری مانند آلومینیم (394nm) ، گالیم (403nm) و ایندیم (410nm) را شناسایی و رشد لایههای نیمرسانا ، از جمله ساخت سایر لیزرهای دیودی را تعقیب كنند. در مقایسه با لامپهای كاتد تو خالی متداول كه در طیف بین جذب اتمی بكار میروند.
لیزرهای دیودی ، كوك پذیرند (شناسایی چند گونهای امكان پذیر میسازند)، پر شدت ترند (بنابراین دادهها را سریعتر كسب میكنند) و كنترل دقیقتری را مقدور میسازند. انتهای آبی طیف الكترومغناطیسی ، یكی از فعالترین حوزههای پژوهشی درباره لیزرهای دیودی است كه در آن ، لیزرهای بر پایه GaN ، شدت و سرعت انتقال دادههای ذخیره شده را به حداكثر میرسانند. برای شیمیدانان ، لیزرهای آبی ، عملا برای دستیابی به گذارهای الكترونی مولكولهایی مانند O3 و NO2 مفید است و به ساخت سیستمهای قابل حمل نظارت اتمسفری میانجامد.
حسگرهای تار نوری [ویرایش]
گسترش سریع صنعت مخابرات ، جدا از كابلهای تار نوری برای انتقال دادهها ، به توسعه حسگرهای تار نوری برای ارسال نور به مكانهای دور دست منجر شده است. حسگرهای تار نوری میتوانند یا ذاتی باشند یا عارضی ، در اولی ، تغییرات در محیط مستقیما بر خواص تار اثر میگذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغییر در محیط مستقیما بر خواص تار اثر میگذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغییر شكل ناشی از خمش خود را حس میكند. بر اثر خم شدن تار ، نور به بیرون از آن نشت میكند. از طرف دیگر ، حسگرهای عارضی تغییر محیطی را به تغییر در خواص عبور نور در تار تبدیل میكنند.
تارهای نوری بر اساس بازتاب درونی كلی باریكه نور عمل میكنند، بنابراین هرگاه ضریب شكست نور در تار تغییر كند، نور میتواند به بیرون نشت كند. از این مسئله میتوانیم برای آشكار سازی تغییر ارتفاع سطح مایع یا برای اندازه گیری با تفكیك پایین فشار درون مایع استفاده كرد. بخشی از میدان الكترومغناطیسی نور لیزر به خارج از تار هم گسترش مییابد و مولكولهای در سطح یا نزدیك تار میتوانند این موج محو شونده را جذب كنند.
در سال 1997، یواخیم كاستز و ماوروس تا كه از مؤسسه فرانهوفر در آلمان از این پدیده برای آشكار سازی هیدروكربنها در آب استفاده كردند. روشی كه آنها استفاده كردند یعنی تجزیه موج محو شونده با لیزرهای دیودی (Ewald) ، عبارت است از استفاده از تارهای نقره هالید در IR میانه كه با فیلم بسیاری نازكی روكش شده است. هیدروكربنها درون این اندود بسپاری نفوذ میكنند و از روی جذبهای اثر انگشتیشان شناسایی میشوند. به علت جذب قوی آب در ناحیه IR استفاده از طیف بینی معمولی عبوری IR امكان پذیر نیست.
طیف بینی جذب درون حفره ای لیزر [ویرایش]
طیف بینی جذب درون حفره ای لیزر (Iclas) فناوری حساسی است كه طیف بینی سال با لیزرهای گازی بزرگ و لیزرهای رنگینهای بكار برده میشده است. این روش شامل تقویت جذب نور لیزر ، با قرار دادن نمونه درون حفره لیزر به جای خارج آن است. فوتونهای لیزر بین دو آینه انتهایی سازنده حفره لیزر به جلو و عقب بازتابیده میشوند و عملا طول مسیر جذب را هزاران مرتبه افزایش میدهند. پیترتوشك و والری بف در دانشگاه هامبورگ ، از این اصل برای ساختن یك آشكار ساز بسیار كوچك و حساس آلودگی گازی استفاده كردهاند.
لیزر دیودی مورد استفاده ، عملا برای تأمین توان لیزر 20cm آنهاست كه از یك تار نوری فلوئور و زیركوناتی دوپه شده با اتمهای پروزئودیمیم و ایتربیم تشكیل شده بود. نور لیزر دیودی در 850nm ، اتمهای دوپه كننده را در تار برانگیخته و نور مرئی نشر میكند. گفتنی است همانطوری كه كه تقویت میشود، اگر نمونه یك گاز در یك انتهای حفره در جلوی آینه نیم باز تابیده قرار داده شود، متخصصان طیف بینی میتوانند طیف جذبی تقویت شده را آشكار كنند.
منابع [ویرایش]
«اصول لیزر»،اوراسیو سوولتو. ترجمه : اکبر حریری ، حسین گل نبی
«کاربرد لیزر» ،مولف : محمد طاها ترکمان ، فروردین1391
