لیزر یاقوت

لیزر یاقوت معروفترین لیزر حالت جامد است و به عنوان نخستین نوع لیزر ساخته شده در سال ۱۹۶۰، موقعیت مهمی در تاریخ لیزرها دارد، به عنوان مثال جالبی از طنزهای علوم، مقاله اولیه تئودور اچ. میمن که نخستین لیزر را توصیف می‌کرد، توسط Review Letters Physical رد شد، زیرا فرض شد که این کار، چندان جالب نیست.

از نظر ساختاری، لیزرهای یاقوت جدید شامل یک میله یاقوت تجارتی (3O2Cr % 0.05 در شبکه) با قطری بین ۳ تا mm 25 و طول تا cm 20 است. یونهای کروم یاقوت با نشر نوار پهن حاصل از لامپ درخشی برانگیخته می‌شوند یا لامپ درخشی به دور میله یاقوت پیچیده‌است یا درون یک بازتابنده بیضوی به موازات آن، قرار گرفته‌است.

پیش از پرداختن به جزئیات طرح تراز انرژی یاقوت، جالب است بدانیم که به طور مستقیم می توان از روی رنگ نوری که این لیزر نشر می‌کند، به مطالبی پی برد. این واقعیت که لیزر یاقوت نور سرخ نشر می‌کند، ممکن است چندان شگفت آور نباشد، مگر بیاد آوریم که دلیل سرخ رنگ بودن یاقوت آن است که یاقوت در ناحیه سبز و بنفش طیف جذب دارد، به همین دلیل نور سرخ را عبور می‌دهد (یا بازتاب می‌کند)۰

بدین ترتیب چون جذب تابش لامپ درخشی و نشر لیزر آشکارا در طول موجهای مختلفی رخ می‌دهد، فوراً مشخص می‌شود که یاقوت باید لیزری با بیش از دو تراز باشد. شایان ذکر است که این ترازهای انرژی، کاملا با آنهایی که در اتم آزاد کروم وجود دارند، متفاوت اند. محیط الکتروستاتیکی ایجاد شده توسط اتمهای پیرامون شبکه میزبان، که به عنوان میدان بلور شناخته می‌شود، باعث شکافتگیهای زیادی در ترازهای انرژی می‌شود، حال آن که در اتم آزاد معمولا آنها هم ترازند.

تخریب ناشی از چرخه‌های مداوم گرم و سرد شدن مربوط به مرحله ایجاد هر تپ، مسئله‌ای اساسی در لیزر یاقوت و سایر لیزرهایی از این نوع است که سرانجام باعث تعویض میله یاقوت می‌شود. معمولاً برای بهبود عملکرد، با گردش آب از درون روکش، میله خنک می‌شود. لیزر یاقوت علی رغم کاستیهایش با انرژی تپی به اندازه J 200، منبعی نیرومند برای نور تکفام در ناحیه نوری محسوب می‌شود و کاربردهای متعددی در فراورش مواد به دست آورده‌است. پهنای نوار نشر به طور نوعی در حدود n m 5 ر0 (cm 10) است ولی با قرار دادن سنجه در درون حفره می توان این مقدار را ۱۰ مرتبه کاهش داد. بدین ترتیب با چنین پهنای خط باریکی، لیزر را می‌توان برای تمام نگاری به کار برد و این زمینه بیشتر کاربردهای این لیزر را تاکنون به خود اختصاص داده‌است. زمینه کاربردی دیگر در لایدار است. قطر باریکه یک لیزر یاقوت کم توان می‌تواند به اندازهmm 1 با واگرایی ۲۵ر۰ میلی رادیان باشد، پرتوان ترین لیزرها می‌توانند باریکه‌هایی تا قطر mm 25 و واگراییهای بزرگتر تا حد چند میلی رادیان داشته باشند. به تازگی، سایر انواع لیزرهای حالت جامد توسعه یافته اند، گرچه اینها نیز بر اساس گذارهای نوری در یون فلزات توسط واسطه مستقر در درون بلور یونی میزبان عمل می کنند، لکن خواص کاملاً متفاوتی با لیزر یاقوت دارند. یکی از این انواع لیزر الکساندریت است که در آن یون کروم دوپه شده درون بلور الکساندریت) 4 O2(BeAL ، محیط فعال را تشکیل می دهد.

تفاوت لیزر یاقوت و الکساندریت

تفاوت بین لیزرهای یاقوت و الکساندریت در آن است که در مورد اخیر، حالت پایه الکترونی یو ن دیگر گسسته نیست، بلکه به دلیل جفت شدگی با ارتعاشهای شبکه، نوار پیوسته پهنی از ترازهای انرژی وایبرونیک ایجاد می کند. در این مورد، پس از برانگیختگی با لامپ درخشی عادی، نشر لیزر از طریق گذارهای به سمت پایین از حالت 2 Tبه جایی در پیوستار حالت پایه روی می دهد و خروجی کوک پذیری که گستره 700 تا n m 815 را در بر می گیرد، به دست می آید. لذا، اغلب از لیزر الکساندریت به نام لیزر وایبرونیکی یاد می شود.

لیزر تیتانیم

لیزر تیتانیم: یاقوت کبود که به تازگی توسعه یافته است، از نوع مشابهی است و با وقوع گذارهای وایبرونیکی 2 ETدر یونهای تیتانیم، باعث ایجاد نشر پر قدرت و کوک پذیر CW در گستره طول موج به طور غیر عادی وسیع 650 تا nm 1000 می شود . سایر لیزرهای وایبرونیکی شامل2MgF با دوپه Ni و Co هستند .

لیزر نئودیمیم

لیزرهای نئودیمیم بر دو نوع عمده اند، در یکی شبکه میزبان برای یونهای نئودیمیم، بلور لعل ایتریم آلومینیم ودر دیگری میزبان شیشه ای بی ریخت است.

به این دو نوع به ترتیب Nd:YAG و :Nd شیشه می گویند. هر چند که در هر دو مورد، گذارهای انجام شده دریونهای نئودیمیم مسئول عمل لیزرند، ولی به دلیل تاثیر شبکه میزبان روی ترازهای انرژی نئودیمیم، مشخصات نشر در آنها متفاوت است. همچنین شیشه فاقد رسانایی گرایی عالی بلور YAG است، در نتیجه استفاده از آن برای عملیات با موج تپی مناسبتر از عملیات با موج پیوسته ( CW) است. مانند لیزر یاقوت، هر دونوع لیزر نئودیمیم معمولاً توسط یک لامپ درخشی که به طور هم کانون درکار یک میله ماده لیزری درون یک بازتابنده بیضوی قرار گرفته است، برانگیخته می شوند. اکنون لیزرهای بسیار کوچک و دستی  YAG :Nd موجودند که توسط دیودهای لیزری برانگیخته می شوند.

در اینجا نیز ترازهای انرژی یونهای نئودیمیم درگیر در عمل لیزر که به طور طبیعی در حالت آزاد هم ترازند، در اثر برهم کنش با میدان بلور دچار شکافتگی می شوند. نحوه شکافتگی در شکل 2 . 3 نشان داده شده است. بدین ترتیب گذارهای بین مؤلفه های حالتهای2/3 F و2/11 I که در حالت آزاد ممنوع اند، مجاز می شوند و می توانند باعث نشر لیزر شوند. به دنبال واپاشی غیر تابشی از ترازهای انرژی بالاتر که توسط لامپ درخشی برانگیخته شده اند، ترازهای2/3 F در آغاز جمعیت دار می شوند و چون تراز پایانی 2/11 I لیزر در بالای حالت پایه 2/9 I قرار گرفته است، در نتیجه با یک سیستم شبه چهار ترازی مواجهیم .

طول موج اصلی نشر هر دو نوع لیزر نئودیمیم در حدود 1.064mm در زیر قرمز نزدیک ( یا 1.047mm درمورد لیزرهای نامتداولتر Nd:YLF که در آن لیتیم جایگزین آلومینیم در شبکه میزبان شده است ) قرار دارد. برخی از لیزرهای تجاری می توانند براساس گذار دیگری که خروجی mm 319ر1 ایجاد می کند، عمل کنند. با این حال مواد میزبان YAG و شیشه خواص کاملاً متفاوتی بر نشر تحمیل می کنند، جدا از تفاوتهای رسانایی گرمایی که تعیین کننده نحوه کار پیوسته یا تپی است، یکی از تفاوتهای اساسی این دو لیزر در پهنای خط آنها نهفته است، چون شیشه ساختاری بیریخت دارد، محیط الکتریکی اطراف یونهای نئودیمیم را تغییر می دهد و در نتیجه شکافتگی میدان بلور نیز از یونی به یون دیگر تغییر می کند. به همین دلیل در مقایسه با لیزر N d :YAG که در آن شبکه بسیار منظمتر و شکافتگی میدان ثابت تر است، پهنای خط بسیار بیشتر می شود. با این حال، غلظت دوپه کننده نئودیمیم در شیشه می تواند تا 6% برسد در حالی که برای مقایسه در میزبان YAG مقدار آن %5 ر1 است، بدین ترتیب خروجی بسیار پرانرژی تری می توان از آن بدست آورد. بنا به این دلایل لیزر : Nd شیشه به طور ایده ال برای تولید تپهای بسیار کوتاه با شدت بسیار زیاد توسط روش قفل کردن مد مناسب است. در حقیقت، توسط لیزرهای نئودیمیم بوده است که به پر شدت ترین باریکه ها در لیزرهای تجاری دست یافته ایم.

توان خروجی یک لیزر نوعی موج پیوسته N d:YAG چند وات است و می تواند از 100 وات فراتر رود. در وضعیت تپی، بنا به روش تپ سازی و سرعت تکرار تپ، انرژی تپ تفاوت می کند ولی می تواند برای یک تپ از کسر کوچکی از 1 تا J 100 باشد. اکنون چنین منابع توانمند تابش زیر قرمز کاربردهای متعددی در فراورش مواد به دست آورده اند. به علاوه در چند سال گذشته، لیزرهای Nd:YAG به بازار لیزرهای جراحی راه یافته اند. درحالی که در جراحی اغلب فرایندهای گرمایی القایی متمرکز که به جذب تابش شدید زیر قرمز منجر می شود به کار می روند، علاقه زیادی به استفاده از روش دیگری به نام جراحی مد درهم شکننده وجود دارد که توسط لیزرهای YAG با مد قفل شده یا Q سوییچ شده امکان پذیر می شود. در این حالت میدان الکتریکی بزرگی ( نوعاً m V 10 × 3 ) که همراه هر تپ متمرکز شده نور لیزر است، الکترونها رااز مولکولهای بافت جدا می کند و پلاسمای حاصل، یک موج ضربه ای ایجاد می کند که باعث گسیختگی مکانیکی بافت در فاصله mm 1 از محل تمرکز می شود. اثبات شده است که این روش درتعدادی از جراحیهای بسیار ظریف چشم خیلی سودمند است لازم است. لازم است متذکر شویم که در اکثر کاربردهای پژوهشی Nd:YAG درنور شیمی و نورزیست شناسی ازتابش mm 064ر1 استفاده نمی شود، بلکه در آنها نور مرئی پرشدتی که می توان آن را با روشهای تبدیل فرکانس ایجاد کرد، به کار می رود. از این لحاظ طول موجهای 532 ، 355وn m266 که با روش ایجاد هماهنگ به دست آمده اند، از اهمیت خاصی برخوردارند.

لیزرهای حالت جامد با دمش دیودی، نمایشگر تکنولوژی لیزر به نسبت جدید و بسیار متفاوتی اند. در این ابزارهای بسیار کوچک، که در اغلب موارد به راحتی دردست جای می گیرند، یک لیزر دیود نیم رسانا به طور مستقیم کار دمش بلور کوچک Nd:YAG را انجام می دهد. درحالی که معمولاً توانهای خروج CW اندک است اکنون برخی سیستمهای تجاری موجود، از مقدار بحرانی W 1 فراتر رفته اند و امکان دارد که از طریق تپ سازی Q سوییچ شده بتوان به خروجی پیک چند کیلوواتی دست یافت. مسئله مهمتر، استفاده از روش متداول وارد کردن بلورهای مبدل فرکانس در این ابزارهاست، بدین ترتیب نشر میلی واتی در گستره مرئی به ویژه در خط n m 532 سبز، به دست می آید. چنین لیزرهای حالت جامد یکپارچه ای، از مزیت اندازه کوچکتر، کارایی بالاتر، پایداری بهتر و سطح نوفه کمتر در قیاس با اکثر لیزرهای تخلیه در گاز، بهره می برند و چشم انداز بهتری را برای وسیله کمکی استانداردتری از آنچه در گذشته متصور بودیم، ارائه می کنند. کاربرد آنها، گستره وسیعی از دستگاهوری نوری را در بر می گیرد و قابلیت آنها را در فراورش مواد نیز نشان داده شده است .

یک نوع لیزر حالت جامد دیگر را که در آن محیط فعال یک بلور یونی معمولی ولی فاقد یونهای فلز واسطه است، می توان دراینجا مطرح کرد. این نوع را به اصطلاح، لیزر مرکز F ( یا مرکز رنگ ) می نامند که براساس گذارهای نوری در مکانهای نقص دار بلور هالیدهای فلزات قلیایی، مثلاً در KCl با دوپه تالیم، کار می کند. معمولاً مراکز رنگ توسط یک لیزر دمش از نوع N d:YAG یا لیزر یون آرگون ـ کریپتون برانگیخته می شوند. چنین لیزرهایی تابشی تولید می کنند که با استفاده از یک توری پراش به عنوان آینه انتهایی روی گستره کوچکی از طول موجها در ناحیه کلی 8 /0 تا mm 4 /3 کوک پذیر است، برای کار در قسمتهای مختلف این گستره به بلورهای متفاوتی نیاز داریم. یک عیب این نوع لیزر آن است که چون بلورها باید در دماهای بسیار پایین قرار گیرند، سیستم به نیتروژن مایع نیاز دارد.

منبع

principles of lasers orazio svelto.second edition

Silfvast W.T. Laser fundamentals