بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
به نام خداوند بخشنده مهربان
لیزر
LAZER
اسلاید 2 :
ليزر به چه معناست؟
لیزر به وسیلهای گفته میشود که نور را به صورت شعاع های موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند پخش میکنند. این دستگاه از مادهای جمع کننده یا فعال کنده نور تشکیل شده که درون محفظه تشدید نور قرار دارد. ليزر به معناي تقويت نور توسط تابش گسيل القايي است. کلمه ليزرکوتاه شده عبارت
Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation
اسلاید 3 :
MASER Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
بنابراين ميزر همان ليزر است كه در بخش امواج مايكروويو طيف الكترومقناطيس توليد ميشود.
ميزر مبتني بر اصل انتشار القايي است که در سال 1917توسط آلبرت اينشتين پيشنهاد شد و از لحاظ تاريخي قبل از ليزر مطرح شده است.
اسلاید 4 :
تاريخچه
در سال 1917، اينشتين پديده گسيل القايي اتم به واسطه جذب فوتون را بديهي دانست.
در سال 1954 اولين ميزر توسط Townes, Shawlow, Prokhorov ساخته شد.
در سال 1960 اولين ليزر اپتيكي توسط Maiman ساخته شد.
در سال 1964 جايزه نوبل فيزيك به Townes, Prokhorov, Basov به دليل تحقيقاتشان در زمينه ليزر و ميزر اهدا گرديد.
اسلاید 5 :
ليزرها چگونه كار ميكنند؟
هر ليزر از بخشهاي اصلي زير تشكيل شده است:
1- يک منبع انرژي: اغلب منبع انرژي الکتريسيته است، ولي به جاي آن ميتوان يک منبع ي پرقدرت نور معمولي، تعامل کیمیاوی، يا حتي ليزري ديگر را نيز به کار برد.
2- يک محيط فعال: محيط فعال ماده اي است که مي تواند انرژي را جذب و آزاد کند. اين محيط فعال مي تواند جامد باشد، مانند ياقوت يا کریستال های ديگر، مايع باشد، مثل رنگينهها، يا گاز باشد مثل کاربن دای اکساید. باريکه ي نور ليزر در واقع در محيط فعال توليد مي شود.
3-اصليترين بخش ليزر (ساز و کار تشديد): اين بخش از دو آينه يا سطوح بازتابنده ي ديگر تشکيل شده است که در دو انتهاي محيط فعال قرار دارد. يکي از آينه ها، به نام جفتگر خروجي انعکاس کننده جزئي است.
اسلاید 6 :
1- محيط فعال
2- منبع انرژي
3- آينه كامل
4- آينه نيمه شفاف (جفتگر خروجي)
5- شعاع ليزر
اسلاید 8 :
نور ليزر چگونه توليد ميشود؟
1- منبع انرژي، يک شعاع نوربرخورد می کند و محيط فعال آن را جذب مي کند. انرژي جذب شده، بعضي از اتمهاي محيط فعال را هیجانی ميكند. اين اتمها به سویه انرژي بالاتر جهش ميکنند. شعاعهاي نور گسيل شده به برانگيزش اتمهاي محيط فعال ادامه مي دهد. به اين عمل پمپ نيز مي گويند. وقتي که در محيط فعال تعداد اتمهاي برانگيخته با انرژي زياد بيشتر از تعداد اتمهاي با انرژي کمتر شد، واروني جمعيت به وجود مي آيد. پديد آمدن واروني جمعيت براي عمل ليزري ضروري است. به بيان ديگر پمپ کنندهيک منبع انرژي خارجي است که واروني جمعيت را در محيط ليزري به وجود ميآورد. تقويت موج نور يا ميدان تابش فوتون تنها در يک محيط ليزري که در آن واروني جمعيت بين دو سویه انرژي وجود داشته باشد روي ميدهد. براي اينکه ليزر کار کند لازم است تعداد اتمهاي N2 در سویه انرژي E2 از تعداد اتمهاي N1 در سویه انرژي E1 بزرگتر باشد (E2>E1). اين وضعيت را واروني جمعيت مينامند. واروني جمعيت و گسيل القائي با هم در محيط ليزري کار ميکنند و باعث تقويت نور ميشوند. در غير اين وضعيت موج نور عبور کننده از محيط ليزري تضعيف خواهد شد.
اسلاید 9 :
نور ليزر چگونه توليد ميشود؟
2- در حين عمل ليزري، اتمهاي با انرژي بالاتر، در حال برگشتن به سویه انرژي پايين، انرژي اضافي خود را به صورت فوتون تابش مي کنند. اين فوتونها به نوبهي خود، اتمهاي ديگري را در محيط فعال، هیجانی ميكنند و همين اتمها نيز فوتون آزاد ميکنند. به اين ترتيب اتمهاي بيشتر و بيشتري از محيط فعال، فوتون تابش ميکنند و واکنش زنجيرهاي افزايش انرژي راه مي افتد. اين پديده به گسيل القايي موسوم است.
مهمترين لازمهٔ محيط تقويت کننده توانايي آن براي ايجاد واروني جمعيت بين دو سویه انرژي اتمهاي ليزري است. اين وضعيت با هیجانی ياپمپ اتمهاي بيشتري به سویه انرژي بالاتر نسبت به اتمهاي موجود در سویه پايينتر تحقق مييابد.
اسلاید 10 :
نور ليزر چگونه توليد ميشود؟
3- آينههاي دو سر ليزر نور گسيل شده را به محيط فعال برميگردانند و نور باز هم پر شدتتر ميشود، فرآيندي که تقويت نام دارد. با بيشتر و بيشتر شدن شدت، نور ايجاد شده در ليزر آن قدر قوي ميشود که از جفتگر خروجي که به طور جزئي نقره اندود (منعکس کننده) است به صورت نور ليزر به بيرون ميگريزد.
اسلاید 12 :
در حالت عادي: N3در حالت واروني جمعيت: N2>N1 يا N3>N2
اسلاید 13 :
در حالت تعادل ترموديناميكي با استفاده از توزيع بولتزمن داريم:
اسلاید 14 :
چرا به وارونگي جمعيت نياز داريم؟
1- جذب فوتون
آهنگ جذب:
d N2(t)/dt = K n(t) N1(t)
n(t) تعداد فوتونهاي ورودي در واحد حجم:
واكنشهاي مهم بين ماده و تابش را بررسي ميكنيم:
اسلاید 15 :
2- انتشار خودبهخودي فوتون
d N2(t)/dt = - g21 N2(t) = - N2(t)/ t2
حل: N2(t) = N2(0) exp(-g21t) = N2(0) exp(-t/ t2)
تغییرات انتشار خودبهخودي:
g21 :ضريب انتشار خودبهخودي است.
نكته: فوتونهاي حاصل از انتشار خودبهخودي به طور تصادفي در تمام جهات پخش ميشوند.
اسلاید 16 :
3- انتشار واداشته (القايي) يك فوتون
d N2(t)/dt = - K n(t) N2(t)
ضريب ثابت K براي انتشار القايي و جذب (القايي) يكسان است.
فوتونهاي القايي حاصل از انتشار القايي همان فركانس و جهت فوتون ورودي را دارند.
انتشار القايي حاصل پاسخ تشديد (Resonance Response) اتم به يك سيگنال تحميلي است.
اسلاید 17 :
dN2(t)/dttot = dN2(t)/dtabsorp+ dN2(t)/dtStimul+ dN2(t)/dtSpontan
= +Kn(t)[N1(t)-N2(t)]-g21N2(t) = - dN1(t)/dttot
dn(t)/dt = -K [N1(t)-N2(t)] n(t)
n(t) = n(0) exp[-K(N1-N2)t]
در حالت عادي N1>N2 و لذا در صورتي كه تعداد فوتونهاي ورودي در ابتدا را n(0) در نظر بگيريم با گذشت زمان به دليل منفي بودن نما، n(t) كاهش مييابد. پس براي تقويت فوتونها بايد N2>N1 (وارونگي جمعيت) شود تا نما مثبت شده، شاهد رشد تعداد فوتونها باشيم.
اسلاید 18 :
از آنجا كه زمان استقرار الكترون در لايههاي بالاتر از لايه خود در حالت اتم خنثي، چيزي حدود 8-10 تا 9-10 ثانيه ميباشد، براي آنكه فرصت بيشتري براي عمل پمپاژ كردن و توليد ليزر داشته باشيم، از سه يا چهار سویه انرژي استفاده ميكنيم. در اين حالت، سویههاي سوم يا چهارم به صورت يك واسطه مياني بين عمل پمپاژ و عمل توليد ليزر ايفاي نقش مينمايند. همچنين سویه دوم (در مدل سهسویهي) و سویه سوم (در مدل چهارسویهي)، مدارهاي نسبتا پايداري (Metastable) هستند (بسته به ساختار اتم) كه مدت حضور الكترون در آنها به چيزي حدود 3-10 ثانيه ميرسد و اين خود در رسيدن به وارونگي جمعيت نقش مهمي ايفا ميكند.
اسلاید 19 :
ليزر سه سویهي
براي واروني جمعيت بايد بيش از 50 درصد اتمها در سویه 2 قرار داشته باشند.
در اين حالت در مقايسه با ليزر چهار سویهي (در اسلايد بعد) به پمپاژ سريعتري
نياز داريم.
اسلاید 20 :
ليزر چهار سویهي
در مقايسه با ليزر سه سویهي پمپاژ ميتواند با آهنگ كندتري صورت پذيرد.
