مقاله کاربرد های لیزر

توضیحات محصول

دانلود مقاله کاربرد های لیزر با فرمت ورد ودر 30 صفحه قابل ویرایش

قسمتی از متن مقاله کاربرد های لیزر

مقدمه

امروزه ليزر كاربردهاي بيشماري دارد كه همه زمينه هاي مختلف علمي و فني فيزيك-شيمي-زيست شناسي - الكترونيك و پزشكي را شامل مي شود. همه اين كاربردها نتيجه مستقيم همان ويژگي هاي خاص نور ليزر است

لیزر چیست ؟

نور ليزر نوع كاملاً جديدي از نور است؛ درخشان‌تر و شديدتر از هرچه كه در طبيعت يافت مي‌شود. مي‌توان نور ليزري آن‌چنان قوي توليد كرد كه هر ماده‌ي شناخته شده‌ي روي زمين را در كسري از ثانيه بخار كند. مي تواند سخترين فلزات را سوراخ كند يا به راحتي جسم سختي مثل الماس را سوراخ كند و از آن بگذرد.

برعكس، باريكه‌ي كم قدرت و فوق‌‌العاده دقيق انواع ديگر ليزر را مي‌توان براي انجام دادن كارهاي بسيار ظريف مثل جراحي روي چشم انسان به كار برد. نور ليزر را مي‌توان خيلي دقيق كنترل كرد و به صورت باريكه‌ي مداومي به نام موج پيوسته يا انفجارهاي سريعي به نام پالس درآورد.

اگرچه اصول بنيادي ليزر از 40 سال پيش شناخته شده بود، نمايش اولين ليزر، دريچه‌‌اي را به طرف يكي از هيجان انگيزترين و پردامنه‌ترين پيشرفت هاي تكنولوژي قرن بيستم گشود. در ظرف چند سال پس از نمايش اولين ليزر، انواع بسيار گوناگوني از ليزرها به صورت ابزارهاي عملي به صور گوناگون به كار گرفته شدند. ليزرها در تكنولوژي انقلابي جديد پديد آورده‌اند و تأ ثير آن‌ها بر زندگي ما در آينده نيز ادامه خواهد داشت.

 مقاله کاربرد های لیزر

امروزه گستره‌‌ي وسيعي از ليزرها در همه جا به كار گرفته شده‌اند. فروشگاه‌هاي بزرگ و بسياري از انبارهاي بزرگ خورده‌فروشي براي جستجوي خود‌به‌خود، ثبت قيمت‌‌ها و صورت‌برداري از اقلام خريداري شده، در قسمت حساب كننده از ليزر بهره مي‌گيرند. در دستگاه‌‌هاي ويدئويي از نور ليزر براي خواندن ديسك‌هاي ويدئويي و ايجاد تصوير متحرك همراه با صدا استفاده مي‌كنند. مقدار زيادي اطلاعات را روي ديسك‌‌هاي ليزري ثبت مي‌كنند تا بعداً روي صفحه‌ي كامپيوتر خوانده شوند يا توسط چاپگرهاي ليزري به شكل نسخه‌ي سخت روي كاغذ چاپ شوند.

در پزشكي نور ليزر به عنوان نوع جديدي چاقوي جراحي بدون خونريزي استفاده مي‌شوند و وقتي كه نسجي مثل قسمت معيوب كيسه‌ي صفرا در خلال جراحي برداشته مي‌شود، رگ‌هاي خوني بسته مي‌‌شوند. كارهاي دندانپزشكي با ليزر درد كمتري دارند و براي روكش و پل دندان از ليزرها استفاده مي‌شود.

در صنعت از ليزرها براي عمليات گرمايي فلزات، جوش دادن قسمت‌ها به يكديگر و وسايل هم‌ترازي دقيق استفاده مي‌شود. ليزرها را براي اندازه‌گيري دقيق فاصله‌هاي خيلي بزرگ و نيز فاصله‌هاي خيلي كوچك به كار مي‌برند. افزون بر اين‌ها ليزرها را همراه با تارهاي نوري، براي انتقال بهتر داده‌ها و بهبود ارتباط تلفني به كار مي‌گيرند. ليزرها در حال تغيير دادن نحوه‌ي پژوهش دانشمندان هستند. ليزرها مي‌توانند چشمه‌ي جديدي از قدرت الكتريكي بيافرينند، مشابه فرايندي كه در خورشيد براي توليد انرژي به وجود مي‌‌آيد.

 مقاله کاربرد های لیزر

خواص  نور ليزر و كاربرد‌هاي آن
‏ از نخستين روزهاي ساخت ليزر پي برده شد كه نور ليزر خواص مشخصه‌اي دارد كه آن را از نورهاي ايجاد شده از ساير منابع، متمايز مي‌كند. در ابتدا به اين ويژگي‌ها و نحوه ايجاد آنها توسط ليزر اشاره خواهيم كرد. ليزر داراي سه ويژگي مهم است:
تك‌فامي
‏     در توضيح اين ويژگي لازم است ابتدا با مفهوم گسيل القايي ( نشر القايي)آشنا شويم. گسيل پرتو توسط الكترونهاي برانگيخته در داخل اتم به دو صورت است :1 ) گسيل خود به‌خودي  2) گسيل القايي
فرض كنيد ‏‎1 ‎‏ ‏e‏ و ‏e2‎‏   دو تراز متوالي از يك اتم با انرژي‌هاي  ‏‎1‎‏ ‏E‏  و‏‎2‎‏ ‏E‏   باشد و الكتروني در تراز ‏‎ e1 ‎در حالت پايه خود قرار گرفته باشد. اگر به هر دليلي اين الكترون از‎ ‎تراز ‏‎1‎‏ ‏e‏   به تراز بالاتر ‏‎2‎‏ ‏e‏ برود گفته ميشود اتم تحريك شده است يا در حالت برانگيخته قرار دارد. چون اين حالت يك حالت‏‎ ‎‏ ناپايدار است اتم تمايل دارد هرچه زودتر به حالت پايدار باز گردد. به همين دليل الكترون مزبور بلافاصله به حالت  قبلي در تراز‏‎1‎‏ ‏e‏  بر خواهد گشت. از طرفي چون اين دو تراز اختلاف انرژي  ‏‎1‎‏ ‏E‏ ‏E 2-‎‏ دارد بنا بر اصل پايستگي انرژي، انرژي اضافي الكترون به صورت تابش با فركانس ‏V،  حين بازگشت به تراز اول گسيل مي‌شود. به اين فرآيند گسيل خودبه‌خودي گويند. حال اگر الكتروني در تراز‏‎2‎‏ ‏e‏  در حالت پايه خود قرار داشته باشد و ما به طريقي اتم را تحريك كنيم ( ميدان الكترومغناطيسي، تابش، حرارت و... ) در اثر اين القا الكترون مزبور تراز ‏‎2‎‏ ‏E‏  را ترك نموده وبه تراز ‏‎ E1‎برود و حين اين انتقال ( بنا به اصل پايستگي انرژي ) تابش گسيل كند به اين تابش گسيل القايي يا نشر القايي گويند. ‏
‏     هر كدام از اين فرآيندها ويژگي‌هاي خاص خود را دارد. در گسيل خودبه‌خودي تابش‌هاي گسيل شده به صورت كاتوره‌اي و در تمام جهات گسترده است. اما در گسيل القايي جهت تابش در يك راستاي معين خواهد بود. از طرفي در گسيل خودبخودي فوتونهاي تابشي  در اثر گزار بين اتمهاي ترازهاي اتمي يا مولكولي مختلف و متفاوت از هم به وجود مي‌آيند پس اين تابش‌ها طيف گسترده‌اي از فركانس‌ها را شامل مي‌شود. ‏

 مقاله کاربرد های لیزر

‏     اما در گسيل القايي تابش در اثر گزار بين ترازهاي اتمي يا مولكولي مشابه گسيل مي‌شود. بنابراين همه تابش‌ها تقريبا فركانس يكساني دارد. معمولا در ليزر از فرآيند گسيل القايي استفاده مي‌شود. اما براي داشتن گسيل القايي طولاني مدت به مولكول‌هايي شامل دوتراز كه تراز بالايي آن پروتراز پاييني آن خالي باشد، نياز داريم. اما آنچه كه نظريه‌هاي كوانتومي  بيان مي‌كنند اين است كه بنا به قاعده گزينش  در اتم‌ها ابتدا ترازهاي پايين‌تر پر مي‌شود. بنابراين  به وضعيت به‌وجود آمده  در ليزر، وارونگي جمعيت گويند. نحوه ايجاد وارونگي جمعيت  بسته به نوع ليزر متفاوت است. مثلا در ليزر هليوم نئون مخلوط  كردن اين دو گاز منجر به جفت شدن برخي تراز‌ها ي اتمي آن دو شده و وارونگي جمعيت مورد نياز را تامين مي‌كند. به اين ترتيب ليزر قادر به ايجاد تابشي تك فركانس  خواهد بود. با اين وجود براي تك فركانس شدن بيشتر از يك عنصر اپتيك مانند بازآواگر( سنجه) نيزدر ليزر استفاده مي‌شود. ‏
ويژگي تك‌فامي نور ليزر بيشتر كاربرد شيميايي دارد. به عنوان مثال براي جدا سازي ايزوتوپ‌هاي يك عنصر به يك منبع تك‌فام مانند ليزر نياز است. ايزوتوپ‌هاي يك عنصر از نظر محتوا باهم متفاوت است پس فركانس‌هاي جذب آنها نيز اندكي متفا وت خواهد بود كه تنها نور ليزر قادر به تفكيك آنها است. تمايل زياد به استفاده از اين كاربرد در صنايع هسته‌اي نيز غيرمنتظره نيست. ‏

 مقاله کاربرد های لیزر

همدوسي
‏     تابش الكترو مغناطيس  به وسيله بارهاي الكتريكي نوسان كننده توليد مي‌شود. بسامد نوسان نوع تابشي را كه گسيل مي‌شود، معين مي‌كند. اگر در يك چشمه، بارها ي الكتريكي  به طور هماهنگ نوسان كند چشمه را همدوس و تابش حاصل را تابش همدوس مي‌ناميم. همانطور كه قبلا گفته شد در ليزر از گسيل القايي استفاده مي‌شود. در اين فرآيند مي‌توان اتم را به نحوي تحريك كرد كه همه الكترونهاي برانگيخته فقط به تراز‌هاي خاصي برود و در نتيجه فركانس تابشي آنها همه در يك محدوده خواهد بود. پس تمام اين تابش‌ها با هم هماهنگ است كه اين همان تعريف چشمه همدوس است. از همدوسي نور ليزر مي‌توان در تمام‌نگاري استفاده كرد. تمام‌نگاري روشي  جهت تهيه تصاوير سه بعدي است. در اين روش تصوير ويژه‌اي به نام تمام نگاشت روي فيلم عكاسي تشكيل مي‌شود كه بر خلاف ديگر تصاوير متداول عكاسي، حاوي اطلاعاتي نه تنها پيرامون شدت بلكه در مورد فاز نور بازتابيده از جسم نيز هست. واضح است كه منبع نور آشفته چون خود داراي پرتو هايي  با فازهاي مختلف است قادر به تشكيل چنين تصويري نخواهد بود. تنها  مشكل موجود براي چنين تصاويري آن است كه تنها امكان تهيه تمام نگاشت‌هاي تك‌فام وجود دارد زيرا براي تشخيص رنگهاي واقعي جسم بايد از تابش طول موج‌هاي مختلف به طور همزمان استفاده كرد كه در آن صورت اطلاعات مربوط به فاز از بين مي‌رود. ‏

 مقاله کاربرد های لیزر

شدت زياد
‏     شدت زياد، خاصيتي است كه بيش از ساير موارد همراه نور ليزر است و در حقيقت ليزرها بالاترين شدت‌هاي شناخته شده روي زمين  را ايجاد مي‌كند. از آنجا كه ليزر باريكه‌اي موازي از نور را نه در تمام جهت‌ها، بلكه در راستاي مشخصي گسيل مي‌كند. مناسب‌ترين معيار شدت، تابيدگي است. بنا بر رابطه بين توان تابش شده وتابيدگي: 
                                                                                       ‏I = P / A
‏ كه در آن  ‏P‏  توان و ‏A‏  مساحت  است مي‌توان در مورد شدت‌ها ي زياد  بحث كرد. ازآنجايي كه خروجي منابع نور معمولي اكثرا پرتو‌هاي واگرا است با دور شدن از چشمه به علت افزايش مساحت با ثابت ماندن توان (توان به ويژگي خود چشمه بستگي دارد )ميزان شدت آن كاهش مي‌يابد اما در ليزر به علت موازي بودن پرتوها، هر چه فاصله از منبع بيشتر شود با ثابت ماندن توان، مساحت سطح مقطع باريكه خروجي نيز تقريبا ثابت است و در نتيجه شدت در فاصله  دوراز منبع همان مقداري را دارد كه پرتو خروجي از منبع دارد. ‏
‏     اما اينكه چرا شدت خروجي از ليزر تا به اين اندازه زياد است، به توان ليزر بر مي‌گردد. داخل ليزر سيستمي وجود دارد كه نور ورودي به هنگام خروج تقويت مي‌شود. همچنين با استفاده از ابزارهاي اپتيك مناسب در ليزر مي‌توان به شدت‌هايي دست يافت كه از شدت خود منبع فراتر رود. ‏
‏     لازم به توضيح است كه شدت نور خروجي از ليزر داراي توزيع گوسي است، يعني شدت براي لحظه  كوتاهي بيشترين مقدار خود را دارد. در ابتدا يك صعود ودر انتها يك نزول براي آن وجود دارد. پس يك طول عمر براي شدت حداكثر مي‌توان تعريف كرد. طول عمر شدت ماكزيمم معمولا خيلي كوتاه است. يكي از كاربرد‌هاي كوتاه بودن عمر شدت‌هاي بالا در هرتپ، در چشم پزشكي است. مثلا پارگي شبكيه را كه باعث كوري موضعي مي‌شود مي‌توان با جوشكاري نقطه‌اي توسط تپ‌هاي پر شدت نور حاصل از ليزر آرگون با بافت نگهدارنده آن متصل كرد. به علت كوتاه بودن عمر  يك تپ، حين عمل نيازي به بيهوشي، بي حركت كردن طولاني چشم و... وجود ندارد. در كاربرد‌هاي ديگر پزشكي كوتاه بودن طول عمرتپ مانع از احساس درد در بيماران مي‌شود. چرا كه زمان هرتپ بسيار كوتاهتر از زمان لازم براي فرستادن پيغام  توسط اعصاب به مغز و بازگشت آن به محل درد است. ‏

 مقاله کاربرد های لیزر

ساختمان ليزر
     در شكل شماره (1) طرح ساده‌اي از يك ليزر گازي را مشاهده مي‌كنيد. ساختار اصلي در اكثر ليزرها مشابه است. ليزر در واقع يك نوسان كننده اپتيك است كه از يك محيط تقويت‌كننده نور كه در داخل يك بازآواگر قرار دارد تشكيل مي‌شود. پس اصلي‌ ترين قسمت در ليزر محيطي است كه بتواند نور عبوري را تقويت كند. در ليزر‌هاي گازي از مخلوط يك يا چند گاز ( هليوم، نئون، آرگون و... ) به صورت خالص به عنوان محيط  تقويت كننده استفاده مي‌شود. بخار فلزي كادميوم، جيوه، سرب و... نيز در ليزر‌هاي گازي كاربرد دارد. از انواع ديگر ليزر‌هاي گازي، ليزر مولكول ازت( ‏‎2‎‏ ‏N‏) و ليزر دي اكسيد كربن  (‏CO2‎‏) است.‏
محيط تقويت كننده معمولا توسط يك محرك بيروني به كار مي‌افتد و شروع به تابش مي‌كند. در اثر اين تحريك، الكترون‌هاي هر اتم مدار خود را ترك كرده به مدار پايين تر در اتم مربوط مي‌رود. جهت برقراري اصل پايستگي انرژي (به علت وجود اختلاف انرژي بين دو مدار) حين اين گذار تابش خواهند كرد. اين تابش نسبتا تك فام است زيرا عمل تحريك طوري است كه عمل گذار بين تراز‌هاي يكسان اتفاق بيفتد. در ليزر نشان داده شده اين محرك استفاده از روش تخليه جريان الكتريكي است كه به دو نوع تخليه جريان مستقيم و تخليه جريان متناوب در ليزر‌هاي گازي متداول است. روش تخليه جريان متناوب ساده‌ترين روش   تحريك است چرا كه منبع تغذيه مي‌تواند يك مبدل عمومي ولتاژ كه به الكترود‌هاي فلزي سرد در داخل لامپ متصل مي‌شود، باشد. از روش‌هاي ديگر بر انگيزش الكتريكي محيط ليزري، مي‌توان روش تخليه الكترودي با بسامد بالا ( كه در اولين ليزر هليوم نئون ساخته شده توسط جوان و همكارانش استفاده شده بود. ) و روش تپ‌هاي فشار قوي ( براي استفاده در ليزر‌هاي تپي پر توان) اشاره كرد. ‏

 مقاله کاربرد های لیزر

‏      در قسمت ديگر يك ليزر در دوجداره ابتدا و انتها از دو آينه صاف كه با زاويه معلوم نسبت به افق به طور موازي با هم قرار دارد، استفاده مي‌شود به چنين سيستم اپتيك، دريچه‌هاي بروستر گفته مي‌شود. كاربرد اين دريچه‌ها در قطبيده نمودن پرتوهاست. اين دريچه‌ها براي يك جهت قطبيدگي خاص شفاف است ولي براي عبور قطبيدگي عمود بر آن ضريب عبور صفر است و تمام نور بازتابيده خواهد شد. استفاده از اين وسيله در ليزر موجب قطبيدگي خطي نور خروجي از ليزر خواهد شد. ‏
‏     قسمت مهم ديگر ليزر استفاده از بازآواگر است. بازآواگر وسيله‌اي اپتيكي است كه از دو آينه (تخت يا خميده) تشكيل مي‌شود به طوري كه محيط تقويت كننده در ميان آنها قرار دارد. تابش خروجي از تقويت كننده پس از قطبيده شدن توسط دريچه‌هاي بروستر به يكي از اين آينه‌ها برخورد نموده جزئي از پرتو عبور و جرئي از آن بازتاب مي‌يابد. پرتو بازتابيده دوباره مسير محيط تقويت كننده و دريچه بروستر را پيموده و به آينه سمت مقابل بر خورد مي‌كند. به اين ترتيب عمل عبور و بازتاب بار‌ها تكرار مي‌شود. نهايتا نور خروجي از تقويت كننده در اثر رفت و آمد بين دو آينه به صورت يك موج ايستاده در مي‌آيد. لازم به ذكر است كه براي خروج انرژي از بازآواگر دو آينه به طور جزئي شفاف است. ويژگي پرتو خروجي از بازآواگر تك فام بودن آن است. در وواقع بازآواگر عمل گزينش فركانس را انجام مي‌دهد. ‏
شكل شماره (2) طرحي كلي از داخل يك ليزر هليوم-نئون را نشان مي‌دهد. محيط ليزري، دريچه‌هاي بروستر، آينه‌هاي بازآواگر، سيستم مربوط به محرك، محيط ليز كننده و ساير جزئيات مورد نياز مانند لايه محافظ  و شفاف آلومينيومي  جهت جلوگيري از خروج انرژي از ديواره‌ها و بازتاب آن به داخل محيط تقويت كننده در شكل نشان داده شده است.

 مقاله کاربرد های لیزر

لیزر و کاربردهای آن

فكر ساختن وسيله‌اي كه نور همدوس توليد كند ، مدتها دانشمندان قرن حاضر را به خود مشغول داشته بود . در سال 1985 فيزيكدان مشهور آمريكايي چالز تاونز راه اين كار را پيدا كرد . دو سال بعد دانشمند ديگر آمريكايي ، تئودور مايمن به نظريه تاونز جامه عمل پوشاند و اولين ليزر را با بلوري از ياقوت مصنوعي ساخت اين دو بعداً به دريافت جايزه نوبل نايل آمدند . يك ليزر ياقوتي ساده از سه بخش تشكيل مي‌شود : استوانه‌اي از ياقوت مصنوعي ، يك چشمه نور ـ مثلاً يك لامپ گزنون كه مانند لامپ نئون كار مي‌كند . ( گزنون و زنون هر دو از گازهاي بي‌اثرند يعني اتمهايشان با اتمهاي ديگر مولكول نمي‌سازد . ) ـ و يك بازتابنده كه نور را از لامپ گزنون به ياقوت هدايت مي‌كند

استوانه ياقوتي ، بخش اصلي دستگاه است . قطر آن در حدود 7 ميليمتر و طولش 3.5 تا 5 cm است . دو قاعده استوانه صيقل خورده و نقره اندود شده است تا آينه كاملي باشد . قاعده ديگر نيز نقره اندود است ولي نه كاملاً به طوري كه مي‌تواند قسمتي از نور را از خود عبور دهد .

ياقوت بلور اكسيد آلومينيوم است كه در آن تعداد نسبتاً كمي اتم كروم معلق است . اتمهاي كروم از طريق گسيل القايي ، كوانتوم نور توليد مي‌كنند ، اتمهاي اكسيژن و آلومينيم كه بقيه بلور را تشكيل مي‌دهند فقط اتمهاي كروم را در جايشان نگه مي‌دارند. اتمهاي كروم نسبتاً بزرگ است و تعداد زيادي الكترون در مدارهايشان دارد . در اين جا فقط الكتروني مورد توجه ماست كه بيش از ديگران برانگيخته مي‌شود .

لازم به ذكر است واژه ليزر از حروف اول (( تقويت نور بوسيله گسيل برانگيخته تابش )) در زبان انگليسي گرفته شده كه آن را مي‌توان توسعه “maser” تقويت ميكروويو بوسيله گسيل برانگيخته تابش در محدوده فوتوني طيف امواج الكترومغناطيسي دانست

كاربرد ليزر در فيزيك و شيمي

اختراع ليزر و تكامل آن وابسته به معلومات پايه اي است كه در درجه اول از رشته فيزيك و بعد از شيمي گرفته شده اند. بنابراين طبيعي است كه استفاده از ليزر در فيزيك و شيمي از اولين كاربردهاي ليزر باشند