لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه: 128
بررسی ماهیت نور و ارتباط آن با پدیده لیزر
1-1- ماهیت نور
یونانی ها اولین کسانی هستند که کوشیدند طبیعت نور و چگونگی دیدن را توضیح دهند، بعد از آن، ظهور علوم تجربی دو نظریه مترادف را به ارمغان آورد. یکی از آنها نطریه ذره‌ای نیوتن بود که نور را متشکل از باریکه‌ای از ذرات دانسته که این ذرات تابع قوانین حرکت می‌باشند. نظریه دیگر نظریه موجی هوک و هویگنس است که طبیعت موجی را برای نور پیشنهاد کردند. پذیرش هر نظریه مستلزم توجیه پدیده‌های نور مانند انعکاس، تداخل ، شکست، پراش، فتوالکتریک، جذب و گسیل و ... می‌باشد و هر نظریه قادر است بعضی از پدیده های ذکر شده را توجیه کند برای مثال پدیده تداخل اولین بار توسط یانگ در سال 1801 ارائه شد که فقط با در نظر گرفتن نظریه موجی قابل توضیح است. پدیده پراش با توجه به اصل هویگنس و ایجاد موجک‌های ثانوی فقط بر اساس نظریه موجی قابل توجیه است که ایشان پیشنهاد کرد که پلاریزاسیون نور فقط به دلیل عرضی بودن امواج نور اتفاق می‌افتد و از این رو نتیجه می شود که ارتعاشات امواج نور بر امتداد انتشار آنها عمود است برخلاف امواج صوتی که به صورت طولی بوده و امتداد ارتعاش ذرات محیط در امتداد انتشار امواج صوتی است. با پیشرفت علم و فهم بیشتر طبیعت نور، ماکسول در سال 1864 به این نتیجه رسید که نور به مانند امواج الکترومغناطیس است که دارای سرعت ، فرکانس و طول موج می‌باشد. امروزه برای ما کاملا ثابت شده که امواج نور از دو مولفه میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم تشکیل شده اند و جهت انتشار امواج عمود بر امتداد ارتعاش این دو است.
در جدول 1-1 انواع امواج الکترومغناطیس و مشخصات آنها آورده شده است . گستره امواج مشخص شده در جدول شامل نواحی مختلفی است که مرز مشخصی برای آنها وجود ندارد.
در سال 1887 هرتز موفق به تولید امواج الکترومغناطیس نامرئی شد. امروزه ما امواج الکترومغناطیس با فرکانس‌های بین را می‌شناسیم.
اما پدیده‌های همچون فتوالکترویک، جذب و گسیل، توسط نظریه موجی نور قابل توجیه نیست.
در پدیده فتوالکتریک تابش نور برخورد کننده به سطح فلز الکترونهای آزاد میکند، رها شدن الکترون وقتی اتفاق می‌افتد که فرکانس پرتو تابش به حد کافی بالا باشد برای مثال در حالی که نور بسیار قوی قرمز قادر به ایجاد فوتوالکترون نیست نور آبی با شدت کم قادر به تولید فوتوالکترون است.
چرا که انرژی جنبشی کافی دارد. بر اساس نظریه ذره‌ای نور در سال 1905 انیشتین به سادگی پدیده فتوالکتریک را توجیه کرد. ایشان نور برخورد کننده را متشکل از بسته های کوچک انرژی یا ذراتی به نام فوتون در نظر گرفت که انرژی هر فوتون متناسب با فرکانس آن است. E=hv که h ثابت پلانک و v فرکانس می‌باشد فوتون برخورد کننده میتواند انرژی خود را به یک الکترون بدهد و بر نیروی فتوالکتریک نیست، نه میتواند علت عدم تولید فوتوالکترون ها را وقتی نور قرمز با شدت زیاد به کار برده میشود توضیح دهد و نه گسیل خود به خودی الکترونها وقتی که چشمه مناسب نور به کار گرفته میشود. بنابراین به نظر می‌رسد هر دو نظریه رقیب در مورد نور ، نه تنها مخالف هم نبوده بلکه مکمل یکدیگر می‌باشند و ما بایستی هر دوی آنها را بپذیریم، مادامیکه نور ، با نور برهم کنش انجام میدهد مانند پدیده تداخل نور ما نظریه موجی نور را در نظر می‌گیریم و وقتی که نور با ماده برهم کنش دارد مانند پدیده فوتوالکتریک ما نظریه ذره‌ای نور را به کار می‌بریم، این وضعیت به آنچه که طبیعت دو گانه تابش نامیده میشود منجر می‌گردد.
1-2 – گسیل و جذب نور
اینشتین اثر فوتوالکتریک را بر اساس کارهای قبلی پلانک توجیه نمود و نظریه کوانتومی نور برای بیان چگونگی تابش جسم سیاه را ارائه کرد. پلانک گسیل امواج الکترومغناطیس را به نوسان کننده هائی در داخل جسم سیاه نسبت داد که ایجاد میدان الکتریکی می‌کنند. فرض مهم این است که این نوسان کننده ها می‌توانند مقادیر انرژی معینی را داشته باشند و این انرژی مضرب صحیحی از E=hv است. مطلی که پلانک معرفی نموده امروزه به نظریه کوانتومی معروف است. اهمیت نظریه کوانتومی در بحث ما این است که سیستم های اتمی دارای ترازهای انرژی مجزا یا حالت های انرژی مجزا هستند.
در سال 1823 نشان داده شد که هر عنصر اتمی یک طیف مشخصی را تولید میکند لیکن توضیح آن تا سال 1913 بوسیله بوهر میسر نشد، بوهر نظریه‌ای ارائه داد که او را قادر ساخت طول موج طیف ساده ترین اتم ها یعنی هیدورژن را پیش بینی کند. او مدل اتمی را در فورد رابه کار برد که در آن مدل، اتم از یک هسته سنگین با بار مثبت به وسیله تعدادی بارهای منفی به نام الکترون احاطه شده تشکیل شده است و اتم های هر جسم دارای تعداد معینی الکترون می‌باشند، برای توضیح این که چرا الکترون ها نمی‌توانند جذب بار مثبت هسته شوند او فرض کرد که الکترون ها روی مدارهائی به دور هسته مانند حرکت سیارات به دور خورشید در حرکت هستنمد. نیروهای جاذبه‌ای که احتیاج است تا الکترون بر روی مدار معینی باقی بماند با توجه به جاذبه کولنی هسته مثبت روی الکترون منفی تامین می‌گردد و می‌توانیم بنویسیم:
V, e,m جرم،بار و سرعت الکترون و r شعاع مدار و نفوذپذیری در خلاء است. بوهر فرض کرد تنها الکترون هیدروژن مجاز است فقط مدارهای معینی را اشغال کند. وقتی که الکترون در یکی از این مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار دارد هیچ اثری توسط اتم ساطع نمی شود. هر یک از این مدارهای مجاز به یک تراز معین یا حالت انرژی معی مربوط می‌شوند. برای توضیح خطوط طیفی هیدروژن ، بوهر فرض کرد که الکترون و به طبع اتم، با حرکت از یک مدار با انرژی بالاتر ( دوتر از هسته) به یک مدار با انرژی کمتر ( نزدیک تر به هسته ) انرژی از دست میدهد. این انرژی به صورت یک فوتون با انرژی hv است که در این رابطه به ترتیب انرژی الکترون قبل و بعد از انتقال است از آنجائی که مدارهای متعدد و مجزایی وجود دارند بنابراین انتقالات مختلفی نیز ممکن است انجام شود از این رو اتم هیدروژن فرکانس های مختلفی را می تواند گسل دارد.
به طور کلی هر اتم تمایل دارد در حالت های انرژی پایین تر قرار گیرد. از این رو برای ایجاد طیف اتم هیدروژن لازم است الکترون ها را با تحریک کردن به ترازهای بالاتر بفرستیم. این عمل با حرارت و یا برخورد با الکترون های دیگر در لوله تخلیه الکتریکی و یا به کمک تابش با طویل موج های مناسب انجام پذیر است. هر طول موجی که توسط اتم در حالت تحریک گسیل می شود میتواند توسط آن وقتی که در ترازهای پایین انرژی قرار دارد جذب شود.
البته فوتون های برخورد کننده باید خیلی نزدیک به اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی اتمی درگیر باشد. در این حالت جذب تشدیدی نامیده میشود. به روش مشابهی بوهر قادر بود که خطوط طیفی دیگر اتم های چند الکترونی را که طیف پیچده‌تری دارند توضیح دهد. نظریه بوهر توصیف خوبی از حالت اتم بر پایه فیزیک کلاسیک و فیزیک مدرن که اساسا بر فیزیک کوانتومی استوار است، به دست میدهد. فیزیک کوانتومی برای هر الکترون در اتم چهار عدد کوانتومی تعریف میکند. این چهار عدد را می‌توان مختصات و مشخصه های الکترون تعریف کرد که انرژی آن را به کمک آنها می‌توان به دست آورد. درست مثل مختصات هندسی که برای تعیین محل یک نقطه مادی به کار گرفته میشود. تعیین مقادیر مجاز این اعداد کوانتومی تعیین انرژی‌های الکترونها ر در هر اتم به کمک این اعداد مقدور میسازد به علاوه طول موج‌هایی که توسط اتم منتشر می‌شوند را می‌توان پیش بینی کرد.
قابل توجه است که فوتون ها وقتی ایجاد می شوند که یک الکترون بین دو تراز انرژی کاملا معین انتقال یاد وانرژی فوتون ها نیز کاملا معین است وقتی فرکانس و طول موج مربوط به فوتون ها مقدار ثابت و معینی باشد می‌گوییم تابش تکفام است. برای اتم های پیچیده که دارای ترازهای الکترونی زیاد هستند تعداد زیادی از حالات ممکن است به طوری که طول موج های مختلف گسیل یا جذب شوند. بسته به اینکه الکترون ها اصولا در حالت های انرژی بالا ( تحریک شده ) و یا درحالت های انرژی پایین باشند پدیده های جذب و گسیل اتفاق می‌افتد.
1-3- برهمکنش تابش نور و ماده
اتمی را در نظر بگیرید که فقط دارای دو تراز انرژی باشد تراز بالایی را و تراز پایینی را می‌نامیم. در شرایط عادی اتم در تراز پایین قرارمی‌گیرد چرا که سیستم ها همیشه در حالت مینیمم انرژی پایدارتر هستند. اگر اتم در تراز پایین تحت تاثیر تابش با فرکانس قرار گیرد، داریم:
اتم با جذب این فوتون تحریک شده و به تراز بالاتر می‌رود این فرآینمد به فرآیند جذب برانگیخته موسوم است.
این اتم بلافاصله ( معمولا پس از چند نانو ثانیه) بعد از تحریک شدن به تراز بالاتر، با گسیل فوتونی با انرژی به تراز انرژی پایین‌تر باز می گردد که به این فرآیند، فرآیند گسیل برانگیخته یا گسیل تحریگی می‌گویند.
اما اگر اتم ابتدا در تراز باشد و با گسیل فوتونی به تراز افت کند به این پدیده گسیل خود به خودی می‌گویند.
دونکته بسیار مهم در ارتباط با گسیل تحریکی وجود دارد که خواص نور لیزر به آن بستگی پیدا میکند. اول آن که فوتونی که با گسیل برانگیخته ایجاد میشود دارای همان انرژی فوتون برانگیزنده یا تحریک کننده است. بنابراین امواج ایجاد شده دارای همان فرکانس خواهند بود.
دوم آن که امواج نوری مربوط به دو فوتون ایجاد شده هم فاز و همچنین دارای پلاریزاسیون مشابه بوده بنابراین همدیگر را تقویت و دامنه آنها افزایش می‌یابد پس ما امکان تقویت نور به وسیله گسیل‌های تحریکی تابش که در واقع همان نور لیزر است خواهیم داشت.
در کسیل خود به خودی، اتم ها کاملا به بصورت اتفاقی گسیل کرده و رابطه خاصی بین امواج اتم ها وجود نداشته بنابراین تابش‌ها غیر همدوس بوده و همدیگر را تقویت نمی‌کنند. در شرایط معمولی تعادل گرمایی، گسیل خود به خودی در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیس، از اتم ها بسیار محتمل تر از گسیل برانگیخته می‌باشد. و تابش اکثر چشمه های نوری غیر همدوس است. بنابراین پدیده لیزر وقتی اتفاق می‌افتد که اتم را از حالت تعادل ترمودینامیکی خارج سازیم.
فصل دوم
تولید نور لیزر و اجزاء آن
2-1- مبانی نظری نور لیزر
همانگونه که در فصل اول اشاره شد با ایجاد پدیده گسیل تحریکی، امکان تقویت نور و ایجاد نور لیزر وجود دارد. قبل از بحث در خصوص مبانی نظری لیزر اصطلاح ماده فعال را تعریف می‌کنیم. ماده فعال ماده ای است که اجرای پدیده گسیل تحریکی بر روی آن به راحتی امکان پذیر باشد. برای تولید نور لیزر با قرار دادن ماده فعال در بین دو آینه و تحریک ماده فعال، پدیده گسیل برانگیخته اتفاق افتاده و فوتون آزاد میشود. این فوتون ها بین دوآینه رفت و آمد کرده و ضمن هر بار عبور از ماده فعال بین دو آینه تقویت می شوند چنانچه یکی از دو آینه به صورت نیمه آینه باشد باریکه نور لیزر پس از تقویت درحد مشخص از نیمه آینه خارج‌خواهد‌شد.(شکل 2-1)
بنابراین اجزاء اصلی لیزر به سه بخش زیر تقسیم میشود
1- ماده فعال
2- دمش کننده برای ایجاد پدیده گسیل برانگیخته بر روی ماده فعال
3- تشدید کننده فوتون گسیل شده از مرحله قبل تا حد مشخص
در بخش های بعدی این فصل به تشریح موارد فوق می‌پردازیم.
2-2- ماده فعال
ماده فعال به عنوان اساسی ترین بخش لیزر بوده به نحوی که این ماده تعیین کننده نوع لیزر می‌باشد همانگونه که قبلا اشاره شد ماده فعال ماده ای است که اجرای پدیده گسیل برانگیخته بر روی آن به راحتی قابل انجام است.
اگر یک ماده دو ترازی با ترازهای را به عنوان ماده فعال در نظر بگیریم برای آن که گسیل برانگیخته قابل توجه باشد، بایستی جمعیت ( تعداد اتم در واحد حجم) مربوط به تراز بالا نسبت به جمعیت تراز پایین بسیار افزایش یابد یعنی بایستی جمعیت معکوس ایجاد کرد .
در تعادل ترمودینامیکی با افزایش دما، ایجاد جمعیت معکوس امکان پذیر نیست. چون با افزایش دما به نزدیک میشود لیکن هرگز از بیشتر نخواهد شد. برای ایجاد جمعیت معکوس ها اتم ها در ماده لیزری باید تحریک شوند یا به اصطلاح دمیده شوند که در بخش بعدی در خصوص دمش ماده لیزری بحث خواهد شد. یکی از راه های دمش، دمش اپتیکی است که با تابش قوی با فرکانس مشخص به مجموعه ای از اتم ها، بسیاری از اتم ها تابش را جذب کرده و از تراز به تراز می‌روند اما با دمش اپتیکی و حتی سایر روش های دمش امکان ایجاد جمغیت معکوس در سیستم دو ترازی وجود نداشته و حداکثر می‌توان جمعیت ترازهای بالا و پایین را برابر کرد . بنابراین نیاز به سیستم های سه یا چهار ترازی می‌باشد. اگر ماده لیزری با سیستم سه ترازی را تحت تابش قوی یک لامپ قرار دهیم. تعداد زیادی از اتم ها با جذب تابش ترازی را تحت تابش قوی یک لامپ ( دمش اپتیکی) قرار دهیم، تعداد زیادی از اتم ها با جذب تابش از تزار پایه به تراز بالایی می‌روند و از تراز معمولا اتم ها با فرآیند غیر تابش به تراز فرو می‌افتند و وقتی جمعیت از بیشتر شد جمعیت معکوس بین ترازهای و ایجاد میشود.
برای این که جمعیت معکوس با حداقل دمش کردن ایجاد شود لازم است انتقالات اتمها از تراز به تراز بسیار سریع باشد که درعمل چنین است و عمر اتمها در حالت تحریکی از تا ثانیه است .
الف ) قبل از دمش کردن توزیع بولتزمن ب) توزیع بعد از عمل دمش کردن و گدازهای درگیر
همچنین تراز ترجیحا لازم است نیمه پایدار بوده یعنی دارای عمر بلند حدود چند میلی ثانیه باشد، اگر برای اتم این شرایط برقرار شود اتمها از تراز به سرعت از طریق تراز به تراز دمش می‌شوند و به نحوی تجمع می‌یابند که جمعیت شروع به افزایش می‌یابد، اساسا وقتی جمعیت معکوس به وجود آید تقویت تابش با فرکانس با گسیل برانگیخته ممکن خواهد شد از آنجایی که تراز مستقیما در فرآیند تقویت دخالتی ندارد می‌توانند پهن باشد به طوری که ناحیه وسیعی از طول موج های تابش دمش مفید واقع شوند و باعث افزایش کارایی عمل دمش گردد اما به دلیل این که تراز پایینی لیزر یعتی تراز حالت پایه افزایش کارایی عمل دمش گردد اما به دلیل این که ترار پایینی لیزر یعنی تراز حالت پایه ماده است بایستی بیش از نصف اتم ها از حالت پایه به حالت تحریکی بروند تا جمعیت معکوس به دست آید. در واقع انرژی لازم برای دمش نصف تعداد اتم های سیستم تراز از طریق به هدر می‌روند، بنابراین سیستم سه ترازی دارای کارایی کمی می‌باشد با این وجود اولین لیزر اختراع شده یعنی لیزر یاقوت یک لیزر سه ترازی است.
در ماده لیزر با سیستم چهار ترازی آهنگ انرژی دمش به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. ( شکل 2-4) با عمل دمش، اتم ها از حالت تراز پایه به تراز منتقل شده و از آنجا سریعا به تزار شبه پایدار فرو می‌پاشند به طوری که جمعیت به سرعت افزایش یافته و بدین طریق بین تراز جمعیت معکوس ایجاد خواهد شد.
الف) قبل ازدمش ب)بعد از دمش
از زمان عمرگذاری تراز به کوتاه باشد جمعیت معکوس به سادگی انرژی دمش به دست می آید . لیزر نئودیمیم – یاگ (Nb-YAG) دارای چنین ترازهای انرژی است. در یک ماده واقعی لیزر بیشتر از سه یا چهار تراز انرژی درگیر هستند اما در بیشتر موارد می‌توان آنها را مانند سیستم‌های سه یا چهار ترازی در نظر گرفت.
2-3- دمش کننده
فرایندی که اتم ها را از تراز یک به تراز سه برای لیزرهای سه ترازی و یااز تراز صفر به تراز سه برای لیزرهای چهار ترازی انتقال میدهد فرآیند دمش یا پمپ کردن نامیده میشود. معمولا این فرآیند به یکی از دو روش زیر انجام میشود:
1- دمش اپتیکی 2- دمش الکتریکی
در دمش اپتیکی نور چشمهای قوی به وسیله ماده فعال جذب شده و در نتیجه اتم ها به تزار بالاتر دمیده می‌شوند این روش مخصوصا برای لیزرهای حالت جامد مثل یاقوت یا نئودیمیم و یا لیزرهای مایع مانند لیزر زرینه ای مناسب است. در جامدات و مایعات به دلیل پهن شدگی تراز دمش در واقع بجای تزاز دمش با نوار دمش سر و کار داریم. بنابراین این نورها می‌توانند بخش قابل ملاحظه‌ای از نور گسیل شده توسط لامپ دمش را که غالبا نور با نوار پهن فرکانسی را تشکیل میدهد جذب کنند.
طرح کلی سیستم دمش اپتیکی در شکل 2-5 نشان داده شده است.
نور ناهمدوس حاصل از یک لامپ قوی به کمک سیستم مناسب اپتیکی به ماده فعال انتقال داده میشود. در لیزرهای پالسی (تپی ) از لامپ‌های درخش Xe یا Kr با فشار torr 1500-450 و در لیزرهای موج پیوسته (CW) از لامپ های Kr یا ید تنگستن با فشار torr 8000-4000 ( pa 133= torr 1) استفاده میشود. معمولا انرژی ذخیره شده درانبار خازن در لامپ درخش تخلیه میشود. تخلیه الکتریکی در لامپ اغلب به وسیله پالس آغازگر ولتاژ بالا به الکترود کمکی ظروع شده و گاز داخل آن را پیش یونیزه میکند. در این موقع لامپ ، درخش شدید ایجاد کرده و دوام آن را از حاصلضرب ظرفیت خازنی در مقاومت لامپ به دست می‌آید که از چند میکروثانیه تا چند صد میکروثانیه است. ماده فعال معمولا به شکل یک میله استوانه‌ای به قطر چند میلی متر تاچند سانتی متر طول آن از چند سانتی متر تا دهها سانتی متر است . برای دمش اپتیکی طرح‌های مختلفی وجود دارد که ما در اینجا چند طرح را مورد بررسی قرار می‌دهیم.
در طرح اول مطابق شکل 2-6 لامپ درخش مارپیچی شکل به طور مستقیم یا پس از بازتاب از سطح آینه‌ای استوانه شماره 1، نور را به ماده فعال می‌تاباند، این سیستم برای اولین لیزر یاقوت به کار گرفته شد و اکنون نیز به طور گسترده‌ای برای لیزرهای پالسی به کار گرفته میشود.
در طرح شماره 2 سیستم دمش مطابق شکل 2-7 لامپ به شکل استوانه خطی به قطر طول و برابر با قطر و طول میله فعال است به طوری که لامپ در امتداد یکی از محورهای کانونی استوانه بیضوی که سطح داخلی آن آینه‌ای است بوده و ماده فعال لیزر در امتداد محور کانونی دوم () قرار می‌گیرد.
یکی از خواص معروف بیضی آن است که پرتو که از کانون اول خارج میشود پس از بازتاب از سطح بیضوی از کانون دیگر بیضی یعنی عبور میکند ( پرتو ) این بدان معناست که قسمت زیادی از نورگسیل شده از لامپ، با بازتاب از استوانه بیضوی به میله فعال برده میشود.
در طرح سوم سیستم دمش مطابق شکل 2-8 به آرایش جفت شدگی نزدیک معروف است میله لیزر و لامپ خطی تا آنجا که ممکن است نزدیک هم قرار میگیرند و به وسیله یک باز تابنده جفت شدگی نزدیک استوانه ای که در شکل شماره 1 مشخص شده احاطه میشود. کارایی آرایش جفت شدگی نزدیک، معمولا چندان کمتر از کارایی آرایش استوانه بیضوی نیست.
طرح های دیگر سیستم دمش نیز با استفاده از بیش از یک استوانه بیضوی یا چند لایه در آرایش های جفت شدگی به کار گرفته می‌شوند. بازدهی این آرایش‌های چندگانه کمتر از آرایش منفرد است ولی غالبا این آرایش ها در سیستم‌های با توان بالا به کار برده می‌شوند.
دمش الکتریکی به وسیله تخلیه الکتریکی با شدت کافی صورت می‌گیرد. این روش بیشتر برای لیزرهای گازی و نیم رسانا مناسب است . لیزرهای گازی به علت کمی پهنای خطوط تراز جذبیشان، غالبا به آسانی به دمش اپتیکی تن در نمی‌دهد اما در مورد لیزرهای نیم رسانا با وجود این که استفاده از دمش الکتریکی بسیار آسان تر است دمش اپتیکی نیز به خوبی موثر واقع میشود. در دمش الکتریکی با عبور جریان الکتریکی مناسب از گاز باعث ایجاد یون ها و الکترون های آزاد شده و به خاطر اثر میدان الکتریکی این ذرات باردار شتابدار می‌شوند و انرژی جنبشی اضافی به دست می آروند. با برخورد این ذرات شتابدار به اتم های خنثی آنها را برانگیخته کرده و در این برانگیختگی برخودی معمولا حرکت یون ها در مقابل حرکت الکترون ها اهمیت کمتری دارد. در واقع برای گازی یا فشار پایین انرژی متوسط الکترون خیلی بیشتر از انرژی متوسط یون است.
دو روش دمش که در بالا به آنها اشاره کردیم تنها روشهای موجود برای دمش لیزر نیستند. برای مثال دمش ممکن است به وسیله واکنوش شیمیایی مناسب ( دمش شیمیایی ) و یا به وسیله انبساط فوق صوتی گاز ( دمش گاز – دینامیکی) نیز صورت گیرد. همچنین استفاده از لیزر برای دمش اپیتکی سایر لیزرها نیز معمول می‌باشد.
2-4- تشدید کننده‌های نوری
در بیشتر موارد بهره دمیده شده یا تحریک شده ماده لیزر ی کاملا کوچک است به طوری که تقویت نور عبوری با یکبار عبور ازماده فعال حداقل خواهد بود. در اثر موارد تقویت کلی با قرار دادن آینه های با درصد انعکاس بالا در دو انتهای ماده افزایش می‌یابد. پرتو نوری بیش از حدود یکصد بار بین دو آینه رفت و برگشت میکند و بدین وسیله طول موثر ماده را افزایش میدهد این آینه ها در واقع تشکیل یک کاواک نوری یا تشدید کننده را می‌دهند. در بحث بالا فرض کردیم که پرتوهایی که بین دو آینه رفت و برگشت می‌کنند باریکه کاملا موازی شده هستند. ولی در واقع این طور نیست و به دلیل اثرات پراش، یک باریکه کاملا موازی شده نمی‌تواند با آینه‌های با اندازه محدود به دست آید و بخشی از تابش از کناره های آینهها پخش می‌شوند و این اتلاف ها در اثر پراش را می‌توان با استفاده ازآینه های با انحناءهای مختلف و شکلهای گوناگون بسته به نوع لیزر و کاربرد آن کاهش داد.
بعضی از انواع سیستم‌های آینه‌ای که برای کاواک نوری استفاده می‌شوند به شرح زیر می‌باشند.
الف ) تشدید کننده صفحه – موازی
این تشدی کننده دارای دو آینه تخت کاملا موازی بوده که دقت توازی آینهها در حد ثانیه می‌باشد. (شکل 2-10)
در این سیستم پرتو نوری پس از چندین رفت و برگشت از کاواک خارج خواهد شد از طرف دیگر از آنجایی که پرتو در داخل کاواک متمرکز نمی‌شود پرتو تابش از اکثر محیط ماده فعال استفاده میکند، فرکانس های تشدیدی با اعمال این شرط که طول کاواک باید مضرب صحیحی از نصف طول موج باشد به آسانی به دست می آید یعنی عدد صحیح مثبت است . این شرط برای آن که میدان الکتریکی موج ساکن الکترومغناطیس روی دو آینه برابر صفر باشد شرط لازمی است و در نتیجه فرکانس های تشدیدی از رابطه به دست می‌آیند. قابل توجه است که با اعمال این شرط که تغییر فاز یک موج تخت در یک رفت و برگشت داخل کاواک باید مضرب صحیحی از باشد.
اگر فرکانس موج تخت با فرکانس مد کاواک برابر باشد، اختلاف فاز پس از یک رفت و برگشت باید صفر شود چون فقط در این مورد است که دامنه ها در هر نقطه اختیاری ناشی از بازتاب های متوالی به طور همفاز جمع میشود تا میدان قابل ملاحظه‌ای را فراهم سازند.
ب ) تشدید کنندة هم مرکزی
این تشدید کننده شامل دو آینه کروی است که هر دو دارای شعاع R هستند و به فاصله L از یکدیگر چنان قرار گرفته اند که مرکز انحنای آینه ها بر هم منطبق است L=2R .
نمایش هندسی مدهای این تشدید در شکل 2-11 نشان داده شده است در این مورد مدها با برهم نهش دو موج کروی متحرک مخالف هم که از نقطه C ناشی می‌شوند تقریب زده می‌شوند.
تنظیم چنین سیستمی ساده است به طوری که دقت 5/1 دقیقه کافی است اما از تمامی حجم ماده فعال استفاده نمی شود و حجم مدی آن کوچک است . حجم مدی به کسری از ماده فعال لیزری گویند که نور به هنگام رفت و برگشت بین آینه‌های کاواک در واقع با آنها برهمنکش انجام میدهد.
ج) تشدید کننده هم کانونی
این تشدید کننده شامل دو آینه کروی است که شعاع هر دو R بوده و به فاصله L از یکدیگر قرار گرفته اند. کانون های آینهها بر هم‌منطق است ، در نتیجه مرکز انحنای هر آینه بر روی سطح آینه دیگر واقعی می شود. L=R در این سیستم مانند سیستم فوق تنظیم آینه ها نسبتا ساده ولی حجم مدی کم می باشد.
د) تشدید کننده با استفاده از ترکیب آینه های تخت وکروی ( نیم کروی)
تشدید کننده های متشکل از آینه کروی با شعاعR و آینه تخت که در مرکز آینه کروی قرار گرفته ( شکل 2-13) در این حالت حجم مدی کم می‌باشد.
هـ ) تشدید کننده نیم همکانونی
این نوع تشدید کننده مانند حالت قبل از یک آینه کروی و یک آینه تخت تشکیل شده به نحوی که آینه تخت کروی می‌باشد در این حالت حجم مدی کمتر از حالت قبل می‌باشد.
ی) تشدید کننده های ناپایدار
در این تشدید کننده ها پرتوهایی که در آغاز با زاویه کوچکی از محور حرکت می‌کنند پس از چند برخورد و بازتاب واگرا شده و از تشدید کننده خارج می‌شوند دو نمونه از این نوع تشدید کننده در شکلهای 2-15 و 2-16 آورده شده است. این تشدید کننده ها به تشدید کننده های با اتلاف زیاد موسومند ولی دارای خواص مفید ویژه ای هستند . در عمل این تشدید کننده ها از ماده فعال به طور تشدید کننده‌های ناپایدار که اتلاف زیادی دارند فقط با ماده با بهره بالا مانند گاز کربنیک می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. تشدید کننده‌های دیگری نیز وجود دارند که از دو آینه کروی با شعاع های گوناگون و یا دو آینه کروی با شعاع یکسان در فاصله L<R و یا در فاصله R<L<2R قرار دارند. این نوع تشدید کننده ها از اهمیت کمتری برخوردار هستند.
الگوی تابش برای این کاواک هم کانونی نشان داده شده است. اگر جدایی آینهها کمی تغییر کند مقدار تابش اطراف آینه یعنی خروجی لیزر تغییر خواهد کرد.
این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
دانلود تحقیق کامل درمورد بررسی ماهیت نور و ارتباط آن با پدیده لیزر
