ليزر چگونه عمل ميکند؟

1 May 2008
محققان سوئيسي و امريکايي چهار چوب يک تئوري جديد براي توصيف گستره وسيعي از ليزر ها را بنا نهادند که شامل يک سيستم نامنظم به نام ساطع کننده ليزر کاتوره اي است، که تا کنون به چالش کشيده ميشد را به صورت کامل تعريف کرده است. اين تئوري ممکن است براي استفاده از ليزر هاي کاتوره اي در فعاليت اقتصادي زيادي همچون امنيت اسناد، کنترل از راه دور، صفحات رادار مافوق سريع و تشخيص به وسيله راديوگرافي (در پزشکي) راه گشا باشد.
ليزر معمولي شامل يک محيط جذب نور، مانند يک گاز، که بين دو آينه در يک کاواک نوري قرار دارد است. محيط جذب به وسيله منبع خارجي از نور يا ميدان الکتريکي که بيشتر اتم ها يا مولکول هاي ان در سطح انرژي برانگيخته قرار دارند پمپ مي شود.

زمان واپاشي اين حالت، نوري ساتع مي کنند که به سمت بالاي جلو و يا عقب کاواک مي روند. اين بازخورد موجب تحريک پرتو نورهاي مشابه از ديگر اتم ها در حالت برانگيخته ميشود. که نتيجه ان يک کاواک  پر از نورهايي يک جهت و با طول موج مشابه است، برخي از انها که ميتوانند از کاواک خارج شوند، پرتوي ليزر را تشکيل ميدهند.


پراکندگي چندگانه کاتوره اي
ليزر کاتوره اي – که داراي کاواک نوري نيست – در اواسط 1990 متولد شد، زماني که نبيل لاوندي از دانشگاه برون پرتو ليزر را در بشر رنگ که معمولا براي محيط جذب در يک ليزر معمولي بود را بر انگيخت. لاوندي پي برد که ذرات ريزاز فلز به بشر اضافه شده بود. و رنگ شروع به تابش کرد. ليزر در حس متنوع است، بر اثر بازخورد فوتون ها بوجود امده در رنگ، از پراکندگي چندگانه کاتوره اي نور ذرات تشکيل شده است.
اما به راستي چرا اينها بصورت  يک راز اتفاق مي افتادند  – بويژه به خاطر افزايش پراکندگي ذرات در يک رنگ ليزر معمولي در کاهش کارايي ها ناشناخته بود. همانطور که فيزيکدان ها شروع به استفاده از ليزر کاتوره اي در واسط هاي ليزينگ کردند، کشف کردند که در واقع در انجا دو نوع ليزر کاتوره اي وجود دارد.
يکي از انها ليزر کاتوره اي متمرکز است، که در ان نور در "نقاط داغ" متمرکز شده است (يک شرايط نزديکتر به شرايط کاواک ليزر معمولي). و ديگري ليزر کاتوره اي ساتع است، يا همان DRL ، که در ان ذرات زياد بازتابنده نيستند. در يک DRL نور به جاي اينکه محبوس شود، به صورت موثر و سريع از محيط خارج ميشود. اين خروج سريع نور بسيار متفاوت است با انچه در کاواک نوري رخ مي دهد، و باعث حيرت زدگي فيزيکدانها از اينکه چگونه DRL ميتواند مانند ليزر عمل کند ميشود.
محققان چند موفقيت در توضيح تئوري اي که ليزر کاتوره اي متمرکز، بدست اورده بودند، اما فهم DRL ها براي تصديق ان مشکل بود. اما اکنون، هاکان تورکي از موسسه فدرال تکنولو‍ژي سويس  در زوريخ و داگلاس استون و همکاران دانشگاه ياله يک تئوري عمومي از ليزر را مطرح کرده اند که عملکرد هر دو نوع از ليزر کاتوره اي را به خوبي ليزرهاي معمولي توضيح مي دهد.

حد رخنه
تيم از تئوري براي شبيه سازي کامپيوتري که بتواند حد رخنه DRL را مدل سازي و تعداد پارامترهاي کليدي ليزر که شامل بازده انرژي و طول موج ژرتوهاي نور ليزر باشد تعيين کند استفاده کردند. قدرت امواج ورودي به دستگاه براي شبيه سازي شامل توزيع پراکندگي ذرات در محيط و پمپ انرژي مي شود.
مدل انها تمامي راههاي ممکن که نور ميتواند در محيط جلو يا عقب بازتاب شود را در نظر گرفته است (رسم رزونانس ان) و مد تاثيرات متقابل با يکديگر براي توصيف طول موج نور که از ليزر توليد شده است را حل ميکند.
با استفاده از اين شبيه ساز تيم قادر به توليد دوباره مشخصات کليدي DRL ها بود که از تئوري هاي قبلي اجتناب مي کرد –طول موج پرتوهاي نور ليزر هميشه مشابه هستند، تفاوتي ندارد که DRL چگونه پمپ شده باشد.
گروه از تئوري شان براي درک پايداري طول موج خروجي استفاده ميکنند. تورکي همچنين اطمينان دارد که تئوري، براي تقويت عملکرد ديگر ليزرهاي غير عادي، مانند انهايي که بر پايه اشفتگي تشديد کننده و يا کاواک هاي که شالوده انها کريستال هاي فوتوني هستند استفاده خواهد شد.
ليزر هاي کاتوره اي تا کنون در نابيل لاندوي براي توليد سيستم امنيت اسناد که بوسيله يک مايع حاوي ذرات بازتابنده نقاشي شده در يک تکه کاغذ است استفاده مي شود. زماني که ماده مرطوب ميشود، ميتواند باعث تابش نور ليزر با اتش کردن ليزر ها بر ان شود. طول موج دقيق نور تابيده شده با مکان دقيق همه ذرات بازتابنده در رنگ مرطوب تعريف شده است– که در هر بار رنگ اندودن چيزي متفاوت است. نتيجه يک امضاي يکتا  که امکان توليد مجدد ان وجود ندارد است.

نويسنده: Hamish Johnston

منبع:  physicsworld.com

مترجم: محمد علي عاشوري