لیزر حالت جامد چیست ؟

منشأ این اختراع پیچیده و پر هیاهو در دنیای علم، اینشتین در سال 1917 بود. اینشتین اولین کسی بود که مفهومی را با نام پرتو برانگیخته یا گسیل القایی مطرح کرد. اساساً گسیل القایی فرآیندی است که در آن یک الکترون در یک اتم به دلیل برهم کنش با یک موج الکترومغناطیسی به حالتی با انرژی کمتر می‌رود. در حقیقت این مفهوم پایه و اساس کار لیزر است.

تقریباً 40 سال پس از انتشار نظریات اینشتین در مورد گسیل القایی دو فیزیکدان به نام‌های «چارلز تاونز» (Charles Townes) و «آرتوس شاولو» (Arthus Schawlow)، میزر یا MASER که مخفف «تابش مایکروویو تقویت شده به وسیله گسیل القایی» (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) است را اختراع کردند. در میزر از گاز آمونیاک و تابش مایکروویو برای ایجاد پرتویی نزدیک به نور مرئی استفاده شد. در حقیقت میزر از اصل گسیل القایی برای به دست آوردن مقدار زیادی فوتون در یک پرتو ثابت استفاده می‌کند که اساس کار همه لیزرهای امروزی است.

شش سال بعد تاونز، شاولو و سرپرست آن‌ها یعنی «تئودور مایمن» (Theodore Maiman) لیزر یاقوت سرخ را اختراع کردند. این اولین لیزر نوری بود که با استفاده از یک کریستال یاقوت استوانه‌ای شکل در یک لوله کوارتز که یک آینه کاملاً بازتابنده در یک سر آن و یک آینه تا حدودی بازتابنده در سر دیگر آن قرار داشت ساخته شد. لیزر مایمن یک دسته پالس سریع منتشر می‌کرد و به همین دلیل لیزر پالسی نامیده شد.

به این صورت باید اولین لیزر را به مایمن اختصاص داد اما درست مانند کاشف حساب دیفرانسیل و انتگرال در مورد مبدع لیزر نیز کمی بحث و جدال وجود دارد. شخصی به نام «گوردون گولد» (Gordon Gould) دانش آموز تاونز بود و اولین شخصی بود که از لیزر به صورت جهانی استفاده کرد.

گولد پس از دیدن کار تاونز به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد کار لیزر خود را در سال 1958 آغاز کرد. او در سال 1959 اقدام به گرفتن حق ثبت اختراع کرد اما درخواست او رد شد و کار او سرقت شد و بارها و بارها مورد استفاده قرار گرفت تا اینکه سرانجام در سال 1977 به عنوان اختراع او ثبت شد.

جهش بعدی در فناوری لیزر، لیزر گازی بود که در آن به جای کریستال از گاز به عنوان واسطه استفاده شد. «علی جوان» (َAli Javan) برخلاف لیزر پالسی مایمن برای اولین بار از مخلوط هلیوم و نئون برای ساخت اولین لیزر نوری پیوسته استفاده کرد. همچنین این اولین لیزری بود که با استفاده از انرژی الکتریکی و تبدیل آن به نور لیزر کار می‌کرد.

تنها دو سال بعد و در سال 1962 اولین لیزر نیمه هادی توسط «رابرت هال» (Robert Hall) اختراع شد. این نوع لیزر از روشی مشابه دیود ساطع‌کننده نور برای تولید تابش استفاده می‌کند و در حال حاضر متداول‎ترین نوع لیزر در بازار است. تولید این نوع لیزر بسیار آسان و ارزان است و بسیار کوچک است. این نوع از لیزرها را می‌توان در همه دستگاه‌های پخش‌کننده CD تا اسکنر بارکد پیدا کرد.

مقدار دما و بُرد یک پرتو لیزر تا چه حد می‌تواند باشد؟

در مورد بالاترین دمای باریکه لیزری آزمایشی در سال 2012 انجام شد که در آن با فشردن قطعه‌ای از آلومینیوم با قوی‌ترین لیزر اشعه ایکس در جهان فیزیکدانان ماده را تا $$3.6$$ میلیون درجه فارنهایت (2 میلیون درجه سانتیگراد) گرم کردند و آن را به طور خلاصه داغ‌ترین جسم روی زمین معرفی کردند. برای مقایسه باید گفت فقط مکان‌هایی در مرکز خورشید یا مرکز یک انفجار هسته‌ای از این دما گرم‌تر هستند.

در مورد برد یک لیزر نیز باید گفت با انجام آزمایشات زیاد و موثر نیروی دریایی ارتش آمریکا انتظار دارد که یک سلاح لیزری را بین سال‌های 2017 تا 2021 با برد موثر یک مایل ($$1.6$$ کیلومتر) عملیاتی کند. سطح دقیق انرژی و نیرویی که این لیزر استفاده خواهد کرد ناشناخته است اما انرژی این سلاح لیزری برای درگیری هواپیماهای کوچک و قایق‌های پرسرعت بین 15-50 کیلووات تخمین زده می‌شود.

اساس کار لیزر چگونه است؟

یک باریکه لیزر هنگامی ایجاد می‌شود که الکترون‌های موجود در اتم‌های موجود در شیشه‌ها، کریستال‌ها یا گازها انرژی حاصل از جریان الکتریکی یا لیزر دیگر را جذب کرده و برانگیخته شوند. الکترون‌های برانگیخته از مدار کم انرژی به مدار با انرژی بالاتر در اطراف هسته اتم منتقل می‌شوند. در هنگام بازگشت این الکترون‌ها به حالت عادی یا پایه خود فوتون (ذرات نور) را ساطع می‌کنند.

این فوتون‌ها همه در یک طول موج و منسجم هستند، به این معنی که تاج‌ها و قله‌های امواج نور همه بر روی یکدیگر قرار دارند. اما برای مثال در مقابل نور مرئی معمولی شامل چندین طول موج است و منسجم نیست.