لیزرهای حالت جامد
سه موضوع اساسی برای ایجاد بهره در لیزرهای حالت جامد عبارتند از :
محیط میزبان ، یونهای فعال در داخل محیط میزبان ، منابع نوری برای دمش مواد تشکیل دهنده محیط میزبان محیط میزبان به دو دسته بلوری و شیشهای تقسیم میشوند. محیط میزبان میباید از نظر اپتیکی، مکانیکی و خواص گرمایی شرایط عمل کرد لیزری را متحمل شوند. محیطهای میزبان بلوری که پس از اختراع اولین لیزر یاقوت مورد بررسی و مطالعه و کاربرد قرار گرفتهاند عبارتند از:
سافایر، Al2O3 گارانتها، ایتریوم، آلومینیوم گارنت Y3Al5O12 که با YAG نشان میدهند.
گادولنیوم، گالیوم گارنت Gd3Ga5O12 که با GGG نشان میدهند. گادولنیوم اسکاندیوم آلومینیوم گارنت Gd3Sc2Al3O12 که با GSAG نشان میدهند. آلومینیت، ایتریوم اورتوآلومینیت (Y AlO3)، که با YAlO یا YAP نشان میدهند. فسفاتها و سیلیکاتها، کلسیم فلوروفسفات یا Ga5+ (PO4 +)3F نام معدنی فلوراپاتیت (FAP) سیلیکات اکسی پاتیت یا Ga La SOAP تنگستیتها، مولیبدیتها، وانادیتها و بریلیتها فلورایدها، سرامیکها، شیشهها، یونهای فعال :
«یونهای خاکی نادر»
نئودیمیوم Nd+3 خط Nd:YAG در λ = 1.06 μ m
اربیوم Er+3 خط Er:YAG در λ ~ 2.9 μ m
هولومیوم Ho+3 خط Ho:YAG در λ ~ 2 μ m
تالیوم Tm+3 خط Tm:YAM در λ ~ 2 μ m
«یونهای آکتاناید»
یاقوت Cr+3 : Al2O3
الکساندریت Cr+3 : BeAl2O4
تایتانیوم سافیر Ti+3 : Al2O3
لیزرهای حالت جامد کوکپذیر (قابل تنظیم طول موج)
گسیل لیزری در لیزرهای حالت جامد کوکپذیر وقتی جفتشدگی گسیل القائی و گسیل کوانتایی ارتعاشی (فونون) در بلور حاصل میشود اتفاق میافتد. آنها عبارتند از :
الکساندریت :
BeAl2O4 در گسترة 700-800 nm
Cr : GSGG) Cr:Gd Sc Ga-Garnet در (100-900 nm)
Cr:KZn F3 (در 185-865 nm)
5-1-2 سیستمهای دمش نوری در لیزرهای حالت جامد
در گذشته لامپهای هالوژن-تنگستن برای دمش موج پیوسته Nd:YAG به کار میرفته است.
لامپهای درخش (لامپ فلاش) برای لیزرهای پالسی به کار میرود که از یک لوله کوارتز با دو الکترود انتهایی (گاز داخلی Xe) تشکیل شده است. امروزه از لیزرهای نیمرسانا برای دمش لیزرهای حالت جامد مخصوصاً Nd:YAG استفاده میشود. از نظر طیفی بهترین بازدهی انتقال انرژی نوری از تشعشع منبع دمش به محیط جامد وقتی است که ناحیه طیفی بیشینه تشعشع لامپ تحریک با نواحی جذب شدید در محیط فعال جامد منطبق باشد.
لیزرهای رزینهای (مایع رنگین)
لیزرهای رزینهای به آن دسته از موادآلی گفته میشود که در حلالهای مناسب حل شده جهت محیط فعال مورد استفاده قرار میگیرند. دمش این رنگها از طریق نوری است که با استفاده از لامپ فلاش و یا یک لیزر مناسب میباشد. این مواد قادراند بسته به نوع رنگ به کاررفته از ناحیه فرابنفش تا نزدیک مادون قرمز نوسان قابل تنظیم طولموجی داشته باشند. لذا از زمره لیزرهای کوکپذیر هستند و دارای کاربردهای وسیع در طیفنگاری میباشند. برای دمش این لیزرها، اگر به صورت پالسی مد نظر باشد از لیزرهای نیتروژن، اگزایمر، بخار مس استفاده میشود. هارمونیکهای مراتب بالای لیزرNd:YAG در طولموجهای 532، 353 و 266 نانومتر برای دمش رنگهای آلی نیز مناسب و مقرون به صرفه اقتصادی است. برای نوسان موج پیوسته از لیزر آرگون یونی میتوان استفاده نمود.
لیزرهای گازی
نظر به این که گازها به عنوان محیط فعال نسبت به محیط های فعال حالت جامد از چگالی پایینتری برخوردار هستند. بنابراین باید انتظار داشت که لیزرهای گازی نسبتا بزرگ و حجیم باشند. گازها در لیزرهای گازی توسط برخورد الکترونی و یا باریکه الکترونی تحریک میشوند و لذا دمش آنها از نوع دمش الکتریکی است.
تحریک برخورد الکترونی
تحریک مناسب در گازها در فرآیندهای برخورد الکترونی رخ میدهد. تحریک تراز بالایی لیزر یا به صورت برخورد مستقیم الکترون مثلا در لیزر آرگون خنثی است. طبق سازوکار Ar + e -> Ar* + e که *Ar نشان دهنده تراز تحریکی اتم آرگون است، یا انتقال انرژی توسط گازی از نوع دیگر (مثل لیزر He-Ne) صورت میگیرد که He نقش دهندة انرژی به اتم نئون را داراست و عمل لیزر روی گذارهای اتم Ne تحقق مییابد.
He* + Ne -> Ne* + He
*He و *Ne نشان دهنده اتم He و Ne در حالت تحریکی است.
لیزر آرگون یونی (Ar II)
لیزر آرگون یونی یکی از لیزرهای مهم گازی است که تحریک توسط برخورد الکترونی در اتم Ar صورت میگیرد. از سایر لیزرها یونی گازهای نادر میتوان از لیزرهای یونی کریپتون، زینون و نئون نام برد. برخی از خطوط مهم و توانهای نوعی خطوط نوسانی در زیر آورده شده اند.
لیزرهای یونی پالسی
Ar (II) (nm 488 ، nm 496 توان حدود 10 وات ؛ nm 496 ، nm 502 و nm 514)
Ne (III) (nm 473 ، توان 400 وات)
Xe (IV) (nm 364 ، توان 3600 وات ، nm 430 ، توان 1000 وات)
لیزرهای یونی موج پیوسته
Ar (II) (nm 0/488 ، nm 5/514 توان حدود W 1)
Kr (II) (nm 1/647 ، توان 4/0 وات ، nm 4/676 ، nm 5/752 ، nm 7/350 ، توان 5 وات)
لیزر He-Ne
یکی از متداولترین لیزرهای گازی است. محیط فعال اختلاطی از گاز هلیوم و نئون است که نسبت آنها تقریبا 5:1 تا 20:1 میباشد. این اختلاط گاز در لوله شیشهای به قطر چند میلیمتر و به طول 0/1 تا 1 متر در فشار حدودا mmHg 10 و با تحریک توسط ولتاژ بالا چند کیلو ولت قادر است عمل لیزر روی ترازهای نئون را حاصل کند. (3/39μm ، 1/15 mm ، 632/8 μm و 5/543nm )
لیزر بخار مس
لیزر بخار مس یکی از لیزرهای مهم و پرقدرت به حساب میآید. برای آن که جمعیت کافی از اتمهای مس حاصل شود نیاز به آن است که دمای محیط به 1400ْC تا 1500ْC برسد . این امر در تیوبهای خاص از آلومینا و با رگبار بسیار بالا (kHz 5~ ) برای گرم شدن تیوب لیزر و بخار شدن فلز مس توسط سوئیچهای تایروترون حاصل میشود. قطر لوله ها بین 10 تا 80 میلیمتر است. همچنین برای دریافت قدرت مناسب از لیزر نیاز به استفاده از گاز نئون در فشار 50-25 میلیمتر جیوه میباشد.
عمل لیزر در دو طول موج nm 578 و nm 510 تحقق مییابد، هر دو گذار به تراز نیمهپایدار منجر میشود و عمل لیزر تنها در مدتی کوتاه قبل از نابودشدن جمعیت معکوس حاصل میشود. توان متوسط در رگبار kHz 5~ ، W 40-10 است، برای توانهای بالاتر نیاز به آن است که سیستم به صورت نوسانگر-تقویتکننده عمل کند. بازدهی کلی سیستم نسبتا بالا (تا 2%) میرسد، بنابراین اگر توانهای کمی مورد نیاز باشد سیستم لیزر میتواند توسط هوا خنک شود. در غیر این صورت در توانهای بالا، به سرد کردن لیزر توسط جریان آب سرد نیاز میباشد.
لیزر گازکربنیک (لیزر CO2)
لیزر گازکربنیک تاکنون مهمترین لیزر در ردة خود به شمار میرود و از نقطهنظر کاربردهای تکنولوژیکی این لیزر از مهمترین لیزرها محسوب میشود. با در نظر گرفتن بازدهی (30%~) و خروجی پرتوان، توانهای موج پیوسته این لیزر به دهها کیلووات میرسد، بنابراین کاربردهایی نظیر جوشکاری، برش فلزات و اجرای نقوش فلزی و کاربردهای نظامی این لیزر میسر شده است. گذار لیزری در این لیزر با لیزرهای یونی یا اتمی متفاوت است، چه ترازهای انرژی مرتبط با حالتهای کوانتومی مدهای ارتعاشی و چرخشی مولکول CO2 میباشد. در مورد مدهای ارتعاشی، سه نوع مد ارتعاشی غیرمتقارن، متقارن و خمشی در گذارهای لیزر درگیر میباشند. عمل لیزری در نواحی بین دو طول موج 9/4و 10/6 میکرومتر است که در ناحیه فروسرخ طیف واقع میشود. این لیزر با ساختارهای متفاوت تکنیکی ساخته میشود که عبارتند از : لیزر پالسی فشار اتمسفری (TEA)، محفظه بسته، جریان گازی و دینامیک گازی.
لیزر نیتروژن (N2)
گذارهای لیزری در لیزر نیتروژن بین ترازهای انرژی الکترونی مولکول N2 صورت میگیرد که منجر به خروجی در ناحیه فرابنفش (337/1nm) میشود. این لیزر در نوع پالسی فعال است و پهنای زمانی آن کوتاه و به حدود چند نانو ثانیه میرسد. دمش الکتریکی این لیزر میباید بسیار سریع و در زمانهای حدود مقیاس پهنای پالس تحقق یابد. این لیزرها در رده لیزرهای خودپایانیابنده قرار میگیرند.
لیزرهای اگزایمر
واژة «اگزایمر» از بهم بستن واژة excited dimer یا دوتایی تحریک شده ساخته شده است و مفهوم آن است که انرژی الکترونی مولکول دو اتمی در حالت تحریک شده به صورت پایدارو در حالت پایه به صورت دافعه است. هالایدهای گاز نادر نظیر ArF ، KrF و XeCl نمونه هایی از این نوع لیزر هستند. تخلیه الکتریکی و باریکه های الکترونی را میتوان برای تحریک اختلاطهای گازی از نوع گازهای نادر و مولکولهایی نظیر F2 یا HCl برای حصول عمل لیزر در لیزرهای اگزیمر به کار برد. عمل دمش این لیزرها به گونهای شبیه به لیزرهای N2 میباشد لیکن برای تحریک نیاز به آن است که قبل از تخلیه الکتریکی اصلی توسط فوتونهایUV و یا پرتو x محیط توسط یک پیشیونش برای تخلیه یکنواخت الکتریکی آماده شود. بعضی از لیزرهای اگزایمر نظیر XeF و KrF کاملا کارآمد بوده و قادرند توانهای خروجی تا J1 و با توان متوسط W 200 را حاصل سازند.
لیزرهای شیمیایی
ترکیبات شیمیایی دارای این توانایی هستند که مقادیر زیادی از انرژی که ممکن است بخشی را در واکنشهای شیمیایی گرمازا از دست بدهند، در خود ذخیره نمایند. به این ترتیب آنها نمونه های جالب توجهی جهت تبدیل انرژی شیمیایی به تابش نوری همدوس به شمار میآیند. لیزرهای شیمیایی که امروزه با آن سر و کار داریم مرتبط با گذارهای حالتهای ارتعاشی مولکولهایی نظیر HF ، CO و امثالهم میباشند. حد پایین گذار لیزری آنها در طول موج μm2~ میباشد. مثال خاصی از این لیزرها، انواع لیزرهای HF و DF میباشند که قدرتهای بسیار بالایی از آنها به دست آمده است. واکنشهای مرتبط به قرار زیر هستند :
F + H2 -> HF * + H
F + D2 -> DF * + D
با وجودی که واکنشهای بالا نمونه های تحریکی را که با علامت ستاره نشان دادیم حاصل میکنند، لیکن تجزیه هیدرژن و فلئور میباید از مولکولهای اولیه H2 و F2 حاصل شود. واکنشهای مرتبط در این نوع لیزرها به صورت زنجیرهای است، به این معنا که وقتی واکنش رخ داد مراکز فعال لیزری را میباید خودشان حاصل کنند و این متضمن تزریق پیوسته مولکول H2 و F2 به سیستم است مثلادر ادامه واکنش بالا برای H رها شده، داریم :
H + F2 -> HF * + F
و برای F رها شده، واکنش خواهد شد
F + H2 -> HF * + H
لیزرهای نیمرسانا
یکی از پراستفاده ترین لیزرها، لیزرهای نیمرسانا میباشد که در حجم زیاد ساخته میشوند و دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند. امروزه آنها را حتی به عنوان علامت دهنده نور موازی در دست مردم عادی میبینیم و یا در هنگام خرید از فروشگاه های بزرگ قیمت اجناس را فروشنده توسط دستگاهی که به لیزر نیمرسانا مجهز است تعیین کرده در کار مشتری سرعت قابل ملاحظهای میبخشد. لیزرهای نیمرسانا با استفاده از پرش الکترون بین نیمرساناهایی که شامل نوعهای مختلف و ترازهای ناخالصی کنترل شده میباشد کار میکنند. مهمترین مواد نیمرسانا شامل مواد دوتاییها نظیر نیمرسانای V-III مثل GaAs ، InSb با مواد سهتاییها نظیر AlxGa1-xAs (که x فاکتور کوچکتر از واحد است) یا مواد چهارتاییها مثل InxGa1-xAlyP1-y میباشند. مهمترین پارامتر که از یک سیستم نیمرسانا به سیستم دیگر تغییر میکند، گاف انرژی است. این گاف فاصلة انرژی Eg بین بالاترین نوار پرشده از الکترون و یا پایین نوار انرژی خالی از الکترون است. طول موج منتسب به این گاف انرژی از μ=Ch/Eg به دست میآید. لیزرهای نیمرسانای امروزی چنان ساخته میشوند که جریان الکتریکی را به ناحیهای خاص در قطعه محدود سازند.
این هندسه ساخت به طرق : هدایت شده بهره، هدایت شده ضریب شکست و امثالهم میباشد. ساخت ردّه جدیدی از لیزرهای نیمرسانا به گونهای است که باریکه لیزر در جهت عمود بر ویفر گسیل میشود که به آن «لیزر گسیل سطحی» میگویند. نوع دیگرکه نوع «لیزر گسیل سطحی جفت شده توری» نامیده میشود. به گونهای است که توان خروجی بالا و واگرایی پایین را به دست میدهد. برای قدرتهای بالاتر ردیفهای دایودی اختراع شده که از تعداد لیزرهای زیادی نزدیک به یکدیگر شکل گرفته است.
از لیزرهای جدید دیگر نیمرسانا، لیزرهای چاه کوانتومی هستند که محیط فعال آن با لایه بسیار نازک (مثلا nm 20) از دو طرف توسط GaAlAs محدود شده است. اگر لیزر تنها یک چنین لایه ای داشته باشد به آن تک چاه کوانتومی گفته میشود (SQW) و اگر از چند لایه با تناوبی از GaAs و GaAlAs شکل گرفته باشد به آن لیزر چاه کوانتومی چندتایی (MQW) میگویند.
لیزرهای الکترون آزاد
طرز عمل لیزرهای الکترون آزاد کاملا با سایر لیزرهایی که از آنها نام برده شده است متفاوتست. چشمه اصلی انرژی در این نوع لیزرها باریکه نسبیتی الکترون است. تحت بعضی شرایط این الکترونها قادرند مقداری از انرژی خود را به صورت باریکهای از فوتون در همان مسیر الکترونهای سریع رها سازند. به این منظور باریکه الکترون سرعت یافته را از مغناطیسهای تناوب یافته که به آن ویگلر (جنبانده) گفته میشود عبور میدهند. با عبور الکترونها از ویگلر آنها شروع به نوسانهای عرضی میکنند. نتیجه امر در این نوسانها تشعشع موج الکترومغناطیسی است که طول موج آن در جهت تشعشع از μ=μw/2γ2 به دست میآید. μwتناوب ویگلر و γ نسبت انرژی الکترون به انرژی الکترون در حالت سکون است.
بنابراین با تغییر μwو یا γ میتوان گسترة وسیعی از فرکانسهای لیزر را حاصل کرد، یعنی این لیزرها کوکپذیر هستند. ضمنا سیستمهای لیزرهای الکترون آزاد به علت استفاده از شتابدهنده، دستگاههای عظیمی به شمار میآیند یعنی در واقع برای راهاندازی آن نیاز به تجهیزات شتابدهنده الکترون میباشد.
بنابراین آنها دستگاههایی نیستند که در مقطع فعلی از زمان به صورت کوچک و مستقل بتوان در آزمایشگاههای متداول تحقیقاتی از آنها استفاده کرد.
لینک منبع :
http://lifegoodlaser.blog.ir/1391/07/30/%D8%A7%D9%86%D9%88%D8%A7%D8%B9-%D9%84%D9%8A%D8%B2%D8%B1%D9%87%D8%A7-
نظرات شما عزیزان:
خبرنامه وب سایت:
آمار
وب سایت:
