بررسی کلیاتی از مفهوم لیزر و کاربردهای استفاده از آن

مقدمه

بدون شک لیزر یکی از برجسته‌ترین ابزار علمی و فنی قرن بیستم بشمار می‌آید . پیشرفت سریع تکنولوژی لیزر از سال 1960 میلادی ، هنگامی که اولین لیزر با موفقیت تهیه شد ، شروع گردید . لیزر امروزه در زمینه‌های گوناگون از قبیل بیولوژی ، پزشکی ، مدارهای کامپیوتر ، ارتباطات ، سیستم‌های اداری ، صنعت ، اندازه‌گیری در زمینه‌های مختلف و … بکار برده می‌شود . لیزر یک منبع نور خاص است و بطور کلی با نور لامپهای معمولی ، چراغ برق ، نور فلورسانت و غیره تفاوت فاحش دارد و در مقایسه با سایر منابع نور : در رده‌ای با مشخصات فوق‌العاده نوری قرار دارد . این مطلب با عنوان اینکه نور لیزر از همدوستی (coherence) فوق‌العاده برخوردار است ، بیان می‌شود . لیزر را می‌توان در مقایسه با سایر مولد‌های نوری که فقط نور را منتشر می‌کنند ، یک فرستنده نوری پنداشت . تا قبل از ظهور لیزر محدوده فرکانس امواج رادیوئی و محدوده نوری از نقطه‌ نظر همدوستی با یکدیگر اختلاف داشتند . در فیزیک رادیوئی بطور گسترده‌ای امواج همدوس مورد استفاده قرار می‌گیرند و این در حالی است که امواج نوری (اپتیکی) غیر همدوس نیز در اختیار است . در گذشته کتب درسی تنها مکانی بود که امواج لیزری مورد بحث قرار می‌گرفت . این امواج هنگامی واقعیت پیدا کردند که لیزر اختراع گردید . دانش مربوط به لیزر در حقیقت علم تابش نور همدوس (coherence radiation) است گرچه این رشته از دانش فیزیک در حدود 20سال است ظهور نمود و در حال تکامل است . معذالک نمودهای نوظهور آن در معرض کاربردهای جالب قرار گرفته‌اند . آنچه در این تحقیق مورد بحث قرار می‌گیرد کاربردهای لیزر و لیزر به عنوان سلاح مخرب و نحوه مقابله با سلاحهای لیزری و قوانین بین‌الملل در مورد این تکنولوژی برتر می‌باشد .

مبحث اول : بسوی لیزر

Light amptificationaly stimnlatcd emission of radiation

فکر ساختن وسیله‌ای که نور همدوس تولید کند ، مدتها دانشمندان قرن حاضر را به خود مشغول داشته بود . در سال 1985 فیزیکدان مشهور آمریکایی چالز تاونز راه این کار را پیدا کرد . دو سال بعد دانشمند دیگر آمریکایی ، تئودور مایمن به نظریه تاونز جامه عمل پوشاند و اولین لیزر را با بلوری از یاقوت مصنوعی ساخت این دو بعداً به دریافت جایزه نوبل نایل آمدند . یک لیزر یاقوتی ساده از سه بخش تشکیل می‌شود : استوانه‌ای از یاقوت مصنوعی ، یک چشمه نور ـ مثلاً یک لامپ گزنون که مانند لامپ نئون کار می‌کند . ( گزنون و زنون هر دو از گازهای بی‌اثرند یعنی اتمهایشان با اتمهای دیگر مولکول نمی‌سازد . ) ـ و یک بازتابنده که نور را از لامپ گزنون به یاقوت هدایت می‌کند استوانه یاقوتی ، بخش اصلی دستگاه است . قطر آن در حدود 7 میلیمتر و طولش 3.5 تا 5 cm است . دو قاعده استوانه صیقل خورده و نقره اندود شده است تا آینه کاملی باشد . قاعده دیگر نیز نقره اندود است ولی نه کاملاً به طوری که می‌تواند قسمتی از نور را از خود عبور دهد . یاقوت بلور اکسید آلومینیوم است که در آن تعداد نسبتاً کمی اتم کروم معلق است .

اتمهای کروم از طریق گسیل القایی ، کوانتوم نور تولید می‌کنند ، اتمهای اکسیژن و آلومینیم که بقیه بلور را تشکیل می‌دهند فقط اتمهای کروم را در جایشان نگه می‌دارند. اتمهای کروم نسبتاً بزرگ است و تعداد زیادی الکترون در مدارهایشان دارد . در این جا فقط الکترونی مورد توجه ماست که بیش از دیگران برانگیخته می‌شود . لازم به ذکر است واژه لیزر از حروف اول (( تقویت نور بوسیله گسیل برانگیخته تابش )) در زبان انگلیسی گرفته شده که آن را می‌توان توسعه “maser” تقویت میکروویو بوسیله گسیل برانگیخته تابش در محدوده فوتونی طیف امواج الکترومغناطیسی دانست . در سال 1917 اینشتین برای اولین بار وجود دو فرایند برای گسیل تابش را بصورت زیر پیشگویی کرد . 1 . گسیل خودبخود spantaneous 2 . گسیل برانگیخته stimulated دانشمندانی همانند townes و schawlow در امریکا و basov و prochror از روسیه قدیم امکان استفاده از روش دوم (گسیل برانگیخته) را برای یک طراحی نور همدوس کشف کردند . در سال 1958 میلادی می‌من ( muiman ) اولین لیزر یاقوت سرخ ruby را به نمایش گذاشت . در سال 1960 میلادی علی ج.ان در امریکا اولین لیزر گازی He_Ne را ساخت و از آن به بعد لیزرهای گوناگون بمانند گازی ، مایعات ، مواد شیمیایی ، جامدات و تهیه رساناها با قابلیت‌های متفاوت و ویژگیهای گوناگون برای کاربردهای مختلف ساخته و بکار گرفته شد .

مبحث دوم : اجزای اصلی در یک لیزر

محیط فعال (active medium) : محیط فعال مجموعه‌ای از اتم‌ها و مولکول‌ها ، با یونها در حالت جامد ، مایع یا گازی است که همانند تقویت‌کننده عمل می‌کند . منبع تحریک :وسیله‌ای برای ایجاد شرایط لازم جهت گسیل لیزری که این شرایط اساسی را وارونگی جمعیت (inrerted population) می‌نامند و ممکن است منبع تحریک نورانی و یا الکتریکی و … باشد . مثلاً در یاقوت قرمز این منبع از یک لامپ فلاش و در لیزر He – Ne پتانسیل الکتریکی در حدود چند هزار ولت است . اگر در محیط فعال چگونگی تقویت یا تضعیف را بررسی کنیم خواهیم دید که شدت تحریک I با وارونگی جمعیت وابستگی کمی دارند .

مبحث سوم : اصول کار لیزر

محیط فعال و عناصر دیگر در داخل مشدد نوری قرار دارند . مشدد محور نور در لیزر را تعیین و نور ساطع شده در امتداد محور تابش می‌کند . باید توجه داشت که یک لیزر می‌تواند نور را در یک یا دو امتداد مخالف در امتداد محور نوری ساطع کند . ماشه تحریک یک لیزر بوسیله سیستم پمپاز شروع بکار می‌نماید . کار این سیستم تحریکی عناصر فعال است که در اثر آن جمعیت وارونه (inrerted population) سطوح تابش‌کننده ایجاد می‌گردد . مشدد نور (همراه با عناصر) اضافی عمل گزینش را بر روی حالات فوتونی تدارک می‌بینند . در نتیجه ، یک تابش فوق‌العاده همدوس موسوم به تابش لیزر در امتداد محور حاصل می‌شود . محیط‌های فعال و روش‌های تحریک : مواد فعال زیر در لیزرها بکار برده می‌شوند : گازها و یا مخلوطی از گازها (لیزرهای گازی) بلورها و شیشه‌های ممزوج با یونهای مخصوص (لیزرهای جامد) مایعات (لیزرهای مایع) نیمه‌هادی‌ها (لیزرهای نیمه‌هادی)

مبحث چهارم : کاربردهای لیزر

در نظر اول فهم این نکته مشکل است که چرا با نور لیزر می‌توان یک تیغه را سوراخ کرد ولی با نور معمولی ، مثلاً نور یک لامپ الکتریکی ـ هر قدر هم قوی باشد این کار میسر نیست . این سئوال سه جواب دارد : اولاً نور لامپ ناهمدوس است یعنی فوتونهای لامپ همفاز نیستند و با مختصری اختلاف زمانی به هدف می‌رسند ، در حالی که فوتونهای تابه لیزری ، همه دقیقاً با هم حرکت می‌کنند و درست در یک نقطه به هدف می‌رسند . دلیل دوم این که نور از چشمه‌های دیگر کوبنده‌تر است ، این است که تابه نور معمولی فقط از یک طول موج معین تشکیل شده است بلکه شامل طیف نسبتاً وسیعی از طول موج‌هاست . این مطلب ، دلیل سوم را نیز در بر می‌گیرد : نور معمولی بر خلاف نور لیزر به شکل تابه‌ای باریک و موازی تولید نمی‌شود ، بلکه راستاهای مختلف را اختیار می‌کند .

گفتار اول : نور لیزر برای روشنایی

لیزرهای حالت جامد و لیزرهای تزریقی درخشهای کوتاه بسیار روشنی تولید می‌کند که برای عکسبرداری بسیار سریع ، ایده‌آل است . ما در عصری هستیم که سالانه میلیونها پوند صرف ساختن هوانوردهای سریع ـ اعم از موشک‌های بالستیکی ، قاره‌پیما یا هواپیما می‌شود . باید دانست که سرعتهای زیاد چه بر سر اجسام متحرک می‌آید و یکی از بهترین راههای این کار عکسبرداری از جسم در حال حرکت است . سرعت بعضی از پرتابه‌ها بقدری زیاد است که اغلب چندین کیلومتر در ثانیه که حتی عکسی که به کمک سریعترین فلاشهای متداول از آنها گرفته می‌شود ، چیزی جز تصویری محو نیست . از آنجایی که حتی سریعترین پرتابه‌ها هم در این مدت فاصله بسیار کمی را خواهند پیمود ، عکسی که با درخشش لیزری از اجسام تیز پرواز گرفته می‌شود ، واضح و دقیق خواهد بود . ارتش آمریکا سرگرم آزمایش با تلویزیون لیزری برای استفاده در گشتهای شبانه مخفی با هواپیماست و طراحان نظامی درصدد ساختن کلاهک بمب‌هایی هستند که هدف را با استفاده از پرتو لیزری نامرئی مادون قرمز پیدا کنند .

گفتار دوم : کاربرد لیزر در نوسازی صنعت

گسترش تکنولوژی لیزر در دهه گذشته در تمامی شاخه‌های زندگی رشد فزاینده‌ای داشته است به گونه‌ای که امروزه لیزر جزء لاینفک زندگی انسان محسوب می‌شود یکی از شاخه‌هائی که لیزر از ابتدای اختراع آن بیش از دیگر زمینه‌های کاربردی مورد توجه محققین و متخصصین قرار گرفت ، کاربرد صنعتی لیزر بوده است . برش‌کاری توسط لیزر از همان روزهای آغازین تولد لیزر مورد توجه بسیاری از علاقه‌مندان و صنعتگران که به آینده درخشان کار خود امید داشتند قرار داشت . پرتو لیزر با توجه به ویژگیهای منحصر خود که شامل تک‌رنگی ، همدوسی ، شدت بالا و واگرائی کم است نشان داد که با بکارگیری آن می‌توان نه تنها به گسترش حوزه صنعت بلکه به تحول کیفی محصولات آن امید فراوانی پیدا نمود .

بدنبال ساخت اولین لیزر گازکربنیک در سال 1964 این امکان فراهم‌شد که بتوان با حداقل امکانات لیزرهای پرقدرتی در ناحیه حرارتی مادون قرمز ، همان منطقه‌ای که موردنیاز صنعت است تهیه و به بازار عرضه نمود . اینک وسیله‌ای پا به عرصه وجود گذاشته بود که امکان فراهم‌نمودن یک منبع حرارتی قابل کنترل و در عین حال بسیار باریک به راحتی در دسترس کاربران قرار می‌گرفت . با یک نگاه گذرا اما عمیق به نقش لیزر در صنعت می‌توان به این نکته واقف شد که لیزر تحولی بی‌سابقه در این عرصه ایجاد کرده است که دامنه رشد آن هر روزه گسترش می‌یابد . امروزه اگر شاهد محصولاتی باشیم که به جهت کیفی و مرغوبیت در کمترین زمان به بازار عرضه می‌شوند ، متوجه نقش و اهمیت لیزر در صنعت خواهیم بود . اثربخشی لیزر در تمامی زیرشاخه‌های صنعت امری محسوس و غیرقابل انکار است .

برای مثال برش‌کاری ، سخت‌کاری ، سوراخکاری ، علامت‌زنی ، بیشترین کاربردها را در خانواده صنعت عهدا‌دار بوده است . آمارها نشان می‌دهد بیش از 85% فعالیت‌های صنعتی در همین موارد خلاصه می‌شود . امروزه بکارگیری لیزر در شاخه‌های مورد اشاره بالا امری طبیعی ، روتین و با یک سابقه 20 ساله مملو از تحقیقات و تجربیات فراوان است . در خصوص برشکاری این امکان فراهم می‌شود که پرتوی لیزر توسط یک عدسی بر روی قطعه کار متمرکز شده بطوریکه در زمانی نزریک به یک‌هزارم ثانیه درجه حرارتی بیش از 4000 درجه سانتی‌گراد بر روی قطعه‌کار (فلز) ایجاد می‌کند . نتیجه این عمل ذوب‌شدن لحظه‌ای فلز در یک باریکه‌ای به قطر 1/0 میلی‌متر است . اینک با حرکت‌دادن 2 آینه که نقش هدایت پرتو لیزر بر روی عدسی مورد‌نظر را دارد این امکان فرهم می‌شود که پرتو لیزر در جهت x و yحرکت نموده و براحتی هر شکلی را که مایل باشیم بر روی قطعه کار ایجاد نماییم . از دیگر مزایای بکارگیری لیزر در برش‌کاری می‌توان به : افزایش سرعت کار ، دقت بالا ، کمترین خسارت حرارتی به قطعه‌کار اشاره کرد .

در زمینه جوشکاری نیز بکارگیری لیزر مزایای قابل‌ملاحظه‌ای را در صنعت بدنبال داشته است . در نگاه اول جوشکاری با لیزر بنظر می‌رسد که قادر است براحتی و در کمترین زمان ممکن نه تنها فلزات را در ابعاد و اندازه‌های مختلف به یکدیگر جوش دهد بلکه با این تکنیک این امکان فراهم شده است که فلزات غیرهمنام نیز به یکدیگر جوش داده شوند . لیزر در کنار یک CNC یک سیستم کامل لیزر جوش را ایجاد می‌کند که با کمک آن صنعت گران قادرند با سرعت زیاد ، دقت بالا و حداقل هزینه مصرفی از قابلیت‌های آن استفاده نمایند . یکی از شاخه‌های صنعت که در دو دهه اخیر مورد توجه و بسط فراوان قرار گرفته است پدیده بهینه‌سازی و بکارگیری مواد با آلیاژهای مختلف با طول‌عمر بالاست . هر قطعه مکانیکی بعد از یک دوره مشخص بر اثر صدمات مختلف از رده خارج شده و باید قطعه‌های نو جایگزین آن شود .

قطعاتی مانند مته‌ها ، توربین‌ها ، تیغه اره‌ها و سیلندرها دچار بیشترین ساییدگی و پوسیدگی هستند لذا بیش از عناصر تشکیل‌دهنده مورد توجه قرار گرفته‌اند . امروزه با کمک لیزر می‌توان عمل سخت‌کاری بر روی لایه‌های سطحی فلزات انجام داد . به گونه‌ای که طول‌عمر آنها به میزان قابل‌توجه‌ای افزایش پیدا‌ کند . این عمل نه تنها صرفه‌جویی فراوانی را به‌همراه دارد بلکه در حداقل زمان ممکن صورت می‌پذیرد . امروزه عمل سخت‌کاری با دیگر روش‌ها نیز صورت‌ می‌پذیرد اما عملاً هیچیک از آنها نتوانسته جایگزین خوبی برای لیزر باشد .علامت‌زنی بر روی قطعات مختلف با مواد مختلف از نکات حائز اهمیت حوزه صنعت بشمار می‌رود بسیاری از تولیدکنندگان مایلند جهت جلوگیری از سوءاستفاده محصولات تقلبی به گونه‌ای محصولات اصلی را از نمونه‌ تقلبی متمایز نمایند . حک‌کردن علامت و یا یک آرم مشخص با دقت بالا یک راه حل خوبی به‌نظر می‌رسد که سالیان سال مورد استفاده قرار گرفته است . به همین خاطر با متمرکز کردن پرتو لیزر در ابعادی حدود 50 میکرون با کمک 2 اسکنر مکانیکی میتوان هر شکل دلخواهی را در اندازه‌های مختلف بر روی محصولات حک نمود .

سرعت حکاکی به قدری بالاست که این فرایند ظرف چند ثانیه به اتمام خواهد رسید . امروزه حک‌نمودن 300 حرف در یک ثانیه توسط لیزر امری عادی بنظر می‌رسد . از آنجا که تمامی کنترل و هدایت این فرایند توسط کامپیوتر صورت ‌می‌گیرد ، کاربران با حداقل مهارت قادر به انجام آن خواهند بود . حکاکی با لیزر هیچگونه محدودیتی جدی به جهت نوع جنس فراهم نخواهد کرد . دستگاههای حکاکی لیزری با قیمت‌های نازلی قابل تهیه از سازندگان آن می‌باشند . یکی از کاربردهای پرطرفدار لیزر در صنعت در امر سوراخکاری می‌باشد . ایجاد نمودن سوراخهای بزرگ و ریز بر روی موادی مانند چوب ، فلز امری عادی بنظر می‌رسد . اما همین که مایل باشیم این عمل را در ابعاد چند میکرون و بر روی موادی مانند سرامیکها ، شیشه و پلاستیک انجام دهیم خود پی می‌بریم که اگر نگوییم غیرممکن ، بسیار مشکل خواهد بود . اما امروزه به کمک لیزر این عمل در کمتر از ثانیه و با آهنگ بالا قابل اجرا و تکرارپذیر است . و این همان چیزی است که صنعتگران سالیان سال بدنبال آن بوده‌اند . امید است در آینده‌ای نه‌چندان دور شاهد بکارگیری این فناوری جدید در عرصه صنعت بوده و با این کار بر دامنه فعالیت‌های لیزر ، این نور شگفت‌انگیز بیافزاییم .

مبحث پنجم : موارد استفاده از لیزر

گفتار اول : استفاده از لیزر در فاصله‌یابی

یافتن فاصله هدف مورد نظر از مشکلات دائمی توپچیها و ضدهوایی‌ها بوده است . فاصله‌یاب لیزری ، اساساً از یک لیزر ، یک منبع توان ، یک سلول فتوالکتریک و یک کامپیوتر رقمی کوچک تشکیل می‌شود . پرتویی که لیزر می‌فرستد ، پس از برخورد به هدف بازتابیده می‌شود و وارد سلول فتوالکتریک می‌گردد . از روی زمان رفت‌وبرگشت فاصله هدف ، توسط کامپیوتر محاسبه و بر حسب هر واحدی که بخواهد ثبت می‌شود . نوعی فاصله‌یاب لیزری که برای ناتو ساخته شده ، به اندازه یک تفنگ نسبتاً بزرگی است که منبع توان و کامپیوتر آن را می‌توان در بسته‌ای روی پشت حمل کرد . فاصله‌یابهای لیزری تا مسافت 11 km را با دقتی حدود 5/4 متر تعیین کرده‌اند .

گفتار دوم : استفاده از لیزر در هوانوردی و دریانوردی

یکی از بدیعیترین وسایل لیزری ، ژیروسکوپ لیزری است . ژیروسکوپ معمولی اساساً چرخ دواری است که بسرعت می‌چرخد . به دلیل این چرخش ، محور چرخ همواره در یک صفحه باقی می‌ماند . محور ژیروسکوپ چرخنده همیشه در یک راستا باقی می‌ماند و تغییر مسیر کشتی تأثیری بر آن ندارد . این محور ، کار یک ((خط مبنا)) را انجام می‌دهد که تغییرات جهت کشتی را از روی آن می‌توان تشخیص داد . سفینه‌های فضایی که غالباً بی‌سرنشینند تنها به کمک ژیروسکوپ مسیر خود را حفظ می‌کنند . این ژیروسکوپ متشکل است از یک لیزر گازی مثلاً لیزر هلیوم ، نئون که از هر دو انتهایش نور همدوس خارج می‌شود . با نصب این ژیروسکوپ به سفینه فضایی ، انحراف سفینه از مسیر ، قابل تشخیص است .

گفتار سوم : استفاده از لیزر در پزشکی

لیزر بعنوان یک منبع قوی انرژی ، در پزشکی نیز بکار گرفته شده است بخصوصدر امریکا که زادگاه لیزر بود و هنوز هم موطن آن است . به عقیده برخی جراحان ، لیزر برای بریدن اعضایی که رگهای خونی بسیار پیچیده دارد ـ مانند مغز ـ فوق‌العاده مناسب است. تابه لیزر در حین قطع‌کردن رگهای خونی ، با سوزاندن، دهانه آنها را می‌بندند . برخی از چشم‌پزشکان لیزر را برای جوش‌دادن جداشدگی شبکیه چشم ، مفید یافته‌اند .

مبحث ششم : سلاحهای لیزری و نحوه مقابله با سلاحهای لیزری

غیر قابل اجتناب است که میدان جنگ لیزری به طور محسوسی سالهای آینده جنگ را تهدید نکند . این نتیجه نه تنها توسعه و استفاده از سلاحهای لیزری مفید است بلکه نتیجه شمار فزاینده‌ای از وسائل لیزری از قبیل مسافت‌یاب و هدف‌یاب می‌باشد . بنابراین در نیروهای مسلح لازم است که از حساسه‌ها و توسط اقدامات عامل و غیر عامل الکترو مغناطیسی حفاظت شود . تهدید اولیه لیزری از خود سلاحهای لیزری بوجود می‌آید . نگهداری و نحوه مقابله با سلاحهای لیزری مسائل مشکلی است که تاکنون حل نشده باقی مانده‌اند .

منابع و ماخذ

http://www.eduphysics.com/articles/leizer/leizer1.htm