لیزر پرتو نور شگفت انگیز و قدرتمندی است که برد بسیار بالایی (از زمین تا آسمان) دارد و می تواند فلزات را برش دهد. با اینکه به نظر می رسد لیزر از اختراعات جدید بشر باشد، اما در حقیقت قدمتی به اندازه نیم قرن دارد.
تئوری لیزر در سال 1958 مطرح و اولین لیزر کاربردی در سال 1960 ساخته شد. در آن زمان لیزر نمونه هیجان انگیزی از فناوری پیشرفته و روز دنیا به حساب می آمد و از عناصر فیلم های علمی تخیلی بود.
تاریخچه لیزر
برای مثال در فیلم گلد فینگر محصول 1964، جیمز باند یا مامور مخفی شماره 7 تقریباً توسط لیزر از وسط نصف شد. اما به جز دشمنان جیمز باند کسی واقعا نمی دانست که کاربرد لیزر چیست، تا حدی که به عنوان “راه حلی به دنبال یک مشکل” معروف شده بود.
امروزه همه ما از لیزرها در منازل خود (دستگاه های پخش سی دی و دی وی دی)، در محل کار (پرینتر لیزری) و فروشگاه ها (بارکدخوان ها) استفاده می کنیم.
لباس های ما با استفاده از لیزر برش میخورند، جراحی های چشم به کمک لیزر انجام می شود و ایمیل ها با استفاده از سیگنال های نوری لیزری در بستر کابل های فیبر نوری ارسال می شوند. در واقع ما بدون این که متوجه باشیم به صورت روزمره از لیزر استفاده کنیم اما چیزی درباره نحوه کار آن ها نمی دانیم.
ایده اصلی لیزر بسیار ساده است. لیزر لوله ای است که نور را در چندین مرحله متمرکز می کند تا تبدیل به یک پرتوی باریک و بسیار قدرتمند شود. اما دقیقا چه اتفاقی درون این لوله می افتد؟ برای پاسخ به این سوال با ما همراه باشید.
یک آزمایش علمی برای بررسی هم ترازی تجهیزات نوری با استفاده از پرتوهای لیزر، که در واحد رزم سطحی نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا (NSWC) انجام می شود.
فهرست
- لیزر چیست؟
- لیزر چگونه کار میکند؟
- لیزر چگونه نور ساطع میکند؟
- گسیل خودبه خودی
- گسیل القایی یا تحریکی
- چه چیزی باعث تمایز نور لیزر از سایر اشکال نور میشود؟
- انواع لیزرها
- کاربرد لیرز
- ابزارها
- ارتباطات
- صنایع دفاعی
- مخترع لیزر
لیزر چیست؟
لیزر چیزی فراتر از چراغ قوه های قدرتمند هستند. تفاوت بین نور معمولی و نور لیزر مانند تفاوت بین امواج آب در وان حمام و دریاست. اگر دستتان در وان به جلو و عقب حرکت دهید، میتوانید امواج قدرتمندی ایجاد کنید. حال اگر به صورت هماهنگ با این امواج به حرکت دادن دست خود ادامه دهید، امواج رفته رفته بزرگتر می شوند.
حال تصور کنید که این کار را چند میلیون بار در دریا انجام دهید. طولی نخواهد کشید که که امواج غول آسایی با ارتفاعی بلند تر از قد شما ایجاد میشود. لیزر نیز کار مشابهی را با امواج ضعیف نور انجام می دهد. با یک نور ضعیف شروع می کند و با افزایش تدریجی انرژی امواج نور، آن ها را متمرکز تر می کند.
هدایت دقیق پرتوهای لیزری روی مسیرهای مشخص بسیار راحت تر از هدایت نور معمولی است. در تصویر، فرآیند تولید سلول های خورشیدی کارآمدتر با استفاده از پرتوهای لیزر را مشاهده می کنید. (آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر ایالات متحده آمریکا، بخش انرژی)
اگر در آزمایشگاه، عملکرد لیزر را ببینید، فوراً متوجه دو تفاوت بسیار مهم چراغ قوه و لیزر خواهید شد:
- چراغ قوه نور سفید ( ترکیبی از همه رنگ ها، متشکل از امواج نور با فرکانس های مختلف) تولید می کند، درحالی که لیزر نور تک رنگ (نور با یک رنگ و فرکانس خاص، معمولا قرمز روشن یا سبز یا یک رنگ نامرئی مانند مادون قرمز یا فرابنفش) ساطع می کند.
- نور چراغ قوه از طریق یک لنز به اطراف می تابد و فضایی به شکل یک مخروط کوتاه و ناقص را روشن می کند، درحالی که پرتو لیزر بسیار منسجم تر و باریک تر است و مسافت بسیار طولانی تری را روشن می کند (اصطلاحاً می گوییم پرتوهای لیزر بسیار همسو هستند).
سومین تفاوت که احتمالا متوجه آن نخواهید شد این است که :
- امواج نور تابیده شده از چراغ قوه به هم ریخته (قله بعضی پرتو ها روی دره پرتوهای دیگر منطبق می شود) هستند، درحالیکه امواج لیزر دقیقا باهم همگام هستند، یعنی همه قله ها روی هم منطبق هستند.
- اصطلاحا می گوییم امواج لیزر همدوس هستند. تصور کنید پرتوهای نور چراغ قوه، دسته ای مسافر هستند که در ایستگاه قطار یکدیگر را هل میدهند و به هم تنه می زنند، درحالیکه پرتو های لیزر مانند سربازانی هستند که در صفوف منظم و هماهنگ رژه می روند.
این سه تفاوت است که نور لیزر را تبدیل به پرتوهای انرژی جهت دار، قدرتمند و با کاربردهای فراوان می کند.
برای ساخت لیزر به چه چیزهایی نیاز داریم؟
برا این کار به دو عنصر اصلی نیاز داریم:
- تعداد زیادی اتم ( جامد، مایع یا گاز) که بتوان الکترون های آنها را برانگیخته کرد. به این ماده محیط فعال یا تقویت کننده گفته می شود.
- ابزاری برای برانگیختن اتم ها مانند فلش لامپ (مثلا فلش لامپ زنون در دوربین ها) یا یک لیزر دیگر
یک لیزر قرمز معمولی، حاوی کریستالی از جنس یاقوت (محیطی که درتصویر زیر به شکل یک میله قرمز نشان داده شده است) و یک فلش لامپ (خطوط زیگ زاگ زرد) است که دور آن پیچیده شده است. این فلش لامپ کمی شبیه به یک چراغ ریسه ی فلورسنت است، با این تفاوت که حول کریستال یاقوت پیچیده شده و هر از چند گاهی مانند چراغ فلاش دوربین چشمک می زند.
پرتو لیزر چگونه تولید می شود ؟
- یک منبع تغذیه با ولتاژ بالا، فلش لامپ را روشن و خاموش می کند.
- هربار که فلش روشن می شود مقداری انرژی به شکل فوتون به کریستال تزریق یا به اصطلاح پمپ می کند.
- اتم های موجود در کریستال یاقوت (کره های سبز بزرگ) این انرژی را جذب و الکترون های آنها به تراز های بالاتر انرژی جهش می کنند. پس از چند میلی ثانیه، الکترون ها با تابش فوتون نور (کره های آبی کوچک) به تراز انرژی اولیه خود (حالت پایه) برمی گردند. به این فرآیند، گسیل خود به خودی گفته می شود.
- فوتون های آزاد شده توسط اتم ها، درون کریستال یاقوت با سرعت نور حرکت می کنند.
- هر از گاهی یکی از این فوتون ها یک اتم را در محیط برانگیخته میکند. این اتم یک فوتون آزاد می کند که جایگزین فوتون اولیه می شود. به این فرآیند گسیل القایی یا تحریکی گفته می شود.
به این ترتیب یک فوتون نور باعث تولید دو فوتون شده است، بنابراین نور تقویت می شود. به عبارت دیگر پرتوی لیزر با تقویت نور (افزایش شدت نور) به روش “گسیل القایی تابش” تشکیل می شود و کلمه “لیزر” نیز با کنار هم گذاشتن حروف اول عبارت فوق حاصل میشود.
- استفاده از یک آینه در انتهای لیزر، باعث می شود فوتون ها درون کریستال دائما به حرکت رفت و برگشتی خود ادامه دهند.
- یک آینه در انتهای دیگر لیزر برخی فوتون ها را به داخل کریستال بازتاب می دهد، اما اجازه می دهد بعضی از آنها خارج شوند.
- فوتون های خارج شده یک باریکه نور بسیار قدرتمند و متمرکز تشکیل می دهند.
معمولا در کتاب ها می خوانید که لیزر مخفف عبارت ” تقویت نور به روش گسیل القایی تابش” است. این عبارت پیچیده و گیج کننده به نظر می رسد اما اگر آن را به کلمات مجزا تقسیم کنید، می بینید که توضیح بسیار واضحی در رابطه با نحوه کار لیزر ارائه می دهد.
گسیل خود به خودی
بیایید در عبارت ” تقویت نور به روش گسیل القایی تابش” از “تابش” شروع کنیم. تشعشات لیزر هیچ ارتباطی با تشعشات خطرناک هسته ای که هنگام تجزیه یا برخورد اتم ها به هم منتشر می شوند و زنگ هشدار شمارشگر گایگر را به صدا در می آورند ندارد.
تشعشات الکترومغناطیسی تولید شده توسط لیزر، درست از جنس پرتوهای نور معمولی، امواج رادیویی، اشعه ایکس و مادون قرمز است. با اینکه این تشعشات در اثر جنبش الکترون ها درون اتم ها ایجاد می شوند اما نحوه ایجاد (تابش) آنها کاملاً متفاوت است.
می توانیم الکترون ها را درون اتم به صورت ذرات قرار گرفته روی تراز های انرژی که کمی شبیه به پله های نردبان هستند در نظر بگیریم. به طور معمول، الکترون ها در پائین ترین تراز انرژی ممکن که حالت پایه اتم نام دارد قرار دارند. اگر مقدار کافی انرژی به اتم داده شود، می توان یک الکترون آن را به تراز بالاتر انرژی که مانند پله بعدی نردبان است انتقال داد. به این فرآیند، جذب گفته میشود و در این حالت جدید، اصطلاحا می گوییم اتم برانگیخته شده است.
اما این حالت ناپایدار است و اتم به طور لحظه ای با ساطع کردن فوتون (یک ذره نور)، انرژی جذب شده را آزاد می کند و به حالت پایه بر می گردد. به این فرآیند گسیل خودبه خودی تابش گفته می شود و زمانی اتفاق می افتد که اتم به صورت خودبه خود نور ساطع می کند.
در همین رابطه بخوانید: دانلود فیلم آموزش اصول اولیه مهندسی روشنایی
فرآیند گسیل خودبه خودی در همه اشکال متداول نور از شمع گرفته تا لامپ، کرم شب تاب و چراغ قوه رخ می دهد. در یک شمع، فرآیند احتراق (واکنش شیمیایی بین اکسیژن و سوخت – که در این حالت موم است) باعث تحریک اتم ها و ناپایداری آن ها می شود و الکترون های برانگیخته هنگام بازگشت به حالت اصلی خود (پایه) نور ساطع می کنند. فوتون های حاصل از گسیل خود به خودی در داخل شعله شمع از نظر فرکانس و فاز باهم متفاوت هستند، به همین دلیل نور شمع ترکیبی از طول موج های مختلف (و رنگ ها) یا به بیان دیگر، سفید است. فوتون های نور به شکل امواج غیر همفاز و به صورت پراکنده و تصادفی در جهات مختلف منتشر می شوند، به همین دلیل نور شمع بسیار ضعیف تر از نور لیزر است.
گسیل القایی
به طور معمول، اتم ها در حالت پایه الکترون های بیشتری نسبت به حالت برانگیخته دارند. به همین علت است که اتم ها به صورت خود به خودی از خود نورساطع نمی کنند. اما اگر این اتم ها برانگیخته شوند (با تزریق انرژی) الکترون های آنها در حالت برانگیخته قرار می گیرند. در این صورت تعداد الکترون ها بیش از حالت پایه خواهد بود، پس تعداد زیادی الکترون در اتم وجود خواهند داشت که تمایل و آمادگی آزاد کردن فوتون را دارند. این وضعیت، وارونگی جمعیت نام دارد، زیرا وضعیت معمول در اتم معکوس یا وارونه می شود.
حالا فرض کنید که بتوانیم برای مدت بیشتری اتم ها را در این حالت حفظ کنیم، به طوری که به صورت خودکار به سرعت به حالت پایه برنگردند (وضعیت برانگیختگی موقت که به آن حالت شبه پایدار نیز گفته می شود). در این حالت اتفاق بسیار جالبی می افتد. اگر یک فوتون با انرژی مناسب به اتم ها شلیک شود، یکی از الکترون های برانگیخته به حالت پایه بر میگردد و دو فوتون از خود ساطع می کند: فوتون شلیک شده و فوتون تولید شده ناشی از تغییر حالت. به این فرآیند که در آن تحریک خارجی اتم ها باعث تابش نور می گردد، گسیل تحریکی یا القایی گفته می شود.
در این فرآیند با شلیک یک فوتون، دو فوتون حاصل میشود، یعنی می توان به این ترتیب نور را دو برابر و تقویت کرد. دو فوتون حاصل می توانند به نوبه خود سایر اتم ها را تحریک و باعث تابش فوتون های بیشتر شوند. بنابراین پس از مدت کوتاهی، آبشاری از فوتون ها – عکس العمل زنجیره ای – تولید و باعث تابش یک باریکه نور خالص و همدوس میشود. در واقع ما از طریق گسیل القایی، نور را تقویت کردیم و فلسفه نام گذاری لیزر نیز از همین جا ناشی می شود.
نحوه کار لیزر در تئوری: تصویر سمت چپ: جذب: با تزریق انرژی به یک اتم، الکترون (آبی) از حالت پایه به حالت برانگیخته گذار می کند، که معمولاً به معنای دور شدن از هسته (خاکستری) است.تصویر وسط: گسیل خود به خودی: یک الکترون برانگیخته به طور طبیعی به حالت اولیه خود باز می گردد، و یک کوانتوم (یک بسته انرژی) به شکل فوتون (تکان دادن سبز) آزاد می کند. تصویر سمت راست: گسیل تحریکی یا القایی: شلیک یک فوتون به دسته ای از اتم های برانگیخته و ایجاد آبشاری از فوتون های همسان. یک فوتون نور باعث تحریک تعداد زیادی از اتم ها می شود، بنابراین اتفاقی که رخ می دهد “تقویت نور (تولید نور بیشتر) به روش گسیل القایی تابش” است که به اختصار به آن لیزر گفته می شود.
چه چیزی باعث تمایز نور لیزر از سایر اشکال نور می شود؟
لیزر چگونه پرتوی نور همدوس و تک رنگ تولید می کنند؟ نحوه تولید چنین نوری به این مفهوم برمی گردد که انرژی کمیتی گسسته و بسته ای است و هر بسته یک کوانتوم نامیده می شود. انرژی از این لحاظ کمی شبیه به پول است. پولی که می توانید در اختیار داشته باشید تنها به شکل بسته هایی از کوچکترین واحد پولی کشور شماست که ممکن است سنت، روپیه یا هرواحد دیگری باشد. شما نمیتوانید یک دهم سنت یا یک بیستم روپیه پول داشته باشید، اما می توانید ده سنت یا بیست روپیه در اختیار داشته باشید. برای انرژی هم به همین صورت است و این مسئله به خصوص در درون اتم ها محسوس تر است.
مانند پله های نردبان، ترازهای انرژی در اتم ها نیز در موقعیت های ثابتی قرار دارند و بین آن ها فواصل مشخصی وجود دارد. شما نمی توانید برای بالا رفتن از نردبان پای خود را در جای دیگری به جز پله ها بگذارید و در مورد انرژی هم دقیقا به همین شکل است و هیچ الکترونی وجود ندارد که انرژی‌اش مقداری بین دو تراز باشد. درواقع تنها می توان الکترون ها را در درون اتم، بین سطوح ثابتی از انرژی جابه جا کرد.
برای آنکه یک الکترون از تراز پائین تر به تراز بالاتری از انرژی جهش یابد، باید میزان مشخصی (کوانتوم) انرژی دقیقا برابر با اختلاف دو تراز انرژی به اتم داده شود. هنگامی که الکترون ها از حالت برانگیخته به حالت پایه برمی گردند، دقیقا همان مقدار انرژی را به شکل یک فوتون نور با رنگ مشخص آزاد می کنند.
در فرآیند گسل القایی در لیزر، الکترون ها آبشاری از فوتون های همسان – از نظر انرژی، فرکانس و طول موج – تولید میکنند و به همین علت است که نور لیزر تک رنگ است. فوتون های حاصل، به شکل امواج نور با قله ها و دره های منطبق بر هم –همفاز- هستند و به همین علت نور لیزر به اصطلاح همدوس است.
انواع لیزر
کاربرد لیزر در دستگاه های پخش CD و DVD : دایره کوچک در سمت راست پایین، یک دیود لیزری نیمه هادی و دایره آبی بزرگتر لنزی است که نور لیزر را بعد بازتاب از سطح براق دیسک ( سی دی یا دی وی دی) می خواند.
موضوع مرتبط: آموزش تاسیسات الکتریکی ساختمان
از آنجایی که روش های بسیار متنوعی برای تحریک اتم ها وجود دارد، از نظر تئوری می توان انواع مختلفی از لیزرها را ساخت. اما در عمل، تنها چند نوع رایج از لیزرها وجود دارد که عبارتند از لیزر حالت جامد، گازی، مایع رنگی، نیمه رسانا و فیبری.
با استفاده از سه حالت اصلی ماده یعنی جامد، مایع و گاز، می توان سه نوع لیزر طراحی و تولید کرد. لیزرهای حالت جامد مانند شکل بالا هستند. محیط لیزر معمولاً یاقوت میله ای یا ماده بلوری دیگری است، که یک فلش لامپ دور آن پیچیده شده و به اتم های بلور انرژی تزریق می کند.
برای کارکرد بهتر، باید از فرآیند آلایش یا دوپینگ استفاده کرد. آلایش، فرآیند جابه جا کردن برخی اتم های ماده جامد با یون های ناخالصی است که باعث ایجاد ترازهای انرژی مناسب برای تولید نور لیزر با فرکانسی خاص و دقیق می شود.
لیزر حالت جامد
لیزر های حالت جامد معمولا پرتوهایی به شکل پالس های بسیار کوتاه با انرژی بالا تولید می کنند. در مقایسه با آن ها، در لیزر های گازی به کمک تحریک الکتریکی و با استفاده از ترکیبات گازهای نجیب (لیزر اکسایمر) یا کربن دی اکسید به عنوان محیط فعال، پرتو های پیوسته و درخشان تولید می شود. لیزرهای کربن دی اکسید قدرتمند و کارآمد هستند و معمولا در برش صنعتی و جوشکاری کاربرد دارند.
در لیزرهای مایع رنگی از محلولی از مولکول های رنگ آلی به عنوان محیط فعال استفاده می شود و اتم ها به کمک لامپ قوسی، فلش لامپ یا یک لیزر دیگر تحریک می شوند. مزیت بزرگ این لیزر ها این است که می توان از آنها برای تولید نور با طیف وسیع تری از فرکانس ها در مقایسه با لیزرهای حالت جامد و گازی استفاده کرد. همچنین فرکانس پرتوی خروجی این نوع لیزر ها نیز قابل تنظیم است.
درحالی که لیزرهای جامد، مایع و گاز ابعاد بزرگی دارند و قدرتمند و گرانقیمت هستند، لیزر های نیمه رسانا ارزان و کوچک هستند و در ابعاد تراشه های الکترونیکی ساخته می شوند. از این لیزر ها در دستگاه های پخش سی دی، پرینتر های لیزری و بارکدخوان ها استفاده می شود. آن ها چیزی بین دیود های ساطع کننده نور (LED) و لیزرهای مرسوم هستند. این لیزرها مانند LED ها با پیوند الکترون ها و حفره ها (جای خالی الکترون) ازخود نور ساطع می کنند و مانند لیزر نور تک رنگ و همدوس تولید می کنند. به همین علت است که گاهی به آن ها دیود های لیزری (یا لیزرهای دیودی) گفته می شود.
نوع دیگری از لیزر ها، لیزر های فیبری هستند که در آن ها از کابل های فیبر نوری آلایش شده به عنوان محیط فعال استفاده می شود. این لیزرها قدرتمند، کارآمد و مطمئن هستند، و انتقال نور لیزر به هرجایی که نیاز باشد را ممکن می سازند.
کاربرد لیزر
وقتی تئودور میمن اولین لیزر عملی را ساخت، افراد کمی متوجه اهمیت این ابزار در آینده بودند. در فیلم گلد فینگر از سری فیلم های جیمز باند محصول 1964، تصویری وسوسه انگیز از آینده ای نمایش داده شد که در آن لیزر می توانست به شکلی جادویی هر چیزی را که در مسیرش قرار می گرفت از وسط به دو نیم تقسیم کند- حتی ماموران مخفی را !
در همان سال، نیویورک تایمز در گزارش خود پس از معرفی برنده جایزه نوبل فیزیک یعنی چارلز تاونز از پیشگامان لیزر، اشاره کرد که: “یک پرتوی لیزر میتواند همه برنامه های رادیویی و تلویزیونی دنیا به علاوه چند صد هزارتماس تلفنی را به طور همزمان انتقال دهد. در حال حاضر از لیزرها برای فاصله سنجی و ردیابی موشک ها استفاده می شود. امروزه بعد از یک ربع قرن، لیزرهمچنان در حوزه هایی از جمله اندازه گیری دقیق، مخابرات دیجیتال و صنایع دفاعی کاربرد فراوان دارد.
برای هر بار پرینت، چاپگر لیزری روی میز شما در واقع هزاران اتم را تحریک می کند! ابتدا لیزر داخل چاپگر تصویر بسیار دقیقی از صفحه ای که می خواهید روی درام چاپ کنید، ترسیم می کند. سپس درام، جوهر باردار (تونر) را به خود جذب کرده و بر روی کاغذ می ریزد و به این ترتیب تصویر بر روی کاغذ منتقل می شود.
ابزار ها
ابزار های برش مبتنی بر لیزرهای کربن دی اکسید به طور گسترده ای در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند. آن ها دقیق و دارای قابلیت عملکرد خودکار هستند و بر خلاف چاقو ها هیچ گاه کند نمی شوند. در گذشته در کارخانه های تولید پوشاک، پارچه ها به صورت دستی برش داده می شدند، اما امروزه این کار به کمک لیزر و اپراتور های رباتی انجام می شود.
لیزر نسبت به انسان ها دقیق تر و سریع تر است و می تواند پارچه هایی با ضخامت های مختلف را به طور همزمان برش بزند؛ و این باعث بهبود کارایی و بهره وری تولید می شود.
در پزشکی دقت از اهمیت بالایی برخوردار است، به همین دلیل پزشکان به طور معمول از لیزر برای درمان بیماران استفاده می کنند. در واقع در حوزه پزشکی لیزر ها درهمه موارد، از منفجر کردن تومورهای سرطانی و سوزاندن رگ های خونی گرفته تا اصلاح مشکلات بینایی افراد (جراحی لیزری چشم ، ترمیم جداشدگی و پارگی شبکیه و جراحی آب مروارید) کاربرد دارند.
نقش لیزر در گسترش ارتباطات
لیزر بستر همه فناوری های دیجیتالی در قرن بیست و یکم است. هربار که در فروشگاه های مواد غذایی، صندوق دار از بارکدخوان استفاده می کند، در واقع از یک لیزر برای تبدیل بارکد روی اجناس به اعداد قابل فهم برای کامپیوتر کمک می گیرد.
هنگامی که یک دی وی دی را تماشا می کنید یا به یک سی دی گوش می کنید، یک پرتوی لیزر نیمه هادی با حرکت رفت و برگشتی روی دیسک، الگوی داده های ذخیره شده روی آن را به دنباله ای از اعداد و سپس یک تراشه کامپیوتری آنها را به فیلم، آهنگ و صدا تبدیل می کند.
لیزرو کابل های فیبر نوری، در فناوری های فوتونیک – استفاده از فوتون های نور برای برقراری ارتباط – مثلا برای ارسال جریان های عظیم داده در بستر اینترنت کاربرد فراوان دارد. فیسبوک اخیرا در حال استفاده آزمایشی از لیزر (به جای امواج رادیویی) برای برقراری ارتباط بهتر با ماهواره های فضایی است که می تواند منجر به افزایش نرخ انتقال داده و دسترسی بسیار بهتر به اینترنت در کشورهای توسعه یافته شود.
آیا در آینده سلاح های لیزری بازار را قبضه خواهند کرد؟ تصویر، سیستم سلاح لیزری نیروی دریایی ایالات متحده آمریکا (LaWS) را نشان می دهد که در سال 2014 روی ناو USS Ponce آزمایش شده است. چنین اسلحه لیزری یک منبع بی پایان از انرژی جهت دار است و بدون هیچ گلوله یا موشکی می تواند دشمن را نابود کند.
کاربرد لیزر در صنایع دفاعی
از دیرباز تاکنون یکی از بزرگترین حوزه های کاربرد لیزر صنایع نظامی و عمدتا سلاح های لیزری و موشک ها بوده است. علیرغم تبلیغات تلویزیونی و سینمایی، ایده تخیلی استفاده از سلاح های لیزری برای نصف کردن، کور کردن و کشتن دشمنان، تا اواسط دهه 80 در حد خیال باقی ماند.
در سال 1981، روزنامه نیویورک تایمز تا آنجا پیش رفت که به نقل از یک متخصص لیزر در صنایع نظامی نوشت: ” احمقانه است! برای کشتن یک نفر با لیزر، انرژی بیشتری لازم است تا برای از بین بردن یک موشک”.
دو سال بعد، سلاح های لیزری دوربرد رسما تبدیل به سنگ بنای برنامه دفاعی استراتژیک رونالد ریگان، رئیس جمهور آمریکا شد. این برنامه به عنوان “برنامه جنگ ستارگان” معروف شد. ایده اولیه، استفاده از لیزرهای اشعه ایکس مبتنی بر فضا برای نابود کردن موشک های دشمن (پیش از آنکه فرصت حمله داشته باشند) بود. اگرچه این طرح در نهایت به دنبال فروپاشی اتحاد جماهیر شوروی و پایان جنگ سرد نیمه تمام ماند.
با این حال، متخصصین صنایع دفاعی به تلاش خود برای نزدیک کردن داستان های علمی – تخیلی به واقعیت ادامه دادند. نیروی دریایی آمریکا در سال 2014 شروع به آزمایش سیستم تسلیحاتی لیزری (LaWS) روی ناو USS Ponce خود در خلیج فارس کرد. این سلاح ها با استفاده از لیزر حالت جامد دیودی (با پمپ دیود نورافشان) و به هدف نابود کردن موشک های دشمن با دقت بیشتر و هزینه کمتر نسبت به موشک های معمولی طراحی شده بودند.
آزمایشات موفقیت آمیز بودند و به دنبال آن در سال 2018 نیروی دریایی آمریکا از امضای قراردادهای جدیدی برای توسعه هرچه بیشتر سیستم های تسلیحاتی لیزری خبر داد. همچنین ساخت و توسعه لیزر های فضایی به طور همزمان ادامه دارد، اگرچه هیچ یک به مرحله اجرایی نرسیده اند.
دانشمندان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا موفق به ساخت قدرتمندترین لیزر جهان با نام تأسیسات ملی احتراق و علوم فوتونی (NIF) برای تحقیقات هسته‌ای شدند. این تاسیسات که در یک ساختمان 10 طبقه مسکونی قرار دارد و مساحتی به اندازه سه زمین فوتبال را اشغال می کند، از 192 پرتوی لیزر جداگانه برای تأمین حداکثر 500 تریلیون وات نیرو (100 برابر بیشتر از هر لیزر دیگری) استفاده و گرمایی معادل با 100 میلیون درجه تولید می کند. هزینه این تاسیسات در کل 3.5 میلیارد دلار است و انتظار می رود تا سی سال آینده به پیشبرد تحقیقات پیشرفته هسته ای کمک کند. تصویر اول: لیزرهای دوقلو در مرکز NIF . تصویر دوم: پرتوهای لیزربه شکل یک گلوله کوچک سوخت در یک محفظه متمرکز شده و حرارت شدید تولید می کنند (دمایی معادل دمای عمق ستارگان). هدف از این کار ایجاد فرآیند همجوشی هسته ای (جوش دادن و پیوند دادن اتم ها به یکدیگر) و آزاد کردن مقدار زیادی انرژی است.
مخترع لیزر چه کسی است؟
مجسمه یادبود چارلز تاونز که برای تجلیل از خدمات علمی ارزشمند او ساخته شده است.
دنبال کردن رد پای لیزرها ما را به دو دهه نخست قرن بیستم می برد. در همین زمان بود که آلبرت انیشتین نظریه کوانتوم نور و فوتون ها را مطرح کرد (در سال 1905) و به مکانیسم فرآیند گسیل القایی پی برد (1917). بااینکه نظریه کوانتوم و گسیل القایی اجزاء اصلی علم لیزر هستند، اما تولد اولین لیزر عملی حدود چهار دهه بعد اتفاق افتاد.
میزر اولیه طراحی شده در دهه 1950 توسط آرتور شاولو و چارلز تاونز که در آن قسمت های اصلی برای نمایش بهتر رنگ آمیزی شده است.
لیزر ها از میزر ها که عملکردی مشابه دارند اما به جای امواج نور مرئی، امواج مایکرویو تولید میکنند تکامل پیدا کرده اند. دستگاه میزر در دهه 1950 توسط چارلز تاونز و آرتور شاولو اختراع شد. این اختراع جایزه نوبل فیزیک را برای آنها (تاونز در 1964 و شاولو در 1981) به ارمغان آورد. آنها در 30 جولای 1958 برای ثبت و محافظت از اختراع خود اقدام و در 22 مارچ 1960 حق مالکیت آن را دریافت کردند.
اما آیا آنها لیزر را اختراع کردند؟ در سال 1957 یکی از دانشجویان تحصیلات تکمیلی تاونز، گوردن گلد، در دفتر یادداشت خود، طرحی از نسخه نور مرئی میزر را ترسیم و کلمه “لیزر” را که از آن زمان تاکنون استفاده میشود، ابداع کرد. متاسفانه او در آن زمان ایده خود را ثبت اختراع نکرد و بیست سال آینده عمرش صرف دعواهای حقوقی شد. در نهایت در سال 1977 بخشی از حق اختراع لیزر (روش انرژی بخشی به مواد) را به نام خود ثبت کرد و حق امتیاز قابل توجهی به عنوان عوض دریافت کرد.
لیزر طراحی شده توسط گوردون گلد ساختار بسیار متفاوتی با میزر دارد اما همان کار تقویت نور را انجام می دهد.
با اینکه اغلب از تاونز و شاولو به عنوان مخترعین لیزر یاد می شود، اولین شخصی که موفق به ساخت یک لیزر نورمرئی عملی و کاربردی شد، تئودور میمن بود که هیچ گاه رسماً به عنوان مخترع لیزر شناخته نشد. طرح اولیه ایده و کار او از سوی ژورنال Physical Review Letters رد شد و علیرغم دو بار نامزدی برای جایزه نوبل فیزیک، او هیچ گاه موفق به دریافت آن نشد. اگرچه، در سال 1984 به تالار مشاهیر مخترعین ملی راه یافت و به خاطر ایده نوآورانه خود، جوایز و افتخارات زیادی در سراسر جهان کسب کرد.
هیچ دیدگاهی نوشته نشده است.