اصول فیزیک لیزر و طریقه ساخت

[hamedof 5,183]

سلام خدمت دوستان بزرگوار میلیتاری . با توجه به اینکه چند وقتیه که بحث سلاح های لیزری بیشتر مطرح میشه و اینکه خودم هم همین رشته رو می خونم ، تصمیم گرفتم تا یک تاپیک کامل در مورد لیزر ها ، مباحث فیزیکی اون ، طریقه ساخت و انواع و اقسام اون ایجاد کنم . البته اولش شاید ساده به نظر برسه ولی اگه صبور باشید به قسمت های عمیق تر هم می رسیم (تقریبا روزی یک یا دو قسمت رو سعی می کنم تکمیل کنم).

لیزر

LASER

«Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation»

تقویت نور به روش گسیل القایی تابش

قسمت اول

لیزر به مجموعه ای از پرتو ها گفته می شود که تک فام ، همفاز و هم راستا باشند . اما چگونه چنین نوری ایجاد می شود ؟! برای درک بهتر این موضوع باید وارد قلب یک ماده یعنی اتم های اون بشیم . همه ی ما می دونیم که هر اتم دارای ترازهای انرژیی هست که هم برای نوکلئون ها تعریف شده و هم برای الکترون ها ، ولی در مورد لیزر ما فقط به تراز های انرژی الکترون ها می پردازیم .
می دونیم که الکترون ها همیشه دوست دارند در حالت پایه ی خودشون قرار بگیرند و این حالت ، آخرین تراز پر نشده ی یک اتم هست . حال وقتی الکترونی با دریافت انرژی به ترازهای بالاتر منتقل بشه ، این الکترون مایله تا با از دست دادن انرژی به حالت پایه ی خودش برگرده و این کار رو به وسیله ی آزاد کردن یک فوتون یا بسته ی انرژی انجام میده و اگه این بازگشت به تراز دوم باشه ، ما این انرژی رو به صورت نور مرئی می بینیم . به این فوتون از این به بعد فوتون نوری می گیم.

انرژیی که این فوتون نوری داره از رابطه E=hc/ƛ بدست میاد . که در اون hc ثابته ولی لاندا تغییر می کنه . لاندا هم چیزی نیست جز طول موج . پس برای اینکه انرژی فوتون بیشتر باشه باید طول موج کمتر باشه و در صورتی طول موج کمتر خواهد بود که الکترون از تراز های بالایی مثل تراز پنجم و ترازهای بالاتر به تراز دوم بازگشت کنه تا نوری با طول موج کمتر تولید می کنه . به عکس زیر توجه کنید :

تا به اینجا می دونیم که چطور میشه یک نور تکفام ساخت ، اما چطور دو ویژگی دیگه پرتو های لیزری برقرار میشه ؟!
هم فازی و هم راستا بودن .
ویژگی همفازی (و البته تکفامی)رو وقتی میشه برای این نور ها در نظر گرفت که همه ی الکترون ها از یک تراز به تراز دوم سقوط کنند . لازمه ی اون هم اینه که انرژیی که وارد می کنیم رو تنظیم کنیم تا انرژی اضافی به سیستم وارد نشه. پس تنها مشکلی که از لحاظ علمی برای ما میمونه هم راستا کردن نوره . برای هم راستا کردن نور هم از دو آینه با ویژگی های خاص استفاده می کنیم و نوری که ایجاد شده رو در یک راستا منتشر می کنیم .
خوب برای قسمت اول کافیه ، انشاالله در قسمت های بعدی به بررسی یک نمونه خیلی ساده از دستگاه ساخت لیزر می پردازیم و بعد از اون بحث کم کم علمی تر میشه و به لیزرهایی با کاربرد های مختلف اشاره می کنیم .

ادامه دارد ....

فقط برای میلیتاری

نویسنده : حامد فاتحی
استفاده از مقاله با ذکر نام نویسنده و منبع آن بلامانع است.

[worior 25,870]

حامد جان ، همین دنده و فرمون رو بگیر ادامه بده ، این مطلب رو رها نکنی که بنده شخصا به لیزر خیلی علاقه دارم ، بخصوص اینکه میخوام بدونم bq در dpssl چطور محاسبه میشه ، و یا اینکه انواع تجاری اصلا محاسبه اش میکنند یا نه و بعدش هم این سوال منو اگر بتونی جواب بدی عالی هست ، dpssl با طول 3 میکرون هم داریم ؟ ....

[ops 2,259]

آقا حالا که اینجا شده مکان پرسش هایی که همیشه ذهنمون رو مشغول کرده بنده هم یک سوال دارم که البته بی ربط به سوال برادر ابراهیم نیست.
چرا اپتیمایز کردن توان خروجی و bq در dpssl ها سخته؟؟اصلا انقدری سخت هست که میگن یا همش حرفه؟!

[IR-Craft 544]

میگن سوال پرسیدن خوبه ولی نه این شکلیش.بنده خدا در رفت.
آقا میگن تو توپ های لیزری نظامی از آینه استفاده نمیشه پس چطوری پرتو هارو یه خط میکنن؟

[hamedof 5,183]

نخیر به دوستان پیام داده شد ، به یکی دو سوال آقا ابراهیم جواب دادم و قرار شد سوالات رو شنبه جواب بدم ... چون خودم بیشتر در مباحث فیزیکی اطلاع دارم و هنوز الکترونیک لیزر رو نخوندیم ولی قرار شد تا با سوال از استاد هام جواب دوستان رو بدم .....

[IR-Craft 544]

[quote name='hamedof' timestamp='1357054114' post='291659']
نخیر به دوستان پیام داده شد ، به یکی دو سوال آقا ابراهیم جواب دادم و قرار شد سوالات رو شنبه جواب بدم ... چون خودم بیشتر در مباحث فیزیکی اطلاع دارم و هنوز الکترونیک لیزر رو نخوندیم ولی قرار شد تا با سوال از استاد هام جواب دوستان رو بدم .....
[/quote]
پس من چی جواب منم بدی.

آقا اگه قراره آخرش به چیز عملی برسیم و قابل ساخته لوازمشو بگو تهیه کنیم من خیلی دوست دارم رو لیزر ها کار کنم
باتشکر

[crazy-doctor 7,023]

حامد جان قبل از اینکه مبحث تخصصی بشه بد نیست یک دوره کوتاه راجع فیزیک الکترومغناطیس و ملزومات بگذاری (به زبان ساده و با تصویر همین تاپیک یا تاپیک دیگه )
که دوستان سایت یواش یواش اشنا بشند ...انشالله که تاپیک علمی و خوبی میشه

[hamedof 5,183]

البته دکتر جان ، قراره همین کار رو بکنم ، اول این بحث رو به صورت فیزیکی شرح میدم (سعی می کنم محاسباتی که ممکنه مورد نیاز باشه رو هم قرار بدم ) و بعد میریم سراغ وسایل مورد نیاز برای ساخت و ....


[quote name='IR-Craft' timestamp='1357053872' post='291657']
میگن سوال پرسیدن خوبه ولی نه این شکلیش.بنده خدا در رفت.
آقا میگن تو توپ های لیزری نظامی از آینه استفاده نمیشه پس چطوری پرتو هارو یه خط میکنن؟
[/quote]

حالا بعدا تو تاپیک مدل های مختلف رو می بینیم ولی من هم که توی DoD و یا دارپای آمریکا کار نمی کنم ! ویرایش شده در دی 91 توسط hamedof

[hamedof 5,183]

[center][b][color=#0000cd]قسمت دوم ، بخش اول[/color][/b][/center]

[center][color=#006400][b]ساختار یک لیزرافکن[/b][/color][/center]

اصولا یک برای تولید یک لیزر ، نیاز است تا با سه ساختار اساسی آشنا شویم که پایه و اساس ساخت انواع لیزر هاست که عبارت اند از :
[b]1- ماده فعال - Active Material [/b]
[b]2- پمپ انرژی - Excitation Pump[/b]
[b]3- ترکیبی از دو آینه موازی یا رزوناتور Resonator Optics[/b]

[b][color=#800080]قسمت اول : ماده فعال Active Material[/color][/b]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/HeNe.jpg[/img][/center]

[b]ماده فعال[/b] ، ماده ای است که الکترون هایش بتواتند با جذب انرژی از یک منبع خارجی به تراز های بالاتر منتقل شوند و سپس با آزاد کردن فوتون انرژی خود را از دست دهند و به حالت پایه باز گردند . نکته ای که قابل توجه است این است که یک ماده فعال مناسب ، ماده است که اتم های آن پس از دریافت انرژی اولیه بتوانند به صورت زنجیره ای برانگیخته شوند ، فوتون آزاد کنند ، فوتون آن ها اتم های دیگر را برانگیخته کنند و باز اتم های جدید اتم های بعدی را برانگیخته سازند . این ماده می تواند [b]جامد ، مایع و یا گاز[/b] باشد که از جمله مواد فعال معروف می توان به [b]CO2[b] [/b]، ترکیب گازهای هلیم و نئون ، CO و یا کریستال ( ND-YAG )[/b] اشاره کرد. به عنوان مثال هنگامی که یک تخلیه الکتریکی روی ترکیب هلیم و نئون صورت می گیرد ، یک [color=#0000cd][b]پلاسمای برانگیخته [/b][/color]ایجاد می شود که می تواند به عنوان ماده فعال در تولید لیزر به کار رود ، هر کدام از مواد فعال نیز برای خود یک واکنش شیمیایی را طی می کنند تا بتوانند به عنوان ماده فعال مورد استفاده قرار گیرند .

در این عکس هم انواع مواد فعال مورد استفاده در لیزر ها با طول موجی که ایجاد می کنند رو مشاهده می کنید .

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/Commercial_laser_lines_svg.png[/img][/center]
[center]این هم عکس با ماکسیمم اندازه :[/center]
[center][url="http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Commercial_laser_lines.svg"]تصویر[/url]
*** حالت برانگیختگی :[/center]




[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/800px-CuO2-plane_in_high_Tc_superconductor.png[/img][/center]

به طور کلی برانگیختگی یعنی زیاد شدن انرژی یک سامانه نسبت به حالتی که کمترین انرژی ممکن را داراست. این مفهوم به طور خاص در مکانیک کوانتومی که در آن اتمها دارای حالت‌های کوانتومی و سطوح انرژی هستند کاربرد دارد.طول عمر سیستم در حالت برانگیخته کوتاه است. به طور لحظه‌ای و یا با ساطع کردن یک فوتون یا فونون سیستم انرژی اضافی خود را آزاد می‌کند و به حالتی با انرژی پایین‌تر و یا حالت پایه برمی‌گردد. حال اگر عدد کوانتومی حالت اولیه را n(1) و حالت ثانویه را n(2) در نظر بگیریم ، طول موج فوتون ساطع شده را می توان از رابطه زیر بدست آورد که در آن R = 1,1.107m – 1 می باشد.

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/Twl_mwj.png[/img][/center]

(فونون یک کوانتوم انرژی است مثل فوتون است که در نقش یک شبه‌ذره، حرکت نوسانی اتمها در کریستال را توجیه می‌کند. همچنین فونون نقش بسیار مهمی در بسیاری از خاصیتهای مواد جامد دارد برای مثال رسانایی گرمایی و رسانایی الکتریکی توسط فونونها صورت می‌گیرد.)

[color=#0000cd][b]ادامه دارد....[/b][/color]
مطالب رو تکه تکه در سایت قرار میدم تا دوستان بیشتری متن رو مطالعه کنند ...


[color=#FF0000]نویسنده : حامد فاتحی
استفاده از مقاله با ذکر نام نویسنده و منبع آن بلامانع است[/color]. ویرایش شده در دی 91 توسط hamedof

[hamedof 5,183]

[color=#ff0000]اول از همه از دوستان به خاطر وقفه ای که پیش اومد عذر خواهی می کنم ، دلیلش هم امتحانات دانشگاه بود .[/color]

[center][size=5][color=#0000CD][b]قسمت دوم ، بخش دوم[/b][/color][/size][/center]

[center][size=5][color=#008000][b]ساختار یک لیزرافکن (2)[/b][/color][/size][/center]


[right][b]در قسمت قبلی در مورد ماده فعال صحبت کردیم و اینکه چه موادی را می توان به عنوان ماده فعال به کار برد . ولی این سوال پیش می آید که چگونه می توان از یک ماده فعال برای تولید لیزر بهره برد . [/b][/right]
[b]برای جواب دادن به این سوال ابتدا نیاز است تا با کلیت دو قسمت اصلی دیگر ساختار یک لیزرافکن آشنا شویم.[/b]




[center][color=#800080][b]پمپ انرژی[/b][/color][/center]
[center][color=#800080][b]Excitation Pump[/b][/color][/center]

[right][b]پمپ کردن انرژی به عمل انتقال انرژی به داخل رزوناتور ( محفظه نگهداری ماده فعال که معمولا به صورت یک استوانه است که در ادامه به تشریح آن خواهیم پرداخت ) و جذب آن توسط محیط برای ایجاد [color=#0000cd]حالت وارونگی[/color] [color=#0000cd]جمعیت [/color]اطلاق می شود . البته برای پمپ کردن انرژی راه های گوناگونی وجود دارد که به چند مورد از آن ها اشاره می کنیم .[/b][/right]
[right][color=#008000][b]1-انتقال انرژی توسط امواج.[/b][/color][/right]
[right][color=#008000][b]2- انتقال انرژی توسط عبور جریان الکتریکی[/b][/color][/right]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/index.jpg[/img][/center]

[right][color=#008000][b]3- انتقال انرژی توسط لیزر ثانویه[/b][/color][/right]
[color=#008000][b]4- پمپ های انرژی اپتیکی مثل فلش لامپ ها [/b][/color]




[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/Xenon_high_speed_flash_and_external_triggering.jpg[/img][/center]


[b]البته این ها تنها روش های موجود جهت انتقال انرژی نیست و انتخاب روش انتقال انرژی بسته به [color=#0000cd]سطح تکنولوژیک ما و همچنین کاربرد لیزر[/color] خواهد داشت .[/b]




[right][color=#008000][b]وارونگی جمعیت :[/b][/color][/right]


[right][b]هنگامی که می گوییم ماده دچار وارونگی جمعیت شده است ، منظور این است که تعداد اتم هایی از ماده که الکترون هایشان در حالت برانگیختگی قرار گرفته اند بیشتر از اتم هایی هستند که در حالت پایه خود قرار دارند . در این حالت شاید تولید فوتون های زیاد خواهیم بود زیرا اتم ها تمایل به بازگشت به حالت پایه خود دارند و این کار به وسیله گسیل فوتون انجام می شود. [/b][/right]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/3-states_e.gif[/img][/center]


[center][color=#800080][b]ترکیبی از دو آینه موازی یا رزوناتور[/b][/color][/center]
[center][color=#800080][b]Resonator Optics[/b][/color][/center]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/laser_mirrors.jpg[/img][/center]

[right][b]این قسمت عمدتا شامل دو آینه جزیی و کلی است که به منظور همسو و تشدید کردن نور ایجاد شده در سیستم طراحی شده است. [/b][/right]
[right][b]آینه هایی که در ساختار یک لیزر افکن استفاده می شود باید ویژگی های منحصر به فردی داشته باشند که به شرح ذیل می باشند :[/b][/right]
[right][b]1-هر لیزر افکن از دو نوع آینه استفاده می کند که یکی از آن ها دارای خاصیت بازتابش بسیار زیاد و در حدود 99.8 درصد است(تشدید کننده و همسو کننده) و دیگری آینه ای است که می توان طول موج خاصی از نور را به خوبی از خود عبور دهد . (دهنه ی خروجی لیزر) .[/b][/right]
[right][b]2- کیفیت بالای آینه ها از لحاظ ساختاری ( مسطح بودن در کل آینه و نداشتن ناهمواری در سطح آینه) برای جلوگیری از اعوجاج های جبهه نور که باعث کاهش کیفیت پرتو ها می شود. [/b][/right]
[right][b]3- مقاومت بالا در برابر شدت نور زیاد برای جلوگیری از آسیب دیدگی آینه ها .[/b][/right]
[right][b]عموما از آینه های دی الکتریک در رزوناتور استفاده می کنند و دلیل آن هم این است که هرچند که آینه های نقره ، طلا و آلامینیوم اندود شده درصد جذب کمی هم داشته باشند ولی باز هم کوچترین جذب انرژی توسط این آینه ها ممکن است به تبخیر آن ها و یا آسیب دیدن سطح آینه ها بیانجامد ، لذا استفاده از این نوع آینه ها ضروری است.[/b][/right]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/mirror_dielectric_02.png[/img][/center]

[right][b]ساختار این آینه ها به این صورت است که لایه هایی از مواد با ضریب شکست بسیار بالا و پایین به صورت متناوب و با ضخامت یک چهارم نور فرودی ، روی یکدیگر سوار می شوند و نور را بازتاب می کنند. [/b][/right]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/mirrorsfigure6.jpg[/img][/center]



[center][b]این هم عکس هایی از ساختار لیزر های مختلف [/b][/center]
[center][b]تقدیم به دوستان میلیتاری[/b][/center]

[center][b]رنگ لیزر ها با ماده فعال متفاوت[/b][/center]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/Untitled~1.jpg[/img][/center]


[center][b]لیزر های تک مرحله ای دیودی[/b][/center]
[center][b]DPSSL[/b][/center]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/dpss1asm.gif[/img][/center]

[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/IMG_9540.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/thumb_IMG_9540.jpg[/img][/url][/center]

[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/IMG_9538.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/thumb_IMG_9538.jpg[/img][/url][/center]

[center][IMG]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/Green-laser-pointer-dpss-diagrams.jpg[/IMG][/center]

[center][b]لیزر هلیم نئون[/b][/center]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/2.gif[/img][/center]

[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/10mWmultimodetube.jpg"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/thumb_10mWmultimodetube.jpg[/img][/url][/center]

[center][b]لیزر [/b][b]CO2[/b][/center]

[center][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/co2-laser.jpg[/img][/center]

[center][url="http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/co2laser.gif"][img]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/thumb_co2laser.gif[/img][/url][/center]

[center][IMG]http://gallery.military.ir/albums/userpics/10206/CO2_laser.JPG[/IMG][/center]



[color=#FF0000]نویسنده : حامد فاتحی
استفاده از مقاله با ذکر نام نویسنده و منبع آن بلامانع است[/color]. ویرایش شده در بهمن 91 توسط hamedof

[rpg7 5,944]

از تاپیک علمی و بی اغراق، بی نظیرت تشکر ویژه دارم
ولی یک نکته باید به عرض برسونم.....
اون اینکه ایکاش مقدمه بیشتری میاوردی ...بنده اولش مطالعه کردم ولی ... بازهم نتونستم چیزی دستگیرم بشه
یعنی از بحث شما عقب افتادم!!!
فکر کنم به این دلیل و دلیل تخصصی بودن موضوع هرکسی نتونه جرات کنه یک پست همسنگ موضوع ارائه کنه
بهرحال....من تاپیک ذخیره کردم تا ازش بعدا استفاده کنم...
ممنون RPG7

[hamedof 5,183]

سلام خدمت آرپی جی همیشه 7 !

آخه اولش اگه بخوام بحث مکانیک کوانتومی ، امواج و ... رو مطرح کنم دیگه خیلی پیچیده میشد !

حالا دوستان اگه مشکلی در جایی از مطلب دارند همینجا اعلام کنند ! والا حاضرم کلمه به کلمش رو برای دوستان باز کنم !

[rpg7 5,944]

هااااا...
خوب حالا شدی پسر خوب!
حالا از اولش شروع کن ببینم
اولا در مورد امواج و .... که به موج ربط دارن بگو

[hamedof 5,183]

خوب خیلی سادست . اولین نکته ای که باید بهش توجه کنیم که لیزر یعنی : تقویت [color=#ff0000]نور [/color]به وسیله گسیل القایی تابش .

نور چیه ؟ نور یک [color=#ff0000]موج [/color]الکترومغناطیس هست و همونطور که می دونیم نور می تونه طول موج های متفاوتی رو اختیار کنه . اما سوال اینجاست که چطور طول موج نور تغییر می کنه ؟

برای درک بهتر این موضوع باید چند نکته رو در نظر گرفت :

1- اتم 7 تراز انرژی برای الکترون های خودش داره و وقتی الکترونی از هر یک از تراز های بالایی به تراز های پایینی بیاد فوتون تولید می کنه . (فوتون هم مثل موجه و طول موج داره ) .

2- هر طول موج مربوط به یک قسمت از گستره امواجه برای مثال اگه اشتباه نکنم موج هایی با طول موج 400 تا 700 نانومتر در محدوده مرئی قرار می گیرند ، با طول موج بیشتر به سمت فروسرخ و امواج رادیویی حرکت می کنند که انرژی کمتری داره . بالعکس وقتی طول موج کوتاه تر میشه امواج در محدوده امواج پر قدرت مثل اشعه ایکس و گاما قرار می گیرند.

3- طول موج با انرژی موج رابطه عکس داره یعنی گاما که کوتاه ترین طول موج رو داره بیشترین انرژی رو داره .

4- حالا چی میشه که انرژی یک فوتون بیشتر میشه ؟ زمانی انرژی فوتون بیشتر میشه که از تراز های بالاتری نسبت به تراز پایین سقوط کنه . چرا؟ چون اختلاف سطح انرژی اون ها بیشتر بوده حالا وقتی با گسیل فوتون انرژی خودش رو آزاد می کنه انرژی بیشتری آزاد میشه پس > فوتون طول موج کمتری داره .

خوب با توجه به مطالب فوق و طول موج لیزر اون رو طبقه بندی می کنند . یک لیزر می تونه در محدوده امواج فرو سرخ تا امواج ما ورای بنفش قرار بگیره .

فکر کنم دیگه ابهامی نباشه ولی اگر نیاز به توضیح بود حتما بپرسید ! ویرایش شده در بهمن 91 توسط hamedof

[MOHAMMAD 6,333]

بسیار ممنون از مطلب علمی و خوبتون که به زبان ساده و به زیبایی ادامه دادید، می خواستم خواهش کنم در مورد پمپهای انرژی بیشتر توضیح دهید، خصوصا اینکه در لیزرهای شیمیایی پمپ انرژی چگونه کار می کنه؟

جنس فوتون چیه؟