تبلیغات
شیمی تجزیه - شیمی لیزر

شیمی لیزر

نویسنده :احمد قسمی
تاریخ:یکشنبه 30 مرداد 1390-01:58 ب.ظ

شیمی و لیزر:

روند پیدایش و توسعه لیزر:

اختراع لیزر همانند اختراعات علمی دیگر یك شبه انجام نگرفت و نیاز به مراحل شكل گیری و در نتیجه مدت زمانی برای تحقیق و مطالعه داشت كه د راین زمینه افرادی با نبوغ و با پشتكار علمی خود در نیمه دوم قرن بیستم میلادی این شاهكار خود را به جهان معرفی كردند.

 

 

تهیه كننده: احمد قسمی ،كارشناس ارشد شیمی تجزیه

هنرستان صنایع شیمیایی دكتر اسماعیلی (آموزش و پرورش ناحیه1)

شیمی و لیزر:

روند پیدایش و توسعه لیزر:

اختراع لیزر همانند اختراعات علمی دیگر یك شبه انجام نگرفت و نیاز به مراحل شكل گیری و در نتیجه مدت زمانی برای تحقیق و مطالعه داشت كه د راین زمینه افرادی با نبوغ و با پشتكار علمی خود در نیمه دوم قرن بیستم میلادی این شاهكار خود را به جهان معرفی كردند.
شكل گیری تفكر لیزر و تكامل آن در مراحل مختلف تا حد زیادی به پدیده تابش اتمی و تولید و تقویت امواج ریز موج و گسترش آن به نواحی زیر قرمز و مرئی طیف الكترو مغناطیسی بستگی داشت.از نظر تاریخی می توان 1917 میلادی را بعنوان مبدا حركت اساسی برای توضیح نوسان و تقویت نوری و پدیده مهم جذب و نشر خودبخودی و مهمتر از همه نشر القایی سیستم اتمی كه بوسیله انیشتین بیان شد،در نظر گرفت.

در سال 1954 اولین بار تاونز از آمریكا و باسوف و بروخروف از شوروی سابق و همكاران خود توانستند،اولین نوسان گر از نوع الكترو مغناطیس با استفاده از پدیده نشر القایی در ناحیه ریزموج،با طول موج های سانتی متر و میلی متر تولید و سپس آن را تقویت كنند،كه این نوسانگر طول موج 5/1 سانتی متر را تولید و سپس تقویت كرده و آنرا MASER میرز نامیدند كه این اصطلاح حروف اول عبارت:

"Micro wave Amplification by Stimulated Emission of Radiation"

و به معنای «تقویت ریز موج با استفاده از نشر القایی تابش» می باشد.دو دانشمند دیگر در آمریكا در اواخر سال 1958 مطالعه و پژوهش روی لیزر نوری شروع كردند،یكی از آنها علی جوان دانشمند ایرانی و دیگری ساندرز كه یك فیزیكدان تجربی دانشگاه اكسفورد بود.آنها دو جنبه علمی در نظر داشتند یكی از آنها روش برانگیختن مستقیم گاز بوسیله الكترونها و دیگری برانگیختن اولیه هلیم و سپس برانگیختن نئون بوسیله انتقال انرژی هلیم بود.

آخرین دوره مبارزه نفسگیر در مورد معرفی و ساخت لیزر را باید اواسط سال 1960 میلادی در نظر گرفت كه همین،اولین علامتهای مربوط به نوسان لیزری را مشاهده كرد.در این هنگام علی جوان این دانشمند ایرانی از هریوت كه تخصص آن بیشتر اپتیك بود و در قسمت پژوهشهای اپتیكی موسسه بل كار می كرد در خواست كرد برای میزر هلیم-نئون كه او ساخته بود تشدیدكندده اپتیكی مناسبی طراحی و بسازد،گروه اپتیك موفق به ساخت آئینه های دی الكتریكی با بازتاب خیلی بالا برای طول موج مورد نظر شد و بالاخره با كوششهای جدید برای تشدید كننده ها جوان توانست اولین اثر تابش مربوط به نوسان این میزر را روی نوسانگر آزمایشگاه خود مشاهده كند.بنابراین در پایان سال 1960 لیزرهای واقعی ساخته شده بودند و در حقیقت پنج نوع مختلف از این وسائل معرفی شدند.با پیدایش این وسائل كه تولید كننده های فوتونهای نوری بودند اولین بار واژه لیزر LASER در مجامع و محافل علمی پیدا شد كه این كلمه حروف اول عبارت:

"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"

به معنای «تقویت نور بوسیله نشر القایی تابش» است و از این به بعد دیگر از كلمه میزر نوری استفاده نشد و لیزر جانشین آن شد.

اصول كار ویژگیهای لیزر:

برای آشنایی با ویژگی های منابع نوری لازم است اطلاعاتی در مورد مفهوم طیف الكترومغناطیس داشته باشیم.نور سفید را می توان با منشور شیشه ای به رنگهای مختلف تجزیه كرد و به ترتیب افزایش فركانس از قرمز تا بنفش دید.بنابراین «طیف» عبارت است از تابش الكترومغناطیسی كه بر حسب فركانس یا طول موج كنارهم ترتیب یافته اند.طیف الكترومغناطیسی به ترتیب افزایش طول موج (كاهش فركانس) شامل نواحی زیر است :

 1) پرتوكیهانی        2) پرتو گاما       3) پرتو ایكس   4) فرابنفش دوروفرابنفش  5) مرئی

6) زیر قرمز    7) ریز موج       8) امواج رادیویی

یكی از روشهای تولید نور مربوط به تابش نور با طیف گسسته از اتمها و مولكولهاست كه اینگونه تابش اتمها اولین بار نیلز بور مطرح كرد و برای اینكه اتمها بتوانند از خود تابش كنند و تابش آنها در یك فركانس ویژه باشد باید دو شرط زیر داشته برقرار باشد:

1)     الكترونهای یك اتم تنها بتوانند بعضی از مدارها یا حالتهای كوانتیزه را اشغال كنند.

2)     هنگامیكه الكترون از حالتی به حالت دیگر انتقال می یابد این گذار بانشر یا جذب تابش توسط اتم همراه است و فركانس آن از رابطه               كه در آن h ثابت پلانك و EΔ  اختلاف انرژی بین دو حالت مربوط را نشان می دهد و بنابراین برای توضیح محیط لیزر سه پدیده مهم  1) نشر القایی    2) نشر خودبخودی   3) جذب  را باید مورد بررسی قرارداد كه در نشر القایی ،تابش القایی هم جهت با پرتواولیه براگیزنده اتم،نشر پیدا می كند و با آن رابطه مشخص دارد،در حالیكه در نشر خودبخودی این گذارها به صورت دلخواه و اتفاقی انجام می گیرد و فوتونهای نشر شده در این حالت رابطه دقیق و مشخص با یكدیگر ندارند.به عبارت دیگردرحالت نشر خودبخودی اتم به خاطر آزادی عمل می تواند تابش خود را به صورت دلخواه انجام دهد د رصورتیكه در نشر القایی به علت وجود نیروی محركه خارجی فوتونها مجبورند كه در شرایط خاص و متناسب با نیروی برانگیختگی به صورت هماهنگ انتشار یابند.در پدیده جذب هم اگر اتمی را كه به عنوان یك جزء ساختاری یا ناخالصی حجم جامد است را در نظر بگیریم یك یا چند الكترون ممكن است در تمام جسم در حركت باشند بطوریكه به یك اتم ویژه ای وابستگی نداشته باشد و بنابراین بر اثر برانگیخته شدن جسم،اتم مورد بحث به یون تبدیل می شود و الكتروهایی كه در بند این یون هستند ممكن است حالتهای كوانتیده در اختیار داشته باشند بدین ترتیب اجسام جامد نیز می تواند ترازهای انرژی متفاوتی داشته باشند و این وضع ایجاد یك طیف جذبی یونی ویژه می كند.

حال كه با مفاهیم امواج الكترومغناطیسی،طیف ،ترازهای انرژی ،نشرالقایی ،نشر خود بخودی و جذب آشنا شدیم،می توانیم به شرح تقویت كننده ها ی نوری بر اساس سیستمهای اتمی بپردازیم.

فرض كنید یك سیستم اتمی فرضی با دوتراز انرژی 1 و2 مطابق شكل داشته باشیم كه در آن دایره نشانه اتم فرضی است كه در حالت عادی در ترازو دارای انرژی E1 قرار دارد و حال اگر بطریقی براگیخته شود و به تراز 2 كه تراز انرژی E2  بیشتر از E1 است منتقل شود و بازگشت آن از تراز 2 به 1 از طریق نشر القایی و ایجاد یك فوتون با انرژی زیر است.

E2-E1=hν

 

بطور ساده اساس كار لیزر بر مبنای تقویت نشر القایی فوتونها درفركانس ν است.حال اگر بخواهیم از این مدل ساده دوترازی برای لیزر را استفاده كنیم پی از مدتی نیمی از اتمها در تراز1 و نیمی دیگر در تراز 2 قرار می گیرند و بنابراین به حالتی می رسیم كه عمل تقویت دیگر صورت نمی گیرد بنابراین برای اینكه بتوانیم مكانیسم درستی از محیط بهره ده داشته باشیم.

دست كم به سه تراز یا بیشتر برای انجام این فرایند نیاز داریم.

بنابراین می توان كل فرایند را در سه مرحله در نظر گرفت كه در زمانهای دیگر تكرار می شود و بهره محیط افزایش می یابد.مرحله اول دمش از تراز 1 به 3 توسط یك نیروی محركه خارجی (عمل دمش) مرحله سریع 3 به 2 كه تابعی از شرایط ماده است و سپس گذار لیزری 2 به 1 كه بیشتر مورد نظر ماست البته بجز این فرایند احتمال نشر خودبخودی از تراز 2 به 1 وجود دارد و همانطور كه بیشتر بحث شد این نشر مستقل از نیروی محركه است و به صورت دلخواه انجام می گیرد ولی وجود چنین فوتونی در شروع اولیه عمل لیزر ضروری است.

با اختراع لیزر تاثیر عمیقی بر گستره وسیعی از زمینه های علمی گذاشتند از فیزیك تا زمین شناسی تا میكروبیولوژی،لیزر نقش اساسی در مطالعات علمی داشته است.
همزمان لیزر كاربردهای تجاری عمده ای پیدا كرده اند از نقشه بردازی تا گردانه های
CD موسیقی و از جوش دادن شبكیه جدا شده درون چشم تا جابجا كردن عظیم داده ها در سراسر جهان با تارهای نوری در بر می گیرد.

تهیه كننده: احمد قسمی ،كارشناس ارشد شیمی تجزیه

هنرستان صنایع شیمیایی دكتر اسماعیلی (آموزش و پرورش ناحیه1)

 



نوع مطلب : شیمی لیزر