آشنایی اولیه با لیزر
لیزر به وسیله‌ای گفته می‌شود که نور را به صورت پرتوهای موازی بسیار باریکی که طول موج مشخصی دارند ساطع می‌کنند. این دستگاه از ماده‌ای جمع کننده یا فعال کننده نور تشکیل شده که درون محفظه تشدید نور قرار دارد. این ماده پرتو نور را که به وسیله یک منبع انرزی بیرونی (از نوع الکتریسیته یا نور) به وجود آمده، تقویت می‌کند.
مبانی نظری لیزر را آلبرت ایشتین در سال ۱۹۱۶ میلادی طی مقاله‌ای مطرح کرد٫ ولی سال‌های نسبتاً زیادی طول کشید تا صنعت و فناوری امکان ساخت اولین لیزر را فراهم کند. در سال ۱۹۵۳ چارلز تاونز میزر ( تقویت کننده موج میکروویو ) را اختراع کرد و می خواست آزمایشات خود را حول جایگزینی نور مرئی به جای مادون قرمز ادامه دهد و هم زمان این امر بین آزمایشگاه‌های مختلف در سراسر جهان به عنوان رقابتی جدی در نظر گرفته شد که عبارت لیزر در همان زمان در مقاله ای از گوردون هولد، دانشجوی دکترای دانشگاه کلمبیا، پیشنهاد شد و در سال ۱۹۶۰ اولین لیزر ( که با موفقیت کار کرد ) توسط تئودور میمن ساخته شد. و اولین لیزر گازی ( با استفاده از هلیوم و نئون ) هم توسط علی جوان فیزیکدان ایرانی در همان ۱۹۶۰ ساخته شد. نخستین بار طرح اولیه لیزر ( میزر ) توسط انیشتن داده شد، کار لیزر به این گونه است که با تابش یک فوترون به یک ذره ( اتم یا مولکول یا یون ) برانگیخته یک فوترون دیگر نیز آزاد می‌شود که این دو فوترون با هم ، همفرکانس می‌باشند در صورت ادامه این روند تعداد نوترون ها افزایش می یابند که می‌توانند باریکه‌ای از فوتون ها را به وجود بیاورند.
1- کاربرد لیزر در پزشکی: چاقوی لیزری ، مته لیزری و …
2- کاربرد لیزر در صنعت : جوشکاری لیزری ، برشهای لیزری ، برش الماس ، مسافت یاب لیزری و …
3- کاربردهای نظامی: ردیاب لیزری ، تفنگ لیزری و …
4- کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی: اندازه گیری ، سنتز مواد و …
لیزر این نور شگفت از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر ، آنرا از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر ، به خواص مشخصه آن پی برده شد و ما به صورتی گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده ، در علوم مختلف بخصوص صنعت و پزشکی و … ایجاد کرده است. به جرأت می‌توان گفت پیشرفت علوم بدون تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست.
شاید مهترین بخش فیزیک اتمی بحث مربوط به فیزیک لیزر باشد. می دانید که با دادن انرژی به الکترونهای یک اتم می توان آنها را به مدارهای بالاتری برد اما این خانه جدید برای الکترون ها خیلی وضعیت پایداری ندارد و الکترون ها ترجیح می دهند با پس دادن انرژی به مدار اصلی خودشان برگردند. این انرژی به صورت یک فوتون با فرکانس مشخص آزاد می شود. یعنی یک واحد انرژی اما می دانید که نور از همین فوتون ها ساخته می شود. پس اگر با تعداد زیادی از اتم ها به طور هم زمان این کار را انجام دهیم، می توانیم پرتو نوری تک فرکانس ایجاد کنیم .کلمه لیزر که انگلیسی آن “LASER” است مخفف عبارت: شدت بخشی نور با استفاده از انتشار تحریک شده تابش است .
آنچه كه سبب می شود پرتو لیزر از نورهای دیگر متمایز شود در حقیقت ویژگیهای منحصر بفرد آن است كه در هیچ منبع نوری دیگر یافت نمی شود. چهار ویژگی عمده لیزر عبارت‌اند از
1- همدوسی
2- تك رنگی
3- واگرایی كم
4- موازی بودن پرتو
میمن برای نخستین بار لیزر یاقوت را در سال ۱۹۵۹ ساخت . پس از دو سال آقای علی جوان ، دانشمند ایرانی برای نخستین بار لیزر گازی هلیوم – نئون را ساخت.
از حدود سال ۱۹۶۶ لیزر نیم رسانا در مخابرات نوری در ژاپن و آمریکا مورد توجه قرار گرفت و نسبت به امکان مد گردانی مستقیم آن تا فرکانس های فوق‌العاده زیاد شناخت حاصل شده است.
پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل به وسیله وبر، جوردون، زیگر، باسو، تانز و پروخورو داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده هایی توسط گروه جوردون، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد.این گروه نام میزر را که از ابتدای حروف تشکیل شده بود برای آن برگزیدند
اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک ساخته شد. در سال ۱۹۵۸ اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو و تاونز داده شد. در سال ۱۹۶۰ یعنی کمتر از دو سال دیگر، میلمن موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر کار که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال ۱۹۶۱ توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال ۱۹۶۲ نیز پیشنهاد لیزرهای نیمه هادی مطرح گردید.
سیر تحول و رشد
با پیشرفت روزافزون مکانیک کوانتومی و جنبه‌های ذره ای نور و تولید آینه‌هایی با توان بالا دانشمندان لیزرهایی را با توان خروجی بهتر ( لیزرهای توان بالا ) و همدوسی بالاتر ساخته شدند.
اختراع لیزر به سال ۱۹۵۸ با نشر مقالات علمی در رابطه با میزر اشعه مادون قرمز و نوری بر می‌گردد. نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سر تا سر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز کارشناسان توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی شود، تأیید نمودند. اما اینکه چگونه پالسها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال ۱۹۶۰ دانشمندان پالس نور را مخابره نمودند، سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشن تر از نور خورشید بود. متأسفانه پرتو لیزر می‌تواند خیلی تحت تأثیر شرایط جوی مثل بارندگی، مه، ابرهای کم ارتفاع، چیزهای موجود در آزمایشهای مربوط به هوا از قبیل پرندگان قرار گیرد.
دانشمندان نیز طرح های جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند. قبل از اینکه لیزر بتواند سیگنال های تلفن را ارسال دارد. اختراع مهم دیگر موج بر فیبر نوری بود که شرکت های مخابراتی برای ارسال صدا، اطلاعات و تصویر از آن استفاده می‌کنند. امروزه ارتباطات الکترونیکی بر پایه فوتون ها استوار می باشد. تکنولوژی تسهیم طول موج یا رنگهای مختلف نوری برای ارسال تریلیون بیت فیبر نوری استفاده می‌کند. بعد از اینکه لیزر دی اکسید کربن در سال ۱۹۶۴ اختراع شد کاربرد لیزر در زمینه‌های پزشکی خیلی توسعه یافت و برای جراحان این امکان را فراهم نمود تا به جای استفاده از چاقوهای جراحی از فوتون استفاده نمایند. امروزه لیزر می‌تواند وارد بدن گردد، اعمال جراحی را انجام دهد، در صنایع و در کارهای ساختمانی، در وسایل نظامی و غیره کاربردهای فراوان آنرا می‌توان مشاهده نمود.
عناصر اساسی لیزر
ابزار لیزریک نوسانگر اپتیکی است که باریکه بسیار موازی شدهٔ شدیدی از تابش همدوس را گسیل می کند.این ابزار اساسا از ۳ عنصر ساخته شده‌است: چشمهٔ انرژی خارجی یا دمنده، محیط تقویت کننده، و کاواک اپتیکی یا تشدیدگر.
دمنده
دمنده یک چشمهٔ انرژی خارجی است که وارونی جمعیت را در محیط لیزری به وجود می‌آورد. تقویت موج نور یا میدان تابش فوتون تنها در یک محیط لیزری که در آن وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی وجود داشته باشد روی می‌دهد. برای اینکه لیزر کار کند لازم است تعداد اتمهای N2 در تراز انرژ E2 از تعداد اتمهای N1 در تراز انرژی E1 بزرگتر باشد.این وضعیت را وارونی جمعیت می‌نامند. وارونی جمعیت و گسیل القائی با هم در محیط لیزری کار می‌کنند و باعث تقویت نور می‌شوند. در غیر این وضعیت موج نور عبور کننده از محیط لیزری تضعیف خواهد شد.
دمنده‌ها می‌توانند از نوع اپتیکی، الکتریکی، شیمیایی یا گرمایی باشند به شرط این که انرژی لازمی را فراهم کنند که بتواند با محیط لیزری برای برانگیختن اتم ها و ایجاد وارونی جمعیت لازم همراه شود.
در لیزرهای گازی مانند He-Ne، دمنده ای که از همه بیشتر به کار می‌رود از نوع تخلیه الکتریکی است. عوامل مهم حاکم بر این نوع دمش مقطع‌های برانگیزش الکترونی و طول عمرهای ترازهای انرژی مختلف هستند. در بعضی از لیزرهای گازی، الکترونهای آزادی که در فرایند تخلیه تولید شده‌اند با اتم ها، یون ها یا مولکولهای لیزر مستقیما برخورد و آنها را برانگیخته می‌کنند. در سایر لیزرها، برانگیزش توسط برخوردهای ناکشسان اتم-اتم ( یا مولکول-مولکول ) روی می‌دهد.
محیط لیزری
محیط تقویت کننده یا محیط لیزری یک قسمت مهم از ابزار لیزر است. بسیاری از لیزرها از روی نوع محیط لیزری به کار رفته در آنها نامگذاری می‌شوند، به‌عنوان مثال، هلیم-نئون (He-Ne)، دی اکسید کربن و نئودیمیم: نارسنگ ایتریم آلومینیم (Nd:YAG). محیط لیزری، که می‌تواند گاز، مایع یا جامد باشد، طول موج تابش لیزری را تعیین می‌کند.
مهم ترین لازمهٔ محیط تقویت کننده توانایی آن برای ایجاد وارونی جمعیت بین دو تراز انرژی اتمهای لیزری است.این وضعیت با برانگیختن (یا دمیدن) اتمهای بیشتری به تراز انرژی بالاتر نسبت به اتمهای موجود در تراز پایین تر تحقق می‌یابد. چنانکه معلوم شده‌است، حتی با دمش قوی، به علت اختلاف زیاد طول عمرهای ترازهای انرژی اتم های قابل استفاده، تنها جفت‌های مشخصی از ترازهای انرژی با طول عمرهای خودبه خودی مناسب را می‌توان « وارون » کرد.
كاربرد لیزر در فیزیك و شیمی
اختراع لیزر و تكامل آن وابسته به معلومات پایه ای است كه در درجه اول از رشته فیزیك و بعد از شیمی گرفته شده اند. بنابراین طبیعی است كه استفاده از لیزر در فیزیك و شیمی از اولین كاربردهای لیزر باشند.
رشته دیگری كه در آن لیزر نه تنها امكانات موجود را افزایش داده بلكه مفاهیم كاملا جدیدی را عرضه كرده است طیف نمایی است. اكنون با بعضی از لیزرها می توان پهنای خط نوسانی را تا چند ده كیلوهرتز باریك كرد ( هم در ناحیه مرئی و هم در ناحیه فروسرخ ) و با این كار اندازه گیری های مربوط به طیف نمایی با توان تفكیك چند مرتبه بزرگی ( 3 تا 6) بالاتر از روش های معمولی طیف نمایی امكان پذیر می شوند. لیزر همچنین باعث ابداع رشته جدید طیف نمایی غیر خطی شد كه در آن تفكیك طیف نمایی خیلی بالاتر از حدی است كه معمولا با اثرهای پهن شدگی دوپلر اعمال می شود. این عمل منجر به بررسیهای دقیقتری از خصوصیات ماده شده است.
در زمینه شیمی از لیزر هم برای تشخیص و هم برای ایجاد تغییرات شیمیایی برگشت ناپذیر استفاده شده است. ( فوتو شیمی لیزری ) به ویژه در فون تشخیص باید از روش های (پراكندگی تشدیدی رامان ) و ( پراكندگی پاد استوكس همدوس رامان ) (CARS) نام ببریم. به وسیله این روش ها می توان اطلاعات قابل ملاحظه ای درباره خصوصیات مولكول های چند اتمی به دست آورد ( یعنی فركانس ارتعاشی فعال رامن – ثابتهای چرخشی و ناهماهنگ بودن فركانس ). روش CARS همچنین برای اندازه گیری غلظت و دمای یك نمونه مولكولی در یك ناحیه محدود از فضا به كار می رود. از این توانایی برای بررسی جزئیات فرایند احتراق شعله و پلاسما ( تخلیه الكتریكی ) بهره برداری شده است.
شاید جالب ترین كاربرد شیمیایی ( دست كم بالقوه ) لیزر در زمینه فوتو شیمی باشد. اما باید در نظر داشته باشیم به خاطر بهای زیاد فوتون های لیزری بهره برداری تجاری از فوتوشیمی لیزری تنها هنگامی موجه است كه ارزش محصول نهایی خیلی زیاد باشد. یكی از این موارد جداسازی ایزوتوپ ها است.
كاربرد در زیست شناسی
از لیزر به طور روزافزونی در زیست شناسی و پزشكی استفاده می شود. اینجا هم لیزر می تواند ابزار تشخیص و یا وسیله برگشت ناپذیر مولكول های زنده یك سلول و یا یك بافت باشد. ( زیست شناسی نوری و جراحی لیزری)
در زیست شناسی مهمترین كاربرد لیزر به عنوان یك وسیله تشخیصی است. ما در اینجا تكنیك های لیزری زیر را ذكر می كنیم :
الف) فلوئورسان القایی به وسیله تپ های فوق العاده كوتاه لیزر در DNA در تركیب رنگی پیچیده DNA و در مواد رنگی موثر در فتوسنتز
ب) پراكندگی تشدیدی رامان به عنوان روشی برای مطالعه ملكول های زنده مانند هموگلوبین و یا رودوپسین ( عامل اصلی در سازوكار بینایی )
ج) طیف نمایی همبستگی فوتونی برای بدست آوردن اطلاعاتی در مورد ساختار و درجه انبوهش انواع ملكولهای زنده
د) روشهای تجزیه فوتونی درخشی پیكوثانیه ای برای كاوش رفتار دینامیكی مولكولهای زنده در حالت برانگیخته
برتریهای اصلی چاقوی لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه كرد :
الف) دقت بسیار زیاد به ویژه هنگامی كه باریكه با یك میكروسكوپ مناسب هدایت شود (جراحی لیزر)
ب) امكان عمل در نواحی غیر قابل دسترس.. بنابراین عملا هر ناحیه از بدن را كه با یك دستگاه نوری مناسب ( مثلا عدسی ها و آینه ها) قابل مشاهده باشد می توان به وسیله لیزر جراحی كرد.
ج) كاهش فوق العاده خونروی در اثر برش رگهای خونی به وسیله باریكه لیزر
د) آسیب رسانی خیلی كم به بافتهای مجاور ( حدود چند میكرومتر)
اشكالات زیر را هم برای چاقوی لیزری باید در نظر داشت :
الف) هزینه زیاد و پیچیدگی دستگاه جراحی لیزری
ب) سرعت كمتر چاقوی لیزری
ج) مشكلات قابلیت اعتماد و ایمنی مربوط به چاقوی لیزری
ارتباط نوری
استفاده از باریكه لیزر برای ارتباط در جو به خاطر دو مزیت مهم اشتیاق زیادی برانگیخت :
الف) اولین علت دسترسی به پهنای نوار نوسانی بزرگ لیزر است. زیرا مقدار اطلاعات قابل انتقال روی یك موج حامل متناسب با پهنای نوار آن است. فركانس موج حامل از ناحیه میكروموج به ناحیه نور مرئی به اندازه 104 برابر افزایش می یابد و در نتیجه امكان استفاده از یك پهنای بزرگتر را به ما می دهد.
ب) علت دوم طول موج كوتاه تابش است. چون طول موج لیزر نوعا حدود 104 مرتبه كوچكتر از امواج میكرو موج است با قطر روزنه یكسان D واگرایی امواج نوری به اندازه 104 مرتبه نسبت به واگرایی امواج میكرو موج كوچكتر است. بنابراین برای دستیابی به این واگرایی آنتن یك سیستم اپتیكی می تواند به مراتب كوچك تر باشد. اما این دو امتیاز مهم با این واقعیت خنثی می شوند كه باریكه نوری تحت شرایط دید ضعیف در جو به شدت تضعیف می شود.
در نتیجه استفاده از لیزرها در ارتباطات فضای باز ( هدایت نشده ) فقط در مورد این موارد توسعه یافته اند :
الف) ارتباطات فضایی بین دو ماهواره و یا بین یك ماهواره و یك ایستگاه زمینی كه در یك شرایط جوی مطلوب قرار گرفته است. لیزرهایی كه در این مورد استفاده می شوند عبارتند از :
Nd:YAG ( با آهنگ انتقال 109 بیت در ثانیه و یا CO2 با آهنگ انتقال 3*108 بیت در ثانیه) گرچه CO2 نسبت به Nd: YAG دارای بازدهی بالاتری است و لی دارای این اشكال است كه نیاز به سیستم آشكارسازی پیچیده تری دارد و طول موج آن هم به اندازه 10 مرتبه بزرگتر از طول موج Nd : YAG است.
ب) ارتباطات بین دو نقطه در یك مسافت كوتاه مثلا انتقال اطلاعات درون یك ساختمان. برای این منظور از لیزرهای نیم رسانا استفاده می شود.
اندازه گیری و بازرسی
خصوصیات جهت مندی درخشایی و تك فامی لیزر باعث كاربردهای مفید زیادی برای اندازه گیری و بازرسی در رشته مهندسی سازه و فرایندهای صنعتی كنترل ابزار ماشینی شده است. در این بخش تعیین فاصله بین دو نقطه و بررسی آلودگی را نیز مد نظر قرار می دهیم.
یكی از معمول ترین استفاده های صنعتی لیزر هم محور كردن است. برای اینكه یك خط مرجع مستقیم برای هم محور كردن ماشین آلات در ساخت هواپیما و نیز در مهندسی سازه برای ساخت بناها پل ها و یا تونل ها داشته باشیم استفاده از جهت مندی لیزر سودمند است. در این زمینه لیزر به خوبی جای وسایل نوری مانند كلیماتور و تلسكوپ را گرفته است. معمولا از یك لیزر هلیم – نئون با توان كم استفاده می شود و هم محور كردن عموما به كمك آشكارسازهای حالت جامد به شكل ربع دایره ای انجام می شود. محل برخورد باریكه لیزر روی گیرنده با مقدار جریان نوری روی هر ربع دایره معین می شود. در نتیجه هم محور شدن بستگی به یك اندازه گیری الكتریكی دارد و در نتیجه نیازی به قضاوت بصری آزمایشگر نیست. در عمل دقت ردیف شدن از حدود 5µm تا حدود 25µm به دست آمده است.
از لیزر برای اندازه گیری مسافت هم استفاده شده است. روش استفاده از لیزر بستگی به بزرگی طول مورد نظر دارد.
برای مسافتهای كوتاه تا 50 متر روش های تداخل سنجی به كار گرفته می شوند كه در آن ها از یك لیزر هلیم – نئون پایدار شده فركانسی به عنوان منبع نور استفاده می شود. برای مسافت های متوسط تا حدود 1 كیلومتر روش های تله متری شامل مدوله سازی دامنه به كار گرفته می شود. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را كه از لیزر گسیل شده است و از جسمی بازتابیده می شود اندازه گیری كرد.
در اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایكلسون استفاده می شود. باریكه لیزر به وسیله یك تقسیم كننده نور به یك باریكه اندازه گیری و یك باریكه مرجع تقسیم می شود باریكه مرجع با یك آینه ثابت بازتابیده می شود در حالی كه باریكه اندازه گیری از آینه ای كه به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می كند. سپس دو باریكه بازتابیده مجددا با یكدیگر تركیب می شوند به طوری كه با هم تداخل می كنند و دامنه تركیبی آن ها با یك آشكار ساز اندازه گیری می شود. هنگامی كه محل جسم در جهت باریكه به اندازه نصف طول موج لیزر تغییر كند سیگنال تداخل از یك ماكزیموم به یك مینیموم می رسد و سپس دوباره ماكزیموم می شود. بنابراین یك سیستم الكترونیكی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابجایی جسم را به دست دهد. این روش اندازه گیری معمولا در كارگاه های ماشین تراش دقیق مورد استفاده قرار می گیرد و امكان اندازه گیری طول با دقت یك در میلیون را می دهد. باید یادآوری كرد كه در این روش فقط می توان فاصله را نسبت به یك مبدا اندازه گیری كرد. برتری این روش در سرعت دقت و انطباق با سیستم های كنترل خودكار است.
برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود و فاصله روی اختلاف فاز بین دو باریكه لیزر مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فار بین دو باریكه گسیل شده و بازتابیده معین می شود. باز هم دقت یك در میلیون است. از این روش در مساحی زمین و نقشه كشی استفاده می شود. برای فواصل طولانی تر از 1 كیلومتر فاصله با اندازه گیری زمان پرواز یك تپ كوتاه لیزری گسیل شده از لیزر یاقوت و یا لیزر CO2 انجام می گیرد. این كاربردها اغلب اهمیت نظامی دارند و در بخشی جداگانه بحث خواهد شد كاربردهای غیر نظامی مانند اندازه گیری فاصله بین ماه و زمین با دقتی حدود 20 سانتی متر و تعیین برد ماهواره ها هم قابل ذكر است.
درجه بالای تكفامی لیزر امكان استفاده از آن را برای اندازه گیری سرعت مایعات و جامدات به روش سرعت سنجی دوپلری فراهم می سازد. در مورد مایعات می توان باریكه لیزر را به مایع تابانده و سپس نور پراكنده شده از آن را بررسی كرد. چون مایع روان است فركانس نور پراكنده شده به خاطر اثر دوپلر كمی با فركانس نور فرودی تفاوت دارد. این تغییر فركانس متناسب با سرعت مایع است. بنابراین با مشاهده سیگنال زنش بین دو پرتو نور پراكنده شده و نور فرودی در یك آشكار ساز می توان سرعت مایع را اندازه گیری بدون تماس انجام می شود. و نیز به خاطر تكفامی بالای نور لیزر برای برد وسیعی از سرعتها خیلی دقیق است.
یكی از سرعت سنجهای خاص لیزر اندازه گیری سرعت زاویه ای است. وسیله ای كه برای این منظور طراحی شده است ژیروسكوپ لیزری نامیده می شود و شامل لیزری است كه كاواك آن به شكل حلقه ای است كه از سه آینه به جای دو آینه معمول استفاده می شود. این لیزر می تواند نوسان مربوط به انتشار نور را هم در جهت عقربه ساعت و هم در خلاف آن به دور حلقه تامین كند. فركانسهای تشدیدی مربوط به هر دو جهت انتشار را می توان با استفاده از این شرط كه طول تشدید كننده ( حلقه ای ) برابر مضرب صحیحی از طول موج باشد به دست آورد. اگر حلقه در حال چرخش باشد در مدت زمانی كه لازم است نور یك دور كامل بزند زاویه آینه های تشدید كننده به اندازه یك مقدار خیلی كوچك ولی محدود حركت خواهد كرد. طول موثر برای باریكه ای در همان جهت چرخش تشدید كننده می چرخد كمی بیشتر از باریكه ای است كه در جهت عكس می چرخد. در نتیجه فركانس های دو باریكه ای كه در خلاف جهت یكدیگر می چرخند كمی تفاوت دارد و اختلاف این فركانس های متناسب با سرعت زاویه ای تشدید كننده است . با ایجاد تپش بین دو باریكه می توان سرعت زاویه ای را اندازه گیری كرد. ژیروسكوپ لیزری امكان اندازه گیری با دقتی را فراهم می كند كه قابل مقایسه با دقت پیچیده ترین و گرانترین ژیروسكوپ های معمولی است.
كاربرد مصرفی دیگر و یا به عبارت بهتر كاربرد مصرفی واقعی عبارت از دیسك ویدئویی و دیسك صوتی است. یك دیسك ویدئو حامل یك برنامه ویدئویی ضبط شده است كه می توان آن را بر روی دستگاه تلویزیون معمولی نمایش داد. سازندگان دیسك ویدئویی اطلاعات را با استفاده از یك سابنده روی آن ضبط می كنند كه این اطلاعات به وسیله لیزر خوانده می شود. یك روش معمول ضبط شامل برش های شیاری با طول ها و فاصله های مختلف است عمق این شیارها 4/1 طول موج لیزری است كه از آن در فرایند خواندن استفاده می شود. در موقع خواندن باریكه لیزر طوری كانونی می شود كه فقط بر روی یك شیار بیفتد. هنگامی كه شیار در مسیر لكه باریكه لیزر واقع شود بازتاب به خاطر تداخل ویرانگر بین نور بازتابیده از دیوارهای شیار و به آن كاهش پیدا می كند. به عكس نبودن شیار باعث یك بازتاب قوی می شود. بدین طریق می توان اطلاعات تلویزیونی را به صورت رقمی ضبط كرد.
كاربرد دیگر لیزرها نوشتن و خواندن اطلاعات در حافظه نوری در كامپیوترها است ، حافظه نوری هم در توان دسترسی به چگالی اطلاعات حدود مرتبه طول موج است. تكنیك ضبط عبارت است از ایجاد سوراخ های كوچكی در یك ماده مات یا نوعی تغییر خصوصیت عبور و بازتاب ماده زیر لایه كه با استفاده از لیزرهای با توان كافی حاصل می شود. و حتی می تواند فیلم عكاسی باشد. اما هیچ یك از این زیر لایه ها را نمی توان پاك كرد. حلقه های قابل پاك كردن بر اساس گرما مغناطیسی فروالكتریك و فوتوكرومیك ساخته شده اند. همچنین حافظه های نوری با استفاده از تكنیك تمام نگاری نیز طراحی شده اند. نتیجتا اگر چه از لحاظ فنی امكان ساخت حافظه های نوری به وجود آمده است ولی ارزش اقتصادی آن ها هنوز جای بحث دارد.
آخرین كاربردی كه در این بخش اشاره می كنیم گرافیك لیزری است. در این تكنیك ابتدا باریكه لیزر بوسیله یك سیستم مناسب روبش گر بر روی یك صفحه حساس به نور كانونی می شود و در حالی كه شدت لیزر به طور همزمان با روبش از نظر دامنه مدوله می شود به طوری كه بتوان آن را بوسیله كامپیوتر تولید كرد.( مانند سیستم های چاپ كامپیوتری بدون تماس ) و یا آنها را به صورت سیگنال الكتریكی از یك ایستگاه دور دریافت كرد( مانند پست تصویری). در مورد اخیر می توان سیگنال را به وسیله یك یك سیستم خواننده مناسب با كمك لیزر تولید كرد. وسیله خواندن در ایستگاه دور شامل لیزر با توان كم است كه باریكه كانونی شده آن صفحه ای راكه باید خوانده شود می روبد. یك آشكارساز نوری باریكه پراكنده از نواحی تاریك و روشن روی صفحه را كنترل می كند و آن را به سیگنال الكتریكی تبدیل می كند. سیستم های لیزری رونوشت اكنون به طور وسیعی توسط بسیاری از ناشران روزنامه ها برای انتقال رونوشت صفحات روزنامه به كار برده می شود.
كاربردهای نظامی
كاربردهای نظامی لیزر همیشه عمده ترین كاربردهای آن بوده است . فعلا مهمترین كاربردهای نظامی لیزر عبارت اند از:
الف) فاصله یا بهای لیزری
ب) علامت گذارهای لیزری
ج) سلاح های هدایت انرژی
فاصله یاب لیزری مبتنی بر همان اصولی است كه در رادارهای معمولی از آن ها استفاده می شود. یك تپ كوتاه لیزری ( معمولا با زمان 10 تا 20 نانوثانیه) به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراكنده برگشتی بوسیله یك دریافت كننده مناسب نوری كه شامل آشكارساز نوری است ثبت می شود. فاصله مورد نظر با اندازه گیری زمان پرواز این تپ لیزری به دست می اید. مزایای اصلی فاصله یاب لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه كرد :
الف) وزن – قیمت و پیچیدگی آن به مراتب كمتر از رادارهای معمولی است.
ب) توانایی اندازه گیری فاصله حتی برای هنگامی كه هدف در حال پرواز در ارتفاع بسیار كمی از سطح زمین و یا دریا باشد.
اشكال عمده این نوع رادار در این است كه باریكه لیزر در شرایط نامناسب رویت به شدت در جو تضعیف می شود. فعلا چند نوع از فاصله یابهای لیزری با بردهای تا حدود 15 كیلومتر مورد استفاده اند :
الف) فاصله یاب های دستی برای استفاده سرباز پیاده ( یكی از آخرین مدل های آن در آمریكا ساخته شده كه در جیب جا می گیرد و وزن آن با باتری حدود 500 گرم است.
ب) سیستم های فاصله یاب برای استفاده در تانكها
ج) سیستم های فاصله یاب مناسب برای دفاع ضد هوایی
اولین لیزرهای كه در فاصله یابی از آن ها استفاده شد لیزرهای یاقوتی با سوئیچ Q بودند. امروزه فاصله یابهای لیزری اغلب بر اساس لیزرهای نئودمیم با سوئیچ Q طراحی شده اند. گرچه لیزرهای CO2 نوع TEA در بعضی موارد ( مثل فاصله یاب تانك ها ) جایگزین جالبی برای لیزرهای نئودمیم است.
دومین كاربرد نظامی لیزر در علامت گذاری است.
اساس كار علامت گذاری لیزری خیلی ساده است : لیزری كه در یك مكان سوق الجیشی قرار گرفته است هدف را روشن می سازد به خاطر روشنایی شدید نور هنگامی كه هدف به وسیله یك صافی نوری با نوار باریك مشاهده شود به صورت یك نقطه روشن به نظر خواهد رسید. سلاح كه ممكن است بمب – موشك – و یا اسلحه منفجر شونده دیگری باشد بوسیله یك سیستم احساسگر مناسب مجهز شده است. در ساده ترین شكل این احساسگر می تواند یك عدسی باشد كه تصویر هدف را به یك آشكارساز نوری ربع دایره ای كه سیستم فرمان حركت سلاح را كنترل می كند انتقال می دهد و بنابراین می تواند آن را به سمت هدف هدایت كند. به این ترتیب هدف گیری با دقت بسیار زیاد امكان پذیر است. ( دقت هدف گیری حدود 1 متر از یك فاصله 10 كیلومتری ممكن به نظر می رسد.) معمولا لیزر از نوع Nd: YAG است. در حالی كه لیزرهای CO2 به خاطر پیچیدگی آشكارسازهای نوری ( كه مستلزم استفاده در دماهای سرمازایی است) نامناسب اند. علامت گذاری ممكن است از هواپیما – هلیكوپتر و یا از زمین انجام شود. ( مثلا با استفاده از یك علامت گذار دستی ). اكنون كوشش قابل ملاحظه ای هم در آمریكا و هم در روسیه برای ساخت لیزرهایی كه به عنوان سلاح های هدایت انرژی به كار می روند اختصاص یافته است.
در مورد سیستم های قوی لیزری مورد نظر با توان احتمالا در حدود مگا وات ( حداقل برای چند ده ثانیه ) یك سیستم نوری باریكه لیزر را به هدف ( هواپیما – ماهواره یا موشك ) هدایت می كند تا خسارت غیر قابل جبرانی به وسایل احساسگر آن وارد كند و یا اینكه چنان آسیبی به سطح آن وارد كند كه نهایتا در اثر تنش های پروازی دچار صدمه شود سیستم های لیزر مستقر در زمین به خاطر اثر معروف به شوفایی گرمایی كه در جو اتفاق می افتد فعلا چندان عملی به نظر نمی رسند. جو زمین توسط باریكه لیزر گرم می شود و این باعث می شود كه جو مانند یك عدسی منفی باریكه را واگرا سازد با قرار دادن لیزر در هواپیمای در حال پرواز در ارتفاع بالا و یا در یك سفینه فضایی می توان از این مساله اجتناب ورزید. اطلاعات موجود در این زمینه ها به علت سری بودن آن ها اغلب ناقص و پراكنده اند. اما به نظر می رسد كه این سیستم ها كلا شامل باریكه هایی پیوسته با توان 5 تا 10 مگا وات (برای چند ثانیه ) با یك وسیله هدایت اپتیكی به قطر 5 تا 10 متر باشند مناسب ترین لیزرها برای اینگونه كاربرد ها احتمالا لیزرهای شیمیایی اند DF یا HF لیزرهای شیمیایی به ویژه برای سیستم های مستقر در فضا جالب اند زیرا توسط آن ها می توان انرژی لازم را به صورت انرژی ذخیره فشرده به شكل انرژی شیمیایی تركیب های مناسب تامین كرد.
تمام نگاری
تمام نگاری یك تكنیك انقلابی است كه عكسبرداری سه بعدی (یعنی كامل ) از یك جسم و یا یك صحنه را ممكن می كند. این تكنیك در سال 1948 توسط گابور ابداع شد ( در آن زمان به منظور بهتر كرده توان تفكیك میكروسكوپ الكترونی پیشنهاد شد) و به صورت یك پیشنهاد عملی در آمد و اما قابلیت واقعی این تكنیك پس از اختراع لیزر نشان داده شد.
اساس تمام نگاری به این صورت است كه باریكه لیزر بوسیله آینه كه قسمتی از نور را عبور می دهد به دو باریكه ( بازتابیده و عبوری) تقسیم می شوند. باریكه بازتابیده مستقیما به صفحه حساس به نور برخورد می كند در حالی كه باریكه عبوری جسمی را كه باید تمام نگاری شود روشن می كند. به این ترتیب قسمتی از نوری كه از جسم پراكنده شده هم روی صفحه حساس ( فیلم ) می افتد. به علت همدوس بودن باریكه ها یك نقش تداخلی از تركیب دو باریكه روی صفحه تشكیل می شود حالا اگر این فیلم ظاهر شود و تحت بزرگنمایی كافی بررسی شود می توان این فریزهای تداخلی را مشاهده كرد. فاصله بین دو فریز تاریك متوالی معمولا حدود 1 میكرومتر است. این نقش تداخلی پیچیده است و هنگامی كه صفحه را به وسیله چشم بررسی می كنیم به نظر نمی رسد كه حامل تصویر مشابه با جسم اولیه باشد اما این فریزهای تداخلی در واقع حامل ضبط كاملی از جسم اولیه است.
حال فرض كنید كه صفحه ظاهر شده را دوباره به محلی كه در معرض نور قرار داشت بازگردانیم و جسم تحت مطالعه را برداربم باریكه بازتابیده اكنون با فریزهای روی صفحه برهمكنش می كنند و دوباره در پشت صفحه یك باریكه پراشیده ایجاد می كندبنابراین ناظری كه به صفحه نگاه می كند جسم را در پشت صفحه می بیند طوری كه انگار هنوز هم جسم در آنجاست.
یكی از جالب ترین خصوصیات تمام نگاری این است كه جسم بازسازی شده رفتار سه بعدی نشان می دهد بنابراین با حركت دادن چشم از محل تماشا می توان طرف دیگر جسم را مشاهده كرد. توجه كنید كه برای ضبط تمام نگار باید سه شرط اصلی را براورد:
الف) درجه همدوسی نور لیزر باید به اندازه كافی باشد تا فریزهای تداخلی در روی صفحه تشكیل شود.
ب) وضعیت نسبی جسم – صفحه و باریكه لیزر نباید در هنگام تاباندن نور به صفحه كه حدود چند ثانیه طول می شكد تغییر كند در واقع تغییر محل نسبی باید كمتر از نصف طول موج لیزر باشد تا از درهم شدن نقش تداخلی جلوگیری كند.
ج) قدرت تفكیك صفحه عكاسی باید به اندازه كافی زیاد باشد تا بتواند فریزهای تداخلی را ضبط كند.
تمام نگاری به عنوان یك تكنیك ضبط و بازسازی تصویر سه بعدی بیشترین موفقیت را تاكنون در كاربردهای هنری داشته است تا در كاربردهای علمی . اما بر اساس تمام نگاری از یك تكنیك تداخل سنجی تمام نگاشتی در كاربردهای علمی به عنوان وسیله ای برای ضبط و اندازه گیری واكنش ها و ارتعاشات اجسام سه بعدی استفاده شده است.