صفحه اول تماس با ما RSS قالب وبلاگ
انواع دستگاه لیزر
نادر رفیعی شنبه 16 ارديبهشت 1396

روش‌های دمش

برای ایجاد عمل لیزر باید الکترون‌ها را از حالت پایه سیستم به تراز انرژی بالاتر تحریک کنیم. الکترون‌ها مسیر خود را برای بازگشت به حالت پایه از طریق ایجاد گذارهائی بین ترازهای فیمابین می‌یابند که یکی از این گذارها در واقع گذار لیزری است. برای لیزرهای آلاثیده شده با عایق تحریک اولیه (دمش) با استفاده از جذب نوری انجام می‌گیرد. این تقریباً روش مؤثری است چرا که یونها نسبتاً در محل خود در فضا (برای مثال در مقایسه با گازها) ثابت و محکم هستند و باند جذبی تقریباً پهن (خطوط نزدیک به هم) دارند که در ناحیه‌ای از طول موج‌ها واقع است که چشمه‌های نوری معمولی دارای خروجی هستند. لذا میزان قابل توجهی از نور تابشی برای ایجاد عمل لیزر مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترازهای انرژی می‌شود. این ترازهای جدید با حروفی که به تقارن میدان کریستال مربوط می‌شوند (و نه به گشتاور زاویه‌ای)، نامگذاری می‌شوند؛ اما مقدار چندگانگی اسپین همچنان قابل ذکر است. به طور نظری، حالا باید اثرات جفت شدن اسپین-مدار را از نظر تئوری بررسی کنیم. ولی معمولاً غیرضروری است. به دلیل اینکه قدرت میدان کریستال با توجه به غیر یکنواختی ماده کم کم تغییر می‌کند و نتیجه اینکه ترازهای انرژی در یک موقعیت خاصی پهن می‌شود که معمولاً به قدر کافی بزرگ است به طوری که اثرات اسپین- مدار را بپوشاند. تقسیم مکرر ترازهای انرژی با برهم کنش‌های بیشتر برای “Cr در AIO (یاقوت) مشخص است.

ترازهای انرژی می‌شود. این ترازهای جدید با حروفی که به تقارن میدان کریستال مربوط می‌شوند (و نه به گشتاور زاویه‌ای)، نامگذاری می‌شوند؛ اما مقدار چندگانگی اسپین همچنان قابل ذکر است. به طور نظری، حالا باید اثرات جفت شدن اسپین-مدار را از نظر تئوری بررسی کنیم. ولی معمولاً غیرضروری است. به دلیل اینکه قدرت میدان کریستال با توجه به غیر یکنواختی ماده کم کم تغییر می‌کند و نتیجه اینکه ترازهای انرژی در یک موقعیت خاصی پهن می‌شود که معمولاً به قدر کافی بزرگ است به طوری که اثرات اسپین- مدار را بپوشاند. تقسیم مکرر ترازهای انرژی با برهم کنش‌های بیشتر برای “Cr در AIO (یاقوت) ترازهای انرژی الکترونی اصلی مربوط از طرف دیگر، در یونهای نادر خاکی، باید أثرات نیروهای اسپین – مدار را قبل می‌شود. S و P و D و F و G و … برای L مساوی ۰ و ۱ و ۲ و ۳ و ۶ و مقادیر اندیس بالا دلالت بر مقدار ۲S۱ یا چندگانگی اسپین دارد. برای مثال عبارت P یعنی جاییکه ۳/۲ =S و ۱ = L. به طور کلی هر ترم دارای انرژی جداگانه‌ای است. حال فقط میدان کریستال و برهم کنش اسپین- مدار باقی می‌ماند که دستگاه لیزر متأسفانه دارای درجه اهمیت متفاوتی در یونهای انتقالی و نادر خاکی می‌باشند. در اولی، به نظر می‌رسد که برهم – کنش‌های مربوط به میدان کریستال بسیار بزرگ باشند (به خاطر بیاورید که الکترونهای ۳d محافظت نمی‌شوند) و برهم کنش‌های مربوط اسپین-مدار کوچک‌تر باشد. در یونهای نادر خاکی این موقعیت برعکس است؛ بنابراین در گذار یون‌های فلزی انتقالی نیرویی که در درجه دوم اهمیت قرار دارد نیروهای ناشی از میدان کریستال است. این اثر باعث شکافته شدن بیشترانرژی برهمکئش میدان برهمکنشی سیاحتمالا کریستالی، الکترون دا الکترونی ترازهای انرژی الکترونی اصلی در “Cr. تعدد برهم کنش‌ها تراز ۳ d الکترون رابه ترازهای انرژی تقسیم می‌کند.£0 لیزر اصول و کاربردها نیروی کولنی بین بارهای یونی میزبان و الکترونهای زیر لایه‌های پرنشده (البته این تمام داستان نیست ولی برای ما کافی است). به دلیل منشأ این نیروها آنها را برهم کنش میدان کریستال می‌نامند. اثر میدان کریستالی بر روی یک یون به طور قابل ملاحظه‌ای بستگی به این دارد که چه مقدار از الکترونهای زیر لایههای پر نشده، محافظت می‌شوند. برای مثال، در ترازهای بالا، زیر لایهٔ 4f به طور فیزیکی توسط الکترونهای دیگر زیر لایه‌های پر که دورتر از هسته واقعند، محافظت می‌شود (الکترونهای زیرلایه ۵s و ۵p)، در صورتی که متقابلاً زیرلایه ۳ d در یون‌های انتقال فلزی به خوبی محافظت نمی‌شوند. اهمیت این موضوع به زودی نشان داده خواهد شد.

ترازهای انرژی پائین یون با نیروهایی که بین الکترونهای لایه‌های پرنشده عمل می‌کنند، معین می‌گردد. (الکترون‌ها درلایه های پرشده را می‌توان خنثی تلقی نمود). این نیروها بسیار زیاد و متغیرند و ملاحظه چگونگی عمل آنها به طور همزمان اطلاع کمی از ترازهای انرژی به دست می‌دهد. خوشبختانه بزرگی نیروها به طور وسیعی تغییر می‌کنند و غالباً می‌توان آنها را با توجه به درجه اهمیت دسته بندی کرد. در این مرحله باید اثرات این نیروها را در یک زمان، از پراهمیت‌ترین تا کم اهمیت‌ترین بررسی نمود. از نظر ما سه نوع برهم کنش اصلی باید بررسی شود: (۱) نیروهای کولنی که بین الکترونهای زیرلایه های پرنشده عمل می‌کنند، (۲) برهم کنش میدان کریستال، (۳) جفت شدن بین اسپین – الکترون و گشتاور زاویه‌ای مداری که به عنوان جفت شدن اسپین-مدار نامیده می‌شود. این نیروی اخیر در اثر برهم کنشی میدان مغناطیسی ماشین لیزر که توسط الکترون هائی که می‌چرخند با گشتاور مغناطیسی خودش، ایجاد می‌شود. اولین مورد قوی‌ترین است و ما ابتدا آن را بررسی می‌کنیم. برهم کنش نیروهای کولنی الکترونهای داخلی باعث تجزیه کردن تراز الکترون تنها به ترازهای متعدد می‌شود. (که هر کدام توسط زوج خاصی با پرسناژ مقادیر S،L بیان می‌شوند) که L و S از جمع برداری گشتاور اسپین و زاویه‌ای مربوط به الکترونها بدست می‌آید. بدین طریق سه الکترون در ۳d در “Cr تشکیل ۸ بخشی را می‌دهد: S،”S،D،F، G،H،P،F” حروف بزرگ دلالت بر مقادیر L دارد ولی در اسپکتروسکپی معمولی به دستگاه لیزر یومینگ قراردادی نوشته لیزرهای آلائیده شده با عایق در این لیزرها ماده فعال از یونهای ناخالصی که در داخل شبکه بلوری یک جامد (میزبان) قرار گرفته‌اند، تشکیل یافته است. غالباً ناخالصیها به جای موقعیتهایی که معمولاً توسط یونهای میزبان اشغال شده قرار می‌گیرند. این طور نیست که بگوئیم شبکه میزبان مهم نیست، چرا که خواص فیزیکی مانند هدایت حرارتی، انبساط حرارتی در تعیین میزان توان لیزر ایجاد شده، مهم هستند. بعلاوه شبکه میزبان ترازهای انرژی یون را اصلاح می‌کند به طوری که اگر همان یون در میزبانهای مختلفی به کار رود طول موج‌های لیزری متفاوتی حاصل می‌شود. بدلیل اهمیت ساختمان تراز- انرژی در تعیین عمل لیزر در اینجا به یک بحث کلی در مورد ترازهای انرژی یک ناخالصی در جامدات می‌پردازیم. آشنایی ابتدایی با ساختمان اتمی ضروری است و کسانی که چنین اطلاعات اولیه‌ای را ندارند بحث بخشی بعد را ممکن است مطالعه نکنند ولی بهر صورت نتیجه را که ساختمان ترازهای انرژی است، مورد توجه قرار دهند.

ترازهای انرژی یونهای ناخالصی در جامدات از نقطه نظر ما، دو نوع از یونها مهم هستند. یکی یون «فلزی انتقالی » و دیگری یون «نادر خاکی». در اولی ترازهای پایینی انرژی مورد نظر به دلیل وجود الکترون‌ها در زیر لایههای پر نشده ۳d دستگاه لیزر یومینگ می‌گیرند. برای مثال دستگاه لیزر “Cr که دارای ساختمان الکترونی زیر می‌باشد ملاحظه می‌کنیم که همه الکترون‌ها زیر لایه‌ها را پر کرده‌اند مگر سه الکترون آخر که در زیرلایه ۳d هستند. (زیر لایه ۳d می‌تواند با ده الکترون پر شود). از طرف دیگر، یون‌های نادر خاکی زیر لایه 4f پرنشده از الکترون‌ها دارند. مثلاً “Nd دارای ساختمان الکترونی زیر می‌باشد

در این جا نیز سه الکترون در زیر لایه 4f (که ظرفیت ۱۶ الکترون دارد) وجود دارد. وقتی یون در شبکه قرار می‌گیرد توسط بارهای الکتریکی یونهای میزبان محاصره می‌شود و با آنها برهم کنش انجام می‌دهد. از نیروهایی که می‌توان نام برد عبارت است ازهمان طور که در فصل قبل دیدیم، در قلب هر لیزر ماده فعال وجود دارد که بهره نوری را در یک ناحیه باریکی از طول موجها به دست می‌دهد و در حقیقت لیزرها با نام ماده فعال خود نامیده می‌شوند. در این فصل ما انواع مختلف لیزر را که معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، بررسی می‌کنیم و مخصوصاً به ساختمان ترازهای انرژی ماده فعال و روشهای دمش برای رسیدن به جمعیت معکوس مورد نیاز، توجه داریم. از زمانی که اولین لیزر به طور عملی در سال ۱۹۹۰ با استفاده از کریستال صورتی یاقوت ساخته شد، تعداد و انواع مواد مورد استفاده به عنوان ماده فعال لیزری به طور زیادی افزایش یافته است. تا آنجا که انسان احساس می‌کند که تقریباً از هر ماده‌ای می‌توان با روش دمش خاص خود برای لیزر استفاده نمود. این احساس اغراق آمیز است ولی به هر صورت امکان بسیار زیادی نیز وجود دارد، البته وقتی به لیزرهای تجاری می‌رسیم تعداد لیزرها محدودتر می‌شوند. راحت‌تر است که لیزرها را به چهار نوع اصلی بسته به طبیعت فیزیکی ماده فعال آنها تقسیم کنیم؛ بنابراین خواهیم داشت: لیزرهای آلاثیده شده با عایق، لیزرهای نیمه هادی، لیزرهای گازی و لیزرهای رنگ.

× بستن تبلیغات