leyzer( )

نگاه اجمالی
لیزر کشفی علمی می‌باشد که به عنوان یک تکنولوژی در زندگی مدرن جا افتاده است. لیزرها به مقدار زیاد در تولیدات صنعتی ، ارتباطات ، نقشه ‌برداری و چاپ مورد استفاده قرار می‌‌گیرند. همچنین لیزر در پژوهشهای علمی و برای محدوده وسیعی از دستگاههای علمی‌ ، موارد مصرف پیدا کرده است. برتری لیزر در این است که از منبعی برای نور و تابشهای کنترل شده ، تکفام و پرتوان تولید می‌کند. تابش لیزر ، با پهنای نوار طیفی باریک و توان تمرکزیابی شدید ، چندین برابر درخشانتر از نور خورشید است.

تاریخچه
انیشتین در 1917 میلادی نظریه گسیل القایی را بیان داشت و روابط مشهور جذب و نشر را به جهان عرضه نمود. بر پایه این تئوری چهل سال بعد ، تاونز و همکاران او ، نخستین تقویت کننده گسیل القایی را با بکار گیری آمونیاک مورد آزمایش قرار داده و سیستمی‌ به اسم میزر پدید آوردند که در فرکانس 2.3X1011Hz کار می‌کرد.

نخستین لیزر در 1960 بوسیله میلمن ، با استفاده از یاقوت قرمز (ترکیبی از اکسید آلومینیوم خالص به همراه 5 درصد اکسید کروم III ساخته شد و اولین لیزر گازی He - Ne توسط دکتر علی جوان در آزمایشگاه شرکت Bell در آمریکا ساخته شد. در سال 1986 کشف شد که منبع لیزر می‌تواند نور همدوس تابش کند، به گونه‌ای که دامنه و فاز آن در تمامی‌ نقاط فضا ، قابل سنجش و تعیین باشد. یکی دیگر از خواص لیزر ، همگرایی بالای آن است. به دلیل این ویژگی ، تمامی انرژی پرتو لیزر تقریبا در یک فرکانس متمرکز می‌‌شود. لذا تکفامی و بالا بودن شدت آن ایده‌آل است.

نحوه ایجاد پرتو لیزر
اولین شرط ایجاد لیزر ، داشتن ماده یا محیطی است که بتواند انرژی را در خود ذخیره کند. نمونه‌هایی از این مواد عبارتند از: بلورهایی مثل یاقوت ، ایتریوم ، آلومینیوم گارنت ، () یا گازهایی مثل CO2 و He - Ne و ... و مایعاتی مانند رنگهای رودآمین – 6G می‌‌باشد. انیشتین در سال 1916 نشان داد که گسیل القایی نور را می‌توان از یک اتم برانگیخته بدست آورد.

چنانچه اتم و یا مولکول در تراز بالاتر E2 واقع شود و فوتونی با فرکانس‌ v با اتم برانگیخته وارد برهمکنش شود. بطوری که
hv = E2 _ E1 باشد، در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز پایینتر بیافتد. در نتیجه ، دو فوتون حاصل می‌‌شود، فوتون القا کننده و القا شونده ، که هر دو همفاز هستند.در عین حال ، اگر اتمهایی به تعداد N2 در تراز E1 باشند، می‌توانند با جذب فوتونهای فوق ، برانگیخته شده و به تراز انرژی E2 برسند.

چنانچه هدف به دست آوردن تابش همدوس باشد، باید سعی شود که N2 >> N2 گردد، به عبارت دیگر ، تجمع معکوس رخ دهد. فرآیندی که طی آن تجمع معکوس صورت می‌‌گیرد، دمش می‌نامند. وقتی یک سیستم دو ترازی با محیط اطراف خود در حال تعادل گرمایی باشد، جمعیت تراز انرژی بالاتر Nj کمتر از جمعیت تراز Ni خواهد بود. با استفاده از فرآیند اشباع شدن می‌توان Ni را با Nj مساوی گردانید. بطوری که مقدار جذب به صفر تنزل یابد.

چنانچه بتوان مقدار Nj را بیشتر از Ni نمود، اکثر اتمهای سیستم که به حالت برانگیخته می‌‌روند، تمایل خواهند داشت که به حالت انرژی کمتر برگردند. بدیهی است که این تمایل به وسیله کوانتای تابش فرودی تشدید می‌گردد. بدین معنی که سیستم نه تنها فوتون فرودی را جذب نمی‌کند بلکه فوتون فرودی باعث برانگیختگی سیستم برانگیخته شده که با سقوط به حالت پایینتر دو کوانتا انرژی تابشی از دست می‌دهد (فوتون مربوط به اتم برانگیخته به همراه فوتون فرودی). تمام این فرآیندها تابش لیزر را بوجود می‌آورند.

قرار دادن محیط تولید لیزر در یک مشدد نوری با انتهای آینه‌ای که تابش را در محیط تولید لیزر به جلو و عقب می‌فرستد، سبب تراکم تابش سطوح بالا در تشدید کننده بوسیله ادامه گسیل القایی می‌شود. سپس تابش لیزر از طریق آینه‌ای نیمه شفاف ، از یک انتهای کاواک به بیرون گسیل می‌شود.

اصول کار لیزر :
مقدمه
اصطلاح لیزر (Laser) از حروف اول کلمات انگلیسی به معنی تقویت نور توسط نشر القایی تابش (Light Amplification by Stimulation Emession of Radiation ) درست شده است. از آنجا که این وسیله مبتنی بر همان اصول میزر (بجای نور لیزر ، میکروموج استفاده شده) است، تا مدتی به آن میزر (MASER: Microware Amplification by Stimulation Emession of Radiation) نیز اطلاق می‌شود، ولی نام آن به سرعت به لیزر که عبارتی ساده‌تر تبدیل شد. نور حاصل از لیزر ، همان نور معمولی است، تنها چیزی که نور لیزری را از نورهای معمولی متمایز می‌سازد هماهنگی ایجاد شده در نور لیزری می‌باشد. و این هماهنگی ویژگیهای خاص و کاربردهای مختلف آنرا در زمینه‌های بسیاری توجیه می‌کند.

فرض کنید یک کامیون کمپرسی پر از ماسه داریم، که ابتدا دانه‌های ماسه را یکی یکی بر روی فردی که روی زمین دراز کشیده می‌ریزیم، فرد هیچ گونه احساس فشار و ضربه و ناراحتی نکرده ، اگر همان ماسه را یکباره بر روی آن بریزیم چه اتفاقی می‌افتد. تقریبا تفاوت نور معمولی با نورهای حاصل از لیزر مشابه همین حالت می‌باشد. بطور کلی لیزرها انواع مختلف و زیادی دارند که وجه تمایز و دسته بندی انواع لیزرها را پارمترهایی از قبیل نوع محیط فعال (محیطی که عمل لیزر زایی یا به عبارتی تقویت در آنجا انجام می‌گیرد که می‌تواند جامد ، مایع و گاز نیز باشد) و نوع ساختار و شرایط فیزیکی حاکم بر آن تعیین می‌کند. لیزرها هم می‌توانند به صورت پالسی و هم پیوسته کار کنند، که بستگی به هدف و کاربردمان دارد.

آرایش دستگاههای لیزری
دستگاههای لیزر را محیط فعال ، آینه‌های لیزر و وسیله دمش (پمپاژ) تشکیل می‌دهند. بطور کلی ساختار یک لیزر نوعی به صورت زیر است:


آینه‌های مورد استفاده در لیزر ، با روشهای مختلف و پیشرفته لایه گذاری ساخته می‌شوند، بطوری که آینه خروجی دستگاه که باریکه لیزری از آن خارج می‌شود نیمه بازتاب و آینه اولی کاملا بازتاب کننده می‌باشد. آینه‌های لیزری به دو صورت می‌توانند روی سیستم سوار شوند:



آینه‌های داخلی: روی تیوپ نصب می‌شوند.
آینه‌های خارجی: آینه‌های خارجی دارای مزایایی بر آینه‌های داخلی هستند: در تماس با محیط خارجی فعال (بخصوص در لیزرهای گازی) فرسایش نمی‌یابند و قابلیت انعطاف بیشتری دارند.
چند نوع کاواک نوری (یا مشدد لیزری) متداول
روشهای دمش (پمپاژ) لیزری
دمش نوری لیزر: لامپ فلاش - نور لیزر (در لیزرهای حالت جامد به خاطر پهنای گذار تابشی)
دمش الکتریکی لیزر (در لیزرهای گازی)


خود دمش لیزری با طرحهای مختلفی انجام می‌گیرد. برای درک مفاهیم عمل لیزر ، لازم است که عبارات مهم نشر القایی ، تجمع معکوس و همدوسی و جهت مندی کاملا تشریح شوند.

نشر القایی
بنا به نظریه کوانتومی مدارهای الکترون (ترازهای انرژی) محدود به اندازه‌های منفصلی می‌باشند (غیر از این هم ممکن نیست) و انرژِی که هر اتم یا مولکول می‌تواند داشته باشد، به یکی از این مقادیر محدود می‌شود. به عبارت دیگر ، انرژی اتم یا مولکول و یا یون بر حسب اینکه الکترون چه مداری را اشغال کند، مقادیر منفصلی به خود می‌گیرد. به علاوه وقتی انرژی اتم با حرکت الکترون به مدارهای مجاز ، کاهش می‌یابد، فوتونی منتشر می‌شود که انرژی E∆ آن برابر اختلالف انرژی اتم در قبل و بعد از انتقال الکترون می‌باشد. این فوتون می‌تواند به صورت موجی در نظر گرفته شود که فرکانس ν آن از رابطه انیشتین E = hν بدست می‌آید، که در این رابطه h ثابت پلانک می‌باشد.

هر اتم را می‌توان بصورت مجموعه‌ای از ترازهای انرژی ممکنه در نظر گرفت که هر تراز مربوط به شکل پذیری خاص الکترون می‌باشد. پایینترین حالت انرژی را حالت پایه اتم یا مولکول گویند، که اکثرا در هر لحظه در این پایه قرار دارند. گذار اتم به ترازهای با انرژی بالاتر (ترازهای بالا) با صرف انرژی به صورت فوتون تابشی و انتقال انرژی فوتون تابشی به اتم صورت می‌گیرد. این حالت به پدیده جذب موسوم بوده و فرکانس و انرژی فوتون تابشی با رابطه انیشتین که اشاره شد بهم مربوطند.

در نتیجه جذب تابشی ، اصطلاحا گفته می‌شود اتم به حالت برانگیخته ارتقاء می‌یابد. از آنجا که تنها ترازهای گسسته انرژی وجود دارند، لذا در مورد فرکانسهایی از تابش که توسط هر ترکیب خاص جذب می‌شوند، گزینش پذیری معینی برقرار است. فرآیند معکوس جذب تابش ، نشر حاصل از تغییر اتم از یک حالت انرژی بالا به حالت انرژی پایین است. انیشتین نشان داد که در حقیقت نشر به دو طریق می‌تواند صورت بگیرد:



با تغییر اتم به حالت پایینتر بطور اتفاقی ، که این عمل نشر خودبخودی نامیده می‌شود.


اندرکنش اتم با فوتونی که دارای انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز که اتم در حالت بالایی آن قرار دارد، سبب می‌شود که اتم به سطح پایین تغییر کرده و ایجاد اتم ثانوی نماید. این عمل معکوس عمل جذب بوده و به نام نشر تحریکی یا نشر القایی شناخته می‌شود. نشر خودبخودی مستقل از هر گونه عامل خارجی می‌باشد.

حال به بیان دو نقطه مهم تحریکی می‌پردازیم که خواص لیزری به آنها بستگی دارد. اول اینکه فوتون حاصل از نشر تحریکی تقریبا هم انرژی با فوتون ایجاد کننده نشر تحریکی است و از اینرو فرکانس آنها تقریبا باید مساوی باشد. ثانیا امواج نوری مربوط به این دو فوتون همفاز هستند و همدوس گفته می‌شود. در حالت نشر خودبخودی تولید اتفاقی فوتونها امواجی با فاز اتفاقی شده که نور ناهمدوس گفته می‌شوند.
تجمع معکوس
دو سیستم انرژی دو ترازی در نظر بگیرید که در یکی از آنها اتمی در حالت برانگیخته (بالا) و دیگری در حالت پایه (یایینی) باشد. فرض کنید فوتونی با انرژی برابر اختلاف بین دو تراز به این اتمها نزدیک شود. احتمال وقوع کدام یک از پدیده جذب یا نشر تحریکی بیشتر است؟ انیشتین نشان داد که تحت شرایط معمولی احتمال اتفاق هر دو پدیده یکی است. بنابراین واضح است که در سیستمی که تعداد زیادی اتم (یا مولکول) وجود دارد، پدیده غالب بستگی به تعداد نسبی اتمهای موجود در حالت بالایی و پایینی خواهد داشت.

تجمع بیشتر (یعنی تعداد اتمهای بیشتر) در تراز بالا سبب غالب بودن نشر تحریکی خواهد شد، در صورتی که اگر تعداد بیشتری اتم در تراز پایین موجود باشند، جذب بیشتر از نشر تحریکی خواهد بود. برای غالب بودن نشر تحریکی ، لازم است که به تجمع تراز بالایی افزوده شود که تجمع آن بیشتر از تجمع حالت پایین باشد، حالتی که به نام تجمع معکوس شناخته می‌شود. پس شرط اصلی لیزر زایی ، اعمال و فراهم آوردن شرایطی جهت تجمع معکوس می‌باشد.

آرایشهای لیزری :
آینه‌های لیزری
یکی از دو آینه‌ای که در مشدد لیزری بکار می‌رود، باید بازتابنده کامل نور باشد. دستیابی به چنین آینه ایده‌آلی عملاً غیر ممکن است. لذا این آینه باعث ایجاد اتلاف حین انعکاس نور از روی آن خواهد شد. میزان ضریب انعکاس و عبور آینه دوم نیز بسیار مهم است. زیرا هر چه قابلیت عبور این آینه بیشتر باشد، باعث ایجاد اتلافات بیشتر در مشدد خواهد شد. ازطرف دیگر با افزایش ضریب عبور این آینه ، درصد خروجی انرژی از مشدد لیزر نیز بیشتر می‌شود. در نهایت حد معینی برای این تغییرات وجود دارد که در انتخاب قدرت عبور این آینه محدودیت بوجود می‌آورد. درصد بازتابندگی یا ضریب انعکاس این آینه چیزی حدود 98% می‌باشد که در لیزرهای مختلف کمی تفاوت می‌کند.
آرایش آینه‌های لیزری
مشددهای لیزری اکثرا از دو آینه تشکیل شده‌اند که در فضای ما بین آنها ماده فعال لیزری قرار دارد. محیط فعال لیزر ممکن است چسبیده و یا جدا از آینه‌ها باشد که در اینصورت به ترتیب آرایش داخلی و آرایش خارجی نامیده می‌شوند. ممکن است در یک لیزر حالت جامد نیازی به قرار دادن آینه در بیرون محیط لیزر نباشد، بلکه عمل انعکاس نور لیزر توسط صیقل دادن دو انتهای میله لیزری و لایه ‌نشانی مواد دی الکتریک روی آن انجام شود که در اینصورت آرایش داخلی خواهد داشت. در برخی موارد لزوماً از آرایش خارجی استفاده می‌شود. در این آرایش آینه‌ها به فاصله‌ای از محیط فعال لیزری قرار داده می‌شوند و در تماس مستقیم با ماده فعال قرار ندارند.

در برخی لیزرهای گازی که برخورد دائم مولکولهای گاز باعث کنده شدن مواد نشانده شده روی آینه می‌شود، این روش مزیت دارد. در هر حال عوامل دیگری مانند مسأله تنظیم آینه‌های لیزری و قراردادن ابزار دیگر در محیط فعال می‌تواند در انتخاب آرایش داخلی یا خارجی لیزر مؤثر باشد. شکل آینه‌هایی که در لیزرها بکار می‌رود، می‌تواند کروی یا تخت باشد. دو آینه بکار رفته در یک لیزر لزوما یک شکل نیستند. آرایش موازی تخت ، شعاع بزرگ ، هم‌ کانونی ، هم‌ مرکز ، آرایش نیم کروی و آرایش ناپایدار انواع مختلف آرایشهای آینه‌های مشددهای لیزری می‌باشند.

آرایش موازی تخت مشدد لیزر
در این آرایش دو آینه بصورت تخت و موازی قرار می‌گیرند و ماده فعال لیزر در میان آن قرار می‌گیرد. این آرایش در اولین لیزر هلیوم-نئون بکار برده شد. این آرایش ، آرایش چندان پایداری نیست؛ زیرا برای یک پرتو خاص که بین دو آینه بارها و بارها باید نوسان کند، احتمال کمی وجود دارد که از فضای دو آینه خارج نشود. زیرا این آرایش به دقیق بودن تنظیم آینه‌ها (میزان توازی آن دو) بسیار حساس است و دقت تنظیم آن باید چیزی حدود یک ثانیة کمانی (1.3600 درجه) باشد.

بنابراین با ارتعاشات جزئی و یا حتی تغییر دما تنظیم خود را از دست می‌دهد. مزیت این آرایش در نسبت حجم مؤثر زیاد محیط فعال است؛ یعنی می‌تواند از تمام فضای محیط فعال و درنتیجه از اتمهای برانگیخته موجود در لامپ ، گاز یا میله بلور حداکثر استفاده را بکند. ولی توان خروجی آن به دلیل اتلافات بالای پراشی ناشی از پراش از کناره‌های آینه‌ها زیاد نیست.
آرایش هم‌کانون مشدد لیزر
درصورت استفاده از آینه‌های کروی در مشدد ، اگر شعاع آنها و فاصله آنها از هم طوری باشد که کانون آنها بر هم منطبق باشد، آرایش هم‌کانون خواهد بود. مثلاً در حالتی که شعاع انحنای دو آینه مشدد مشابه باشد، باید فاصله آنها از هم برابر شعاع انحنای آنها باشد. در این آرایش حجم مؤثر محیط فعال کاهش می‌یابد. این آرایش در مرز حالت پایدار و ناپایدار است، ولی با این حال تنظیم آن بسیار ساده است و نیازی به دقت حدود 1.5 دقیقة کمانی (1.40 درجه) دارد.

آرایش هم مرکز مشدد لیزر
در این حالت مراکز کرات آینه‌های مشدد بر هم منطبق است. با یکسان بودن شعاع انحنای دو آینه ، فاصله آنها باید دو برابر این شعاع باشد تا این آرایش شکل گیرد. این آرایش نیز در مرز حالت پایدار و ناپایدار است و تنظیم آن نیز مشکل است. معمولاً این آرایش بیشتر در لیزرهای جامد بکار می‌رود.

آرایش نیم کروی مشدد لیزر
مشدد نیم کروی از یک آینه کروی و یک آینه تخت تشکیل شده است. فاصله این دو آینه از هم کمی کمتر از شعاع آینه کروی می‌باشد تا از تمرکز نور لیزر روی آینه تخت جلوگیری شود. درصورت برابری فاصله دو آینه با شعاع آینه کروی تمرکز پرتوی لیزر روی آینه تخت موجب سوختن آن خواهد شد. خروجی نور لیزر در این آرایش از آینه تخت خواهد بود. این آرایش حجم مؤثر محیط فعال را به حدود 3/1 مقدار آن می‌ساند و بنابراین کارایی آن را کاهش میهد. ولی تنظیم این آینه نسبتا آسان است.

مشدد لیزری ناپایدار
در این مشدد برخلاف مشددهای قبلی که از قسمت کاو آینه کروی استفاده می‌شد، از قسمت کوژ آن استفاده می‌شود. با این حال در این آرایش حجم مؤثر محیط فعال بسیار زیاد می‌شود. از این آرایش بیشتر در مواقعی استفاده می‌شود که توان خروجی بالایی نیاز باشد. در لیزرهای توان بالا ، آرایشهای قبلی که باریکه کوچکی از نور لیزر تولید می‌کردند، کارآیی ندارد و بجای آن از این آرایش استفاده می‌شود. در این آرایش اتلافات پراشی روی آینه‌ها غالب است و در جایی کاربرد دارد که بهره بالایی نیاز باشد. خروجی لیزر در این آرایش موازی است بدون اینکه نیاز به تلسکوپ نوری برای موازی کردن نور خروجی باشد.

ایمنی لیزری
مقدمه
هر چند لیزرها سابقه خوبی از نظر ایمنی دارند، بسیاری از خطرات مربوط به عملیات لیزری بطور مستقیم به خود باریکه ارتباط ندارد. در واقع ، بزرگترین خطر اغلب ناشی از منبع تغذیه ولتاژ بالایی است که معمولا برای لیزرها و تجهیزات الکترواپتیکی مربوط همراه آنها بکار می‌رود. در ضمن مشخص شده که بیشتر حوادث جدی که کاربران لیزر تاکنون با آن مواجه بوده‌اند، ناشی از برق گرفتگی بوده است. اغلب خطرهای اضافی دیگری نیز وجود دارند، مانند خطرهای کار با تجهیزات سرمازایی مورد استفاده برای خنک کردن منابع پرتوان و مواردی از این قرار که با اتخاذ روشهای پیشگیرانه واضح و کاملا مدون می‌توان بیشتر چنین خطرهایی را رفع کرد. لذا بیشتر به خطرهای ناشی از تابشهای نوری همراه باریکه لیزر توجه می‌کنیم.
ایمنی باریکه لیزری
بیشتر لیزرها تابشی گسیل می‌دارند که با احتمال خطر همراه است. درجه خطرناکی بستگی به مشخصات خروجی لیزر ، طریق استفاده از آن و تجربه فردی که با آن کار می‌کند، دارد. روشی که تابش لیزر ایجاد صدمه می‌نماید، شبیه به همه دستگاههای بیولوژیکی است و با فرآیندهای حرارتی ، صوتی - حرارتی و شیمیایی - نوری همراه است. درجه‌ای که هر یک از این مکانیسمها باعث خسارت می‌شود، بستگی به مشخصات چشمه لیزر مانند طول موج ، زمان پالس ، توان و اندازه تصویر و چگالی انرژی دارد. اولین عامل صدمه ، جذب تابش توسط سیستم بیولوژیکی است. جذب در تراز اتم و یا مولکول است و بنابراین به طول موج بستگی دارد. بنابراین در مرحله اول این طول موج لیزر است که تعیین می‌کند بافت آسیب پذیر کدام است.

بطور کلی ، ارتباط بین مکانیزم خسارت به دلیل در معرض نور قرار گرفتن بسیار پیچیده می‌باشد. احتمال ورود باریکه موازی شده لیزر ، هم بطور مستقیم و هم در اثر بازتاب به درون چشم ، بزرگترین عامل نگرانی است. بسته به طول موج ، شدت و زمان قرار گرفتن چشم در معرض باریکه ، انواع آسیبهای مختلف می‌تواند به چشم وارد شود. مکانیسم دقیق آسیب دیدن بافتها در نواحی زیر قرمز و مرئی ناشی از آثار گرمایی یا حتی در بعضی موارد به علت ضربه‌های فوتوآکوستیکی است. در حالیکه در فرابنفش ، آسیب در اثر فرآیندهای نور شیمیایی آغاز می‌شود.

با توجه به اینکه اکثر تابشهای لیزر در فرابنفش یا زیر قرمز قرار دارند، به دلیل نامرئی بودن نور احتمال آسیب دیدگی تصادفی چشم زیاد است. چنین تابشی روی شبکیه متمرکز نمی‌شود، بلکه قرنیه و عدسی آنرا جذب می‌کنند و این باعث آسیب می‌شود. در حالیکه تابش در ناحیه مرئی و نزدیک مادون قرمز ، باعث صدمه به شبکیه می‌شود. به بیان عمومی ، پوست بیشتر از چشم می‌تواند مورد تابش قرار گیرد، که در این مورد میزان خسارت به طول موج و به خصوص به تابش ماورا بنفش بستگی دارد. هر سازمانی که از لیزرها استفاده می‌کند باید که ایمنی تجربه را ارائه کند که بایستی براساس دسته بندی لیزرها باشد.
دسته بندی لیزر بر اساس "Bss4803"
کلاس1
توان خروجی به قدری کم است که ذاتا ایمن است.

کلاس2
چنین لیزرهایی در قسمت مرئی بیناب کار می‌کنند و توان خروجی آن 1mW (میلی ولت) محدود برای کارکرد به صورت مداوم (Cw) می‌شود. چنین لیزرهایی ذاتا ایمن نیستند. اما بعضی محافظهای چشمی توسط عکس‌العمل طبیعی چشم ، مانند عکس‌العمل پلکها وجود دارد. خطرات را می‌توان با مراحل نسبتا ساده‌ای کنترل نمود.

کلاس 3A
این لیزرها در قسمت مرئی بیناب (400nm - 700nm) کار می‌کنند و خروجی آنها به 5mW برای عمل به صورت مداوم (CW) می‌باشد. بعضی از حفاظها از طریق عکس‌العمل ذاتی صورت می‌گیرد. نگاه کردن مستقیم به کمک تجهیزات نوری ممکن است خطرناک باشد.

کلاس 3B
این لیزرها در قسمتی از طیف الکترومغناطیسی بین طول موجهای 200nm تا 1mm، عمل می‌کنند. توان خروجی آنها 500mW برای عملکرد مداوم (CW) است. نگاه کردن مستقیم به آن زیانبار است و باید از آن پرهیز شود. بازتابهای مستقیم ممکن است خطرناک باشد. اما بازتابهای پخش شده عموما خطرناک نیستند. در هیچ شرایطی باریکه نور بوسیله تجهیزات نوری نباید دیده شود. کنترل بیشتر و دقیقتر در اندازه‌ گیریها ضروری است.

کلاس 4
این لیزرها هم در طول موجهای ناحیه 200nm و هم در 1mm کار می‌کنند و توان خروجی آنها از 500mW تجاوز می‌کند. نه تنها مشاهده مستقیم باریکه ، بازتابهای مستقیم آن خطرناک است در بعضی از شرایط مشاهده بازتابهای پخش شده نیز برای چشم مضر است. به علاوه احتمال خطر برای پوست ، در اثر تابش مستقیم لیزر و بازتابهای غیر مستقیم مرتبه اول نیز وجود دارد. باریکه چنین لیزرهایی قادر به ایجاد شعله در مواد است، لذا باید احتمال خطر و آتش سوزی را کاهش داد. استفاده از لیزرهای کلاس 4 احتیاج به احتیاط بسیار زیاد برای ایمنی هم برای کاربر و هم برای پرسنل دیگر دارد. در صورت امکان باید سیستم کلا جدا باشد.

خواص نور لیزر
مقدمه
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 بصورتی 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.
پهنای باریکه
از آنجا که نشر القایی ، فوتونهایی را با راستای انتشار دقیقا یکسان تولید می‌کند، استفاده از پیکربندی آینه انتهایی به تقویت گزینشی باریکه محوری که تنها قطری در حدود 1mm دارد منجر می‌شود. بدین ترتیب لیزر ، باریکه‌ای نازک و اساس موازی از نور را که معمولا دارای توزیع گاوسی از شدت است، از آینه خروجی به بیرون منتشر می‌کند. زاویه واگرایی باریکه لیزر مقداری در حدود 1mrad است، که در فاصله یک کیلومتری ، تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن می‌کند.

هر چند که میزان واگرایی باریکه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجی تعیین می ود، ولی به ازا اپتیکی مناسب می توان همین واگرایی اندک را به مقدار زیادی تصحیح کرد. شدت زیاد، خاصیتی است که بیش از سایر موارد همراه نور لیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدتهای روی زمین ایجاد می‌کنند. از آنجا که لیزر باریکه‌ای اصولا موازی از نور را نه در تمام جهتها بلکه در راستای مشخصی نشر می‌کند، مناسبترین معیار شدت ، تابیدگی است. توان: انرژی در واحد زمان.


سطح/توان = I تابیدگی

در این اینجا منظور از توان ، توان خروجی لیزر است، نه توان ورودی به آن. با متمرکز کردن باریکه تا رسیدن به حد پراش ناشی از ابزار اپتیکی متمرکز کننده می‌توان تابیدگی را افزایش داد. به عنوان یک اصل کلی ، حداقل شعاع باریکه متمرکز شده قابل قیاس با طول موج می‌باشد. خروجی لیزرها که دارای یک توزیع گوسی از شدت می‌باشد، ماکزیمم شدت (قله یا پیک) تنها برای زمان بسیار کوتاهی قابل حصول است. و این شدت ماکزیمم (پیک) حاصل از یک لیزر تپی بطور وارون با مدت تپ متناسب است، روشها گوناگونی برای کاستن از طول تپ وجود دارد تا شدت آن افزایش یابد.

همدوسی
همدوسی خاصیتی است که به بهترین وجه نور لیزر را از سایر انواع نور متمایز می‌کند و باز هم این خاصیت ، نتیجه ماهیت فرآیند نشر القایی است. نور حاصل از منابع معمولی که توسط نشر خود به خودی کار می‌کنند، به نور غیر همدوس آشفته موسم است. در این موارد ، هیچ همبستگی بین فاز فوتونهای گوناگون وجود ندارد و در اثر تداخلهای اساسا تصادفی بین آنها ، افت و خیز محسوسی در شدت پدید می‌آید. در مقابل در لیزر ، فوتونهایی که توسط محیط برانگیخته لیزر نشر می‌شوند، با سایر فوتونهای موجود در حفره ، همفازند.

مقیاس زمانی که طی آن همبستگی فاز برقرار می‌ماند، به عنوان زمان همدوسی شناخته می‌شود. بنابراین دو نقطه در طول باریکه لیزر به فاصله‌ای کمتر از طول همدوسی ، باید فاز مرتبطی داشته باشند. طول همدوسی برای انواع مختلف لیزر متفاوت است. مهمترین کاربرد همدوسی لیزری تمام نگاری (هولوگرافی) است، که روش برای تهیه تصاویر سه بعدی به شمار می رود.

تکفامی
مشخصه بارز نور لیزر و خاصیتی که بیشترین ارتباط را با کاربردهای شیمیایی دارد، تکفامی اساسی آن است. این خاصیت از این حقیقت منشأ می‌گیرند که تمام فوتونها در اثر گذار بین دو تراز انرژی اتمی یا مولکولی مشابه ، نشر می‌شوند و بنابراین تقریبا فرکانسهای دقیقا یکسانی دارند. تعداد کمی از فرکانسها با فواصل اندک از یکدیگر ، ممکن است در عمل لیزر حضور داشته باشند، بطورری که برای رسیدن به تکفامی بهینه باید وسیله اضافی دیگری را برای گزینش فرکانس لیزر تعبیه کرد. معمولا برای این کار از یک نسخه استفاده می‌شود که عنصری اپتیکی است که درون حفره لیزر قرار می‌گیرد و به گونه‌ای تنظیم می‌شود، که تنها یک طول موج معین بتواند بین دو آینه انتهایی ، بطور نامتناهی به جلو و عقب حرکت کند.
کاربردهای مهم پهنای کم باریکه
در صنعت سازه مثلا در حفر تونلها دریابی و فاصله‌ یابی و نظارت بر آلودگی اتمسفر (امکان نظرات بر گازهای خروج از دودکش کارخانه‌ها ، با تجزیه و تحلیل نور پراکنده از روی سطح زمین امکان پذیر است.

کاربرد لیزر بر اساس شدتهای زیاد
برش و جوشکاری با لیزر ، صنعت هوافضا و نساجی ، جراحی چشم و جراحیهای دیگر، مزایای بسیار زیادی برای استفاده از لیزر در چپنین جراحیهایی وجود دارد، روش لیزری تخریبی نیست و نیازی به بیهوشی ندارد و با توجه به مدت زمان کوتاه تپها ، نیازی به بی حرکت نگهداری طولانی عضو نیست.

کاربرد همدوس لیزر
هولوگرافی (تمام نگاری) ، که از خود این روش درست قطعات خودرو تأسیسات ، ترکیدگی داخلی لاستیکهای هواپیما ، فشرده سازی اطلاعات (اعم از تصاویر و متن و ...) و بازسازی اطلاعات

سلاحهای لیزری :
دید کلی
نابود نمودن دشمن از راه دور ، با جریانی از ماده‌ای مرگبار ، مدتها موضوع داستانهای علمی - تخیلی بوده است. آیا می‌توان آن را به واقعیت درآورد؟ فیزیک نیرنگ باز است، اما سرمایه گذاریهای ارتش ایلات متحده حاکی از آن است که آنها تصمیم گرفته‌اند سلاحهای تشعشعی را بوسیله کلیفوردبیل به واقعیت در آورند. در دهه 70 میلادی ، زمانی که کاپیتان کرک ستاره تلویزیون بود، فن آوران معتقد بودند که تا سال 1997 تخیلات علمی به آن واقعیاتی علمی تبدیل می‌شوند و سلاحهای دستی لیزری ، تولید خواهند شد.

مشکلات عمده
مشکل عمده سلاحهای لیزری ، فن آوری آنهاست. در حال حاضر این سلاحها به اندازه یک اتوبوس هستند و در ضمن لیزرهای پر قدرت به توان الکتریکی و شیمیایی بالایی نیازمندند. انرژی الکتریکی ، گازهای شیمیایی را تحریک می‌کند و بدین ترتنیب اتمهای گاز برانگیخته شده ، میزان انرژی بالاتری پیدا می‌کنند و شعاع لیزری ساطع می‌شود (لیزر منبعی است از گرما و نور به شکل امواج همسان ممتد یا متناوب).
کاربرد نظامی لیزر
از زمان اختراع لیزر در سال 1960، کاربردهای نظامی انرژریهای هدایت شده ، طراحان دفاعی را به دلیل ویژگیهایی همچون نامحدود بودن مهمات و توانایی تخریب فراوان و کنترل از راه دور ، هیجان زده ساخت. همراه با روند تکامل لیزرها ، مجموعه‌ای از کاربردها از چاقوهای جراحی لیزری گرفته تا دستگاههای خودکار پخش موسیقی با دیسکهای فشرده ، ساخته شدند. البته هنوز هم سلاحهای تشعشعی که بتوانند تانکها را ذوب کنند، صورت واقعیت به خود نگرفته‌اند و هم اکنون استفاده نظامی از لیزرها ، محدود به هدف گیری و اندازه گیری مسافت به منظور افزودن بر دقت گلوله‌های تفنگ و توپ و نیز بمبهاست. در طی دهه 70 و 80 میلادی ، وزارت دفاع ایالات متحده با انجام آزمایشهای گوناگونی ، سلاحهایی با انرژی هدایت شده را مورد بررسی قرار داد. این امر با این کار مشهور دفاع استراتژیک ریگان به اوج رسید، اما با فروکش کردن جنگ سرد ، بودجه سلاحهای لیزری نیز کاهش یافت و بدین لحاظ تا کنون تنها نمونه‌های کاربردی اندکی از آنها ساخته شده است.

ولی در هر حال ، این نمونه‌ها توان تخریبی انرژیهای هدایت شده را به اثبات رساندند. در سال 1976 ارتش ایالات متحده یک لیزر دی اکسید کربن را بر قایقی نصب کرد و با استفاده از آن هدفی را که با سرعتی یکنواخت و در فاصله چند صد متری حرکت می‌کرد نابود ساخت. در دهه 80 نیروی دریایی ایالات متحده ، قدرت لیزر MIRACL (مخفف لیزر شیمیایی میان - فروسرخ) خود را در انهدام موشکها از فاصله دور به نمایش گذاشت. در حال حاضر لیزرهای کلاس مگاوات فلوراید دوتریم ، میراکل بسیار مورد توجه مجریان برنامه مشترک آمریکا و رژیم صهیونیستی در ساخت نوعی سیستم دفاع هوایی برای محافظت شمال فلسطین اشغالی از حملات موشکی مبارزان است.

لیزرهای ضد اسکاد
لیزرهای ضد اسکاد نیروی هوایی ایالات متحده اشعه‌ای به ضخامت یک تیر تلگراف دارد. به نظر میلز هولومن رئیس علوم تسلیحاتی فرماندهی موشکی ارتش آمریکا ، لیزرهای شیمیایی آنقدرها هم کارآمد نیستند. قدرت اشعه آنها یک دهم انرژی مورد نیاز برای پمپ سلاح است و همین امر موجب بزرگی دستگاهها می‌شود. اشعه لیزر ، بعد از طی چند کیلومتر متلاشی و تجزیه می‌شود و این امر در مسافتهای طولانی مشکلاتی را بوجود می‌آورد. با این حال برنامه‌هایی در حال اجراست تا لیزرها را به کاربردهای نظامی وارد سازند. اولین هواپیمایی که به سلاحهای تشعشعی مجهز می‌شود چیزی جز جنگنده استیلت خواهد بود و برای این منظور هواپیمای بولینگ 747 ترجیح داده می‌شود.

نیروی هوایی آمریکا با تیمی مرکب از بوئینگ ، لاکهید - مارتین و TRW قراردادی به منظور ساخت نمونه‌ای کاربردی از سیستم هوابرد لیزری ABL برای رهگیری و انهدام موشکهای بالستیکی در حال پرواز امضا کرد. سیستم ضداسکاد ABL ، شامل یک لیزر شیمیایی یدید اکسیژن (COIL) است که در برجی گردنده در دماغه بوئینگ 747-400F جاسازی شده است. هنگام گشتهای هوایی در ارتفاع بالا و در فاصله 250 کیلومتری پایگاههای موشکی دشمن ، ABL با استفاده از دوربینی فرو سرخ و از پس ابرها به دنبال شعله دنباله‌ای اسکادهای پرتاب شده می‌گردد. سپس خدمه به نشانه گیر لیزری سوئیچ می‌کنند تا موشک در حال پرواز رهگیری شده ، قسمت سوختش هدفگیری شود. با قفل شدن روی بدنه موشک ، سیستم ، اشعه لیزر را که ضخامتی برابر با قطر تیرهای تلگراف دارد، شلیک می‌کند، بدین ترتیب با بوجود آمدن سوراخی در مخزن سوخت ، موشک ظرف چند ثانیه منفجر و منهدم می‌شود.

البته نیروی مورد نیاز این سیستم بسیار زیاد است. سیستم مولد و مخازن شیمیایی یک لیزر سه مگاواتی حجمی بسیار (بیش از حجم یک جت) را اشغال می‌کند. هیچ جت جنگنده‌ای امکان حمل سوخت لیزری و نیروی مورد نیاز (برای سلاح لیزری) را ندارد. البته بوئینگ 747-400F فقط به دلیل حجم بزرگش (مخازن ذخیره آن ، ظرفیت مورد نیاز 50 پرتابه لیزری را دارد) برای این برنامه انتخاب نشده است بلکه توانایی پرواز این هواپیما در بالاترین ارتفاع به مدت 8 ساعت نیز مد نظر بوده است. دقت عمل لازم برای انهدام اسکادها از راه دور معادل به گودال انداختن یک توپ گلف از فاصله 65 کیلومتری است. علی‌رغم اینکه پرواز در ارتفاع 40000 پایی انجام می‌شود و هوا در این ارتفاع رقیق است، اما ABL نیز مواجه با مشکلات مربوط به انتقال اشعه ، مشابه همان مسائلی که موجب به تعویق افتادن تکامل لیزرها در میدان نبرد زمینی شده است، می‌باشد.

چند متر پس از خروج لیزر ، اشعه بر اثر آشفتگی جوی (گردبادهایی با تراکمهای مختلف) متلاشی و تجزیه می‌شود، اما سیستم کنترل اشعه در عرض چند صدم ثانیه با اندازه گیری این آشفتگیها اشعه را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که از تلاشی آن جلوگیری می‌شود. این کار را تعدادی آینه تنظیم شونده ، که خروجی لیزر را احاطه می‌کنند، تحت تأثیر سیگنالهای ورودی به سیستم و قبل از ورود اشعه به اتمسفر انجام می‌دهند. آزمایشگاه فیلیپس نیروی هوایی ، در آزمایشی، موشکهایی را از فاصله 48 کیلومتری رهگیری و منهدم ساخت.

در سال 1983، نیروی هوایی ، قدرت خود را در انهدام موشکهایی ساید و این بار در بکار گیری لیزر موجود در هواپیمای تغییر یافته NKC135A از فاصله 10 کیلومتری به نمایش گذارد. سیستم ABL اولین آزمایش خود را در سال 2002 میلادی به انجام رساند و سپس در سال 2004 میلادی تولید 7 فروند یوئینگ مجهز به این سیستم با هزینه‌ای معادل 5 میلیارد دلار آغاز شد. در سال 2006 و درست همزمان با به کار گیری نسل جدید موشکهای اسکاد توسط کره شمالی ، این تجهیزات بکار گرفته می‌شوند. اما همه اینها اساسا متفاوت با آن سلاحهای تشعشعی علمی- تخیلی هستند که ارتش ایالات متحده از به کار گیری آنها در میادین نبرد منصرف شد.

کاربردهای عملی دیگر
در اواخر دهه 80 میلادی ، ارتش آمریکا به مطالعه لیزرهای پوتوتیپ میان انرژی و کم انرژی پرداخت. این لیزرها برای نابود ساختن سیستم اپتیکی تانکهای دشمن و خیره کردن چشمان خلبانان و تک تیراندازانی که با استفاده از دوربین سلاحهای خود در حال هدف گیری هستند بکار می‌رود. ارتش آمریکا حتی در زمان جنگ خلیج فارس یک لیزر میان انرژی به نام استینج ری را بر خودروی پیاده نظام برادلی سوار کرده بود. این سلاح عدسی سیستمهای اپتیکی تانکها و خودروهای دشمن را با ایجاد شکافی هرمی نابود می‌ساخت. البته این سلاح هرگز مورد استفاده قرار نگرفت. به عقیده جان الکساندر ، پژوهشگر سابق آزمایشگاه ملی لس آلاموس "پنتاگون چون نگران عکس العمل منفی مردم بود از استینج ری استفاده نکرد." علت چیست؟ شاید اینکه استینج ری نه تنها لنز پریسکوپها را نابود می‌کند بلکه موجب کور شدن فردی که از آن پریسکوپ استفاده می‌کند نیز می‌شود.

چشم انداز بحث
هم اکنون اخلاق ، در برابر لیزرهای میدان نبرد ، به عنوان یک مبارز طلبی فنی سد بزرگی را بوجود آورده است. در اکتبر سال 1995، چهارمین پروتکل به کنواسیون ژنو الحاق گردید و به موجب آن بکار گیری لیزرهای کور کننده در جنگ ممنوع اعلام شد. چند هفته قبل از آن ، پنتاگون سفارشی را که برای ساخت نوعی لیزر کور کننده به نام دیزر داده بود پس گرفت. این سلاح (سیستم اقدامات مقابله ای لیزری) بر روی لوله تفنگ ام 16 نصب می شد و به پیاده نظام این امکان را می داد که سیستم های کنترل آتش دشمن را از فاصله بیش از 2 کیلومتری نابود کرده ، سربازان دشمن را کور کنند.

بسیاری از کشورها ، پروتکل مزبور را محترم شمردند. چینیها آشکارا از بکار گیری سیستمی مشابه خودداری کردند. به گفته الکساندر "در هنگام جنگ ، شما می‌توانید دشمن را با استفاده از گلوله و یا انفجار بکشید و نیز می‌توانید قانون وی را با استفاده از لیزر خاکستر کنید، اما حق کور کردنش را ندارید، چشم موضوعی احساسی است." بجز مسائل اخلاقی ، ارتش در عملی بودن استفاده نظامی از لیزر دچار تردید است. طول تفنگهای لیزری قابل حمل در حال حاضر زیاد است وحتی اگر مخازن شیمیایی و باتریهای مربوطه جمع و جور ساخته شوند، نیروی موجود فقط کفاف تعداد محدودی شلیک را می‌دهد. الکساندر اضافه می‌کند "هیچ نیازی به این قبیل سلاحها وجود ندارد. ارتش ایالات متحده نمی‌خواهد به جای سلاحی قابل اطمینان ، از سیستمی سری و با منفعت محدود استفاده نماید. شما نمی‌توانید هم لیزر را حمل کنید و هم یک سلاح متعارف را."

آیا مهندسان می‌توانند مشکلات مربوط به نیروی مورد نیاز لیزرها را حل کنند و به این هدف نظامی دست یابند که سلاحی قابل حمل و با مهمات نامحدود بسازند. هولومن می‌گوید: "من جدا تردید دارم که بتوانیم سیستمی قابل حمل توسط انسان بسازیم."

طیف سنجی جرمی با لیزر :
نگاه کلی
بعد از اینکه دانشمندان توانستند عمل یونیزاسیون را توسط لیزر انجام دهند، با تلفیق این روش با طیف سنجی‌ جرمی توانستند با تبخیر نمونه و ایجاد یون ، از طریق طیف‌سنجی قادر به شناسایی یونهای ایجاد شده گردند. در روش طیف‌سنجی جرمی از یک منبع لیزر ضربانی با شدت زیاد برای تبخیر و یونش مقدار کمی از جسم جامد استفاده می‌شود. سپس یونهای مولکولی و عنصری توسط یک طیف سنج جرمی ، مجهز به تحلیلگر زمان پرواز مورد تجزیه قرار می‌گیرد. حساسیت بالا ، سرعت زیاد در کاربرد در زمینه تجزیه مواد آلی و معدنی از مزایای این روش می‌باشد.

در روش طیف‌سنجی جرمی لیزری یونهای فراوانی را می‌توان با استفاده از یک لیزر ضربانی با عمر ضربه زیاد بدست آورد. این یونها دارای انرژی جنبشی متفاوت هستند، بطوری که یک تجزیه جرمی موفق ، به دستگاههای تمرکز دهنده مضاعف همراه با عبور طیف جرمی خیلی کم بستگی دارد.

تاریخچه
اولین مطالعات راجع به سیستم لیزر به کار رفته در طیف سنجی جرمی لیزری درسال 1963 توسط "هانینگ" گزارش شد. در این روش از یک لیزر ضربانی یاقوت با قطر پرتو 150µm و عمر ضربه 50µs به همراه یک طیف‌سنج جرمی با تمرکز دهنده مضاعف استفاده شده بود. با مطالعات فراوان روی کاهش عمر ضربات لیزر و کاهش قطر نقاط متمرکز درسال 1966 اولین استفاده حقیقی از طیف سنج جرمی لیزری ، با استفاده از یک لیزر یاقوت با طول ضربانهایی درحدود نانوثانیه و قطر پرتو در حدود 20µm ، گزارش شد.

"هایلن کامپ" و همکارانش در سال 1975 با استفاده از تمرکز دهنده‌های مخصوص ، قطر پرتو لیزر را به 0.5µm رساندند. با این روش حد تشخیص 0.2ppm برای لیتیم روی سطح نازکی ( 1µm - 0.1 ) از رزین اپوکسی بدست آمد. توسعه بعدی در این زمینه توسط "خزورنگ" و همکارانش درسال 1978 صورت گرفت. ایشان با استفاده از یک بازتابشگر یون ( تمرکر دهنده زمانی ) در یک طیف‌سنجی جرمی زمان پرواز ، درجه تفکیک جرم را افزایش دادند.

روشهای طیف سنجی جرمی با لیزر
در چندین سال اخیر ، توجه زیادی در میان دانشمندان شیمی تجزیه‌ای به دو شاخه جدید در طیف‌سنج جرمی لیزری معطوف شده است.

روشهای چند فوتونی
این روش شامل برهمکنش مستقیم بین فوتونهای تابش لیزر با مولکولها ، اتمها و یونها در فاز گاز می‌باشد و خود شامل دو روش می‌باشد:



یونیزاسیون: یونیزاسیون چندفوتونی که ممکن است رزونانسی یا غیر رزونانسی باشد و برای تجزیه عنصری در حساسیت‌های بالا بکار می‌رود.


تفکیک نوری: این روشها شامل جهش‌های الکترونی هستند و برای اتمها یا مولکولهای خاصی گزینش پذیری دارند.
روشهای دفع سطحی
این روش شامل برهمکنش پرتو لیزر با نمونه در فاز جامد می‌باشد که بدین وسیله یونهای مولکولی و تکه‌های ساختاری مهم از مولکولهای پیچیده ، فرار و بسیار بزرگ تولید می‌شوند. بطور کلی حالتهای مختلفی برای ایجاد یون از جسم جامد بکار برده می‌شوند که از همه مهمتر روش دفع سطحی با لیزر و تبخیر با لیزر می‌باشد.

طیف‌سنجی جرمی رزونانس - یونیزاسیون
برای متخصصان طیف‌سنجی روشهای چند فوتونی امکان مطالعه جهش‌های الکترونی در مولکولهای خنثی را فراهم می‌سازد. یونیزاسیون چند فوتونی حساسیت طیف‌های جذبی جهش‌های غیر مجاز را افزایش می‌دهد. روشهای رزونانسی بازده زیادی از نظر یونیزاسیون داشته و از گزینش پذیری بالایی برخوردارند، درحالیکه یونیزاسیون غیررزونانسی حساسیت و گزینش پذیری کمتری داشته و تکه‌های کمتری ایجاد می‌کند.

با استفاده از روش یونیزاسیون رزونانسی طیف‌سنجی جرمی می‌توان فراوانی ایزوتوپی عناصر را حتی در غلظتهای بسیار کم و یا در حضور مزاحمتهای ایزوباری حذف نمود. تکنیکهای رزونانس - یونیزاسیون بر مبنای برانگیختن نوری الکترونها در اتمهای آزاد (حالت گازی) پایه‌ریزی شده است. در این روش تعداد الکترونهای آزادی که در مرحله برانگیختگی یونی ایجاد می‌شود، می‌تواند افزایش یافته ، توسط یک شمارشگر نسبی گازی تشخیص داده شود.

زمان تجزیه
مهمترین مزیت طیف‌سنجی جرمی با لیزر ، توانایی این روش در تجزیه بسیار سریع و فوق‌العاده مواد آلی و معدنی موجود در مقدار اندکی از نمونه است. در فاصله چند دقیقه بعد از برقراری خلأ ، بعد از انتخاب سطح تجزیه‌ای ، نمونه تجزیه شده ، طیف حاصله به کامپیوتر منتقل می‌گردد.

مزایای روش
مزایای عمده یونیزاسیون و طیف‌سنجی جرمی با لیزر ، قابل تغییر بودن قدرت لیزر برای ایجاد محدوده‌ای از شرایط یونیزاسیون می‌باشد. یکی از خصوصیات جالب این روش ، توانایی آن در ایجاد پیکهای اصلی از بسیاری از ترکیبات غیر فرار با وزن مولکولی بالاست که امکان دیدن آنها با طیف‌سنجهای جرمی معمولی وجود ندارد.
مزاحمتها
دو نوع مزاحمت در این روش وجود دارد.

مزاحمتهای طیفی ناشی از تفکیک جرمی محدودی است که اغلب برای تشخیص تکه‌های عنصری و مولکولی ممکن کافی نیست.

مزاحمتهای شیمیایی همواره به خاطر اثرات زمینه مقادیر بسیار کم ناخالصیها بوجود می‌آیند.
حد تشخیص
روشهای طیف سنجی جرمی لیزری در زمره حساس‌ترین روشها برای تجزیه مقادیر کم به حساب می‌آید. حد تشخیص در حدود 20-10 تا 8-10 می‌باشد، ولی از لحاظ تکرار پذیری این روش دقت خوبی ندارد و این ، به علت تغییرات (در چگالی پرتو) تابیده شده به نمونه می‌باشد.

کاربردها
تجزیه کیفی و نیمه کیفی برای تشخیص و حدس درباره زمینه و عناصر با مقادیر بسیار کم نمونه


به عنوان وسیله‌ای برای دنبال کردن تغییرات ناشی از عوامل خارجی در ساختار نمونه


به عنوان وسیله‌ای برای تشخیص ( اثر انگشت خاص ) ، یک نمونه


برای حصول اطلاعات مربوط به اجزای مولکولی موجود


به عنوان وسیله‌ای برای ترسیم ساختار شیمیایی نمونه‌های ناهمگن


این روش در تجزیه فلزات به منظور تعیین کربن و اکسیژن و نیتروژن آنها بکار می‌رود. در اندازه گیری ایزوتوپی ، عناصری مانند اورانیوم و پلوتونیوم استفاده می‌شود. برای تعیین ترکیبات آلی با وزن مولکولی بالا در ریز بلورها استفاده می‌شود. دسته زیادی از ترکیبات معدنی شامل غیرفلزات ، فلزات ، اکسیدهای فلزی و نمکها و کمپلکسها و همچنین پلیمرها توسط روش دفع سطحی با لیزر ، طیف‌سنجی جرمی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند.

فاصله یاب لیزری :
دید کلی
کاربردهای نظامی لیزر همواره رقم سنگینی را در تولید سیستمهای لیزری به خود اختصاص داده است. یکی از مهمترین کاربردهایی که امروزه در زمینه‌های نظامی وجود دارد فاصله یاب لیزری است. توانایی لیزر در تعیین موقعیت هدف با دقت بالا و سرعت بالا غیر قابل انکار است. لیزرها به علت داشتن واگرایی کم بعد از طی مسافت زیاد به عنوان فاصله یاب مورد استفاده قرار می‌گیرند. اینک وضعیت به گونه‌ای است که هر هواپیمای جنگی که برای ضربه زدن به هدفهای زمینی از روش فرود و خیز استفاده می‌کنند، شانس زیادی به مصون ماندن در مقابل موشکهای زمین به هوای پیچیده پدافند موجود در اکثر نیروهای مسلح دنیا ندارد. در اینجا می‌خواهیم بطور ساده ساز و کار فاصله یاب لیزری و استفاده آن صحبت کنیم.

مسیر تحولی در رشد
تکنولوژی نبرد مدرن تانک از جنگ جهانی دوم به این طرف تا چنان حدی پیشرفت کرده است که اینک رای بر کمال مطلوب برای تانکها اختصاص اولین ضربه به خود و تخریب ماشین زرهی دشمن پیش از امکان واکنش آن است. بیشتر حملات آمریکائیها در ویتنام شمالی با استفاده از سلاحهای هدایت شده با لیزر صورت گرفت و کارایی آن بسیار خوب بود. در آن زمان از بمبهای معمولی دستکاری شده که با کلاهکهای جستجو گر لیزری مجهز شده بود استفاده شد. این توانایی اندازه گیری سریع و دقیق که با جدیت بسیار در دستگاههای مسافت یاب و هدف یاب مورد استفاده قرار می‌گیرند، اکنون بر روی هواپیماهای جنگی نظیر هاریر (Harriers) و جگوار ( Jagvars of R.A.F (Royal Air Craft Force قرار داده می‌شوند.

نقش در زندگی
لیزرهای فاصله یاب معمولا کاربرد نظامی دارند. اینک از لیزرها به عنوان ضد موشک و برد و هدایت اسلحه و ... استفاده می‌شود. هواپیماهای جنگی برای مصون ماندن از پدافندهای مجهز به لیزر باید در ارتفاع کم و با سرعت زیاد حرکت کنند، لذا خلبان ممکن است فقط چند ثانیه برای پیدا کردن هدف ، نشانه گیری و انداختن مهمات خود دقت داشته باشد. با یک لیزر خوب این کار می‌تواند تقریبا بطور آنی با اندازه گیری فاصله زمانی بین روشن کردن لیزر و آشکار ساختن تابش برگشتی پراکنده از هدف انجام گیرد. بنابراین حتی در سرعتهای خیلی زیاد هواپیماهای مدرن ، اگر لیزر به خوبی خنک سازی شود اندازه گیری فاصله می‌تواند 10 تا 20 بار در ثانیه انجام شود.
بنابراین آخرین اطلاعات را به مقدار کافی در اختیار خلبان یا کامپیوتر قرار می‌دهند.

طرز کار
طرز کار فاصله یاب لیزری براساس همان اصولی است که د ر رادارهای معمولی بکار می‌رود. یک تپ لیزری YAG و یا CO2 به هدفی که نشانه روی شده است ارسال می‌شود. پس تپ ارسالی به هدف خورده باز می‌گردد و سپس توسط یک سیستم مناسب گیرنده نوری آشکار می‌شود. فاصله مورد نظر با تعیین مدت زمانی که طول می‌کشد تا تپ ارسالی مسیر رفت و برگشت را طی کند، بدست می‌آید. طرح کلی یک فاصله یاب Nd: YAG متشکل از فرستنده (لیزر) ، گیرنده و دوربین است. پس با ارسال تپ ارسالی به هدف ، نور پراکنده شده از هدف توسط عدسیهای L1 و L2 روی یک آشکار ساز تمرکز یافته و یک سیگنال الکتریکی حاصل می‌شود. اگر لحظه t0 تپ لیزری از سیستم به سمت هدف ارسال شود و سیگنال بازگشتی در لحظه t1 آشکار شود، با توجه به اینکه نور با سرعت C در مدت زمان t1 - t0 فاصله 2x (رفت و بازگشت سیگنال) را پیموده است، فاصله x بدست می‌آید:



(X = (1/2) C(t1 - t0

مشاهده می شود که دقت در تعیین فاصله به دقت در تعیین زمان بستگی دارد. سیستمهای نظامی با شمارش نوسانهای یک بلور کوارتز در مدت زمان t1 - t0 فاصله مورد نظر بصورت عددی روی دستگاه ظاهر می‌شود.

مزایا و اشکالات فاصله یاب های لیزری
مزایا
وزن سبک دستگاه و قیمت و پیچیدگی بسیار کمتر آن نسبت به رادارهای عادی.
قدرت کاری دستگاه در شرایط نه چندان مساعد ، حتی وقتی هدف در بالای سطح آب و یا روی زمین در حال حرکت باشد.
معایب
اشکال فاصله یاب لیزری در آن است که کاربرد دستگاه متضمن دید مستقیم است و باریکه لیزر در شرایط نامساعد به شدت در محیط جذب می‌شود. فاصله یابهایی که با برد تا تقریبا 15Km بکار برده می‌شوند عبارتند از:



فاصله یاب های دستی با برد ماکزیمم 10Km و دقت کمتر از 10m.
فاصله یابهایی که روی تانک سوارند.
فاصله یابهای ضد هوایی.
یک کاربرد عالی از کاربرد تکنولوژی لیزر
یک مثال بسیار عالی از کاربرد تکنولوژی لیزر در فن استفاده از دستگاههای الکتریکی و خودکار در هوانوردی نظامی ال. ار. تی. اس (مسافت یاب و هدف مارکدار یاب لیزری) Laser Ranger Marked Target Seeker است که به آر. ا. اف (نیروی هوایی سلطنتی) توسط شرکت فرانتی (Ferranti Limited) تحویل می‌شود. این سیستم دارای یک خاصیت خیلی مهم و اضافی است و آن اینکه هدفی مانند تانک ، خودرو یا ساختمان می‌تواند توسط سربازی در زمین با یک لیزر نئودیمیوم و یک دوربین دو چشمی مستقر در یک جعبه قابل حمل که نشانگذار زمین نام دارد، مشخص شود.

با نگاه کردن در چشمی ، سرباز یک تصویر بزرگ شده از محل را که روی آن مجموعه‌ای از خطوط متعامد بر هم نصب شده است و مشخص کننده دقیق نقطه‌ای است که لیزر بر روی آن هدف گیری می‌شود، می‌بیند. البته خود خال لیزری نامرئی است. در هواپیما سکویی وجود دارد که نسبت به چرخش پایدار است که بر روی آن تلسکوپ منعکس کننده‌ای نصب شده است که از پنجره‌ای در نوک هواپیما به بیرون سمتگیری شده است. تلسکوپ ، نور لیزری پراکنده شده (باز گشته) از علامتگذار زمینی را از طریق هدف دریافت می‌کند. در تلسکوپ یک آشکار ساز ویژه که به وضوح حساس است قرار دارد و علامات حاصل از آن در نشانه گیری مستقیم تلسکوپ به روی هدف مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بدین ترتیب با مرکزی کردن تصویر هدف ، تلسکوپ نشانه گیری هدف را بدون توجه به حرکت هدف یا هواپیما ادامه می‌دهد. حال هم محور با سیستم جستجوگر در هواپیما ، یک بردیاب لیزری مجهز به یک لیزر نئودیمیوم خنک شده با آب - گلیکول وجود دارد که به محض پیدا شدن هدف توسط جستجوگر بطور خودکار روشن می‌شود و بدون وقفه برد و موضع لحظه‌ای هدف را بررسی و به کامپیوتر متصل به سلاح که در خارج هواپیما قرار دارد، اطلاع می‌دهد. یک صفحه علایم در بالای سر خلبان برای نشان دادن موضع هدف قرار دارد و دستگیره‌هایی برای تشکیل اسلحه نصب شده‌اند. بدین ترتیب خلبان می‌تواند برای انجام مأموریت رزمی بر علیه علامت در صفحه علایم پرواز کند و اصلا نیازی به دیدن هدف اصلی در پشت علامت نیست.

چشم انداز آینده
در اینکه در چند سال آینده پیشرفت زیادی در هدف گیری سلاحها و شلیک آنها با استفاده از لیزر انجام خواهد گرفت، تردیدی وجود ندارد. در حال حاضر بر همگان معلوم است که رده‌های توپخانه هدایت شده با لیزر بطور موفقیت آمیزی به نمایش گذارده شده‌اند و دلیلی ندارد که هدایت لیزری در زمانی کوتاه و بطور نیمه در بیشتر انواع ساز و برگ جنگی بکار برده نشود.

فیزیک لیزر :
ریشه لغوی
کلمه لیزر (LASER) از حروف ابتدای عبارت "تقویت نور بوسیله گسیل القایی تابش" (Light Amplification By Stimulated Emission of Radiation) در لاتین ساخته شده است که معمولاً در طول موجهای مادون قرمز نزدیک ، مرئی و ماورای بنفش طیف الکترومغناطیس می‌باشد. به گسیلهای لیزر گونه طول موجهای بلندتر ناحیه میکروویو "میزر" (MASER) گفته می‌شود. لیزر اصولاً به منبع نور همدوس و تکرنگ گفته می‌شود.

دید کلی
هیچ می‌دانید با لیزر معجزه می‌کنند!


فکر می‌کنید لیزر برای چه تولید شده است؟


به نظر شما برتری تانکهای مجهز به سیستم مسافت یاب لیزری در چیست؟


بد نیست بدانید که همه شما با لیزر زندگی می‌کنید و رد پایی که لیزر از خود بر جای می‌گذارد به زندگی امروزی معنا می‌دهد. برای همین بشر زندگی خود را در دنیای امروزی مدیون لیزر می‌داند.

تاریخچه لیزر
پیشنهاد استفاده از گسیل القایی از یک سیستم با جمعیت معکوس برای تقویت امواج میکروویو بطور مستقل بوسیله وبر (Weber) ، جوردون (Gordon) ، زیگر (Zeiger) ، تاونز (Townes) ، باسو (Basov) و پروخورو (Prokhorov) داده شد. اولین استفاده عملی از چنین تقویت کننده‌هایی توسط گروه جوردون ، زیگر و تاونز در دانشگاه کالیفرنیا انجام شد. این گروه نام میزر (MASER) را که از ابتدای حروف "Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation" تشکیل شده بود برای آن برگزیدند.

اولین میزر با استفاده از گذار میکروویو در مولکولهای آمونیاک (NH3) ساخته شد. در سال 1958 اولین بار پیشنهاد فعالیت میزر در فرکانسهای نوری در مقاله‌ای توسط اسکاولو (Schawlow) و تاونز داده شد. در سال 1960 یعنی کمتر از دو سال دیگر ، میلمن (Mailman) موفق به ساخت لیزر پالسی یاقوت شد. این لیزر پیوسته کار (CW) که لیزر گازی هلیوم نئون بود، در سال 1961 توسط علی جوان ایرانی ساخته شد. در سال 1962 نیز پیشنهاد

پیدایش لیزر :
دیدکلی
لیزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می‌باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است. لیزر دسته نوری است که می‌تواند بدون اینکه از شدت آن در اثر انتشار کاسته شود، بطور موازی منتشر گردد. سالیان درازی است که در این خصوص بحث و گفتگو می‌شود و حتی هر روز شاهد اختراعات جدید هستیم و پیش بینی می‌شود که در آینده چندین کیلومتر از درختان جنگلی برای ایجاد جاده در یک چشم بر هم زدن قطع شوند یا با بیماری سرطان بطور قطعی مبارزه شود. در روزگاز ما در نتیجه پیشرفت تکنولوژی دامنه استفاده از برخی اختراعات و اکتشافات چنان گسترش یافته که می‌توان گفت انقلابی بزرگ در علم و صنعت پدید آورده است.

سرگذشت لیزر
با اینکه نظریه انیشتن در مورد امکان تابش اجباری از خیلی قبل بیان شده و معلوم بود، لیکن پس از چندین دهه و در سال 1954اولین بار دانشمندان شوروی سابق ه.گ باسوف و آ.ام پروخوف همزمان با دانشمندان آمریکایی ج.تائونس امکان پیدا کردند، تابش اجباری را مشاهده کنند. پانزده سال قبل از آن در سال 1939 فیزیکدان جوان مسکوئی وآ. فابریکانت در تز دکترای خود استدالال کرد که می‌توان محیط‌های فعالی برای ایجاد تابش اجباری بوجود آورد و اشعه تقویت شده تهیه کرد.

شروع جنگ موجب تعطیلی این کار شد. ولی در سال 1951 و.آ.فابریکانت با عده‌ای از دستیاران خود بیانیه‌ای منتشر ساخته و اختراع خود را به نام در اصول صنعتی تقویت تابش الکترومغناطیسی پیشنهاد کرد. این اصول قبلا از نظر تئوری در سال 1917 توسط انیشتین بیان شده بود. این یشنهاد شامل راههای تقویت اشعه فرابنفش ، مرئی ، فروسرخ و امواج رادیویی بود. در این زمان در انستیتوی فیزیک آکادمی علوم شوروی سابق شاگرد و معلم آ.م پروخوف ، و.گباسوف روی تقویت امواج بطور آزمایش کار می‌کردند.
کشف اولین مولد
اولین مولد توسط پروخوف و باسوف در سال 1954 کشف شد که توانستند با آمونیاک اولین مولد امواج فرکانس بالا را بسازند. در این مولد ، مواد فعال را مولکولهای تحریک شده آمونیاک تشکیل می‌دادند که از مولکولهای تحریک نشده بوسیله میدان الکتریکی غیر یکنواخت جدا می‌شدند. دستگاه فوق هنوز مولد کوانتایی اشعه مرئی و یا لیزر نبود. ولی مولد میکرو موجها یعنی میزر بود و به مولد ساخته شده توسط ه.گ باسوف و ا.م پروخوف شبیه بود.

همچنین دانشمندان آمریکایی آ.اشا و الوف و ج.تائونس در سال 1958 محرز ساختند که می‌توان اشعه مرئی را از طریق مولدهای فوق بدست آورد و اولین مولد نیرو با نیروی محرکه داخلی توسط ت.میمن بوسیله یاقوت ساخته شد.









مولفه‌های مختلف لیزر
پمپ انرژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپاژ اپتیکی یا شیمیایی و یا حتی یک لیزر دیگر باشد.
ماده پایه و فعال که نامگذاری لیزر بواسطه ماده فعال صورت می‌گیرد.
مشدد کننده اپتیکی: شامل دو آینه بازتابنده کلی و جزئی می‌باشد.
کشف اولین مولد گازی
در پایان سال 1361 علی جوان اولین مولد گازی دائمی را ساخت (علی جوان از انستیتو تکنولوژی ماساچوست ، یکی از پژوهنده‌های نخستین در زمینه توسعه لیزر گازی بود. روز بعد او لیزر گازی را بوسیله فرستادن پیغامی تلفنی امتحان کرد (در آزمایشگاه بل تلفن). چهل سال بعد ارتباطات بوسیله لیزر بصورت خیلی عادی در آمده و از آن در صنایع اینترنتی استفاده‌های بسیار می شود. شاید لیزر یکی از بزرگترین اختراعات تکنولوژی امروزه باشد. دکتر علی جوان هنوز هم بطور زیادی درگیر در اختراعات جدید است و پیش بینی می‌کند که روزی بجای مگاهرتز رادیویی ، جای آنرا گیگاهرتزهای لیزری خواهند گرفت.

ایشان از والدینی اهل آذربایجان (تبریز) در شهر تهران متولد شد و در سال 1949 به آمریکا آمد و چندی بعد دکترای خود را از دانشگاه کلمبیا در شهر نیویورک گرفت. از سال بعد هم در شوروی سابق و هم در آمریکا اولین مولدهای نوری با نیم هادیها مورد استفاده قرار گرفتند. عده‌ای از دانشمندان که در ایجاد اشعه لیزر موفق شدند، در سال 1964 موفق به دریافت جایزه لنین شدند.
تکامل لیزر
دانشمندان شوروی سابق در پیشبرد اثر جدید ، فعالیتهای بیشتر می‌کردند. پروخوف همچنین تائومنس برای کارهای اولیه که در خصوص الکترونیک کوانتایی انجام دادند، جایزه نوبل گرفتند. الکترونیک کوانتایی با ایجاد اشعه لیزر در محلول بلورهای آبی به موفقیت عظیمی نائل شدند. در سالهای بعد لامپهای مخصوص از این مواد ساخته شد. در پایان سال 1967 در آزمایشگاه ب.ای.اپستانوف برای تولید اشعه لیزر بیش از 50 نوع بلور مورد استفاده واقع شد. این کوششها امکانات بزرگی از لحاظ تولید لیزر با طول موجهای مختلف از فرابنفش گرفته تا مرز فرو سرخ را میسر ساخت.

لیزر در فیزیک و شیمی
اختراع لیزر و تکامل آن وابسته به معلومات پایه‌ای است که در درجه اول از رشته فیزیک و بعد از شیمی گرفته شده‌اند. بنابراین طبیعی است که استفاده از لیزر در فیزیک و شیمی از اولین کاربردهای لیزر باشند. رشته دیگری که در آن لیزر نه تنها امکانات موجود را افزایش داده بلکه مفاهیم کاملا جدیدی را عرضه کرده است طیف نمایی است. اکنون با بعضی از لیزرها می‌توان پهنای خط نوسانی را تا چند ده کیلوهرتز باریک کرد ( هم در ناحیه مرئی و هم در ناحیه فرو سرخ ) و با اینکار اندازه گیریهای مربوط به طیف نمایی با توان تفکیک چند مرتبه بزرگی ( 3 تا 6) بالاتر از روشهای معمولی طیف نمایی امکان پذیر می‌شوند.

لیزر همچنین باعث ابداع رشته جدید طیف نمایی غیر خطی شد که در آن تفکیک طیف نمایی خیلی بالاتر از حدی است که معمولا با اثرهای پهن شدگی دوپلر اعمال می‌شود. 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) بویژه در فنون تشخیص باید از روشهای (پراکندگی تشدیدی رامان) و (پراکندگی پاد استوکس همدوس رامان) (CARS) نام ببریم. بوسیله این روشها می‌توان اطلاعات قابل ملاحظه‌ای درباره خصوصیات مولکولهای چند اتمی بدست آورد (یعنی فرکانس ارتعاشی فعال رامن - ثابتهای چرخشی و ناهماهنگ بودن فرکانس).

روش CARS همچنین برای اندازه گیری غلظت و دمای یک نمونه مولکولی در یک ناحیه محدود از فضا بکار می‌رود. از این توانایی برای بررسی جزئیات فرآیند احتراق شعله و پلاسما (تخلیه الکتریکی) بهره برداری شده است. شاید جالبترین کاربرد شیمیایی (دست کم بالقوه) لیزر در زمینه فوتو شیمی باشد. اما باید در نظر داشته باشیم بخاطر بهای زیاد فوتونهای لیزری بهره برداری تجاری از فوتوشیمی لیزری تنها هنگامی موجه است که ارزش محصول نهایی خیلی زیاد باشد. یکی از این موارد جداسازی ایزوتوپها است

لیزر الکترون آزاد :
مقدمه
در لیزرهای رزینه‌ای الکترونها مقید به یک اتم و یا یک مولکول هستند و یا در طول زنجیره‌ای از اتمها که مولکول دو قطبی را تشکیل می‌دهند، آزادی حرکت دارند. نیز در لیزرهای نیم رسانا الکترونها می‌تواند که در تمام حجم بلور حرکت کنند. ولی در لیزر الکترون آزاد ، که یکی از جدیدترین و جالبترین انواع لیزرهاست، الکترونها بیشتر از موارد فوق الذکر آزادی حرکت دارند.

در لیزر الکترون آزاد الکترونها آزادانه در یک میدان مغناطیسی متناوب حرکت می‌کنند و در اثر برهمکنش میدان الکترومغناطیسی با الکترونهایی که در این ساختار تناوبی در حرکتند، فرآیند گسیل القایی رخ می‌دهد. از نظر تاریخی ، لیزر الکترون آزاد اولین بار در سال 1951 بوسیله Mets پیشنهاد شد. این لیزر قادر به کار در ناحیه طیفی مرئی و ماوراء بنفش هستند، ولی تا کنون این لیزرها تنها در طول موج λ = 3/4µm عمل کرده است.

سینماتیک اندرکنش الکترون آزاد- فوتون
لیزرهای الکترون آزاد ، علت تشعشع انرژی الکترومغناطیسی ، شتاب الکترونها در میدان متناوب است. نمونه مشابه برای چنین تشعشعی ، تشعشع سینکروترون الکترونهایی است که در یک میدان مغناطیسی حرکت دایره‌ای انجام می‌دهند ولی این تشعشع طیف وسیعی را می‌پوشاند، لذا برای نوسان لیزری مناسب نیست. در لیزر الکترون آزاد ، الکترونها مجبورند در جهت عرضی (x یا y) حرکت موجی انجام دهند، در حالیکه با سرعتهای نسبیتی در جهت محور اصلی (z) حرکت می‌کنند.
مقدار بیشتری از انرژی میدان تشعشعی حاصله ، بر خلاف تشعشع سینکروترون دارای باند باریکه‌ای از فرکانس است و این برای نوسان لیزری مناسب است. این فرکانسها در واقع فرکانسهایی هستند که الکترونها با یک طول موج اپتیکی ، عقب نشینی می‌کند. تشعشع منتشره در هر نقطه در طول مسیر با تشعشع منتشره در زمانهای قبلی در یک ردیف قرار گرفته و بدین ترتیب یک جمع شوندگی میدان ایجاد می‌شود (چنین سرعت الکترون نسبیتی است). یک نقطه نظر دیگر ، مبادله توان ( Ex(r,t)Vx(r,t بین الکترون متحرک و موج الکترومغناطیسی متحرک با یک میدان (E(r,t می‌باشد. شرط همزمانی استنتاج شده در بالا ، تضمین می‌کند که علامت ExVx نباید تغییر کند، چون هر تغییر علامتی در Vx اتفاق بیفتد، در همان زمان Ex تغییر علامت می‌دید.

توان ExVx که از باریکه الکترون به موج الکترومغناطیسی جاری می‌شود، پیوسته است (این توان حادی شده ممکن است منفی باشد). فرکانسهای گذار فرکانسهایی هستند که طی آن سرعت الکترون تغییر جهت می‌دهد. الکترون آزاد ، انرژی E1 از میدان الکتریکی یک فوتون با انرژی Eph جذب کرده و یا به آن یک فوتون می‌دهد و با انرژی E2 خاتمه می‌یابد.

چون الکترونها حرکت نسبیتی دارند لذا انرژی آنها نیز باید از روابط نسبیتی محاسبه شود. اما مشاهده می‌کنیم که تغییر در انرژی Ee∆ یک الکترون ، ایجاد یک گذار از مختوم P1 به P2 می‌کند که کوچکتر از انرژی (P1 - P2) فوتون با مختوم (P1 - P2) می‌باشد. این نتیجه در سه بعد نیز صادق است. یکی از راه حلهای این مسئله میانجیگری در اندرکنش بین الکترون و باریکه نور (فوتونها) بوسیله انتقال پریودیک فضایی است که با مضاربی از 2π/L جذب می‌کند (L پریود است)، اختلال می‌‌تواند بر فوتون ، الکترون و یا هر دو اثر کند.

برای مشاهده نحوه عمل ، فرض می‌کنیم در تیوبهای موج رونده میکروویو ، جائیکه میدان الکترومغناطیسی در یک ساختار پریودیک منتشر می‌شود، به میدان یک حرکت پریودیک اضافی وارد می‌شود. در مورد یک لیزر الکترون آزاد ، این حرکت الکترون است که بطور پریودیکی با بکار بردن یک میدان مغناطیسی بطور فضایی پریودیکی مدوله می‌شود. البته می‌توان میدان الکترومغناطیسی را بطور فضایی مدوله کرد، این کار با بکار بردن یک موجی که بطور فضایی پریودیکی است، عملی می‌باشد.

هرگاه در تیوبهای موج رونده و شتاب دهنده‌های خطی ذرات باردار ، به نقطه نظر کلاسیکی برگردیم: یک الکترون را در نظر می‌گیریم که با سرعت V در حرکت است و با یک میدان الکترومغناطیسی رونده که میدانهای مغناطیسی و الکتریکی آن به ترتیب بصورت (E(r,t)B(r,t است، اندرکنش می‌کند.

شرط همزمانی (The synchrcnism crndition)
برای اینکه یک تبادل انرژی بین الکترون (با انرژی γmc2) و یک میدان E صورت می‌گیرد، لازم است که سرعت الکترون (v) در امتداد E ، مؤلفه غیر صفر داشته باشد. (γ ضریب تبدیل جرم نسبیتی است) در مورد موج الکترومغناطیسی تخت که در جهت z منتشر می‌شود Ez = 0 بوده و Ex ≠ 0 است. برای اینکه بایستی بررسی الکترون یک مؤلفه عرضی Vx داشته باشیم، چون Vz < c است، الکترون نسبت به موج عقب می‌افتد و بایستی تغییر علامت دهد (جهت سرعت تغییر می‌کند)، لذا تبادل خالص انرژی بین الکترون و باریکه متوسط گیری می‌شود.



یک راه حل آشکار این مسئله ودار کردن الکترون به تغییر سرعتش می‌باشد. بطوری که در یک جهت با میدان عرضی حرکت می‌کند. این کار با بکار بردن یک میدان مغناطیسی عرضی پریودیکی فضایی (با پریود 0λ) در حضور یک موج الکترومغناطیسی تخت با طول موج λ بیان می‌شود. بردار سرعت الکترون در z = 0 با میدان روبرو شده و دارای یک سرعت عرضی موازی جهت میدان (Vx||Ex) می‌باشد. بطوری که VxEx>0 است. یک الکترون مشابه در دو نقطه اضافی دیگر نشان داده شده‌اند. بخشی از یک میدان الکتریکی که در ابتدا در نقطه z = 0 با الکترون روبرو شده ، در نقطه Vx 0 است، ولی میدان الکترومغناطیسی سریعتر و جلوتر از الکترون حرکت می‌کند بطوری که Ex < 0 و ExVx > 0 است.

در نقطه z = λ0 ، Vx > 0 است و Ex > 0 است لذا ExVx>0 می‌باشد. بنابراین در هر نقطه ExVx> 0 است و الکترون بطور پیوسته قرمز شده و به میدان اپتیکی انرژی می‌دهد. شرط تشدید P1 - P2 = ±t.k می‌باشد.

نشر خود به خودی و بهره در FEL
وقتی که الکترون در میدان مغناطیسی wigglel حرکت شتابدار انجام می‌دهد (و این شتاب پریودیک و عرضی می‌باشد) و از آن یک تشعشع خودبخودی بوجود می‌آید، بطوری که طیف حاصل از این تشعشع از روابط مشابه توری پیروی می‌کند. (پریودهای میدان مغناطیسی برای الکترون به مثابه توری می‌باشد). الکترون شتابدار موج الکترومغناطیسی تشعشع می‌کند و این تشعشع در یک ساختار پریودیک صورت می‌گیرد. بهره به عنوان اختلاف بین آهنگ نشر و جذب تحریکی بوسیله الکترونهای تشعشعی می‌باشد.

مزایا وکاربردهای FEL
یکی از مزیتهای FEL نسبت به لیزرهای اتمی این است که در FEL با افزایش طول اندرکنش L ، بهره الزاما افزایش پیدا نمی‌کند و ممکن است بهره از بین رفته و حتی منفی شود و خود L افزایش می‌یابد، فرکانس برای ماکزیمم بهره به مقدار تشدید خود نزدیک می‌شود.


در نوسانگرهای FEL تشعشع از افت و خیز چگالی باریکه الکترونی و یا از نشر خودبخودی آغاز می‌شود و هنگامی که توان تبدیلی از باریکه الکترونی بتوان تشعشعی از اتلافات تشعشع در مشدد زیاد باشد عمل لیزر صورت می‌گیرد. مزیت اصلی FEL به لیزرهای کوانتومی قابلیت تنظیم تشعشع آن می‌باشد. در لیزرهای کوانتومی طول موج لیزر بوسیله انرژی گذارهای بین ترازهای کوانتومی اتمها یا مولکولها در ماده فعال مشخص می‌شود و علی‌رغم تنوع و تعداد مواد فعال لیزری تعداد ترازهای کوانتومی محدود است (محدود به معنی متناهی) ولی در FEL ها طول موج لیزر بوسیله پارامترهای باریکه الکترونی و ساختار الکترودینامیکی آنها مشخص می‌شود (دیوارهای موجی ، آینه‌های مشدد و ...) نیز با مشخصه‌های میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در ناحیه اندرکنش.


تشعشع FEL می‌تواند بر یک نقطه که سایز آن با پدیده‌های پراش مشخص می‌شود، متمرکز گردد.


تقویت نور در FEL ها در خلأ صورت می‌گیرد، لذا اثرات ماده فعال روی نور وجود ندارد و پراش نیز کم است. لذا این لیزر برای طی مسیر طولانی و توانهایی بالا مناسب است، ولی در لیزرهای معمولی بخاطر پراکندگی ماده فعال توان خروجی کم است، ولی مشکل عمده FEL ها تکنیک شتاب دهنده الکترونی است.


بهره FEL ها بالای 100% است، ولی محدودیتهای موجود (نه از نظر فیزیکی) باعث شده که رکورد بهره از 34% تجاوز نکند.
از این لیزرها در علم و صنعت ، مانند فعل و انفعالات مواد میکرو لیتوگرافی ، جداسازی ایزوتوپها ، کاربردهای شیمیایی ، گرمایش پلاسما و ... استفاده می‌شود

لیزر دی اکسید کربن
مقدمه
لیزر وسیله‌ای برای تولیدی پرتوی تکفام و همدوس در نواحی نور فرابنفش ، مرئی و یا فروسرخ از طیف امواج الکترومغناطیسی است. کلمه لیزر در حقیقت از حروف اول کلمه‌های عبارت انگلیسی زیر گرفته شده است:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

این عبارت به معنی "تقویت نور با روش گسیل الفایی تابش" گرفته شده است، که همه آنها اصطلاحهایی فیزیکی هستند. از آنجا که باریکه نور لیزر همدوس است (یعنی امواج آن همفاز هستند و به عبارت دیگر مانند سربازانی هستند که باهم پا می‌کوبند، با واگرایی بسیار کم پیش می‌رود و مانند نور معمولی نبوده و کمتر پخش می‌شود) و در نتیجه چگالی و یا تراکم آن در فضا ثابت می‌باشد. پرتو لیزر همچنین مزیت تمرکز زیاد انرژی در واحد سطح را دارد.

مبانی نظری
اتمها در حالتهای گسسته‌ای از انرژی وجود دارند. وقتی یک اتم که در حالت پایه (پایین‌ترین حالت انرژی) است انرژی جذب کند، به حالت انرژی برانگیخته‌ای صعود می‌کند. به دنبال آن در بازگشت به حالت پایه چه بطور مستقیم و چه از طریق حالتهای انرژی میانی ، فوتونهای تابشی با بسامد و طول موجی گسیل می‌دارد که بستگی به اختلاف انرژی بین حالتهای انرژی "شبه پایدار" می‌باشند.گسیل فوتون از اتمها در حالتهای انرژی شبه پایدار گاه به تأخیر می‌افتد تا در نهایت به گسیل تابش فلورسنانسی یا فسفرسانسی منجر شود.

اتمهایی که برای عملکرد لیزر مناسب می‌باشند، باید حداقل دارای چنین حالت شبه پایداری باشند. وقتی یک فوتون که از حالت شبه پایدار اتمی گسیل شده ، از نزدیکی یک اتم دیگر که در همان حالت است عبور کند می‌تواند آن اتم را ترغیب کند تا یک فوتون تابشی گسیل دارد که دارای انرژی (و طول موج) ، جهت ، قطبش و فاز یکسان مانند خودش باشد. هر یک از چنین فوتونهای ترغیب شده‌ای خود نیز می‌توانند باز هم فوتون مشابه دیگری را ترغیب کنند. این فرآیند که اساس عملکرد لیزر است یک فرآیند جمع شونده و پیوسته است و می‌توان با ایجاد شرایط مناسب آن را تقویت کرد.

تهیه تعداد لازم از اتمهایی که در حالت انرژی شبه پایدار صحیح باشند، ضرورت اساسی برای عملکرد لیزر است. عملکرد لیزر بستگی به ایجاد یک "وارونی تعداد" دارد که در آن بیشتر اتمها در حالت شبه پایدار می‌باشند. انرژی را باید به این تعداد "پمپ کرد" تا وارونی لازم را ایجاد کنند. بنابراین حالت شبه پایدار مستقیما و یا با تنزل از یک حالت بالاتر بوجود می‌آید.
لیزرهای دی اکسیدکربن
لیزر دی اکسیدکربن (CO2) نمونه‌ای از یک لیزر گاز مولکولی پر قدرت است. باریکه خروجی وقتی کانونی شود می‌تواند صفحات الماس و فولاد ضخیم را در عرض چند ثانیه برش دهد. نمودار تراز انرژی یک گاز مولکولی بطور قابل توجهی پیچیده‌تر از آن برای یک اتم است. حالتهای انرژی مه قبلا توضیح داده شده بصورت ترازها منجر به گسیل نور مرئی می‌شوند. هر تراز الکترونی در یک مولکول گاز بطور کلی دارای زیر ترازهایی مربوط به ارتعاشات مجاز ملکولی می‌باشد و هر یک از این ترازهای ارتعاشی نیز زیر ترازهایی بر اساس دوران مجاز مولکولی دارند.

عملکرد لیزر از طریق گذارهای بین ترازهای ارتعاشی - دورانی مختلف امکان پذیر می‌شود و تابش خروجی به صورت فرو سرخ (فوتونهای کم انرژی) می‌باشد. لیزر CO2 با استفاده از این نوع گذار یک باریکه خروجی مثلا به طول موج 10.6 میکرومتر در عملکرد موج پیوسته (CW) می‌دهد. طراحی لیزر ، CO2 شبیه He - Ne است، با این تفاوت که مخلوط گاز (9% دی اکسید کربن ، 15% نیتروژن ، 76% هلیوم) پیوسته و بطور یکنواخت از داخل لوله عبور می‌کند. پمپ کردن این لیزر مانند لیزر هلیوم- نئون با برانگیزش dc انجام می‌گیرد. لوله را باید خنک کرد، این کار معمولا با جریان آب بطور یکنواخت از میان یک پوشش به دور لوله صورت می گیرد.




لیزر زایی در CO2
عمل لیزر کنندگی در لیزر CO2 بواسطه انتقال انرژی از اتمهای نیتروژن برانگیخته به ترازهای انرژی مجاور مولکولهای CO2 صورت می‌گیرد. بهره توان بالای لیزر CO2 (حدود 15%) به دلیل پایین قرار داشتن حالتهای انرژی ارتعاشی و دورانی دی اکسیدکربن که انرژی کمی برای برانگیختگی لازم دارند. با قرار دادن یک Q - سوئیچ می‌توان لیزر CO2 را از عملکرد موج پیوته به عملکرد پالسی (ضربه‌ای) تبدیل کرد. با استفاده از این شیوه یک لیزر 100 واتی CW می‌تواند پالسهای 100 کیلو واتی در عرض 150 نانو ثانیه و با 400 پالس در ثانیه ایجاد کند.

لیزر CO2 نمونه‌ای از یک نوع طیفی غنی از منبع انرژی است، زیرا تعداد بسیار زیادی از انتقالهای لیزری امکان پذیر می‌باشند. لیزرهای با چنین مشخصه‌ای را لیزرهای قابل تنظیم می‌گویند. لیزرهای CO2 جدید بعضا روی بیش از 85 طول موج مختلف قابل تنظیم هستند. تنظیم ممکن است با شیوه خوش ساختی از طیف نگار "لیترو" که در آن از یک منشور و یا از یک توری پراش برای پراکندگی استفاده می‌شود، انجام گیرد. در یک انتهای لیزر ، منشور تمام نقره اندودی که قابل چرخش است قرار دارد و نور را طوری پراکنده (پاشنده) می‌کند که فقط خط طیف با محور لیزر هم خط می‌شود و به دنبال آن تقویت می‌گردد و امواج ایستاده بجای می‌گذارد.

لیزر هلیوم - نئون :
نگاه اجمالی
معروفترین لیزر (در حقیقت یکی از معروفترین لیزرها) لیزر He - Ne است. ماده فعال آن مخلوطی از هلیوم و نئون است که با نسبت حدود 10 قسمت هلیوم و 1 قسمت نئون بدست می‌آید. این مخلوط در یک لوله نازک از جنس B (بور) با قطر حدود چند میلیمتر صدای حدود 0.1 تا 1 متر در فشار حدود 10 میلیمتر جیوه قرار می‌گیرد. تخلیه الکتریکی در آن بوقوع می‌پیوندد و فقط نکته قابل توجه اینکه به دلیل کم شدن مقاومت لوله وقتی تخلیه الکتریکی شروع می‌شود. مقاومت باید بطور سری با منبع تغذیه قرار می‌گیرد تا جریان را محدود سازد.
تئوری لیزرهای هلیوم - نئون
گذارهای لیزری بین ترازهای انرژی نئون با چندین گذار مختلف ممکن است. این گذارها بین گروه ترازها که با 3S به 2S نشان داده شده‌اند، اتفاق می‌افتد. متأسفانه تحریک کردن مستقیم اتمهای Ne به این ترازها بسیار مشکل ناکارآمد است و لذا از یک روش کمکی باید استفاده نمود و خوشبختانه ترازهای هلیوم (21S و 23S) که کاملا نزدیک به ترازهای 2S و 3S نئون هستند و به علاوه به آسانی در تخلیه الکتریکی دمش می‌شود. وقتی هلیومهای تحریک شده به اتمهای نئون در حالت پایه برخورد می‌کنند، ممکن است انرژی خود را به آنها بدهند و آنها را به تراز تحریکی مورد نظر Ne بفرستند.

ترازهای هلیوم و نئون دقیقا بر روی هم منطبق نیستند، ولی اختلاف آنها کم است و این اختلاف با انرژیهای جنبشی اتمها در تبادل انرژی تقریبا جبران می‌شود. فرآیند تحریک اتمهای نئون را می‌توان با معادلات زیر نشان داد:



e1 + He → He* + e2


He* + Ne → Ne* + He

که e1 و e2 انرژیهای الکترون قبل و بعد از برخورد می‌باشد. و علامت ستاره نشان از تحریک اتم و حضور در حالت تحریکی دارد.

مکانیزم لیزرهای چهار ترازی
هر یک از گذارهای چهار گانه لیزر (3.39 میکرون ، 1.150 میکرون ، 832.8 نانومتر ، 543.5 نانومتر) با دیگری از شروع و یا پایان گذار شریک است. و از اینرو است که این گذارها همواره باهم رقابت می‌کنند و دقت خاص باید اعمال شود تا از گذارهای ناخواسته جلوگیری شود. بهترین راه این است که آینه‌های لیزر برای طول موج مورد نظر بازتاب کننده بسیار خوبی باشند.

لیزر هلیم- نئون مثال دیگری از لیزرهای 4 ترازی است. و بنابراین لازم است جمعیت تراز پایینی لیزر در حداقل ممکن نگه داشته شود، بدین معنی که الکترونها در تراز پایین لیزر باید به سرعت به حالت پایه برگردند. در نئون یک فرآیند پله‌ای وجود دارد، فرآیند اول از 2P به 1S که گذار انتقال سریع است و دومی 1S به حالت پایه که خیلی سریع نیست، گذار دوی با برخورد به جداره لوله تقویت می‌شود. در واقع نشان داده شده است که بهره لیزر با قطر لوله نسبت عکس دارد و بنابراین قطر لوله تخلیه باید در حداقل ممکن نگه داشته شود.

مکانیزم ترازهای لیزر هلیوم - نئون
گذار 2P به 1S مورد توجه است، به دلیل اینکه رنگ لامپهای نئون را دارد. بنابراین تراز 2P توسط تخلیه الکتریکی معمولا دمش می‌شود و این باعث افزایش جمعیت تراز 2P و متعاقبا کاهش جمعیت معکوس می‌شود (لااقل برای طول موجهای 5 میکرون و 632.8 نانومتر و 543.5 نانومتر). در حقیقت نیز باعث کاهش توان لیزر در لوله‌های با جریانهای زیاد می‌گردد. بنابراین ما نمی‌توانیم با افزایش جریان ، توان خروجی لیزر را افزایش دهیم و از اینرو لیزر He - Ne همچنان یک لیزر نسبتا کم توان باقی می‌ماند. گر چه لیزرهای هلیوم - نئون توان کمی ، اساسا بین 0.5 تا 10 میلی وات دارند. دارای ویژگیهای دیگری از قبیل پهنای باریک خط و کیفیت بسیار خوبی هستند.
ساختار لیزر هلیوم - نئون
گر چه گاهی لیزرهای هلیوم - نئون با آینه‌های خارجی ، برای وقتی که لازم است قطعات اپتیکی ما در داخل کاواک قرار دهیم ساخته می‌شود. ولی بهتر است آینه‌های بر روی لوله نصب شوند، طرح این لیزر در شکل زیر نشان داده شده است. در این مورد لوله شیشه‌ای استوانه‌ای آینه‌ها را که به محفظه متصل شده‌اند محکم نگه می‌دارد. ماده فعال در لوله موئینه شیشه‌ای سخت که از آند به سمت کاتد کشیده شده است، قرار دارد. لوله کاتد از جنس آلیاژی از آلومینیم است که گسیلهای الکترونی از داخل آن بوجود می‌آید.

چندین فرآیند از جمله گسیل فوتوالکتریک و الکترونهای تونلی از لایه اکسید روی سطح کاتد گسیل این الکترونها را توضیح می‌دهد. خیلی مهم است که آینه‌های با کیفیت عالی و مقاوم در برابر تخلیه الکتریکی بکار گرفته می‌شود. اینگونه آینه‌ها معمولا از چندین لایه با ضخامتهای ربع طول موج و از جنس دی اکسید تیتانیوم و دی اکسید سیلیکان ساخته می‌شود. اگر نوری پلاریزه مورد نیاز است باید پنجره‌های بروستر بکار گرفته شود.

لیزر یاقوت :
نگاه اجمالی
اولین لیزری که بکار انداخته شد، لیزر یاقوت بود و هنوز نیز مورد استفاده است. یاقوت که متجاوز از صدها سال به عنوان سنگ طبیعی پر بها شناخته شده است، بلور (سنگ سنباده) است که بعضی از یونهای آن با یونهای عوض شده‌اند. به عنوان ماده لیزری ، این بلور را معمولا از رشد مخلوط مذاب (تقریبا 0.05% وزنی) و تهیه می‌کنند. لیزر یاقوت یک دستگاه سه ترازی است.

مکانیزم لیزر یاقوت
ماده فعال این لیزر با حدود 0.05% وزنی کروم به عنوان ناخالصی در آن بدست می‌آید. یونهای فعال هستند که با یونهای آلومینیوم در شبکه جایگزین می‌شوند. ترازهای مهمی در انجام ، عمل لیزر را نشان می‌دهد. گذار لیزری (در 694 میلیمتر) بین ترازهای اخیر 2E و 4A2 و ترازهای حالت پایه واقع می‌شود و لذا یاقوت یک دستگاه لیزری سه ترازی است. به همین دلیل لازم است بیش از نصف تعداد یونها به حالت 2E دمش شوند، تا جمعیت معکوس شود.

عمل دمش از طریق دو باند پهن 4T1 و 4T2 انجام می‌گیرد. (مانند لیزر Nd:YAG ) با استفاده از لامپ فلاش می‌توانیم لیزر ضربانی بدست آوریم. ایجاد لیزر با پرتو مداوم به دلیل نیاز به پمپاژ بیشتر بسیار مشکل است. برای این منظور لامپ جیوه با فشار بالا که خروجی آن با باندهای جذبی یاقوت مطابقت دارد، کاملا مناسب است
ساختار لیزر یاقوت
یاقوت از نظر ساختار شیمیایی از تشکیل شده است که در آن درصد کمی از با جایگزین می‌شود. برای این کار مقداری پودر به خیلی خالص ذوب شده ، اضافه می‌کنند.





بلور یاقوت و اکثر بلورهای لیزری ، به روش رشد بلور چکرالسکی قابل تولید هستند.

ساختار بلوری یاقوت
تک بلورهای میزبان ، تک محور و دارای ساختاری شش گوش می‌باشند. بلور دارای یک محور تقارن است. در فرایند آلایش به جای یکی از یونهای آلومینیم یون ناخالصی (مانند ) می‌نشیند. به روش چکرالسکی میله‌های لیزری به طول 15 سانتیمتر و قطر 3.5 سانتیمتر قابل رشد می‌باشد. در فرایند رشد ، بلور بر روی نطفه اولیه با خلوص بالا رشد داده شده و به آهستگی از داخل ماده مذاب مایع بیرون کشیده می‌شود. مقدار آلایش ، 0.05 درصد وزنی است.

لیزرهای شبیه یاقوت
بلور با یون نیز آلائیده می‌شود و فرایند رشد آن شبیه یاقوت است. لیزر یکی از سیستمهای لیزری حالت جامدی است که ناحیه قابل تنظیم طول موجی آن خیلی وسیع و در حدود 300 نانومتر می‌باشد.

جایگزین لیزرهای یاقوت
لیزرهای یاقوت که زمانی بسیار مورد توجه بوده‌اند، امروزه کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. چه رقبایشان لیزرهای Nd:YAG یا نئودیمیم _ شیشه (Nd:glass) جانشین آنها شده‌اند. در واقع از آنجا که لیزر یاقوت با طرح سه ترازی کار می‌کند، انرژی آستانه دمش مورد نیاز در حدود یک مرتبه بزرگی از انرژی آستانه دمش برای لیزر Nd:YAG به همان ابعاد بزرگتر است. ولی لیزرهای یاقوت هنوز هم برای برخی از کاربردهای علمی نظیر تمام نگاری تپی و آزمایشهای فاصله یابی (مثال فاصله یابهای نظامی) استفاده می‌شوند.

لیزرهای حالت جامد :
سیر تحولی رشد
اولین لیزر حالت جامد که در ژوئن 1960 با موفقیت عمل کرد، لیزر یاقوت بود. اخیرا تحقیق روی لیزر حالت جامد با اندازه کوچک انجام گرفته است که در آن یون نه به عنوان یک ناخالصی با غلظت پایین بلکه به عنوان یک جز متشکله اصلی برای آهنگ بالای تکرار یک یا عملیات CW بکار می‌رود. اگرچه در اکثر لیزرها طول موج می‌تواند فقط در محدوده یک درصد تغییر یابد، ولی اخیرا لیزرهای حالت جامد قابل تنظیم روی یک گسترده خیلی پهنتر نیز ساخته شده‌اند.

لیزرهای قابل تنظیم حالت جامد در طیف سنجی‌های فیزیکی و شیمیایی بکار گرفته شده‌اند و کاربرد آنها تحول شگرفی را در طیف سنجی اتمها و مولکولها ایجاد کرده است. طیف سنجی رامانه و طیف سنجی پیکووفمتر ثانیه‌ای بیش از همه از وجود لیزرهای قابل تنظیم بهره برده‌اند. لیزرهای حالت جامد موجب پیشرفت و توسعه چشمگیر مخابرات تار نوری شده است. ساخت لیدارهای پیشرفته کشف و سنجش از راه دور مرهون بکارگیری سیستمهای لیزری تمام حالت جامد می‌باشد.
انواع لیزرهای جامد.
لیزر یاگ ()
در حال حاضر ، کاربردی‌ترین لیزر حالت جامد که برای پردازش و ماشین کاری مواد بکار می‌رود، لیزر یاگ است که از بلور (سنگ آلومینیوم ایتریم) که به آن 0.1 تا 1 درصد یون نئودیمیم اضافه شده است، ساخته می‌شود. طول موج گسیلی این لیزر 1.06 میکرون و گاهی 1.32 میکرون است.

لیزر حالت جامد یون فلزی
لیزرهای حالت جامد فلزی از نظر تنوع مواد لیزری ، امکان ساخت انواع مختلف سیستمهای لیزری و بالا بردن کیفیت پرتوهای خروجی از پتانسیل بالایی برخوردارند. هر سیستم لیزری حالت جامد یون فلزی دارای سه بخش مهم زیر است:

ماده میزان با خواص ماکروسکوپیکی ، مکانیکی ، حرارتی و اپتیکی مناسب

یونهای فعال
چشمه‌های دمش اپتیکی
لیزر :

در میان لیزرهای حالت جامد یون فلزی ، لیزر بیشترین کاربرد را دارد. لعل یوتریم آلومینیم () آلاییده به نئودیمیم دارای خواص ویژه‌ای است که آن را برای عمل لیزری مناسب ساخته است. بلور میزبان سخت است و کیفیت اپتیکی خوب و ضریب هدایتی بالایی دارد. این لیزر پهنای خط باریک ، بهره بالا و آستانه لیزری پایینی دارد.