تهیه کنندگان :
استاد مربوطه :
پرتو لیزر درخشان تر و شدیدتر از پرتوهای طبیعی است. کلمه لیزر (laser) به معنای تقویت نور توسط تابش گسیل القایی است. لیزر دارای خصوصیتهایی از جمله همدوسی و تکفامی و درخشندگی است که ان را از نور طبیعی متمایز می نما ید.عمل لیزری با انجام گذارهای نشری بین ترازهای انرژی اتمی یا مولکولی ماده فعال لیزر صورت می گیرد .
لیزر انواع مختلفی دارند و بر حسب آنکه ماده فعال آنها در چه فازی است به لیزرهای گازی حالت جامد، لیزرهای مایع و لیزرهای نیمه هادی تقسیم می شوند .
مقدمه
لیزر الکترون آزاد اولین بار در سال 1951 بوسیله نظر تاریخی Mets پیشنهاد شد
این لیزر قادر به کار درناحیه طیفی مرئی و ماوراء بنفش هستند، ولی تا کنون این لیزرها تنها در طول موج λ = 3/4µm
عمل کرده است
در لیزرهای رزینه ای الکترونها مقید به یک اتم و یا یک مولکول هستند و یا در طول زنجیره ای از اتمها که مولکول دو قطبی را تشکیل می دهند، آزادی حرکت دارند. نیز در لیزرهای نیم رسانا الکترونها می تواند 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 می کنند و در اثر برهمکنش میدان الکترومغناطیسی با الکترونهایی که در این ساختار تناوبی در حرکتند، فرآیند گسیل القایی رخ می دهد.
الکترون آزاد چیست؟
در لیزرهای رزینه ای الکترونها مقید به یک اتم و یا یک مولکول هستند و یا در طول زنجیره ای از اتمها که مولکول دو قطبی را تشکیل می دهند، آزادی حرکت دارند. .
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 دایره ای انجام می دهند ولی این تشعشع طیف وسیعی را می پوشاند، 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 می کنند.
در این لیزر، محیط فعال به سادگی تنها از باریکه ای ازالکترونهای آزاد تشکیل شده است و در اثر افزایش و کاهش شتاب این الکترونها درمیدان مغناطیسی، گذارهای نوری که عمل لیزر مبتنی بر آنهاست، انجام می شوند. این لیزرشامل عبور باریکه ای از الکترونهای بسیار پر انرژی حاصل از یک شتابدهنده از بین قطبهای تعدادی آهنربا با قطبیت متناوب است که به فواصل منظم از هم قرار دارند. نوعاً الکترونها به انرژیی در گستره 10 تا MeV 10 نیاز دارند و فاصله آهنرباها باید چند سانتی متر باشد. در نتیجه، الکترونها مرتباً در راستای عمود بر حرکت شتاب می گیرند و آن را از دست می دهند و همان طور که ملاحظه می شود یک مسیر نوسانی ایجاد می شود. به همین علت معمولاً به این آهنرباها عنوان آهنرباهای تکان دهنده اطلاق می شود. اثر این فرایند، ایجاد نشر تابش ترمزی ( برمزاشترالونگ ) درطول محور لیزر است که سپس بین آینه های موازی به دام می افتد و طبق روش معمول باعث برانگیزش بیشتر نشر می شود. طول موج نور نشر شده از لیزر الکترون آزاد، توسط انرژی الکترونها و فاصله بین آهنرباها، تعیین می شود.
مکانیزم لیزر الکترون ازاد
شکل انجام مراحل و شکل صنعتی
طرز عمل لیزرهای الکترون آزاد کاملا با سایر لیزرهایی که از آنها نام برده شده است متفاوتست. چشمه اصلی انرژی در این نوع لیزرها باریکه نسبیتی الکترون است. تحت بعضی شرایط این الکترونها قادرند مقداری از انرژی خود را به صورت باریکهای از فوتون در همان مسیر الکترونهای سریع رها سازند. به این منظور باریکه الکترون سرعت یافته را از مغناطیسهای تناوب یافته که به آن ویگلر (جنبانده) گفته میشود عبور میدهند. با عبور الکترونها از ویگلر آنها شروع به نوسانهای عرضی میکنند. نتیجه امر در این نوسانها تشعشع موج الکترومغناطیسی است که طول موج آن در جهت تشعشع از μ=μw/2γ2 به دست میآید. μwتناوب ویگلر و γ نسبت انرژی الکترون به انرژی الکترون در حالت سکون است.
بنابراین با تغییر μwو یا γ میتوان گستره وسیعی از فرکانسهای لیزر را حاصل کرد، یعنی این لیزرها کوکپذیر هستند. ضمنا سیستمهای لیزرهای الکترون آزاد به علت استفاده از شتابدهنده، دستگاههای عظیمی به شمار میآیند یعنی در واقع برای راهاندازی آن نیاز به تجهیزات شتابدهنده الکترون میباشد.
بنابراین آنها دستگاههایی نیستند که در مقطع فعلی از زمان به صورت کوچک و مستقل بتوان در آزمایشگاههای متداول تحقیقاتی از آنها استفاده کرد.
برای مشاهده نحوه عمل ، فرض می کنیم در تیوبهای موج رونده میکروویو ، جائیکه میدان الکترومغناطیسی در یک ساختار پریودیک منتشر می شود، به میدان یک حرکت پریودیک اضافی وارد می شود. در مورد یک لیزر الکترون آزاد ، این حرکت الکترون است که بطور پریودیکی با بکار بردن یک میدان مغناطیسی بطور فضایی پریودیکی مدوله می شود. البته می توان میدان الکترومغناطیسی را بطور فضایی مدوله کرد، این کار با بکار بردن یک موجی که بطور فضایی پریودیکی است، عملی می باشد
مزایا وکاربردهای FEL
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
کاربرد
از این لیزرها در علم و صنعت ، مانند فعل و انفعالات مواد میکرو لیتوگرافی ، جداسازی ایزوتوپها ، کاربردهای شیمیایی ، گرمایش پلاسما و … استفاده می شود.
گرمایش ا لکترونهای محیط در پر اکندگی رامان می تواند در
دو مرحله صورت گیرد. در مرحله اول گرمایش اولیه الکترونها
توسط امواج پلاسما ی الکترونی با سرعت فاز پا یین، تو لید شده
در پراکندگی رامان پس رو، صورت میگیرد. در مرحله بعد این
الکترونها میتوانند توسط امواج پلاسمای الکترونی با سرعت
فاز بالا، تولید شده در پر اکندگی رامان پیشرو، گیراندازی شده
.[ و به انرژیهای بسیار بالاتر دست یابند
استفاده از لیزر در ایجاد شرایط مناسب وقوع واکنش های
همجوشی هسته ای و بررسی چگونگی رشد ناپایداری های
موجود در محیط پلاسما ی فوق چگال از اهمیت بسیار زیادی
برخوردار است. ناپایداری راما ن تحریکی تنها یکی از این نوع
ناپایداریها در محیط پلاسما می باشد ک ه باید در جریان کنترل
محیط پلاسما مورد توجه قرارگیرد
اختراع لیزر و تکامل آن وابسته به معلومات پایه ای است که در درجه اول از رشته فیزیک و بعد از شیمی گرفته شده اند. بنابراین طبیعی است که استفاده از لیزر در فیزیک و شیمی از اولین کاربردهای لیزر باشند
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 (پراکندگی تشدیدی رامان ) و ( پراکندگی پاد استوکس همدوس رامان ) (CARS) نام ببریم. به وسیله این روشها می توان اطلاعات قابل ملاحظه ای درباره خصوصیات مولکولهای چند اتمی به دست 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 به کار می رود. از این توانایی برای بررسی جزئیات فرایند احتراق شعله و پلاسما ( تخلیه الکتریکی) بهره برداری شده است.
شاید جالبترین کاربرد شیمیایی ( دست کم بالقوه ) لیزر در زیمنه فوتو شیمی باشد. اما باید در نظر داشته باشیم به خاطر 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.
www.SID.ir
منابع:
daneshnameh.roshd.ir
bestganjineh.blogfa.com
پایان
با تشکر از استاد محترم