ماهیت نور و بررسی اشعه لیزر

بخشی از فهرست مطالب پروژه ماهیت نور و بررسی اشعه لیزر

مقدمه

فصل اول: لیزر

ماهیت نور

تاریخچهى پیدایش لیزر

گسیل خود به خود

گسیل القایی

لیزر چگونه تولید میشود

ویژگیهای نور لیزر

سوئیچ Q

انواع لیزر

فصل دوم: کاربردهای آن

کاربرد لیزر در صنعت

     مینیاتوری

     تمامنگاری (هولوگرافی

     ثبت با لیزر

     ساختمانسازی و کشاورزی

     سایر کاربردها

کاربرد لیزر در مبحث نظامی

کاربرد لیزر در پزشکی

     چشم

     پوست

     دندان پزشکی

    جراحی

    درمان بیماریها

     لیزرهای باهوش

     لیزرهای خانگی

     اثرات لیزر بر بدن

     خطرات اختصاصی لیزر

کاربرد لیزر در تحقیقات

کاربرد لیزر در ارتباطات

کاربردهای لیزر ND-YAG

پرتوافشانی بر هنر دیرینهى تاریخ

ایمنی لیزرها

فصل سوم: بازدیدها

بیمارستان فارابی

دندان پزشکی

دانشگاه شهید بهشتی

فصل چهارم: نتیجه‌گیری

پیشنهادات

خلاصهای از متن با توجه به

نتیجه‌گیری

واژه‌نامه

منابع

 
مقدمه
«اقرا بسم ربک الذی خلق»         بخوان به نام پروردگارت که تو را آفرید.
خدایا اولین سخن تو با پیامبرت خواندن بود. توخیر بندهات را در دانشمند بودن او میدانی. پس خدایا شناخت علوم بر ما آسان ساز. یعنی شناختن و دانستن چیزی همان طور که هست واین از صفات خداوند است. از آغاز آفرینش انسان تاکنون میلیونها سال میگذرد. در این سالها انسان شاهد تغییرات زیادی در محیط پیرامونش بودهاست. تمامی این تغییرات ناشی از قدرت عقل و قوهی اراده و تصمیمگیری اوست.اما امروزه شاهد پیشرفتهای شگرفی در علوم مختلف از جمله پزشک، شیمی، زیستشناسی، ارتباطات و… هستیم که بسیاری از این پیشترفتها را مدیون اختراع پرتویی شگفتانگیز به نام لیزر میدانیم.
لیزر یا به اصطلاح نور باشکوه نوع کام? جدیدی از نور است که بسیاری از آرزوهای رویاگونهى بشر را جامهى عمل پوشاندهاست، به طوری درخشانتر از هر چه که در طبیعت یافت میشود. با لیزر میتوان عجایبی به بار آورد و هر مادهى شناخته شده روی زمین را در کسری از ثانیه بخار کرد.
لیزرها آن چنان قدرتمند هستند که میتوانند فرآیند همجوشی هستهای را ایجاد نمایند همان فرآیندی که در خورشید صورت میگیرد که برای به وجود آمدن آن گرمایی بالغ بر K10 نیاز است.
امروزه لیزرها کاربردهای وسیعی در علوم مختلف از جمله: صنعت، پزشکی، کشاورزی، ساختمان سازی، هولوگرافی، شیمی، زیست شناسی و ارتباطات یافتهاند.
هدف ما از انجام چنین تحقیقی آشنایی بیشتر با لیزر و کاربردهای آن است تا بتوانیم علت اصلی پیشرفتهای بشر را در بسیاری از زمینههای علمی و تحقیقی دریابیم و از آنها در جهت پیشرفتهای جدیدی برای کشورمان وتمام جهانیان استفاده کنیم.
 

فصل اول:
لیزر
 
ماهیت نور
اسحاق نیوتن در سال ۱۶۷۲ برای اولین بار نظریهى ذرهای بودن نور را بیان کرد و انیشتین نیز با انجام آزمایش فوتوالکتریک نظریهى نیوتن را تأیید کرد. نیوتن هم چنین با عبور دادن نور از منشور توانست نور را تجزیه کند.
نور خود یک موج الکترومغناطیسی است و میدانیم که موج دارای ۳ مشخصهى اصلی: بسامد، دوره و طول موج است. طول موج یکی از مهمترین مشخصههای موج است که با انرژی رابطهى عکس دارد. بنابراین موجهای مختلف را میتوان به صورت طیف موجهای الکترومغناطیسی نمایش داد.
کریستین هویکینس، فیزیکدان هندی برای اولین بار توانست به کمک پخش، بازتاب و شکست نور، ماهیت موجی بودن نور را بیان کند و توماس یانگ با آزمایش پراش نور آن را ثابت کرد.
لیزر در واقع نوعی نور است و با توجه به محیط فعالش در قسمتهای مختلف طیف موجهای الکترومغناطیسی قرار میگیرد.
 
تاریخچهى پیدایش لیزر
در سال ۱۹۱۷ میلادی انیشتین تحقیقی را بر روی نظریهى نور و تشعشع آغاز کرد. در پیآمد این تحقیقات، انیشتین در مقالهى علمی خود «در نظریهى کوانتومی تشعشع» چگونگی تحریک شدن اتمها و آزاد کردن نور از آنها را شرح داد که در قسمتهای بعدی به تشریح کامل آن میپردازیم.
بعد از انیشتین، تاونز به در خواست نیروی دریایی آمریکا برای ساخت وسیلهای که بتواند بسامد بالای میکروموج، جهت استفاده در ارتباطات تهیه کند، مشغول به تحقیق در مورد گسیل القایی شد. وی سرانجام در سال۱۹۳۵ با استفاده از ماده فعال آمونیاک توانست میزر را تولید کند. تاونز پس از اختراع میزر که اولین کاربرد عملی اصول انیشتین در مورد گسیل القایی بود به فکر ساخت دستگاهی بود که بتواند طول موجهای کوتاهتری نسبت به میکروموج داشته باشد.
سرانجام در سال ۱۹۵۹ دکتر تئودور مایمن فکر تاونز را به نتیجه رسانید و اولین لیزر راساخت. مایمن با قرار دادن میلهای از یاقوت مصنوعی درون شیشهای مار پیچی که دو انتهای میله صیقل داده شده بود، توانست لیزر را تولید کند.
پس از دو سال آقای علی جوان، دانشمند ایرانی برای نخستین بار لیزر گازی هلیوم-نئون (He-Ne) را ساخت. اما به طور کلی علت اصلی مشغول شدن فکر دانشمندان به تولید لیزر، ساخت وسیلهای بود که بتواند نور همدوس تولید کند.
لازم به ذکر است، تفاوت اصلی «میزر» و «لیزر» که هردو کوتاه شده عباراتی به معانی «تحریک میکروموج با تابش گسیل القایی» و«تقویت نور با تابش گسیل القایی» هستند، در طول موجشان است و طول موج میزر بلندتر از طول موج لیزر است. با توجه به این که طول موج با انرژی رابطه عکس دارد، پس میتوانیم دریابیم که انرژی میزر از انرژی لیزر کمتر است.
در ضمن امروزه لیزرها گسترش بسیار زیادی یافتهاند و با پیشرفت روز افزون مکانیک کوانتومی و جنبههای ذرهای نور و تولید آینههایی با توان بالا، دانشمندان لیزرهایی با توان خروجی بهتر (لیزرهای توان بالا) ساختهاند.

 
 گسیل خود به خود
هر اتم از سه قسمت الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شدهاست که علت اصلی ایجاد لیزر، جابهجایی الکترونها بین لایههای الکترونی است که هماکنون به تشریح کامل آن میپردازیم.
همانطور که میدانیم الکترون در اتم بر روی مداری که از نظر انرژی مشخص شدهاست، در گردشاند. حال فرض کنیم که الکترونی به طریقی، مث? به وسیلهى تحریک الکتریکی به ترازی با انرژی زیادتر انتقال داده شده باشد. بدیهی است که این الکترون تمایل دارد که به مدار پایینتر، یعنی مداری که انرژی آن کمتر است، فروافتد. در این فروافت، الکترون مقداری از انرژی خود را به صورت انرژی الکترومغناطیسی از دست میدهد.
میدانیم که اگر E2 و E1 به ترتیب انرژی مربوط به ترازهای با انرژی پایینتر اتم باشد، فرکانس نور گسیل شده از رابطه E2-E1=hu0 به دست میآید. این فرآیند را گسیل خود به خود (گسیل تابشی) میگویند. نوری که برای روشنایی منازل از آن استفاده میکنیم، یا نوری که از خورشید به ما میرسد و یا چراغهای نئونی که برای تزیین سردرهای فروشگاهها به چشم میخورد، همگی حاصل تابش خود به خود است.
حال اگر بخواهیم الکترونی را در یک اتم از تراز پایینتر (انرژی کمتر) به تراز بالاتر (انرژی بیشتر) انتقال دهیم، باید مقداری معین انرژی صرف کنیم. یعنی از نظر مقدار، درست برابر با همان انرژی است که الکترون در صورتی که از مدار بالاتر به مدار پایینتر سقوط میکرد باید پس میداد. این فرآیند را جذب میگویند. پس باید در ابتدا عمل جذب صورت گیرد تا منجر به گسیل خود به خود شود.

جذب
 گسیل
 خود به خود
 
گسیل القایی
تابش فرآیندی است که طی آن گرما میتواند انتقال یابد. توان تابیده به ضریب گسیل Σ بستگی دارد که تابش را به خوبی جذب مىکند و جسمی که سطحش صاف و کام? سیاه باشد ( یعنی جذب کنندهى کامل باشد) گسیلندهى کامل نیز هست که ضریب گسیل آن ۱=Σ است وقتی جسمی گرم شود، هم شدیدتر تابش میکند و هم رنگش عوض میشود، مانند دستهى لامپ التهابی. البته شدت این تابش به طول موج دما بستگی دارد. پلانک سعی کرد فرمولی برای این موضوع بیان کند. از این رو این نظریه به نظریه پلانک است.
انیشتین با استفاده از نظریهى تابش جسم سیاه توانست اثبات کند، علاوه بر تابش خود به خود تابش القایی نیز فوتون تولید میکند. شرح آن به صورت زیر است:
وقتی یک الکترون در تراز بالا قرار دارد، با برخورد به یک فوتون دیگر، مجبور به واکنش با آن فوتون و سقوط به تراز انرژی پایینتر میشود در اینجا فوتون القاکننده به حرکت خود ادامه میدهد و فوتون القاشونده در اثر رها شدن انرزی الکترون به دست میآید. فوتون اول (القاکننده) و فوتون دوم (القاشونده) هر دو همفاز و همراه هستند. به این پدیده گسیل القایی میگوییم. زیرا یک فوتون تولید، یک فوتون دیگر را بر میانگیزد.
در لیزر نور از طریق گسیل القایی ایجاد میشود. در ضمن واژهى لیزر به خاطر همین فرآیند انتخاب شده است، یعنی از به هم پیوستن حروف اول عبارتی انگلیسی¹ به معنای تقویت نور به وسیلهى تابش گسیل القایی.
از تفاوت گسیل القایی و خود به خود میتوانیم تا حدودی به خصوصیات لیزر پی ببریم:
۱.    در گسیل خود به خود فوتونها همفاز نیستند، در حالی که در گسیل القایی همهى فوتونها در یک جهت منتشر میشوند.
۲.    نور حاصل از گسیل خود به خود ناهمدوس و نور حاصل از گسیل القایی همدوس است.

گسیل القایی
                                                 
لیزر چگونه تولید می شود؟
هر لیزر قسمتهای اساسی و مشخصی دارد که به شرح زیر است:                
۱- چشمهى انرژی: اغلب به صورت الکتریسیته است اما به جای آن میتوان از نور معمولی، واکنش شیمیایی یا حتی لیزر دیگر بهره برد. یکی از متداولترین منابع انرژی به کار رفته در لیزرها لامپ درخش است. این لامپ شبیه لامپ درخش (فلاش) دوربین ولی خیلی قویتر از آن است. لامپ درخش باید اتمها یا مولکولها را به گونهای سریعتر از آنکه بتوانند با گسیل عادی به حالت پایین برود، در یک حالت برانگیخته بگذارد.
۲- محیط فعال: محیط فعال مجموعهای از اتمها، مولکولها یا یونهاست که بتواند انرژی را جذب و آزاد کند. این محیط فعال میتواند مثل یاقوت یا بلورهای دیگر جامد یا مثل رنگینهها مایع و یا مثل گاز CO2 باشد. باریکهى لیزر فقط در محیط فعال تولید میشود. مادهى فعال در واقع قلب دستگاه لیزر را تشکیل میدهد . در تعریف دیگر میتوان گفت محیطی که بتوان در آن وارونگی جمعیت ایجاد کرد، محیط فعال نام دارد.
۳- ساز و کار پسخوراند : از دو سطح بازتابنده مثل آینه تشکیل شده است که در دو انتهای محیط فعال (مثل سطح تخت وصیقل داده شدهى یاقوت مصنوعی در لیزر مایمن) قرار میگیرد که یکی از آینهها به نام "خفتگر" خروجی بازتابنده جزئی است. آینههای لیزر با دقت زیادی ساخته میشود. مادهى به کار رفته برای ساخت آینههای دارای بازتابندگی بسیار زیاد باید در خ? تبخیر شوند و به صورت لایههای بسیار نازکی به ضخامتی که ممکن است کمتر از ۰۰۰۰۲/۰ سانتی متر باشد، در روی صفحههای شیشهای صیقلی رسوب کند. صفحههای شیشهای که زیرانید نامیده میشوند به قدری تختند که هیچ فرورفتگی یا برآمدگی به عمق بزرگتر از ۰۰۰۰۰۵/۰ سانتی متر ندارد.
برای انجام عمل لیزر چندین مرحله باید صورت بگیرد. اما برای ایجاد لیزر نیازمند شرایط مخصوصی هستیم که یکی از مهمترین آنها ایجاد وارونگی جمعیت به وسیلهى پمپاژ میباشد که در زیر به تشریح کامل آن میپردازیم.
انتقال انرژی بستگی به سطوح انرژی دارد. اگر تعداد الکترونها در تراز پایین بیشتر از تراز بالا باشد عمل جذب و اگر بر عکس باشد (یعنی تراز بالا دارای جمعیت بیشتری باشد) عمل گسیل القایی انجام میشود. تحت شرایطی بالاخص در ترمودینامیکی تعداد الکترونها با بالا رفتن سطح انرژی کم میشود. در صورتی که N1 را تعداد اتمها در تراز پایین و N2 را تعداد مولکولها در تراز بالا بنامیم، بنابراین N2<N1 میشود عمل جذب نور اتفاق میافتد. اما برای ایجاد گسیل القایی باید سطوح دارای انرژی بالاتر الکترونهای بیشتری داشته باشند و۲>N1 N باشد. وقتی چنین شرایطی ایجاد شود میگوییم وارونگی جمعیت رخ داده است.
برای آنکه بتوانیم اتمها را از تراز پایینتر به تراز بالاتر بفرستیم احتیاج به یک منبع تحریک داریم و به فرآیندی که بدان وسیله اتمها به تراز تحریکی انتقال داده میشوند پمپاژ (دمش) میگویند. در لیزرهای جامد (نظیر یاقوت و یا نئودیمیئوم یاگ) از لامپهای درخش که در زمانی حدود چند صد میلیونیم ثانیه فعال میشوند استفاده میکنند. این روش را پمپاژ اپتیکی میگویند.
در لیزرهای گازی توسط یک منبع الکتریکی خارجی عمل پمپاژ را پمپاژ الکتریکی میگویند که علت اصلی کاربرد آن در لیزرهای گازی تبدیل گاز به پلاسما به وسیلهى تخلیهى الکتریکی است.
دو نوع پمپاژ اصلی داریم:۱- پمپاژ ذرهای   2- پمپاژ پیوسته
 که تفاوت آنها به شرح زیر است:
•    در پمپاژ لحظهای عمل پمپاژ به صورت بخشهایی انجام میشود اما در پمپاژ مستمر عمل پمپاژ به صورت همیشگی و مستمر است.
•    در پمپاژ ضربهای نیازی به سرد کردن دستگاه نیست در حالی که در پمپاژ مستمر نیاز است.
•    در پمپاژ ضربهای پالسهای ایجاد شده به صورت زنجیره است.
•    قدرت لیزر در پمپاژ ضربهای نسبت به پمپاژ مستمر بسیار بیشتر است. مثلا?میتوان لیزری به توان  10¹² را در عرض ۱۰?¹¹ تا۱۰?¹² ثانیه ایجاد کرد.
حال با توجه به مواد گفته شده میتوان اصول کار لیزر را توضیح داد.
مادهى فعال هر چه که باشد در بین دو آینهى نقرهاندود و نیمه نقرهاندود که به ترتیب آینهى ۱۰۰% و %۸۰ گفته میشود قرار میگیرد. سپس عمل پمپاژ انجام شده و الکترونها به تراز انرژی بالاتر میروند تا در هنگام بازگشت به حالت پایه فوتون گسیل شود و این فوتونها با الکترونهای در تراز بالا برخورد کرده و عمل گسیل القایی صورت میگیرد. این فوتونها با هم حرکت کرده و در هر جابهجایی میان آینهها تعداد آنها دو برابر میشود. فوتونها در اثر برخورد با آینهى ۱۰۰% به طور کامل باز میگردند اما در اثر برخورد با آینهى ۸۰% تنها %۸۰ فوتونها باز میگردد و %۲۰ دیگر از دستگاه خارج می شود که در واقع همان نور لیزری است که ما میبینیم.
نگهدارهای مکانیکی بسیار دقیقی برای ثابت نگهداشتن آینهها و میلهى لیزر لازم است تا گسیل القایی را دقیقاً در امتداد میلهى لیزر برگرداند. اگر فوتونها روی خودشان بازتاب نیابند، لیزر کار نخواهد کرد.
همهى فرآیندهای نوری از جمله ایجاد بلورهای میلهى لیزر، ساخت آینهها و صیقل دادن دو انتهای میلهى لیزر باید در شرایط کاملا عاری از آلودگی انجام شود. در این موارد از اتاقهای خاصی به نام اتاق تمیز استفاده میشود که هیچ گرد و خاک و رطوبت ندارد به ویژه هنگام ساخت بلورهای لیزر پرهیز کردن از آلودگی مهم است، زیرا مقدار بسیار کمی از ناخالصی میتواند کارکرد لیزر را متوقف کند.
برای کاربردهای مختلف از لیزر ناچاریم که خروجی آن را کنترل کنیم. مثلا? متمرکز کردن پرتو روی فلزها، انحراف دادن باریکه، ساختن تپ لیزری .
تغییر به دو طریق انجام میشود:
لازم به ذکر است که خروجی لیزر به دو عامل محیط فعال و کاواک وابسته است. برای مثال برای  جهت داشتن یک لیزر از نوع گازی باید فشار گاز را افزایش دهیم.
لیزرها را برحسب محیط فعالشان نامگذاری میکنند. مثلا? در لیزر رودامین که مایع رنگینهى فلوئورسانسی است به عنوان مادهى فعال استفاده میشود یا در لیزر نیمه رسانا یا دیودی از بلورها که بخش کوچکی از وسایل الکترونی را تشکیل میدهند، به عنوان مادهى فعال استفاده میکنند.

ویژگیهای نور لیزر
۱- نور لیزرها طول موج یکسانی دارد. به همین دلیل به آن نور خالص میگویند. امواج نوری لیزر هم زمان با هم گام برمیدارند و همفاز هستند و قله هر موج با قلهى موج دیگر یکی است. از این جهت، به نور لیزر همدوس میگویند.
۲-به علت یکسان بودن طول موج یا بسامد، نور لیزر هنگام عبور از منشور تجزیه نمیشود و به صورت باریکهى کوچکی خارج میشوند. (به همان صورت که داخل شده است)
۳- جهتمندی از خصوصیات دیگر نور لیزر است. نور لیزر چنانچه در محیط جذب نشود میتواند فواصل زیادی را طی کند بدون آنکه در واگرایی آن تغییر زیادی ایجاد شود.
۴- درخشانی یا روشنایی نور لیزر میلیونها بار بزرگتر از چشمههای دیگر مثل خورشید است.علت این امر آن است که نور لیزر همدوس (تکفام) است و در یک جهت حرکت میکند.
۵- چون انرژی ورودی را در لیزر میتوان کنترل نمود، انرژی خروجی نیز به دنبال آن تغییر می یابد بنابراین اگر برانگیختگی لیزر با پالسهای کوچک انجام شود، لیزر با پالسهای کوچک تولید خواهد شد.
۶- موجها دارای رنگ یکسانی هستند و به اصطلاح تکرنگ میباشند.
                                                    
سوئیچ Q:
استفاده از تکنیک سوئیچ Q ایجاد تپهای لیزر با مدت کم (۱۰ تا ۳۰ns) و در نتیجه قله توان بسیار میسازد. اصول تکنیک به قرار زیر است. فرض شود که یک بستاور در داخل کاواک لیزری قرار داده شده باشد، اگر بستاور در بسته شود عمل لیزر صورت نخواهد گرفت (تلف کاواک بسیار زیاد است). ولی اکنون اگر به طور ناگهانی بستاور باز شود بهره لیزر بسیار زیادتر از تلفات شده و انرژی ذخیره شده به صورت تپی نورانی و سریع رها خواهد شد، چون تکنیک متضمن انتقال سازه Q کاواک از مقدار خیلی پایین به مقدار خیلی بالاست لذا به نام سوئیچ Q معروف است. اگر بستاور در مدت زمان کوتاهی (در مقایسه با زمان ایجاد پالس) باز شود سوئیچ Q را سریع میگویند و خروجی لیزر به صورت تک تپ خواهد بود ولی چنانچه سوئیچ Q آهسته باشد تپهای متعددی را در خروجی لیزر میتوان انتظار داشت.
انواع لیزرها
نوع لیزر از روی حفره لیزر (Laser cavity) مشخص میشود و نشان دهنده توزیع توان لیزر در منطقه میباشد.
۱- لیزرهای جامد: بلورهای جامدی که در فرآیند لیزری مورد استفاده قرار میگیرند باید شرایط زیر را داشته باشند:
•    شفاف باشند تا اولا? نور بتواند برای برانگیزش محیط فعال وارد آن شود، ثانیا?خود باریکهى لیزر بتواند از آن عبور کند.
•    اتمهای محیط فعال باید بتوانند طول موجهای مورد نظر را به وجود بیاورند.
•    باید دارای مقداری ناخالصی باشند که در بلور خالص آن وجود ندارد. بلور خالص مادهى میزبان و فرآیند افزودن ناخالصی آلاشی نام دارد. مثلا? در لیزر یاقوت مادهى میزبان اکسید آلومینیوم و مادهى آلاینده یا ناخالصی اسید کروم است.
اولین لیزر جامد به وسیلهى دکتر مایمن کشف شد که محیط فعال آن میلهای از بلور یاقوت مصنوعی است.
یک نوع لیزر جامدی که امروز کاربرد تجاری زیادی دارد، لیزر استریم آلومینیوم گارنت یا لیزر یاگ با ناخالصی نئودیم است.
از طرفی لیزرهای جامد بازدهى زیادی ندارند و مانند لیزرهای گازی نمیتوانند باریکهى نوری پیوستهای ایجاد کنند ولی در عوض میتوانند تپهای فوقالعاده قدرتمندی از نور لیزر ایجاد کنند.
لیزرهای حالت جامد در کاربردهای پرتوان مانند جوشکاری و برشکاری و همچنین دستگاههای دیواری فروسرخ و پژوهشهای علمی متداولاند.

طول موج لیزر    عنصر فعال
نانومتر ۱۶۱۰    اربیم
نانومتر ۶۱۰    اروپیم
نانومتر ۲۰۵۰    هولیم
نانومتر ۱۰۶۰    نئودیم
نانومتر ۷۱۰    ساماریم
نانومتر ۱۱۲۰    تولیم
نانومتر ۱۰۲۰    ایتریم

۲- لیزرهای گازی: یکی از رایجترین لیزرهای گازی، لیزر هلیم- نئون است. میزان گاز هلیم ده برابر گاز نئون است و باریکهى لیزری توسط اتمهای نئون ایجاد میشود. این لیزر تپهای قدرتمندی ایجاد نمیکند ولی میتواند باریکهى لیزری پیوسته تولید نماید. باریکهى پیوسته همدوس کامل است و با دقت بالایی می توان آن را کنترل کرد. در ضمن اندازهى این لیزر کوچک و ارزانتر است به همین دلیل در مخابرات، مدارس، آزمایشگاهها، صنایع ساختمانی و نمایشهای هنری به کار میرود.
در لیزرهای گازی از دمش الکتریکی برای ایجاد عمل پمپاژ استفاده میکنند که نتیجهى آن به وجود آمدن پلاسما است. برای ایجاد پلاسما عملی کاملا شبیه ایجاد پرتو کاتدی در لولهى پرتوی کاتدی انجام میشود. وقتی جریان الکتریکی با ولتاژ بالا اعمال میشود، الکترونهای آزاد و یونها ایجاد میشوند که مکانیسم تحریکی آن به شرح زیر است که X و X* به ترتیب مربوط به اتم در حالت پایه و در حالت برانگیخته است.                            E + X = X* = ?E
لیزرهای گازی اصولا مخلوطی از چند گاز است که شرح کار آن به صورت زیر میباشد:
فرض میکنیم دو گاز A و B داریم. الکترونهای A انرژی دریافت کرده و به تراز بالاتر رفته اند. انرژی الکترونهای اتم A به اتم B (در حالی که در حالت تحریکی نیمه پایدار باشد) انتقال یافته و عمل لیزری انجام میشود که مکانیسم آن به شرح زیر است:A*+ B = A + B* + ?E  از گفتههای بالا میتوان نتیجه گرفت که الکترونها در تخلیهى الکتریکی نقش اساسی دارند که انرژی خود را طی ۳ فرآیند زیر از دست میدهند:
الف) برخورد غیر الاستیک با اتمها که موجب تحریک اتمها و یونیزه شدن آنها میشود.
ب) برخورد الاستیک با اتم
پ) برخورد الکترون با الکترون

۳- لیزرهای مایع: لیزرهایی که از مایعات به عنوان محیط فعال استفاده میکنند این مزیت را دارند که از گازها متراکمترند و مایعات را میتوان به گردش انداخت و خنک کرد. در ضمن به علت استفاده از رنگینهها که در مایع حلالی مثل الکل یا اتیلن گلوکول (ضد یخ) حل میشوند میتوان آن را تنظیم کرد. در این نوع لیزرها چشمهى انرژی معمولا? لامپ درخشی یا یک لیزر دیگر است.
لیزر رودامین ۶G نمونهای از لیزرهای رنگینهى مایع است که وقتی نور برآن میتابد فلوئورسانس میشود. از لیزر یونی آرگون یا کریپتون میتوان به عنوان چشمهى انرژی استفاده کرد.
از جمله استفادههایی که از این لیزرهای رنگینهای می شود عبارتند از:
•    به علت گسیل تپهایی از نور لیزر خیلی کوتاه میتوان از آن برای بررسی واکنشهای شیمیایی در طبیعت بهره برد. درست مثل اینکه حرکت موکولها بر فیلم نمایش داده شود.
•    استفاده از لیزرهای رنگینهای در طیفنمایی و بررسی فرآیندهای فیزیکی و ترازهای انرژی داخل اتمها و مولکولها.

۴- لیزرهای نیم رسانا: با نیم رسانا میتوان لیزرهایی به کوچکی دانههای نمک ساخت. در این نوع لیزر که لیزر دیود هم خوانده میشود، از الکتریسیته به عنوان چشمهى انرژی استفاده میشود. در لیزر نیم رسانا دو نوع ماده نیم رسانا با خواصی کنار هم قرار میگیرند تا یک پیوندگاه تشکیل شود. یک ماده با اتمهای باردار منفی آلاییده میشود که نوع  nنام دارد و ماده دیگر با اتمهای باردار مثبت آلاییده میشود که نوع p نام دارد.
لیرزهای نیم رسانا را بر حسب خروجی آنها به دو دستهى لیزرهای تپی و لیزرهای پیوسته کار تقسیم میکنند و غالبا? لیزرهای توان بالا از نوع تپی (پالسی) هستند.
۵- لیزرهای رزینهای: مواد آلی دارای خاصیت گسیل تحریکی هستند از این رو در بعضی لیزرها میتوان از آنها به عنوان محیط فعال استفاده کرد. در لیزرهای رزینهای از مواد آلی رنگین به عنوان مادهى فعال استفاده میشود. مواد آلی رنگین موادی هستند که دارای جذب در موجهای نزدیک فرابنفش، مرئی و فروسرخ باشند. از این تعریف میتوان به یک خصوصیت ممتاز لیزرهای رزینهای نسبت به دیگر لیزرها پی برد. از این لیزر میتوان در مطالعات شیمیایی جداسازی ایزوتوپها، اسپروسکوپی، تعیین آلودگی هوا و استفاده از امور بیولوژیکی و پزشکی بهره برد.

۶- لیزر رنگینهای: منبع انرژی لیزر رنگینهای میتواند لامپ درخش یا یک لیزر دیگر باشد. در حالت اول از یک لامپ درخش خطی در درون یک محفظهى بیضی که رنگینهى لیزر در آن جریان مییابد استفاده میشود. لامپهای درخش پالسیاند. به گونهای که میتوانند نور کافی برای تحریک مولکولهای رنگینه را بیرون دهند. از طرفی از لیزر دیگری به نام لیزر دمش نیز میتوان برای تحریک رنگینه استفاده کرد. این لیزر معمولا لیزر نیتروژنی پالسی یا لیزر یون آرگون پیوسته است. هنگامی که از لیزر یون آرگون پیوسته استفاده میشود، محلول رنگینه به سرعت از یک شیار جریان مییابد تا ورقهى نازکی از رنگینه به ضخامت کمتر از ۰۲/۰ سانتی متر به دست آید. باریکهى لیزر دمش در نقطهای به اندازهى ۰۰۳/۰ سانتی متر در نوارهى رنگینه متمرکز میشود و بعضی از آینههای لیزر انحنا مییابند تا باریکهى لیزر رنگینهای را با همان اندازه متمرکز کنند. این نوع لیزر میتواند پالسهای بسیار کوتاهی ایجاد کند که دانشمندان از آنها برای بررسی پدیدههای بسیار سریع در طبیعت استفاده میکنند. لیزرهای رنگینهای به اندازهى لیزرهای حالت جامد یا لیزرهای گازی از نظر انرژی موثر نیستند، به گونهای که نمیتوانند توانهای خروجی میانگین به آن زیادی ایجاد کنند. با وجود این تنظیم پذیریشان آنها را برای بسیاری از کاربردهای لیزر ضروری ساخته است.

۷- لیزرهای اکسایمر: لیزرهای اکسایمر یکی از انواع لیزرهای گازی است که به عنوان پرتوانترین چشمههای نور همدوس (لیزری) در ناحیهى ماورابنفش محسوب میشود. مخلوط گاز آن شامل یک یا چند نوع گاز نادر و یک هالوژن دهنده که متداولترین آنها HCl و NF3 و F2 میباشند. دمش این لیزرها با استفاده از تخلیهى الکتریکی پالسی یا بارگیری الکترونی پالسی و یا فرکانس رادیویی امکان پذیر است. این لیزرها قابلیت عملکرد با آهنگ تکرار پالس بالا را دارا هستند. آنها قابلیت کانونی شدن در نقاط بسیار کوچک و نیز تولید پالسیهای بسیار کوتاه با قله توان بالا و بازدهی نسبتا? خوب این لیزرها را کاربردپذیر ساخته است.

۸- اصول لیزر الکترون آزاد با همه لیزرهایی که تاکنون ملاحظه کردیم کاملا متفاوت است. منبع انرژی اصلی پرتوهای الکترونی نسبی است. (یعنی الکترونهایی که با سرعت خیلی نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند.)

۹- لیزر بخار مس از مدتها قبل شناخته شده است لیکن اهمیت اخیر آن به دلیل پیشرفتهایی است که در توان خروجی و در زمان عمر آن حاصل شده است. مادهى فعال آن بخار مس است و برای به دست آوردن غلظت کافی مس در لولهى تخلیه لازم است در دمای خیلی بالا نگه داشته شود.

۱۰- لیزرهای اکسید کربن از مهمترین لیزرها در نوع خود میباشند و از نظر کاربردهای منفی میتوان آن را در زمرهى مهمترین لیزرها قرار داد. این لیزر با کارایی بالا (تا ۳۰%) و توان بسیار زیاد و توان خروجی پیوسته حدود چندین کیلووات ساخته شده است. کاربردهایی از قبیل جوشکاری و برش استیل، الگوبرداری، نظامی و جوش هستهای برای لیزر ممکن است.

۱۱- لیزرهای بسته بدین معنی است که در لیزری مانند هلیم نئون گازهای تحت تخلیه الکتریکی کاملا در لولهى تخلیه قرار داده شدهاند. مشکلی که برای این لیزرها مشخصاً دی اکسید کربن وجود دارد این است که در جریان تخلیهى الکتریکی مولکولهای CO2 به CO تبدیل میشود و این واکنش هم خیلی سریع رخ میدهد.

             لیزر          طول موج کار nm       میانگین توان خروجی w
آرگون فلورید    nm193 پالسی    W 25
کریپتون فلورید    nm248 پالسی    W 50
گزنون کلرید    nm 308 پالسی    W 25
نیتروژن    nm 337 پالسی    W 5
گزنون فلورید    nm 351 پالسی    W 15
یون آرگون    nm 488 پیوسته    W5
بخار مس    nm 511 پالسی    W 30
یون آرگون    nm 514 پیوسته    W 5
بخار مس    nm 578 پالسی    W 30
بخار طلا    nm 628 پالسی    W 10
هلیوم نئون    nm8/632 پیوسته    W 001/0
یون کریپتون    nm 647 پیوسته    W 5
 

فصل دوم:
 کاربردهای لیزر 
کاربرد لیزر در صنعت
از جمله کاربردهای مهم لیزر به کارگیری آن در صنعت است که علت اصلی پیشرفتهای بشر در بسیاری از زمینههاست.
پرتو لیزر با توجه به ویژگیهای منحصر خود که شامل تکرنگی، همدرسی، شدت بالا و واگرایی کم است، نشان داد که با به کارگیری آن میتوان نه تنها به گسترش حوزه صنعت بلکه تحول کیفی محصولات آن امید فراوانی پیدا نمود. به دنبال ساخت اولین لیزر گاز کربنیک در سال ۱۹۶۴ این امکان فراهم شد که بتوان با حداقل امکانات لیزرهای پرقدرتی در ناحیه حرارتی مادون قرمز، همان منطقهای که مورد نیاز صنعت است تهیه و به بازار عرضه نمود. اینک وسیلهای پا به عرصه وجود گذاشته بود که امکان فراهم نمودن یک منبع حرارتی قابل کنترل و در عین حال بسیار باریک به راحتی در دسترس کاربران قرار میگرفت. با یک نگاه گذرا اما عمیق به نقش لیزر در صنعت میتوان به این نکته واقف شد که لیزر تحولی بی سابقه در این عرصه ایجاد کرده است که دامنه رشد آن هر روز گسترش می یابد. امروز اگر شاهد محصولاتی باشیم که به جهت کیفی و مرغوبیت در کمترین زمان به بازار عرضه میشود، متوجه نقش و اهمیت لیزر در صنعت خواهیم بود.
موارد استفاده از لیزر در صنعت عبارتند از:
•    ایجاد سوراخ در تمامی وسایل مانند: پستانک بطری نوزاد، کاغذ، الماس (به وسیله لیزر یاقوتی)، عدسیها و غیره. با تمرکز باریکهى لیزر میتوان سوراخهایی به ابعاد چند میکرون در مدت زمان  10¯³الی ۱۰¯  ثانیه در سرامیک، شیشه و پلاستیک ایجاد کرد.
•    جوش دادن یا متصل کردن دو فلز به یکدیگر، خواه کوچکترین سیمها و خواه صفحههای فولادی عظیم که انجام این عمل با لیزر دو مزیت دارد:۱- جوشهای ایجاد شده با لیزر محکمتر از جوشهای معمولی است. ۲- به علت دقیق بودن باریکهى لیزر کمترین تغییر شکل دراثر گرما در فلز مورد نظر پدید می آید. لیزر در کنار یک CNC یک سیستم کاملا? پیشرفته را برای جوش دادن ایجاد میکند که صنعت گران قادرند با سرعت زیاد، دقت بالا و هزینه کمتر از آن استفاده کنند. مثل جوشکاری چرخ دندههایی که برای هم زمان کردن ساز و کار انتقال در اتومبیل به کار میروند.
•    بریدن یا حک کردن حروف روی سختترین فلزات با استفاده از لیزر دیاکسیدکربن که این کار با متمرکز کردن لیزر با عدسی بر روی فلز و ایجاد حرارت بیش از C?4000 است. اما با استفاده از دو آینه میتوان لیزر را هدایت و هر شکل مورد نظر را در لحظهای بسیار کوتاه به دست آورد. نمونه بارز این عمل دستگاه حکاک لیزری است که چندی پیش به وسیلهى محققان کشورمان ساخته شد. به این ترتیب که ابتدا طرح دلخواه به کامپیوتر داده میشود و سپس لیزر طرح مورد نظر را در زمانی بسیار کوتاه حک میکند. از جمله کاربردهای آن برای کشیدن هویه بر روی سنگ است.
محاسن برش با لیزر: ۱- مواد کاملا متنوعی را میتوان با لیزر برش داد. ۲- برش بسیار دقیق و ظریف است. ۳- تغییر شکل و صدمه دیدگی در قطعه بسیار کم است. ۴- سیستم قابلیت خودکار شدن دارد و لذا در تولید قطعات صنعتی سرعت قابل ملاحظهای دارد.
فلزات را میتوان با لیزر CO2 و باریکهى گاز اکسیژن برش داد که این کار چند مزیت دارد: ۱-از انرژی با واکنش گرمازایی بین فلز و اکسیژن فراهم میشود. ۲- قطعات بریده شده کیفیت بسیار خوبی دارند زیرا باریکهى اکسیژن موجب خارج شدن مواد ذوب شده میشود. ۳- موجب سرد شدن محل برش میشود.
•    آلیاژکاری سطحی که روشی است برای پردازش ماده که ماده سطحی را با ماده داخلی دیگری با عملیات حرارتی به وسیلهى باریکهى لیزری به هم وصل میکنند. آلیاژکاری سطحی میتواند مقاومت موادی را که در شرایط کششی زیادی قرار دارند، افزایش دهد. مثلا? مقاومت تیغهى ارهای معمولی را با آلیاژکاری سطحی میتوان مستحکمتر کرد.
•    عملیات گرمایی فلزات برای سختی بخشیدن به آنها در تولید اتومبیل، هواپیما  و کشتیها حائز اهمیت است. روی محفظهى فلزی واحدهای هیدرولیکی کامیونهای جنرال موتور با لیزرهای گران قیمت کار میشود. چرخ دندهها و سطوحی که سیلندرهای موتور اتومبیلها را می پوشانن

بخشی از منابع و مراجع پروژه ماهیت نور و بررسی اشعه لیزر
لیزر تکنولوژی جدید نور/ کارلن بیلینگر/ ناصر مقلبی
لیزر و کاربردهای آن/ اکبر حریری
فیزیک پایه/ فرانک ج.بلت/ ناصر مقلبی
لیزر نور شگفت انگیز/ ل.و.تاراسف. ن زبودن/ جواد مردی
مقدمهای بر فیزیک لیزر/ بلا. آ. لنجیل/ پروین بیات مختاری و حبیب مجیدی ذوالبنین
لیزر در پزشکی/ پروفسور استفان جوفی و دکتر گریگوری ابستان
تاریخ طبیعی/ پلینی کبیر
مجموعه مقالههای کنفرانس لیزر و کاربردهای آن در ایران (تهران-ایران) سازمان انرژی اتمی ایران/ چاپخانه وزارت نیرو

The Nd-YAG Laser in ophthalmology (Roger F.steinert)
Laser therapy in Glaucoma (wilensdy)
Ophthalmic lasers liespcrance
سایتهای اینترنتی:
www.Yahoo.com
www.Google.com
www.Altavista.com
www.Lycos.com
www.Dogpale.com
www.laserdarmani.com