ليزر

[*میترا*]

لیزر

درسالیان خیلی دور انسان بطور اتفاقی آتش را کشف کرد و به مرور زمان با یادگیری استفاده از آتش و بکار بردن آن در مراحل مختلف زندگی، کیفیت زندگی خود را متحول کرده بود. از جمله، استفاده از نور و روشنایی آتش بود که در تاریکی شب به کمک آن دل غارهای محل سکونت خود را روشن و نورانی میکرد. چند صد قرن زمان لازم بود تا انسان بتواند با اختراع الکتریسیته منبع قویتری برای تولید نور و روشنایی در شب داشته باشد. بفاصلةزمانی نسبتاً کوتاهی انسان توانست این منبع نورانی را متحول کرده و با استفاده از آن ابزار قدرتمند و کارآمدی به نام لیزر را بسازد.

شروع اختراع لیزر به زمان آلبرت انیشتن و نظریة نشر القایی بازمی‌گردد (1917) ولی شاید خود انیشتن هم نمیتوانست در ذهن کاربردی به این وسعت برای لیزر در نظر بگیرد تا اینکه بعد از سالها مطالعه و تلاش، دانشمند آمریکایی میمن موفق به ساخت اولین لیزر و استفاده از تئوری نشر القایی گردید (1960).
در این زمان بود که نظرات فراوانی در مورد استفاده‌های مختلف از لیزر در ذهن دانشمندان و نویسندگان داستانهای علمی تخیلی شکل میگرفت و هر یک با ابداع وسیله‌ای تخیلی نحوة استفاده از نور لیزر را در آینده توصیف می‌کردند. ساخت فیلمهای علمی تخیلی که در آنها فضا‌نوردان با در دست داشتن تفنگهای لیزری با مهاجمان به کرة زمین مبارزه میکردند و!!!! به اوج خود رسیده بود. البته ارزش این داستانها و تخیلات در پیشبرد علم و تنولوژی بر هیچ‌کس پوشیده نیست و بسیاری از دانشمندان و مخترعین بزرگ با پیروی از این پیشگویی‌ها بود که موفق به اختراع وسیله‌ای جدید و یا کشف پدیده‌ای نادر گردیدند.

بدلیل هزینه‌های خیلی سنگین در راه تولید لیزر‌های پرتوان، لیزر در سالهای اولیه کاربرد زیادی نداشت و استفاده از نور لیزر محدود به مراکز دانشگاهی و آزمایشگاههای تحقیقاتی بود. ولی به تدریج با پیدا کردن کاربردهای جدید و سرمایه‌گذاری در تولید صنعتی آن بتدریج هزینه‌ها کاسته شده و با گذشت کمتر از نیم قرن از ساخت اولین لیزر، این تکنولوژی به کارآمدترین ابزار مورد استفادة بشر در آمده است. امروزه لیزر با زندگی بشر متمدن آمیخته شده به ترتیبی که در کلیة مراحل زندگی بشر بصورت غیرقابل انکاری وابسته به لیزر شده است. بعنوان مثال می‌توان از دستگاههای CD-ROM و DVD-ROM در مصارف خانگی ویا دستگاههای Barcode Reader در فروشگاههای زنجیره‌ای یا فیبرهای نوری در مخابرات و بمبهای لیزری در صنایع نظامی نام برد.
جدید‌ترین وسیلة تولید نور لیزر دیودهای لیزر هستند که با طول‌موجهای متفاوت و توانهای از 0.5 میلی وات تا 50 وات بیشترین کاربرد را در صنعت و پزشکی پیدا کرده‌اند. بعلت سهولت کار با این دیودها، قیمت نسبتاً مناسب و حجم کوچک آنها، امکان بهره‌گیری از این کشف بزرگ در جایجای زندگی بشر فراهم شده است.
امروزه لیزرهای قدرت‌مندی در حد ده‌ها و حتی صدها وات ساخته شده که در صنعت کاربردهای فراوان دارد. از جمله سوراخکاری و برش فلزات ضخیم تا قطر 2 سانتیمتر و در مواردی هم در جوشکاری و اتصال سخت بین فلزات بکار میروند.

اولین لیزر حالت جامد ( یاقوتی ) در سال 1960 توسط دانشمند آمریکایی میمن Maiman ) ( و اولین لیزر گازی ( هلیوم ـ نئون ) بوسیله دانشمند ایرانی علی جوان ساخته شدند.
نوری که توسط لیزرها تولید می شود خصوصیاتی نظیر تک رنگی، جهت مستقیم، قدرت بسیار و کوهرنت بودن - که این نور را از سایر منابع نوری متفاوت می سازد - دارند .

اصول لیزر
کلمه LASER مخفف LightAmplification by Stimulated Emission of Radiation به معنای تقویت نور توسط نشر القایی تابش می باشد . در واقع لیزر پرتو تقویت شده نور می باشد .
اصول اساسی تولید آن به این صورت است که اتمها و مولکولها در سطوح انرژی مختلف ( بالا یا پایین ) قرار دارند. با استفاده از گرما می توان اتمها و مولکولهای موجود در سطوح پایین را تحریک کرده و به سطوح بالاتر برد. این اتمها و مولکولها با تابش نور مجدد به سطح انرژی قبلی خود باز می گردند.
در منابع نوری معمول ، اتمها و مولکولهای تحریک شده تابش نور را به صورت مستقل از یکدیگرو به رنگهای مختلف و با طول موجهای متفاوت انجام می دهند. حال اگر هنگامی که یک اتم تحریک شده است ، نوری با طول موج مشخص را به آن بتابانیم ، اتم به گونه ای تحریک میشود که تابشی هم فاز با طول موج نور تحریک کننده از خود می تاباند. بنابراین این نور تابیده شده باعث تقویت نور تحریک کننده می شود. حال اگر این فرایند را در مقادیر وسیع انجام دهیم یعنی تعداد زیادی اتم را به وضعیت تحریکی ببریم و سپس همه را با یک طول موج تحریک کنیم ، یک دسته نور کاملاً کوهرنت (Coherent) خواهیم داشت ، یعنی نوری با یک فرکانس یا رنگ که در آن تمام اجزا با یکدیگر هم فاز می باشند و لذا بسیار قدرتمند خواهند بود.

[*میترا*]

لیزرهای حالت جامد یون فلزات واسطه به استثنای لیزرهای نیم رسانا که بعدا به طور جداگانه به آن خواهیم پرداخت، معمولاً محیط فعال در لیزرهای حالت جامد، بلور یا شیشه ای شفاف است که درون آن مقدار کمی فلزات واسطه، دوپه شده است، گذارهای انجام شده در یونهای فلزات واسطه، مسؤل عمل لیزرند. متداولترین فلزات دوپه کننده عبارت اند از کروم در لیزرهایی یاقوت و الکساندریت، و نئودیویم در لیزرهای N d:YAG و :Nd شیشه و غلظت دوپه کننده در حدود 1% یا کمتر است. تمام چنین لیزرهایی به طور نوری با یک منبع لامپ درخشی نوار پهن دمش پیدا می کنند و می توان آنها را برای تولید بالاترین شدتهای موجود در لیزرها، به صورت تپی در آورد. وجود یک بیقاعدگی طبیعی در نیمرخ زمانی هر تپ، که به عنوان تیزشدگی شناخته می شود، این نوع لیزر را به ویژه برای برش و سوراخکاری کارآمد می کند. لیزر یاقوت: لیزر یاقوت معروفترین لیزر حالت جامد است و به عنوان نخستین نوع لیزر ساخته شده در سال 1960، موقعیت مهمی در تاریخ لیزرها دارد، به عنوان مثال جالبی از طنزهای علوم، مقاله اولیه تئودور اچ. میمن که نخستین لیزر را توصیف می کرد، توسط Review Letters Physical رد شد، زیرا فرض شد که این کار، چندان جالب نیست! از نظر ساختاری، لیزرهای یاقوت جدید شامل یک میله یاقوت تجارتی ( 3O2Cr % 0.05 در شبکه ) با قطری بین 3 تا mm 25 و طول تا cm 20 است. یونهای کروم یاقوت با نشر نوار پهن حاصل از لامپ درخشی برانگیخته می شوند یا لامپ درخشی به دور میله یاقوت پیچیده است یا درون یک بازتابنده بیضوی به موازات آن، قرار گرفته است. پیش از پرداختن به جزئیات طرح تراز انرژی یاقوت، جالب است بدانیم که به طور مستقیم می توان از روی رنگ نوری که این لیزر نشر می کند، به مطالبی پی برد. این واقعیت که لیزر یاقوت نور سرخ نشر می کند، ممکن است چندان شگفت آور نباشد، مگر بیاد آوریم که دلیل سرخ رنگ بودن یاقوت آن است که یاقوت در ناحیه سبز و بنفش طیف جذب دارد، به همین دلیل نور سرخ را عبور می دهد ( یا بازتاب می کند )0 بدین ترتیب چون جذب تابش لامپ درخشی و نشر لیزر آشکارا در طول موجهای مختلفی رخ می دهد، فوراً مشخص می شود که یاقوت باید لیزری با بیش از دو تراز باشد. شایان ذکر است که این ترازهای انرژی، کاملا با آنهایی که در اتم آزاد کروم وجود دارند، متفاوت اند. محیط الکتروستاتیکی ایجاد شده توسط اتمهای پیرامون شبکه میزبان، که به عنوان میدان بلور شناخته می شود، باعث شکافتگیهای زیادی در ترازهای انرژی می شود، حال آن که در اتم آزاد معمولا آنها هم ترازند. اولین برانگیختگی توسط لامپ درخشی، یونهای C r را از حالت پایه 1)E 2 (A به یکی از دو تراز 3E (T) می برد. هر دو تراز کسری از نانوثانیه عمر می کنند و سپس به سرعت به تراز 2E (E ) دچار واپاشی می شوند. این واپاشی، به سهولت توسط فرایندهای غیر تابشی انجام می شود و انرژی را به ارتعاشهای شبکه منتقل می کند و در نتیجه باعث گرم شدن بلور می شود. چون تراز2 E زمان واپاشی طولانی تری در حدود 4 دارد، بین حالتهای 2E و 1E وارونگی جمعیت رخ می دهد و نظر به اینکه اکثر یونهای Cr به طور همزمان به حالت پایه فرو می ریزند، نشر لیزر در طول موج n m 3ر694 نمایان می شود. بدین تربیب فرایند لیزر، تک تپی پرشدت از نور با تداوم 3ر0 تا m s 3 ایجاد می کند و لازم است که پیش از تپ بعدی، لامپ درخشی مجدداً شارژ میشود.معمولاً تاخیر بین دو تپ پی درپی، چند ثانیه به درازا می کشد و می تواند تا یک دقیقه نیز به طول بینجامد. با استفاده از تکنیکی به نام سوییچ کردن Q می توان به روشی کاملاً متفاوت تپها را ایجاد کرد. تخریب ناشی از چرخه های مداوم گرم و سرد شدن مربوط به مرحله ایجاد هر تپ، مسئله ای اساسی در لیزر یاقوت و سایر لیزرهایی از این نوع است که سرانجام باعث تعویض میله یاقوت می شود. معمولاً برای بهبود عملکرد، با گردش آب از درون روکش، میله خنک می شود. لیزر یاقوت علی رغم کاستیهایش با انرژی تپی به اندازه J 200 ،منبعی نیرومند برای نور تکفام در ناحیه نوری محسوب می شود و کاربردهای متعددی در فراورش مواد به دست آورده است. پهنای نوار نشر به طور نوعی در حدود n m 5 ر0 (cm 10) است ولی با قرار دادن سنجه در درون حفره می توان این مقدار را 10 مرتبه کاهش داد. بدین ترتیب با چنین پهنای خط باریکی، لیزر را میتوان برای تمام نگاری به کار برد و این زمینه بیشتر کاربردهای این لیزر را تاکنون به خود اختصاص داده است. زمینه کاربردی دیگر در لایدار است. قطر باریکه یک لیزر یاقوت کم توان می تواند به اندازهmm 1 با واگرایی 25ر0 میلی رادیان باشد، پرتوان ترین لیزرها می توانند باریکه هایی تا قطر mm 25 و واگراییهای بزرگتر تا حد چند میلی رادیان داشته باشند. به تازگی، سایر انواع لیزرهای حالت جامد توسعه یافته اند، گرچه اینها نیز بر اساس گذارهای نوری در یون فلزات توسط واسطه مستقر در درون بلور یونی میزبان عمل می کنند، لکن خواص کاملاً متفاوتی با لیزر یاقوت دارند. یکی از این انواع لیزر الکساندریت است که در آن یون کروم دوپه شده درون بلور الکساندریت) 4 O2(BeAL ، محیط فعال را تشکیل می دهد. تفاوت بین لیزرهای یاقوت و الکساندریت در آن است که در مورد اخیر، حالت پایه الکترونی یو ن دیگر گسسته نیست، بلکه به دلیل جفت شدگی با ارتعاشهای شبکه، نوار پیوسته پهنی از ترازهای انرژی وایبرونیک ایجاد می کند. در این مورد، پس از برانگیختگی با لامپ درخشی عادی، نشر لیزر از طریق گذارهای به سمت پایین از حالت 2 Tبه جایی در پیوستار حالت پایه روی می دهد و خروجی کوک پذیری که گستره 700 تا n m 815 را در بر می گیرد، به دست می آید. لذا، اغلب از لیزر الکساندریت به نام لیزر وایبرونیکی یاد می شود. لیزر تیتانیم: یاقوت کبود که به تازگی توسعه یافته است، از نوع مشابهی است و با وقوع گذارهای وایبرونیکی 2 ETدر یونهای تیتانیم، باعث ایجاد نشر پر قدرت و کوک پذیر CW در گستره طول موج به طور غیر عادی وسیع 650 تا nm 1000 می شود . سایر لیزرهای وایبرونیکی شامل2MgF با دوپه Ni و Co هستند . لیزرهای نئودیمیم: لیزرهای نئودیمیم بر دو نوع عمده اند، در یکی شبکه میزبان برای یونهای نئودیمیم، بلور لعل ایتریم آلومینیم )12 O5Al3 (Yو در دیگری میزبان شیشه ای بی ریخت است. به این دو نوع به ترتیب Nd:YAG و :Nd شیشه می گویند. هر چند که در هر دو مورد، گذارهای انجام شده دریونهای نئودیمیم مسئول عمل لیزرند، ولی به دلیل تاثیر شبکه میزبان روی ترازهای انرژی نئودیمیم، مشخصات نشر در آنها متفاوت است. همچنین شیشه فاقد رسانایی گرایی عالی بلور YAG است، در نتیجه استفاده از آن برای عملیات با موج تپی مناسبتر از عملیات با موج پیوسته ( CW) است. مانند لیزر یاقوت، هر دونوع لیزر نئودیمیم معمولاً توسط یک لامپ درخشی که به طور هم کانون درکار یک میله ماده لیزری درون یک بازتابنده بیضوی قرار گرفته است، برانگیخته می شوند. اکنون لیزرهای بسیار کوچک و دستی YAG :Nd موجودند که توسط دیودهای لیزری برانگیخته می شوند. در اینجا نیز ترازهای انرژی یونهای نئودیمیم درگیر در عمل لیزر که به طور طبیعی در حالت آزاد هم ترازند، در اثر برهم کنش با میدان بلور دچار شکافتگی می شوند. نحوه شکافتگی در شکل 2 . 3 نشان داده شده است. بدین ترتیب گذارهای بین مؤلفه های حالتهای2/3 F و2/11 I که در حالت آزاد ممنوع اند، مجاز می شوند و می توانند باعث نشر لیزر شوند. به دنبال واپاشی غیر تابشی از ترازهای انرژی بالاتر که توسط لامپ درخشی برانگیخته شده اند، ترازهای2/3 F در آغاز جمعیت دار می شوند و چون تراز پایانی 2/11 I لیزر در بالای حالت پایه 2/9 I قرار گرفته است، در نتیجه با یک سیستم شبه چهار ترازی مواجهیم . طول موج اصلی نشر هر دو نوع لیزر نئودیمیم در حدود m m064ر1 در زیر قرمز نزدیک ( یا mm 047ر1 درمورد لیزرهای نامتداولتر Nd:YLF که در آن لیتیم جایگزین آلومینیم در شبکه میزبان شده است ) قرار دارد. برخی از لیزرهای تجاری می توانند براساس گذار دیگری که خروجی mm 319ر1 ایجاد می کند، عمل کنند. با این حال مواد میزبان YAG و شیشه خواص کاملاً متفاوتی بر نشر تحمیل می کنند، جدا از تفاوتهای رسانایی گرمایی که تعیین کننده نحوه کار پیوسته یا تپی است، یکی از تفاوتهای اساسی این دو لیزر در پهنای خط آنها نهفته است، چون شیشه ساختاری بیریخت دارد، محیط الکتریکی اطراف یونهای نئودیمیم را تغییر می دهد و در نتیجه شکافتگی میدان بلور نیز از یونی به یون دیگر تغییر می کند. به همین دلیل در مقایسه با لیزر N d :YAG که در آن شبکه بسیار منظمتر و شکافتگی میدان ثابت تر است، پهنای خط بسیار بیشتر می شود. با این حال، غلظت دوپه کننده نئودیمیم در شیشه می تواند تا 6% برسد در حالی که برای مقایسه در میزبان YAG مقدار آن %5 ر1 است، بدین ترتیب خروجی بسیار پرانرژی تری می توان از آن بدست آورد. بنا به این دلایل لیزر : Nd شیشه به طور ایده ال برای تولید تپهای بسیار کوتاه با شدت بسیار زیاد توسط روش قفل کردن مد مناسب است. در حقیقت، توسط لیزرهای نئودیمیم بوده است که به پر شدت ترین باریکه ها در لیزرهای تجاری دست یافته ایم . توان خروجی یک لیزر نوعی موج پیوسته N d:YAG چند وات است و می تواند از 100 وات فراتر رود. در وضعیت تپی، بنا به روش تپ سازی و سرعت تکرار تپ، انرژی تپ تفاوت می کند ولی می تواند برای یک تپ از کسر کوچکی از 1 تا J 100 باشد. اکنون چنین منابع توانمند تابش زیر قرمز کاربردهای متعددی در فراورش مواد به دست آورده اند. به علاوه در چند سال گذشته، لیزرهای Nd:YAG به بازار لیزرهای جراحی راه یافته اند. درحالی که در جراحی اغلب فرایندهای گرمایی القایی متمرکز که به جذب تابش شدید زیر قرمز منجر می شود به کار می روند، علاقه زیادی به استفاده از روش دیگری به نام جراحی مد درهم شکننده وجود دارد که توسط لیزرهای YAG با مد قفل شده یا Q سوییچ شده امکان پذیر می شود. در این حالت میدان الکتریکی بزرگی ( نوعاً m V 10 × 3 ) که همراه هر تپ متمرکز شده نور لیزر است، الکترونها رااز مولکولهای بافت جدا می کند و پلاسمای حاصل، یک موج ضربه ای ایجاد می کند که باعث گسیختگی مکانیکی بافت در فاصله mm 1 از محل تمرکز می شود. اثبات شده است که این روش درتعدادی از جراحیهای بسیار ظریف چشم خیلی سودمند است لازم است. لازم است متذکر شویم که در اکثر کاربردهای پژوهشی Nd:YAG درنور شیمی و نورزیست شناسی ازتابش mm 064ر1 استفاده نمی شود، بلکه در آنها نور مرئی پرشدتی که می توان آن را با روشهای تبدیل فرکانس ایجاد کرد، به کار می رود. از این لحاظ طول موجهای 532 ، 355 وn m266 که با روش ایجاد هماهنگ به دست آمده اند، از اهمیت خاصی برخوردارند. لیزرهای حالت جامد با دمش دیودی، نمایشگر تکنولوژی لیزر به نسبت جدید و بسیار متفاوتی اند. در این ابزارهای بسیار کوچک، که در اغلب موارد به راحتی دردست جای می گیرند، یک لیزر دیود نیم رسانا به طور مستقیم کار دمش بلور کوچک Nd:YAG را انجام می دهد. درحالی که معمولاً توانهای خروج CW اندک است اکنون برخی سیستمهای تجاری موجود، از مقدار بحرانی W 1 فراتر رفته اند و امکان دارد که از طریق تپ سازی Q سوییچ شده بتوان به خروجی پیک چند کیلوواتی دست یافت. مسئله مهمتر، استفاده از روش متداول وارد کردن بلورهای مبدل فرکانس در این ابزارهاست، بدین ترتیب نشر میلی واتی در گستره مرئی به ویژه در خط n m 532 سبز، به دست می آید. چنین لیزرهای حالت جامد یکپارچه ای، از مزیت اندازه کوچکتر، کارایی بالاتر، پایداری بهتر و سطح نوفه کمتر در قیاس با اکثر لیزرهای تخلیه در گاز، بهره می برند و چشم انداز بهتری را برای وسیله کمکی استانداردتری از آنچه در گذشته متصور بودیم، ارائه می کنند. کاربرد آنها، گستره وسیعی از دستگاهوری نوری را در بر می گیرد و قابلیت آنها را در فراورش مواد نیز نشان داده شده است . یک نوع لیزر حالت جامد دیگر را که در آن محیط فعال یک بلور یونی معمولی ولی فاقد یونهای فلز واسطه است، می توان دراینجا مطرح کرد. این نوع را به اصطلاح، لیزر مرکز F ( یا مرکز رنگ ) می نامند که براساس گذارهای نوری در مکانهای نقص دار بلور هالیدهای فلزات قلیایی، مثلاً در KCl با دوپه تالیم، کار می کند. معمولاً مراکز رنگ توسط یک لیزر دمش از نوع N d:YAG یا لیزر یون آرگون ـ کریپتون برانگیخته می شوند. چنین لیزرهایی تابشی تولید می کنند که با استفاده از یک توری پراش به عنوان آینه انتهایی روی گستره کوچکی از طول موجها در ناحیه کلی 8 /0 تا mm 4 /3 کوک پذیر است، برای کار در قسمتهای مختلف این گستره به بلورهای متفاوتی نیاز داریم. یک عیب این نوع لیزر آن است که چون بلورها باید در دماهای بسیار پایین قرار گیرند، سیستم به نیتروژن مایع نیاز دارد.

[*میترا*]

لیزرهای نیم رسانا:
دیدیم که در لیزرهای حالت جامد، ترازهای انرژی به اتمهای دوپه کننده در غلظتهای بسیار پایین در شبکه میزبانی از یک ماده دیگر مربوط می شوند. چون در این شرایط اتمهای دوپه کننده اصولاً از یکدیگر جدا هستند، ترازهای انرژی آنها گسسته باقی می ماند و طیفی خطی را به دست می آوریم که شبیه به حالت کلی اتمها یا مولکولهای مجزا ست. با این حال درمورد لیزرهای نیم رسانا، با ترازهای انرژی یک شبکه سرتاسری مواجه هستیم و بدین ترتیب به جای ترازهای گسسته انرژی باید نوارهای انرژی را در نظر گیریم.
خواص مشخصه یک نیم رسانا ناشی از این واقعیت است که گاف انرژی کوچکی بین دو نوار به نام نوار والانس و نوار رسانایی وجود دارد. در دمای بسیار پایین، الکترونهای مربوط به لایه والانس هراتم، ترازهای انرژی را درنواروالانس اشغال می کنند و نوار رسانایی پر انرژیتر خالی می ماند. بدین ترتیب الکترونها نمی توانند آزادانه در شبکه حرکت کنند و ماده خواص الکتریکی یک عایق را دارد. با این حال در دمای اتاق، انرژی گرمایی برای برانگیختن برخی الکترونها به نوار رسانایی که در آن گذر از درون شبکه نسبتاً مشکل نیست، به مقدار کافی وجود دارد و بدین ترتیب رسانایی گرمایی در حدی بین آنچه از یک رسانا و عایق انتظار می رود، قرار می گیرد.
معمولاً در ابزار الکترونیکی نیم رسانا از اتصالهای بین نیم رسانای نوع p و نوع n استفاده می شود. اتمهای ناخالصی موجود در شبکه نیم رسانای نوع اول، از اتمهایی که جانشین آنها شده اند الکترونهای والانس کمتری دارند، درنوع دوم، الکترونهای والانس اتمهای ناخالصی بیشتر ازاتمهایی است که جایگزین آنها شده اند. معروفترین مواد نیم رسانا از عناصر گروه IV مانند سیلیسیم و ژرمانیم هستند. با این حال، ترکیبات دوتایی بین عناصر گروههای III و V مانند گالیم آرسنید ( GaAs ) رفتار مشابهی از خود نشان می دهند. در این حالت، شبکه کلی متشکل از دو شبکه مکعب مراکز وجوه پر در هم فرورفته است و بلور نوع p و n با تغییر استوکیومتری از مقدار دقیق 1:1 حاصل می شود. در ماده نوع p تعدادی از اتمهای آرسنیک با گالیم جایگزین می شوند، در بلور نوع n عکس این عمل رخ می دهد.
لیزرهای نیم رسانا به طریقی خیلی شبیه به دیودهای نورگسیل( LED) که به گستردگی در وسایل الکترونیکی به کار می روند، کار می کنند. با اعمال یک پتانسیل الکتریکی روی اتصال ساده دیودی بین بلور نوع p و n الکترونهای روی مرز نیم رسانا از نوار والانس فرو می افتند و در این فرایند تابش نشر می شود. نشرعمدتا در زیر قرمز است و خواص نوری بلور در چنین طول موجهایی امکان را فراهم می آورد که دو وجه انتهایی بلور، محدوده حفره تشدید را تعیین کنند. یکی از مزیتهای این نوع لیزر. اندازه بسیار کوچک آن است که معمولاً به نیم میلی متر می رسد، ولی این مسئله باعث موازی شدن بسیار کمی می شود. واگرایی به اندازه 10 به هیچ وجه نامعمول نیست و بدین ترتیب نیاز به ابزار اپتیکی تصحیح کننده را در کاربردهای زیادی، الزامی می کند.
به طور کلی دونوع لیزر نیم رسانا وجود دارد: آنهایی که در طول موج ثابت کار می کنند و آنهایی که کوک پذیرند. متداولترین انواع طول موج ثابت عبارت اند از: گالیم آرسنید، گالیم آلومینیم آرسنید و ایندیم گالیم آرسنید فسفید. لیزرهای گالیم گارسنید طول موجی درحوالی mm 904/0 نشر می کنند، انعطاف پذیری زیاد در استوکیومتری سایر انواع، ساخت لیزرهایی را که در طول موجهای ثابت مختلفی در گستره 8/0 تا mm 3/1 کار می کنند، امکان پذیر کرده است. با این حال، لیزرهای به اصطلاح دیود « نمک سرب » که از ترکیبات دوتایی غیر استوکیومتری سرب، کادمیم و قلع با تلوریم، سلنیم و گوگرد تهیه می شوند، بسته به نوع دقیق ترکیب در گستره 8ر2 تا m m 30 ( 3500 تا cm330 ) نشر می کنند. هرچند این لیزرها به دمای عملیاتی بسیار پایینی نیاز دارند، نوعاً در گستره 15 تا K 90 ، طول موج عملیاتی خیلی وابسته به دماست و در نتیجه میتوان با تغییر دما، طول موج را تنظیم کرد. گستره کوک یک لیزر دیود نمک سرب با ترکیبی مخصوص، نوعاً در حدودcm 100 است.
در یک لیزر دیودی، مدها نوعاً به فاصله 1 تاc m 2 از هم قرار دارند و معمولاً هر مد مجزا، پهنای خط بسیار باریکی به اندازه cm 10 یا کمتر دارد. معمولاً توان خروجی لیزرهای نیم رسانای پیوسته برحسب میلی وات سنجیده می شود، هرچند اکنون تجهیزات یک واتی به طور تجاری در دسترس اند. مهمترین کاربرد این لیزرها به عنوان پیکاپهای نوری درگرداننده های دیسک فشرده ( CD)، مخابرات نوری و تارهای نوری است، لیزرهای دیودی درحال حاضر نمایشگر بالنده ترین قسمت بازار لیزرند. با این حال، لیزرهای دیودی برای طیف بینی زیر قرمز با تفکیک زیاد نیز خیلی مناسب اند، زیرا پهنای خط آن چنان اندک است که می توان ساختار چرخشی را برای بسیاری از مولکولهای کوچک از گذارهای ارتعاشی جدا کرد. ارزش این روش خصوصاً در مشخص کردن واسطه های کوتاه عمر در واکنشهای شیمیایی، اثبات شده است. با ظهور لیزرهای دیودی که درانتهای قرمز طیف مرئی نشر می کنند، می توان کاربردهای متنوعتری را انتظار داشت. می توان توقع داشت که با کاهش قیمتها، لیزرهای دیودی، لیزرهای هلیم ـ نئون را از بسیاری از کاربردهای سنتی شان کناربگذارند

[*میترا*]

لیزرهای اتمی و یونی:
رده ای از لیزرها که محیط فعال آنها یک گاز است، انواع گسترده ای از وسایل را در بر می گیرد. معمولاً گاز یا تک اتمی است یا اینکه از مولکولهای بسیار ساده تشکیل می شود. مثالهایی از لیزرهای تک اتمی در این بخش مطرح می شوند، در هر دومورد، چون نشر لیزر از وقوع گذارهای نوری در اتمها یا مولکولهای آزاد ناشی می شود، پهنای خط نشر می تواند بسیار کم باشد. معمولاً گاز درون لوله ای سربسته است و برانگیختگی اولیه با تخلیه الکتریکی انجام می شود، بدین ترتیب دربسیاری از موارد، بخش درونی لیزر شباهتی نمادین به لامپ فلوئورسنت معمولی دارد.
لوله لیزر می تواند از مواد مختلفی تهیه کرد و الزاما نیازی به شفاف بودن آن نیست. متاسفانه معمولاً فلزات مورد استفاده قرار نمی گیرند، زیرا باعث ایجاد اتصال کوتاه در وسیله می شوند. به طور معمول از سیلیس و همچنین از بریلیم اکسید که برای منابع پر توان با رسانایی گرمایی زیاد مناسب است، استفاده می شود. داشتن یک لوله لیزری با مخلوطی از دو گاز، که یکی در مرحله دمش و دیگری در نشر لیزر به کار می رود، امری بسیار عادی است معمولاً چنین لیزرهای گازی بسیار اعتماد پذیرند، زیرا برخلاف لیزرهای حالت جامد، در اینجا امکان آسیب گرمایی محیط فعال وجود ندارد و برای مقاصد معمولی، پرمصرفترین لیزرند.
لیزر هلیوم ـ نئون:
لیزر هلیم ـ نئون، نخستین لیزر CW بود که ساخته شد و همچنین نخستین لیزری بود که در 1962، به طور تجاری در دسترس قرار گرفت. محیط فعال، مخلوطی از دو گاز است که در فشار پایین در لوله شیشه ای قرار گرفته اند، فشار جزئی هلیم تقریباً mbar 1 و برای نئون mbar 1/0 است. برانگیختگی اولیه با تخلیه الکتریکی انجام می شود و عمدتا برای برانگیختن اتمهای هلیم دراثر برخورد الکترون به کار می رود. به دنبال آن اتمهای هلیم برانگیخته در فرایند انتقال انرژی در اثر برخورد به اتمهای نئون شرکت می کنند، چون ترازهای معینی از هلیم و نئون انرژی بسیار نزدیکی دارند، این فرایند اتفاق می افتد، در نتیجه انتقال با کارایی بالایی انجام می شود. چون ترازهای نئون که بدین طریق جمعیت دار میشوند، در بالای پایینترین حالتهای برانگیخته قرار می گیرند، نسبت به این ترازها وارونگی جمعیت رخ می دهد و نشر لیزر امکان پذیر میشود. در اینجا دو نکته را باید خاطر نشان ساخت. نخست، دقت کنید که اسامی معمول حالتها را نمی توان برای ترازهای انرژی نئون بکاربرد، زیرا جفت شدگی راسل ـ ساندرز در اینجا به کار نمی رود. دوم، هر آرایش الکترونی به چند حالت نزدیک به هم منتهی میشود، ولی تنها آنهایی که مستقیما در لیزر درگیرند، درنمودار نشان داده شده اند.
در مرحله نشر لیزر، سه طول موج متمایز می تواند ایجاد شود، یک طول موج مرئی با توان درحد میلی وات، در ناحیه قرمز در nm 8/632 و دو طول موج زیر قرمز با توان نسبتا کمتر در 152/1 m m 391/3 ظاهر می شود. واضح است که برای عمل لیزر در هر یک از این طول موجها، تجهیزات اپتیکی زیر قرمز مورد نیاز است. پس از نشر، با درگیر شدن نئون در یک واپاشی غیر تابشی دو مرحله ای به سمت حالت پایه، چرخه ایجاد لیزر کامل می شود. این مرحله شامل گذار به تراز شبه پایدار s 3 p2 ، به دنبال غیر فعالسازی برخوردی در سطح درونی لوله است. برای آنکه لیزر به طور کارآمد عمل کند باید مرحله آخر سریع باشد، به همین دلیل نسبت سطح به حجم لوله لیزر، باید تاحد امکان بزرگ گرفته شود که معمولاً به معنای کوچک کردن قطر لوله است. درعمل لوله ها تنها چند میلی متر قطر دارند. اخیراً از سایر گذارهای بسیار ضعیف برای تولید لیزر هلیم ـ نئون mW 1 که طول موجهای مختلفی از جمله nm 5/543 در سبز نشر می کند استفاده شده است. ویژگی اصلی این لیزر آن است که از هر لیزر سبز دیگری ارزانتر است.
لیزرهای هلیم ـ نئون به طور پیوسته کار می کنند و علی رغم توان خروجی پایین، از دو ویژگی کوچکی و ارزانی نسبی سود می برند. بدین ترتیب می توان آنها را بیش از هر لیزر دیگری در کاربردهای مختلف پیدا کرد. در جایی که توان چندان اهمیتی نداشته باشد، عملیات مبتنی بر پهنای نازک باریکه لیزر، کاربرد اصلی است. انواع پیمایشگرهای نوری که برای کنترل کیفیت و اندازه گیری در صنعت به کار می روند، مثالی ازکاربرد مذکورند. به علاوه پیمایشگرهای هلیم ـ نئون درسیستمهای دیسکهای ویدیویی نوری، وسایل بازخونی رمزهای میله ای در فروشگاهها و تجهیزات بازشناخت نوری حروف، نیز به کار برده می شوند. چاپ الکترونیکی و همراستاسازی نوری، از جمله سایر کاربردهای این لیزر است. لیزر هلیم ـ کادمیم، نمونه مشابه دیگری است که در آن گذارها در اتمهای آزاد کادمیم به نشر میلی واتی m n 422 در آبی nm 325 در فرابنفش منجر می شود. خط آبی ویژه برای کاربردهای با تفکیک بالا در صنعت چاپ و نشر، بسیار مناسب است.

لیزر آرگون:
لیزر آرگون، معروفترین مثال از خانواده ای از لیزرهای یونی است که در آنها محیط فعال یک گاز بی اثر تک جزئی است. گاز با فشار تقریباً m bar 5/0 ، درون یک لوله پلاسما با سوراخ 2 تا mm 3 نگه داشته و با تخلیه الکتریکی برانگیخته می شود. اتمهای آرگون یونیده و در اثر برخورد الکترون برانگیخته می شوند. بنا به ماهیت فرایند دمش، چندین حالت برانگیخته یونی جمعیت دار می شوند و آنهایی که مسئول عمل لیزرند، توسط دو برخورد پی درپی، در حد متوسط جمعیت دار میشوند. برقراری وارونگی جمعیت در بین این حالتها و سایر حالتهای کم انرژیتر، باعث نشر تعدادی طول موج گسسته درگستره 350 تا nm 530 می شود دو خط قویتر در 0ر488 و nm 5ر514 ظاهرمیشوند. این دوخط در اثر گذار رو به پایین ازحالتهای تک یونیده با آرایش الکترونی p4 p 3 s 3 به حالت s 4 p 3 s 3 نشر می شوند. به دنبال آن، واپاشی تابشی مجدد، به حالتهای چندگانه همراه با آرایش یونی p 3 s 3 انجام می شود و چرخه یا توسط الکترون گیراندازی یا برانگیختگی برخوردی مجدد، به پایان می رسد. یونهای دوبار یونیده Al در نشر فرابنفش نزدیک لیزر دخیل اند.
چون چند طول موج با این لیزر ایجاد می شود، معمولاًبرای گزینش یک طول موج خاص برای تقویت، در بین دو آینه انتهایی، یک سنجه یا منشور پاشنده قرار می دهند. بدین ترتیب طول موجهای خروجی را می توان با تغییر در راستای آنها تغییر داد. باگزینش یک مد طولی پهنای خط خروجی تنها به اندازهcm 0001ر0قابل دستیابی است. دمش ترازهای یونی لازم برای عمل لیزر، به ورود انرژی زیاد و پیوسته ای نیاز دارد و کارایی به نسبت پایین وسیله، به معنای آن است که مقدار زیادی انرژی گرمایی باید از دست داده شود. بنابراین، خنک کردن عامل مهمی در طراحی است و گردش آب در پوشش اطراف لوله متداولترین راه حل است، هر چند لیزرهای آرگون CW در گستره مقادیر میلی وات تا حد W 25 است.
لیزرهای آرگون به نسبت گران و شکننده اند و معمولا طول عمر لوله آنها به 1000 تا 10000 ساعت محدود می شود. سایش دیواره های لوله توسط پلاسما که باعث ته نشینی غبار روی پنجره های خروجی بروستر می شود یکی از دلایل اساسی طول عمر محدود لیزرهاست. خود آرگون نیز در اثر یونهایی که جذب دیواره های لوله می شوند، اندک اندک از بین می رود. با وجود این معایب، این گونه لیزرها، در شیمی و فیزیک و به ویژه در قلمرو طیف بینی که در آنجا معمولاً برای دمش لیزرهای رنگینه ای به کار می روند، کاربردهای پژوهشی گسترده ای پیدا کرده اند. همچنین لیزرهای آرگون تاثیر به سزایی در صنعت چاپ و نشر داشته اند و در پزشکی و به ویژه در درمان لیزر چشم، نقش مهم و رو به افزایشی دارند. نمایشهای بصری و سرگرمی، جنبه دیگری از کاربرد آنهاست که ذکر آن لازم به نظر می رسد. معمولاً در این کاربرد به نسب کم اهمیت ولی به حد کافی عجیب و بدون شک مهیج است که بیشتر مردم برای نخستین بار نور لیزر را می بینند.
لیزر کریپتون، عضو معروف دیگری از خانواده لیزرهای یونی است. از بسیاری جنبه ها، این لیزر خیلی شبیه به لیزر آرگون است و در گستره 350 تا n m 800 طول موجهایی نشر می کند، هر چند به دلیل کارایی کمتر، خروجی آن در سطوح توان تا حدی پایینتر ( تا حدودW 5 ) قرار می گیرد. قویترین نشر درطول موج nm 1/647 واقع می شود. در واقع، شباهت زیادی نیازمندیهای فیزیکی و عملکرد بین لیزرهای آرگون و کریپتون، به ما امکان می دهد که لیزری حاوی مخلوطی از این دو گاز بسازیم و گستره بسیار خوبی از طول موجها راروی تمام طیف مرئی به دست آوریم. این لیزرها، طول موجهای متعددی نشر میکنند که برای کاربردهای زیست پزشکی مناسب اند، خطهای آبی ـ سبز آرگون از ویژگی خاصی برخوردارند، زیرا به شدت توسط یاخته های قرمز خون جذب می شوند.



لیزر بخار مس:
لیزر بخار مس یکی از جدیدترین لیزرهاست که باید تاثیر به سزایی روی بازار لیزر داشته باشد. با وجود این، لیزر مذکور ویژگیهایی دارد که آن را بدل به رقیبی بسیار جالب در برخی کاربردها می کند این لیزر متعلق به رده لیزرهای بخار فلز است که در آنها گذار در اتمهای آزاد فلز بدون بار، به نشر لیزر منجر می شود.
لیزر مس اصولاً یک سیستم سه ترازی است. برخورد الکترون به اتمهای مس حالت پایه به برانگیختگی به حالتهای p 2 متعلق به آرایش الکترونیp 4 d3 منجر می شود که گذار از آن به ترازهای پایینی D با آرایش s4 d3 می تواند انجام شود. بدین ترتیب نشرلیزر درطول موجهای nm5/510 در سبز و nm2/578 در زرد است . برخوردهای بیشتر اتمهای برانگیخته با الکترونها یا دیواره های لوله، به واپاشی بازگشتی به حالت پایه منجر میشود. یکی از مشکلات مربوط به این طرح خاص آن است که برخورد الکترون به اتمهای مس حالت پایه، نه تنها ترازهای p بلکه ترازهای D مربوط به انتهای پایین گذارهای لیزر را جمعیت دار می کند. لذا امکان برقراری وارونگی جمعیت بین ترازهای Pو D وجود ندارد و در نتیجه لیزر به طور طبیعی در مد تپی و معمولاً با فرکانس تکرار تپ تقریباً kHz 5 کار می کند . هرتپ نوعاً ns 30 تداوم دارد و انرژی آن در گستره میلی ژول است.
طرح فیزیکی لیزر شامل لوله پلاسما ازجنس آلومین حاوی مس فلزی به صورت قطعه یا منابع دیگر در هر انتهاست. همچنین برای برقراری تخلیه الکتریکی، لوله با گاز نئون در فشار پایین ( تقریباً m bar 5 ) پر م شود . عبور جریان از درون لوله باعث ایجاد دمای 1400 تا C 1500 میشود که مس را داغ و فشار جزئی از اتمهای Cu به اندازه تقریباً mbar 1|0 ایجاد میکند، سپس این اتمها می توانند به عنوان محیط لیزر دهنده عمل کنند . به تازگی با انجام تغییری در این طرح که دردمای اتاق کار می کند، زمان طولانی گرم شدن لیزر، درحدود یک ساعت، که یکی از عیبهای اولیه آن بود، برطرف شده است.
نشر تابش مرئی با توانهای خیلی بالا ( میانگین توان در یک چرخه کامل نشر تپی و دمش 10 تا W 60 است) و قیمت معمول و کارایی بالا از لحاظ انرژی، مزیتهای اصلی لیزر بخار مس هستند، برای مثال قدرتمندترین لیزر بخار مس W 100، تنهابه اندازه نصف توان ورودی یک لیزر آرگون W 20 مصرف دارد. کاربرد اصلی لیزر مس، جداسازی ایزوتوپ اورانیم است که هنوز عمدتاً در مرحله تحقیق و توسعه است . همچنین علاقه هایی به استفاده از این لیزر در عکاسی و تمام نگاری و نیز نورپردازی زیر آب وجوددارد ، در اینجا طول موجهای نشری به ویژه برای مینیمم کردن تضعیف مناسب اند. همچنین کاربردهایی در پوست پزشکی دردست بررسی است، زیرا نشر n m 578 به طرز مفیدی به پیک جذبی هموگلوبین در nm 577 نزدیک است.
لیزر طلا تنها لیزر بخار فلز دیگری است که تا به حال از مرحله پژوهش به مرحله تولید رسیده است و طول موج اصلی nm 628 را با توان چند وات نشر می کند. کارایی زیاد این لیزر برای نور درمانی سرطان به اثبات رسیده

[*میترا*]

لیزر کربن دیوکسید:
لیزر کربن دیوکسید اولین مثال از لیزری است که در آن گذارهای مسئول نشر القایی در مولکولهای آزاد رخ می دهد. در واقع، ترازهای انرژی 2CO درگیر لیزر الکترونی نیستند بلکه ترازهای چرخشی ـ ارتعاشی اند و لذا نشر درطول موجهای بسیار بالاتر، کاملاً در زیر قرمز انجام می شود. محیط لیزردهنده شامل مخلوطی از گاز 2CO ،2N و He با نسبتهای مختلف ولی اغلب به نسبت 1 : 4 : 5 است . هلیم برای بهبود کارایی ایجاد لیزر افزوده میشود و نیتروژن نقشی مشابه هلیم در لیزر He_Ne دارد.
مرحله اول شامل جمعیت دار شدن اولین تراز ارتعاشی برانگیخته نیتروژن بر اثر برخورد الکترونی است . هر مولکول نیتروژن در حالت ارتعاشی پایه می تواند انواع مقادیر گسسته انرژی چرخشی را داشته باشد و زیرترازهای چرخشس مختلف متعلق به حالت ارتعاشی برانگیخته در اثر برخورد الکترون جمعیت دار می شوند. چون بنا به قواعد گزینشی معمول نشر، بازگشت به حالت ارتعاشی پایه با واپاشی تابشی ممنوع است، تمام این ترازها شبه پایدارند. با این حال، یکی از حالتهای ارتعاشی برانگیخته کربن دیوکسید به علت داشتن یک کوانتوم انرژی در مد ارتعاشی 3u ( کشش ضد تقارنی ) تقریباً با مولکول نیتروژن دارای برانگیختگی ارتعاشی ، هم انرژی است. بدین ترتیب ترخورد دو مولکول باعث انتقال بسیار کارآمد انرژی به کربن دیوکسید میشود، لذا اصولاً ترازهای چرخی متعلق به حالت جمعیت دار می شوند.
بنابراین نشرلیزر2CO در از دو مسیر انجام میشود که شامل واپاشی تابشی به زیرترازهای است، مسیر اول یک کوانتوم انرژی ارتعاشی در مد کششی متقارن1 u دارد، درحالی که دومی دو کوانتوم انرژی در مد خمشی2 u دارد. این ترازها نمی توانند در اثر برخورد با2N به طور مستقیم جمعیت دار شوند، لذا آنها نسبت به ترازهای (001) وارونگی جمعیت دارند . دو گذار لیزری به ترتیب باعث نشر درطول موجهای حوالی mm 6/10 و mm 6/9 می شود. سرانجام هر دو مسیر واپاشی به حالتهای (020) ختم میشوند و به دنبال آن، هم در اثر واپاشی تابشی و هم در اثر برخورد با اتمهای ،غیر فعالسازی رخ میدهد.
یکی از مشکلات لیزر کربن دیوکسید که حتماً باید بر آن غلبه کرد آن است که برخی از مولکولها در حین فرایند برانگیختگی به کربن مونوکسید و اکسیژن تفکیک می شوند . درصورت استفاده از حفره سر بسته، معمولاً با افزودن مقدار کمی بخارآب می توان این مسئله را برطرف کرد، زیرا بخار آب با کربن مونوکسید واکنش داده و کربن دیوکسید را مجدداً تولید می کند. در صورتی که کربن دیوکسید خنک شده به طور پیوسته از درون لوله تخلیه عبور داده شود، نیازی به استفاده از چنین روشی نیست. این روش مزیت افزایش وارونگی جمعیت یعنی بهبود بیشتر کارایی رانیز دارد.
یک لیزر کربن دیوکسید کوچک با لوله تخلیه نیم متری، می تواند در حد 30% کارایی داشته باشد و خروجی پیوسته W 20 را ایجاد کند، حتی یک مدل دستی باتری دار می تواند خروجی CW به اندازه W 8 تولید کند. با استفاده از لوله های بلندتر می توان به توانهای زیادتری دست یافت، گرچه کارایی افت میکند، خروجیهای در گستره کیلووات از وسایلی به بزرگی یک اتاق قابل دستیابی است. به غیر از بلندتر کردن طول حفره، افزایش فشار کربن دیوکسید در لوله تخلیه، یعنی افزایش تعداد مولکولهای موجود برای انجام نشر القایی،روش دیگری برای افزایش توان خروجی این گونه لیزرهاست . در حقیقت، لیزرهای کربن دیوکسیدی ساخت که درفشار اتمسفری یا بالاتر کارکنند ، هر چند در چنین مواردی برای برقراری تخلیه، باید میدان الکتریکی قویتری به کار برد. برای ایجاد میدانهای به حد کافی قوی بدون استفاده از ولتاژهای بالا و خطرناک، لازم است پتانسیلی به جای طول در عرض لوله اعمال شود. چنین لیزری معمولاً به نام لیزر با برانگیختگی عرضی اتمسفری ( TEA) شناخته میشوند. در فشار بالاتر از حدود 15 اتمسفر، تعریض فشاری باعث ایجاد شبه پیوستاری از فرکانسهای نشری میشود و بدین ترتیب میتوان به طور پیوسته لیزر را در گستره 910 تا c m 1100کوک کرد.
شایان ذکر است که روش بسیار متفاوت دیگری برای دمش لیزر کربن دیوکسید وجود دارد که در آن از برانگیختگی الکتریکی استفاده نمی شود. در لیزر دینامیکی گاز، مخلوطی از کربن دیوکسید و نیتروژن گرم و فشرده می شود و سپس با سرعت فراصوت به درون یک حفره کم فشار لیزر تزریق میشوند. چون حالتهای ارتعاشی ـ چرخشی طول عمر بیشتری دارند، خنک شدن سریع دراثر این فرایند ، ترازهای بالاتررا با سرعت کمتری از ترازهای پایینتر ، از جمعیت تهی می کند. درنتیجه ، وارونگی جمعیت برقرار می شود و باعث عمل عادی لیزر خواهد شد. گرچه چنین وسایلی می توانند خروجیهای k W 100 یا بالاتر تولید کنند، نشر آنها چند ثانیه بیشتر طول نمیکشد و ساختارشان الزاماً بزرگ است ، به علاوه وسیله مذکور تنها لیزری است که واقعاً سروصدا دارد و وجه تمایز نامتعارف آن نیز همین است.
لیزرهای کربن دیوکسید به گستردگی در زمینه واکنشهای شیمیایی القا شده با لیزر به کار برده می شوند. با وجود این ، بیشتر کاربردهای صنعتی آنها در زمینه فراورش مواد و کارهایی مانند سوراخکاری ، جوشکاری ، برش و عملیات روی سطح قطعه است. علی رغم این واقعیت که فلزات به ویژه در ناحیه طول موج عملیاتی این لیزرها کاملا بازتابان اند، شدت بسیار زیاد تقریبا W m 10 که لیزرهای2CO در حالت متمرکز ایجاد میکنند، بیش از مقدار لازم برای جبران این مشکل است. همچنین شایان ذکر است که مقدار کل گرمای انتقال یافته به فلز از باریکه لیزر ، مینیمم است. به دلیل کاربردهای این حالت، لیزرهای کربن دیوکسید بیشترین سهم فروش لیزرهای تجارتی را به خود اختصاص داده اند.
روشهای جراحی ، یکی دیگر از جنبه های مهم کاربرد لیزرهای2CO هستند . سلولهای سازنده بافت زنده عمدتاً از آب تشکیل شده اند و می توان آب را توسط هر باریکه توانمند لیزر2CO در یک چشم برهم زدن تبخیر کرد، به علاوه گرمای اعمال شده به بافت پیرامونی ، زخم را داغ و از خونریزی که معمولاً با جراحی همراه است ، جلوگیری می کند. بنا به همین دلایل ، تعداد فزایندی از عملهای جراحی ، مقبولیت تابش لیزر 2CO به جای چاقوی جراحی به اثبات رسیده است . تابش نه تنها روش بسیار تمیزی برای ایجاد شکاف است ، بلکه در سایر موارد می توان از آن برای برداشتن قسمتهای بزرگی از بافت به طور کامل استفاده کرد.پیشرفتهای اخیر در زمینه ساخت کاتتر موج بر انعطاف پذیر برای تابش لیزر2CO ، چشم انداز کاربردهای این نوع لیزر را گسترش می دهد.
لیزر گازی هم خانواده دیگر ، لیزر کربن مونوکسید است. این لیزر از جنبه های بسیار شبیه سیتم کربن دیوکسید با برانگیختگی اولیه مولکولهای نیتروژن توسط تخلیه الکتریکی است.این کار باعث فعالسازی برخوردی کربن مونوکسید میشود و به دنبال آن نشر لیزر درناحیه 97/4 تا mm 26 /8 رخ می دهد. تفاوت اصلی در آن است که 2CO به عنوان یک گونه دواتمی ، تنها یک مد ارتعاشی دارد. همراه با تکنیکهای مناسب تپ سازی ، ماهیت کوک پذیری خطی هر دو لیزر CO و 2CO به گونه ای است که از آنها به گستردگی درمطالعات دینامیک واکنشها بر اساس طیف بینی زیر قرمز با تفکیک زمانی استفاده میشود.

لیزر نیتروژن:
لیزر نیتروژن ، لیزر گازی دیگری بر پایه یک گونه مولکولی ساده و پایدار شیمیایی است. این لیزر، سه تفاوت عمده با لیزر کربن دیوکسید دارد. نخست، این لیزر بر پایه گذارهای الکترونی کار میکند، مه گذارهای ارتعاشی. گاز توسط تخلیه الکتریکی با ولتاژ بالابرانگیخته می شود و حالت برانگیخته الکترونی سه تایی Cu جمعیت دار می شود و گذار لیزر به حالت شبه پایدار B g با انرژی کمتر صورت می پذیرد. تفاوت دوم از این واقعیت ناشی می شود که تراز بالایی لیزر با طول عمر تنها n s 40 ، طول عمر بسیار کوتاهتری ا تراز پایینتر دارد و در نتیجه نگه داشتن وارونگی جمعیت ناممکن است.تفاوت سوم آن است که اصولاً تمام مولکولهای برانگیخته نیتروژن طی زمان کوتاهی دچار واپاشی تابشی می شوندو به طور کامل تمام انرژی حفره را خالی می کنند. این فرایند، نشر ابر تابشی نامیده می شودو آن چنان توانمند است که بدون نیاز به رفت و برگشت متناوب باریکه بین دو آینه انتهایی، یک تپ بسیار پرشدت ایجاد می کند. در واقع لیزر نیتروژن قادر است به طرز موفقیت آمیزی بدون هیچ آینه ای کار کند، هر چند در عمل برای جهت دادن به باریکه خروجی ، آینه ای در انتهای حفره قرار می گیرد.
بنابراین لیزر به طور خودکار درمد تپی کار می کند و تپهایی با تداوم تقریباً n s 10 یا کمتر در طول موج nm 1/337 ایجاد می کند. پهنای نوار تقریباً nm 1/0 و فرکانس تکرار تپ 1 تا Hz 200 است. به دلیل زمان توقف کوتاه فوتونها درحفره لیزر، تپها می توانند نیمرخ زمانی نسبتاً ناپایداری داشته باشند. چون لیزر قادر است شدتهای پیکی در گستره W m 10 ایجاد کند، لیزر نیتروژن یکی از توانمندترین منابع تجاری تابش فرابنفش است و اغلب از آن در مطالعات نور شیمی استفاده می شود. همچنین این لیزر، به طور متداول برای دمش لیزرهای رنگینه ای به کار برده می شود، هر چند در این مورد طول موجهای توانمندتر حاصل از لیزرهای اکسی پلکس یا هماهنگی لیزر N d:YAG جایگزین آن شده اند.

[*میترا*]

لیزرهای شیمیایی:
درتمام لیزرهایی که تاکنون بررسی کردیم، مکانیسم دمش مورد استفاده برای آغاز وارونگی جمعیت، یک منبع نیروی خارجی را شامل می شد. برخلاف آن، در یک لیزر شیمیایی، وارونگی جمعیت به طور مستقیم از طریق یک واکنش شیمیایی گرمازا یا سایر روشهای شیمیایی ایجاد می شود. به بیان بهتر، میتوان لیزری شیمیایی طرح کرد که مثلاً در آن واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر، چرخه لیزر را انجام می دهد. این تعریف، از آنچه سایر نویسندگان عنوان می کنند، تا حدی محدودتر است، لذا لیزرهای ید و اکسی پلکس را از این رده جدا میکند. چون واکنش شیمیایی می تواند مقادیر زیادی انرژی آزاد کند، مفهوم لیزر شیمیایی میتواند مقادیر زیادی انرژی آزاد کند، مفهوم لیزر شیمیایی بسیار جالب توجه است. بدین معنی که اگر عملیات لیزر کارآمد باشد، این وسیله قادر است انرژی خروجی بسیار بالایی را به صورت نور ایجاد کند. لیزر هیدروژن کلرید، یکی از قدیمترین مثالهای لیزر شیمیایی است و طرز کار آن بنا به توالی زیر، براساس واکنش شیمیایی گاز هیدروژن و کلر است.
 2Cl p n h + 2 Cl
Cl + H HCl + H
HCl + Cl H + Cl
که در آن h np یک فوتون فرابنفش دمش حاصل از لامپ درخشی است. گذار مطلوب لیزر به دنبال واپاشی تابشی مولکولهای هیدروژن کلرید برانگیخته ارتعاشی صورت می گیرد. هر چند واکنشهای انتشار رادیکال آزاد که به تولید HCl برانگیخته منجر میشوند گرمازا هستند، مرحله آغازی به ورود تابش نیاز دارد و بنابراین باز هم منبع خارجی نیرو، مورد نیاز است.
روش اصلاحی بسیار متداولتر این طرح شامل هیدروژن فلوئورید است که به طور تجاری تولید می شود. تنها تفاوت اصلی در این است که در مرحله آغازی، معمولاً با تخلیه الکتریکی رادیکالهای فلوئور آزاد میشوند، برای مثال با تفکیک گونه هایی مانند 6 SF به صورت 2 SO به مخلوط واکنش گاز اکسیژن افزوده می شودباریکه خروجی معمولاً 2 تا m m 3 قطر دارد و میزان واگرایی آن تقریباً mrad 2 است.
چون تنها در حدود 1% گازهای واکنش دهنده حین عبور از درون لیزر به مصرف می رسند، در صورت نیاز می توان با زدودن HF و بازگردانی 6SF و2H گاز خروجی را بازیابی کرد. لیزر HF در ناحیه 6/2 تا mm 3/0 خروجی دارد که شامل تعدادی طول موجهای گسسته مربوط به گذارهای چرخشی – ارتعاشی است، همتای دو تریمی آن که بر پایه گذارهای DF عمل می کند، طول موجهایی با ضریب تقریباً 2 بلندتر، یعنی در گستره 6ر3 تا mm 0ر4 نشر میکند. توان موج پیوسته، در گستره چند وات تا W 150 است. از میان سایر کاربردهای پژوهشی ، لیزر هیدروژن فلوئورید به طرز منحصر به فردی برای اندازه گیریهای جذبی آلودگی اتمسفری HF درنواحی مجاور واحدهای نیتریک اکسید، فلوئور، دوتریمو کربن دیوکسید حاصل میشود.
NO + F2  ONF + F
F + D2  DF + D
DF + CO2  DF + CO2
نتیجه این توالی واکنشها، انتقال برخوردی انرژی ارتعاشی به مولکولهای کربن دیوکسید است،بدین ترتیب شرایطی فراهم میشود که در آن نشر لیزر می تواند درست مانند لیزر کربن دیوکسید که پیش از این مورد بحث قرار گرفت، ایجاد شود. اصولاً چنین لیزری منبع نیرو را در درون خود دارد و به راحتی می توان با باز کردن یک شیر برای مخلوط کردن گازهای واکنش دهنده ، آن را به کار انداخت. بدین لحاظ، لیزر مذکور نیاز به منبع برتری دارد. برای لیزرهای شیمیایی موج پیوسته با توان بالاتر ، نسبتاً حجم زیادی از گازهای واکنش دهنده باید سریعاً در سرعتهای فراصوتی با هم مخلوط شوند و برای رسیدن به خروجی پایدار باید در ناحیه اختلاط، همگنی فضایی بسیار بالایی وجود داشته باشد.
لیزر ید:
لیزر دیگری که بر اساس اصول بسیار مشابه کار می کند، لیزر ید است. این لیزر ویژه، در چارچوب بیشتر رده بندیها نمی گنجد و به طوری که خواهیم دید، درحالی که کار آن مبتنی بر شیمی چند اتمی است، گذار اصلی واقعاً در اتمهای آزاد ید انجام می شود، بدین ترتیب نمی توان آن را فقط در رده لیزر مولکولی قرار داد. به علاوه این لیزر، فاقد شیمی برگشت ناپذیر در چرخه لیزر است و این حالت تنها در واکنشهای جانبی رخ می دهد، بدین جهت از این دیدگاه، رده بندی آن به عنوان لیزر شیمیایی اشتباه است. با این حال، لیزر ید از بسیاری جهات به لیزرهای شیمیایی شبیه است و بنا براین بررسی آن دراینجا بسیار مناسب به نظر می رسد.
نور کافت گاز یدوهیدروکربن یا یدوفلوئورکربن توسط نور فرابنفش حاصل از لامپ درخشی، محرک اصلی لیزر ید یا به طور کاملتر لیزر تفکیک نوری ید اتمی است. 1- یدوهپتافلوئوروپرپانC3F7I یکی از گازهایی است که نوعاً بدین منظور مورد استفاده قرار میگیرد و در یک آمپول نگهداری و در فشار بین 30 تا mbar 300 به درون لوله سیسیلی لیزر تزریق می شود. توالی واکنش به قرار زیر است.
C3F7I + hnP  C3F7 + I
I  I + hnL
C3F7 + I + M  C3F7I + M
که در آن hnP فوتون دمش حاصل از لامپ درخشی و hnL فوتون نشر لیزر است مرحله نشر لیزر شامل گذار بین حالت برانگیخته شبه پایدار P 2/1 ید اتمی است، این گذار باعث ایجاد یک خروجی باپهنای خط باریک در طول موج mm 315/1 (cm7605 ) می شود که از شش مؤلفه فوق ظریف بسیارنزدیک به هم تشکیل شده است و گستره ای کمتر از cm1 را شامل می شود.
علی رغم این واقعیت که توالی واکنشها در اصل نشان دهنده ی چرخه تکراری است، ولی واکنشهای جانبی برگشت ناپذیری وجود دارند که در رقابت با این چرخه اند و در هر چرخه، در حدود 10% محیط فعال را از بین می برند. واکنشهای جانبی اصلی عبارتند از :
C3F7 + C3F7 + M  C6F14 + M
I + I + M  I2 + M
هر ید مولکولی کارایی فرایند لیزر را نیز کاهش می دهد، زیرا این گونه با انجام واکنش زیر، به طرز بسیار کارآمدی باعث فرونشانی تراز بالایی لیزر می شود و از میزان وارونگی جمعیت می کاهد.
I2 + I  I2 + I
به همین دلیل، پس از انجام نشر لیزر، باید گاز نورکافت شده را تخلیه کرد و برای تپ بعدی، باید لوله مجدداً با گاز تازه پرشود. در واقع گاز خروجی می تواند بازگردانده شود، البته به شرط آنکه ید مولکولی برای مثال در یک محلول کم دمای آلکیل یدید به دام بیفتد.
یکی از مزیتهای اساسی لیزر ید در این واقعیت نهفته است که محیط فعال در مقایسه ارزان و بنابراین درمقادیرزیاد موجود است. درغیاب هر نوع مکانیسم تپ سازی، لیزرنوعاً تپهایی با تداوم میکروثانیه ایجاد می کند و انرژی هر تپ چند ژول است، با این حال، اغلب برای ایجاد قطارهایی از تپهای با تداوم نانوثانیه یا زیر نانوثانیه ، خروجی با سوییچ کردن Q یا قفل کردن مد اصلاح می شود. یکی از کاربردهای جالب این لیزر برای شیمیدانان، توانایی آن در افزایش سریع دما در محیطهای آبی است. چون آب به شدت در mm 315ر1 با کارایی تقریباً 30% در سانتی متر جذب می کند، لیزر ید می تواند گذارهای نانوثانیه ای دما را به اندازه چند درجه سلسیوس القا کند و لذا امکانات وسیعی برای مطالعه سینتیک سریع واکنشهای شیمیایی و زیست شناختی در محلولها پدید می آورد. لایدار و استفاده در تارهای نوری از دیگر کاربردهای این لیزرند.
لیزرهای اکسی پلکس:
دسته بعدی لیزرهای موجود در بازار، وسایلی هستند ه در آنها محیط فعال یک اکسی پلکس یا کمپلکس دو اتمی برانگیخته است. خاصیت اصلی اکسی پلکس آن است که این گونه تنها هنگامی میتواند برانگیخته الکترونی شود، که در یک حالت مقید با یک حداقل انرژی معین باشد، معمولاً حالت پایه الکترونی یا اصلاً حداقل انرژی پتانسیل ندارد، یا در غیر این صورت منحنی بسیار کم عمقی دارد. اکثر مثالها درزمینه هالید گازی خنثی مانند KrF است. سایر گونه های دو اتمی جور هسته که در این دسته قرار می گیرند، مانند Xe2 اکسمر نامیده می شوند، گرچه اغلب این عبارت به اشتباه برای اکسی پلکسهای ناجور هسته به کار برده میشود.
معمولاً اکسی پلکس با واکنش شیمیایی بین گاز بی اثر و یونهای هالید حاصل از تخلیه الکترونی ایجاد میشود. برای KrF اکسی پلکس از ردیف واکنشهای زیر تشکیل می شود:
Kr + e  Kr + 2e
F2 +e  F + F
F + Kr + He  KrF + He
در واکنش سه ذره ای، هلیم تنها نقش بافر را دارد. چون کریپتون فلوئوریدی که بدین ترتیب ایجاد میشود، برانگیخته الکترونی است و طول عمر کوتاهی دارد( درحدود ns 5ر2 )، همان طور که در نمودار نشان داده شده است، با نشر فوتون به سرعت به حالت انرژی پاییننتر واپاشی میکند. چون این حالت نامقید است و در آن نیروی بین اتمها همواره دافعه ای است، لذا مولکول اکسی پلکس به سرعت به اتمهای سازنده اش تفکیک می شود. بدین ترتیب، این حالت هرگز به جمعیت زیادی نمی رسدولذا بین آن و حالت مقید اکسی پلکس با انرژی بیشتر، وارونگی جمعیت وجود دارد. بنابراین گذار واپاشی می تواند برای ایجاد نشر لیزر با کارایی بالا، نوعاً حدود 20% برانگیخته شود. نکته مهم در این طرح لیزری خاص آن است که این لیزر مثال نادری از یک لیزر واقعاً دو ترازی است.
هرچند لیزر اکسی پلکس را از جهتی میتوان به عنوان نوعی لیزر شیمیایی در نظر گرفت، شایان ذکر است که در پایان یک چرخه کامل از گذارهای لیزر، مواد آغازی یعنی گاز کریپتون و فلوئور، توسط دو فرایند زیر بازسازی می شود:
KrF  Kr + F + hnL
F + F  F2
بنابراین برخلاف لیزهای شیمیایی که قبلاً بررسی شدند، این لیزر می تواند بدون مصرف محیط فعال، به طور پیوسته به کار خود ادامه دهد. بدین ترتیب می توان از حفره ای سربسته استفاده کرد که در آن برای KrF مخلوط گازها نوعاً شامل 2% کریپتون، 2ر0% فلوئور و 8ر97% هلیم با فشار کلی 5ر2 تا 0ر3 اتمسفر است. البته چون گاز هالوژن بسیار خورنده ای به کار برده می شود، باید ماده سازنده جدار حفره را به دقت برگزید. به علاوه، چون دیواره ها به سرعت توسط گاز مسموم می شوند، امکان استفاده از همان لوله لیزر برای هالوژنهای مختلف وجود ندارد.
لیزرهای اکسی پلکس ابر تابشی اند وتپهای با تداوم 10 تا n s 20 ایجاد می کنند و معمولاً‌فرکانس تکرار تپها در گستره 1 تا Hz 500 است. انرژی تپ می تواند تا J 1 برسد و پیک توان تپ در حد مگاوات و توان متوسط بین 20 تا W 100 باشد. طول موج نشر سیستمهای موجود در بازار عبارتند از : nm F2 157، nm ArF 193 ، nm KrCl 222، nm KrF248 ،XeCl nm 308 ، XeF351 و nm 353 . این طول موجهای کوتاه فرابنفش، در ناحیه ای از طیف الکترومغناطیسی قرار گرفته اند که توسط گستره وسیعی از مواد جذب می شود و فرایند جذب فوتون اغلب باعث گسختگی پیوندهای شیمیایی می شود. به علاوه، چنین جذبی اغلب تا حدی باعث تبخیر نمونه میشود، این فرایند سایش لیزری نام دارد. این ویژگی،همواره با کنترل خوب فضایی و سطوح توان بالا که معمولاً در دسترس است، لیزر اکسی پلکس را به انتخابی خردمندانه برای کاربردهای متنوعی شامل فراورش مواد، جراحی و کاربردهای نور شیمیایی مبدل ساخته است.
لیزر اکسی پلکس معمولاً به طرز کاملاً‌ متمرکزی باعث تبخیر سطح می شود و فاقد آثار انبساط گرمایی روی مواد پیرامونی است که اغلب در اثر استفاده از لیزرهای زیر قرمز به وجود می آید. برای مثال، لیزرهای اکسی پلکس در برش دقیق فلزات بی رقیب اند و در بهینه، می توانند سوراخی به قطر کسری از میکرون ایجاد کنند. حکاکی و علامتگذاری روی مواد با چگالی زیاد، مثال کاربردی دیگری است که باعث ارائه امکاناتی در زمینه علامتگذاری امنیتی مواد ارزشمند مانند الماس میشود. تکنیک مشابهی به طور روزمره برای علامتگذاری نشانهای تجاری روی شیشه خودروها به کار می رود. به علاوه مشخص شده است که کاربردهای مهمی در جراحی برای آن وجود دارد، بافتهای تابش دیده با طول موجهای لیزر اکسی پلکس، بدون آسیبهای گرمایی دستخوش قطعه قطعه شدن مولکولی و تبخیر می شوند. برای مثال، اثبات شده است چنین لیزرهایی به همراه یک کاتتر تار نوری، در زدودن لخته های خون در سرخرگهای مسدودشده، کارایی بسیار زیادی دارند.

[*میترا*]

لیزرهای رنگی:
آخرین دسته از لیزرهای موجود در بازار، لیزرهای رنگینه ای اند.اصولاً‌ این لیزرها با انواعی که تاکنون بررسی کردیم تفاوت بنیادی دارند. تمام تفاوتها را می توان ناشی از ماهیت نامتعارف محیط فعال دانست که محلولی از رنگینه آبی است. برای این منظور می توان از بیش از 200 رنگینه استفاده کرد، تنها شرط عمومی وجود نوار جذب در مرئی و طیف پهن فلوئورسانی است. موادی که به بهترین وجه با این معیارهای همخوانی دارند، از مولکولهای چند اتمی نسبتاً بزرگ با عدم استقرار زیاد الکترون تشکیل می شوند. پرمصرفترین مثال در این زمینه رنگینه ای است که معمولاً به نام رودآمین G 6 (Cl3O2N31H28C) شناخته شده است. این گونه با 64 اتم، 168 (6 – N 3) مد ارتعاشی متمایز دارد. البته درحالت محلول، ترازهای انرژی مربوط به دلیل برهم کنشهای مولکولی قوی با حالت مایع پهن می شوند و در اثر برهمپوشانی آنها، برای هر حالت الکترونی، یک پیوستار انرژی ایجاد می شود. به طور کلی، جذب نور توسط رنگینه های چند اتمی، پیش از هر چیز باعث گذار از حالت پایه یکتا یی S0 به پیوستار انرژی متعلق به اولین حالت برانگیخته یکتایی 1S می شود. نماد یکتایی از این واقعیت ناشی میشودکه حالت با اسپین الکترونی جفت نشده، نا هم تراز است ( یعنی 1 = 1 + S2 اگر 0=S ). به دنبال این گذار به سرعت یک واپاشی سریع غیر تابشی به پایینترین تراز انرژی در پیوستار1Sرخ میدهد، در رودآمین G 6 این فرایند در ps 20 پس از برانگیختگی آغازی تکمیل می شود. سپس در اثر گذار رو به پایین به ترازهای درون پیوستار S0 و به دنبال آن توسط واپاشی بدون تابش بیشتر، به نشر فلوئورسان منجر می شود. فرایند نشر فلوئورسان می تواند به عنوان مبنایی برای عمل لیزر به کار برده شود، به شرط اینکه بین ترازهای بالایی و پایینی درگیر در گذار، وارونگی جمعیت ایجاد شود، بنابراین اصولاً‌ با لیزری چهار ترازی سروکار داریم. واضح است که چون فوتونهای نشر شده انرژی کمتری دارند، فلوئورسانی باید همواره در طول موجهای بلندبر در مقایسه با برانگیختگی اولیه انجام شود.
با این حال، همان طور که پیکانهای خط چین در نمودار نشان می دهند، معمولاً‌ وقوع چند فرایند دیگر وضعیت را پیچیده می کند. یکی از مهمترین فرایندهای رقابتی به نام عبور بین سیستمی شناخته می شود، زیرا مولکول از یکی از حالتهای یکتایی سیستم به یک حالت سه تایی تغییر می یابد که در آن اسپین دو الکترون موازی است.( 3 = 1 + S2 اگر 1 = S ) . چنین گذارهای یکنایی به سه تایی که بنا به قاعده غیر مجازند، به مقدار کم ولی مؤثری انجام می شوند. حالت 1T با فرایند نسبتاً آهسته فسفر سانس که از لحاظ اسپینی غیر مجاز است و مولکول را به حالت الکترونی پایه S 0 باز می گرداند، تا حد اندکی عاری از جمعیت می شود. همچنین این حالت از طریق عبور بین سیتمی غیر تابشی به S 0 و با جذب تابش بیشتر که حالتهای سه تایی بالاتر را جمعیت دار می کند، بدون جمعیت می شود.علاوه بر تمام این فرایندها، همچنین مولکول در حالت یکتایی 1S می تواند دچار تبدیل درونی غیر تابشی به حالت S 0 شود یا با جذب تابش بیشتر دچار گذار به حالت یکتایی بالاتر شود. این فرایندها همراه با هم، باعث بدون جمعیت شدن تراز بالایی 1S لیزر، افزایش جمعیت ترازهای پایینی S 0 لیزر و افت شدت خروجی می شوند و تمام اینها درکاهش کارایی لیزر سهیم اند.
با این حال، فرونشانی حالتهای برانگیخته، در اثر برهم کنش با سایر مولکولها نیز رخ میدهد و این اثر به ویژه هنگامی که محلول رنگینه حاوی اکسیژن حل شده باشد، مهم است. گاهی فرونشاننده های سه تایی مانند دی متیل سولفوکسید ( DMSO ) به ویژه برای افزایش توان خروجی از طریق جمعیت دار کردن مجدد حالتهای یکتایی، به محلول رنگینه افزوده می شوند. پایداری نور شیمیایی و گرمایی رنگینه های مورد مصرف در لیزرهای رنگینه ای، عامل بسیار مهم دیگری است. گرمای حاصل از گذارهای واپاشی غیر تابشی قادر است به سرعت رنگینه را درهم شکند و به همین علت معمولاً در عمل، محلول رنگینه به طور پیوسته در حال گردش است و خنک می شود. تابش حاصل از لامپ درخشی یا منبع لیزری اولیه با نشر درمرئی یا فرابنفش نزدیک، در نقطه ای روی محل عبور عرضی فواره محلول رنگینه، که نوعاً غلظتی در حدود 10 تا mol 10 دارد، متمرکز می شود. معمولاً حلال رنگینه بر پایه اتیلن گلیکول است که گرانروی مطلوبی برای برقراری یک جریان فواره ای تخت مناسب برای کارهای اپتیکی ایجاد میکند.
نشر فلوئورسان از فواره رنگینه، با قرار دادن دو آینه انتهایی حفره در هر دو سمت فواره برانگیخته می شود. با وجود این، در این مرحله است که خواص منحصر به فرد لیزر رنگینه ای آشکار می شود. چون فلوئورسانی در گستره ای از طول موجها رخ می دهد، نشر تکفام لیزر را تنها می توان با قرار دادن ابزار اپتیکی پاشنده اضافی مانند توری پراش یا سنجه در درون حفره به دست آورد. بدیهی است که با چرخش این عنصر، طول موجهای تقویت شده در لیزر رنگینه ای تغییر می کند، بدین ترتیب نشر کوک پذیر به دست می آید. برای مثال، لیزر رنگینه ای بر پایه محلول رودآمینG6 در متانول، به طور پیوسته در گستره 570 تا nm 660 کوک پذیر است. گستره کامل لیزرهای رنگینه ای موجود در بازار، به طور کامل گستره nm 200 تا mm 1 را می پوشانند، در شکل 3. 5 منحنی کوک برخی از لیزرهای رنگینه ای مهم ارائه شده است. در کتاب مائدا می توان به فهرست جامعی از لیزرهای رنگینه ای و گستره های کوک دست یافت.
کارایی یک لیزر رنگینه ای اغلب در حدود 5% است و توان خروجی اصولاً به منبع تابش دمش بستگی دارد. برای خروجی CW وسیله دمش متداول، لیزر یون گاز بی اثر است، سایر دمشهای لیزری مانند لیزرهای نیتروژن، اکسی پلکس یا لیزر حالت جامد یون فلز واسطه، یا حتی لامپهای درخشی زنون، که به طور عادی به کار می روند معمولاً‌ باعث ایجاد خروجی تپی می شوند. با استفاده از دمش خاصل از هماهنگی یک لیزر Nd بالاترین توانها قابل حصول است. لیزرهای رنگینه ای CW پهنای خطی درگستره 10 تا GHz 20 ( در حدود cm 5/0 ) نشر می کنند، هر چند با ابزار اپتیکی مناسب می توان این مقدار را تا حدود GHz 1 کاهش داد. ترکیب پهنای خط باریک، پایداری خوب فرکانس و کوک پذیری، ویژگی مطلوبی به ویژه برای بسیاری از کاربردهای طیف بینی به شمار می رود. یک عیب لیزر رنگینه ای آن است که در مقایسه با لیزر گازی پایداری کمتری در دامنه دارد، به طوری که روشهای طیف بینی غیر مستقیم مانند فلوئورسانی یا اثر فوتوآکوستیکی، اغلب مناسبترین کاربردهای آن هستند.
تغییری جالب در مفهوم لیزر رنگینه ای، لیزر رنگینه ای حلقه ای است که در آن تابش لیزر به جای حرکت رفت وبرگشتی ساده بین دو آینه، دور ساعت و خلاف آن حرکت می کنند حضور داشته باشند، معمولاً فرکانس آنها یکسان است. با این حال، هرگونه چرخاندن خود لیزر، باعث ایجاد اختلاف کوچکی بین این دو فرکانس می شود و از آشکار سازی این اختلاف می توان به عنوان مبنایی برای اندازه گیری بسیار دقیق چرخش استفاده کرد، در واقع این طرز کار ژیروسکوپ لیزر حلقه ای است. در روش دیگر، یک عنصر اپتیکی را که تا حدی شبیه به همتای اپتیکی دیود الکترونیکی کارمی کند، می توان برای گزینش راستای خاصی از انتشار ( جهت ساعت یا خلاف آن ) درون حفره قرار داد. در این مورد پهنای خط نشر لیزر حلقه ای، نوعاً دست کم ده مرتبه کمتر از مقدار مربوط به یک لیزر رنگینه ای است، اما در موارد با پایداری فعال بهینه، پهنای خط ممکن است به کمتر از c m 10 × 4 برسد.

[*میترا*]

لیزر الکترون آزاد:
آخرین نوع لیزر که بدان می پردازیم، با تمام انواعی که تا به حال بررسی کردیم تفاوت اساسی دارد. 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. الکترونهای پرانرژی در کسر قابل ملاحظه ای از سرعت نور حرکت می کنند که می توان آن را با پارامتر f مشخص کرد، این پارامتر نمایانگر نسبت انرژی کل نسبیتی به انرژی جرم در حال سکون آنهاست. اگر فاصله آهنرباها را با d نشان دهیم، آنگاه طول موج نشر لیزر توسط فرمول ساده زیر به دست می آید:
l= d/2 f
چون انرژی الکترونهای خروجی از شتابدهنده می تواند به طور پیوسته تغییر کند، باز هم لیزری با توانایی کوک پذیری خواهیم داشت.
با وجود این برخلاف لیزر رنگینه ای، در اصل هیچ محدودیتی در کوک پذیری در گستره زیر قرمز، مرئی و فرابنفش طیف الکترومغناطیسی وجود ندارد. به علاوه، این نوع لیزر قادر به ایجاد توانهای متوسط زیاد و کارایی معقولی است. برای مثال وسیله ای در آزمایشگاه پژوهشی نیروی دریایی امریکا، قادر است تپهای MW 75 تابش mm 4 را با کارایی تقریباً 6% ایجاد کند. با این حال، به طور معمول کارایی نورمرئی و فرابنفش به مراتب کمتر است و تلاشهای پژوهشی زیادی در راستای حل این مسئله در حال انجام است.نه تنها از لحاظ نیازمندیهای توان بالا و حجم زیاد یک شتاب دهنده الکترون مناسب بلکه به دلایل بسیاری، لیزر الکترون آزاد به طور تجاری تولید نمی شود و احتمالاً‌ در این ایام جزء ابزار پژوهشی بسیار تخصصی باقی خواهد ماند. با وجود این، در کاربردهایی که تابش کوک پذیر در توانهای خیلی زیاد مورد نیاز است، لیزر الکترون آزاد کارایی خود را به اثبات خواهد رساند.

[*میترا*]

لیزرهای برطرف کننده موهای زاید
استفاده از لیزر در برطرف ساختن موهای زاید روشی ایمن، سریع و راحت است که بوسیله سازمان غذا و دارو ( fda ) تایید شده است.
به طور کلی روشهایی که برای برطرف کردن موهای زاید استفاده می شوند عبارتند از :
1- روشهای مکانیکی که تنها نتایج موقت دارند. این روشها عبارتند از تراشیدن، استفاده از کرمها و اپیلاسیون. این روشها مو را از بین میبرند ولی فولیکولهای مو را بر جا می گذارند و لذا موها طی یک تا چند هفته بعد مجدداً‌ رشد خواهند کرد.
2- الکترولیز روشی است که با استفاده از الکتریسیته موها را به مدت طولانی از بین می برد. در این روش یک سوزن در داخل هر کدام از فولیکولها قرار می گیرد و با استفاده از الکتریسیته آن را از بین می برد. این روش دردناک ، زمان بر و گران است. استفاده از آن می تواند باعث التهاب فولیکولها، عفونت و یا ایجاد اسکار شود. برای موفقیت این روش درمانهای متعدد مورد نیاز است.
3- روش دیگر استفاده از لیزرهای پزشکی است که به صورت موثر فولیکولهای مو را با استفاده از نور لیزر از بین می برند. دراین روش بدون آسیب رساندن به پوست ناحیه مورد نظر فولیکولهای مو را از بین می برند. این روش ایمن، سریع و موثر است و در ضمن بسیار راحت می باشد.
مکانیسم این روش به این صورت است که نور تابیده شده از لیزر توسط ملانین موجود در فولیکولهای مو جذب می شود. در این روش از پالسهای بسیار کوتاه لیزر ( در حدود 0.003 s ) استفاده می شود که فولیکولهای مو را از بین برده ولی باعث افزایش دمای پوست اطراف نمی شود.
نور لیزر استفاده شده باعث سوختگی پوست نخواهد شد. فولیکولهای مو بهترین پاسخ به درمان لیزر را وقتی می دهند که در فاز فعال باشند. همواره 50 تا 85% فولیکولها درفاز فعالند لذا چند هفته پس از درمان کمی مو در ناحیه مورد نظر رشد خواهد کرد. ولی موهای رشد کرده نرم تر، روشن تر و نازک تر خواهند بود. درمان را با فواصل 4 تا 8 هفته ای ادامه میدهیم و 3 تا 5جلسه درمان مورد نیاز است که البته در برخی بیماران جلسات بیشتری مورد نیاز است.
این روش درمانی روش ایمنی است. در افرادی که دارای پوست تیره یا برنزه میباشند استفاده از لیزر ممکن است باعث تیره شدن یا روشن شدن موقت پوست شود. این حالت درحدود 3 تا 6 هفته باقی خواهد ماند. در برخی موارد این حالت شدید 3 تا 6 ماه باقی باشد. در برخی افراد واکنشی درپوست مشابه آفتاب سوختگی ایجاد می شود. گاهی نیز پوست کمی روشن تر می شود. استفاده از لیزر باعث ایجاد سرطان پوست نخواهد شد. لیزر باعث ایجاد آسیب به پوست نخواهد شد. دراین روش تنها نور به صورت تابیده می شود. هیچ گونه خونریزی یا زخم بازی ایجاد نخواهد شد. سیستم خنک کننده باعث کاهش هرگونه ناراحتی خواهد شد. برای نواحی که حساسیت بیشتری وجود دارد می توان از یک کرم بی حس کننده استفاده کرد. البته بیشتر بیماران بدون استفاده از این کرم نیز روش درمان را بسیار راحت ارزیابی می کنند.
پاسخ به این روش طولانی مدت خواهد بود ولی همیشگی بودن آن را نمی توان تضمین کرد و قطعیت آن برای چند سالی باقی است. تحقیقات نشان داده اند که نتیجه خوبی از درمان برای بیشتر از 2 سال به دست خواهد آمد.
آمادگی که برای این آزمون مورد نیاز است با یک مشاوره آغاز می شود. نوع پوست و موی بیمار باید مشخص شود. همینطور سابقه پزشکی ازنظر تاریخچه بیماریهای پوستی، داروهای مورد استفاده، زخمهای باقی مانده و 000 باید بررسی شود. در بعضی بیماران نیاز به تست اولیه داریم تا بهترین نوع لیزر برای پوست آنها مشخص شود. دراین تست ناحیه کوچکی از پوست را با ستهای مختلف لیزر درمان کرده و به مدت یک هفته آن را بررسی می کنند و سپس بهترین نوع لیز را انتخاب می نمایند.
بعد از انجام این درمان پوست کمی سرخ خواهد شد ( مشابه آفتاب سوختگی خفیف ) این حالت تنها چند ساعت تا نهایتاً یک روز باقی خواهد ماند. لیزر باعث بریده شدن پوست نخواهد شد و هیچگونه بانداژی انجام نمی گیرد. بسیاری از مردم بلافاصله به فعالیتهای عادی زندگی خود باز میگردند.