لیزر حالت جامد چیست؟

لیزرها انقلابی در دنیای علم و فناوری ایجاد کرده‌اند و با تابش نور منحصر به فرد خود، کاربردهای فراوانی در زمینه‌های مختلف یافته‌اند. در میان انواع مختلف لیزر، لیزرهای حالت جامد به دلیل مزایای متعدد، جایگاه ویژه‌ای دارند و در حال حاضر، در بسیاری از صنایع و تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

لیزر چیست؟

لیزر مخفف عبارت “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” به معنای “تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش” است. لیزرها، نوعی از نور هستند که با جهت‌دار، تک‌رنگ و هم‌فاز بودن خود، از سایر منابع نوری متمایز می‌شوند.
در لیزر، از یک ماده فعال (مانند گاز، مایع یا جامد) برای تولید نور استفاده می‌شود. این ماده فعال، با دریافت انرژی (مانند نور یا جریان الکتریکی) به حالت برانگیخته در می‌آید و سپس فوتون‌هایی با طول موج و فرکانس یکسان ساطع می‌کند. این فوتون‌ها، با برخورد به سایر اتم‌های ماده فعال، آنها را نیز برانگیخته می‌کنند و به این ترتیب، تعداد فوتون‌ها به طور تصاعدی افزایش می‌یابد.

دو آینه در دو طرف ماده فعال قرار دارند که نور را به طور متعدد بین خود منعکس می‌کنند و در نهایت، لیزری با شدت و کیفیت بالا از لیزر خارج می‌شود.

منبع تصویرscience4fun

لیرز حالت جامد چیست؟

لیزر حالت جامد Solid State Laser، نوعی لیزر است که از یک محیط فعال جامد برای تولید نور لیزر استفاده می‌کند. برخلاف لیزرهای گازی و مایع، در لیزرهای حالت جامد، ماده فعال، به جای گاز یا مایع، یک بلور یا شیشه است. این ماده، با دوپ شدن با اتم‌های خاص، به گونه‌ای تنظیم می‌شود که بتواند نور لیزر را با طول موج و فرکانس مشخص تولید کند.

در این فرآیند، مقدار کمی از اتم‌های ناخالصی (اتم‌های دوپ کننده) به طور کنترل شده به شبکه بلوری ماده فعال اضافه می‌شود. این اتم‌های ناخالصی، جایگزین برخی از اتم‌های میزبان در شبکه بلوری می‌شوند و ساختار جدیدی ایجاد می‌کنند.

اتم‌های دوپ کننده، سطوح انرژی جدیدی در ساختار باند ماده فعال ایجاد می‌کنند. این سطوح انرژی، با سطوح انرژی اتم‌های میزبان متفاوت هستند و به همین دلیل، می‌توانند نور را با طول موج و فرکانس مشخص جذب و ساطع کنند.

انواع لیزرهای حالت جامد

لیزرهای حالت جامد، به دلیل تنوع و کاربردهای گسترده‌شان، در دسته‌بندی‌های مختلفی قرار می‌گیرند. هر نوع با ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود، نقشی منحصر به فرد در صنایع مختلف ایفا می‌کند. در ادامه، به برخی از رایج‌ترین انواع لیزرهای حالت جامد و کاربردهایشان اشاره می‌کنیم:

1. لیزر YAG (Yttrium Aluminum Garnet):

• ماده فعال این لیزر، بلور YAG است که با یون‌های Nd (Neodymium) دوپ شده است.
• طول موج غالب این لیزر 1.06 میکرومتر است که در طیف مادون قرمز قرار می‌گیرد.
• به دلیل قدرت و کارایی بالا، در طیف وسیعی از کاربردها از جمله برش و حکاکی فلزات، جوشکاری، لیزر درمانی و لیزر پمپ برای لیزرهای فیبر نوری به کار می‌رود.
• لیزر YAG به دلیل ثبات و کیفیت پرتو بالا، در لیزرهای مارکینگ نیز جایگاه ویژه‌ای دارد.
• در پزشکی، از این لیزر برای لیزر درمانی پوست، از بین بردن رگ‌های خونی و لکه‌های قهوه‌ای استفاده می‌شود.

منبع تصویر LinkedIn

2. لیزر تیتانیوم یاقوت کبود (Ti:Sapphire):

• ماده فعال این لیزر، بلور تیتانیوم یاقوت کبود است که به دلیل ساختار خاص خود، قابلیت تنظیم طول موج را در طیف مادون قرمز نزدیک (700 تا 1000 نانومتر) دارا می‌باشد.
• این ویژگی منحصر به فرد، لیزر تیتانیوم یاقوت کبود را به ابزاری ایده‌آل برای تحقیقات علمی، اپتیک فوق سریع و طیف‌سنجی تبدیل کرده است.
• از این لیزر در لیتوگرافی نوری، میکروسکوپی دو فوتونی و اندازه‌گیری‌های دقیق زمانی نیز استفاده می‌شود.

3. لیزر فیبر نوری:

• در این نوع لیزر، از فیبرهای نوری به عنوان ماده فعال استفاده می‌شود. یون‌های مختلفی مانند Erbium و Ytterbium می‌توانند به فیبر نوری دوپ شوند و طول موج لیزر را تعیین کنند.
• لیزرهای فیبر نوری به دلیل مزایایی مانند کیفیت پرتو بالا، توان بالا، انعطاف‌پذیری و طول عمر طولانی در صنایع مختلف از جمله پردازش مواد، مخابرات فیبر نوری و پزشکی جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده‌اند.
• در جراحی چشم با لیزر، حکاکی لیزری و سنجش از راه دور از این نوع لیزر استفاده می‌شود.

4. لیزر Nd:Vanadate:

• این لیزر از بلورهای مختلفی مانند Nd:YVO4 و Nd:LSB به عنوان ماده فعال استفاده می‌کند.
• طول موج غالب این لیزر 1.064 و 1.34 میکرومتر است که در طیف مادون قرمز قرار می‌گیرد.
• به دلیل پایداری و کیفیت پرتو بالا، از این لیزر به عنوان لیزر پمپ برای لیزرهای فیبر نوری استفاده می‌شود.
• کاربردهای دیگر این لیزر شامل لیزر مارکینگ، لیزر پزشکی و لیزرهای با توان بالا می‌شود.

5. لیزر هولمیوم یاگ (Ho:YAG):

• ماده فعال این لیزر، بلور YAG است که با یون‌های هولمیوم (Ho) دوپ شده است.
• طول موج این لیزر 2.08 میکرومتر است که در طیف مادون قرمز قرار می‌گیرد.
• به دلیل قابلیت جذب بالا توسط آب، از این لیزر در پزشکی، به خصوص در دندانپزشکی و جراحی استفاده می‌شود.
• لیزر هولمیوم یاگ برای برداشتن بافت، انعقاد خون و لیزر درمانی کاربرد دارد.