مواد پیرامون ما از واحدهای ریزی به نام اتم‌ها تشکیل شده‌اند. اتم‌ها، خود از اجزایی شامل الکترون‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها ساخته شده‌اند. در این میان پروتون‌ها دارای بار الکتریکی مثبت، الکترون‌ها منفی و نوترون‌ها فاقد بار الکتریکی هستند. نوترون‌ها و پروتون‌ها که اجزای سنگین‌تری نسبت به الکترون‌ها هستند، هسته اتم‌ها را تشکیل می‌دهند. بنابراین هسته اتم‌ها بار الکتریکی مثبت دارد. نیروی جاذبه کولنی بین هسته و الکترون‌ها، آن‌ها را پیرامون هسته نگه می‌دارد. الکترون‌ها در فضای پیرامون هسته با سرعت بسیار بالایی در حال حرکت هستند.

بر اساس فیزیک کوانتومی، الکترون‌های موجود در اتم، تنها مجازند سرعت‌های خاصی داشته باشند. هر یک از این سرعت‌ها، بیانگر یک انرژی خاص است. به بیان دیگر، الکترون‌ها مجازند انرژی‌های خاصی در اتم داشته باشند. این انرژی‌ها در اصطلاح، ترازهای انرژی نامیده می‌شوند. هر تراز انرژی تعداد محدودی الکترون را می‌تواند در خود جای دهد. یک اتم تعداد بی‌شماری تراز انرژی دارد. در دمای صفر مطلق (273- درجه سانتی‌گراد) الکترون‌های یک اتم از پایین به بالا ترازهای انرژی را اشغال می‌کنند. به‌عنوان مثال اولین تراز انرژی دو الکترون و تراز دوم هشت الکترون ظرفیت دارد. بنابراین اگر اتمی با شش الکترون در دمای صفر مطلق داشته باشیم، دو الکترون در تراز اول و شش الکترون در تراز دوم قرار می‌گیرند و مابقی ترازها اشغال نشده باقی می‌مانند(شکل زیر).

الکترون‌های موجود در هر تراز، معادل آن تراز انرژی دارند. یعنی دو الکترون قرار گرفته در تراز انرژی اول انرژی \(E_1\) و شش الکترون قرار گرفته در تراز انرژی دوم انرژی \(E_2\) دارند. در این میان، مطابق فیزیک کوانتومی، هیچ الکترونی مجاز نیست انرژی ای مابین این دو مقدار داشته باشد.

برای تشکیل موادی که ما در طبیعت می‌شناسیم، اتم‌های بسیاری در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. وقتی هسته اتم‌ها در کنار یکدیگر قرار گرفت، الکترون‌ها علاوه بر هسته اتم مربوط به خود، اثرات هسته اتم‌های مجاور را نیز دریافت می‌کنند. هر یک از این اتم‌ها تراز‌های انرژی مشابه یکدیگر دارند. اثرات اتم‌های مجاور، تراز‌های انرژی را جابه‌جا می‌کنند به شکلی که در نهایت می‌توان تراز‌های انرژی کل ماده تشکیل شده را به شکل مجموع ترازهای کل اتم‌های تشکیل دهنده ماده شناسایی نمود. درنتیجه، در ماده ماکروسکوپی تشکیل شده، تعداد ترازهای انرژی به اندازه غیرقابل شمارشی زیاد می‌باشد.

بسیاری از این ترازها در نزدیکی یکدیگر قرار دارند به طوری که الکترون‌هایی که در آنها قرار می‌گیرند را می‌توان تقریبا هم انرژی تصور کرد. به مجموعه این ترازهای انرژی، نوار‌های انرژی گفته می‌شود. ظرفیت هر نوار انرژی به مراتب بیشتر از تراز انرژی است (شکل زیر).

در دمای صفر مطلق، الکترون‌ها نوارهای انرژی را از پایین‌ترین نوار به سمت بالا اشغال می‌کنند. در بین نوارهای انرژی فواصلی وجود دارد که انرژی هیچ الکترونی مجاز نیست در آن محدوده قرار بگیرد. به آخرین نواری که توسط الکترون‌ها اشغال شده نوار ظرفیت و به اولین نوار انرژی خالی نوار رسانش گفته می‌شود.

اگر بخواهیم الکترونی در نوار انرژی پایین‌تر را به نوار انرژی بالاتر منتقل کنیم، باید به آن الکترون انرژی بدهیم. البته این انرژی نمی‌تواند هر مقداری باشد. تنها در صورتی الکترون به یک نوار بالاتر منتقل می‌شود که با دریافت انرژی، انرژی نهایی‌اش دقیقا برابر با انرژی نوار مقصد بشود. این‌کار، یعنی انرژی دادن به الکترون، برانگیخته کردن الکترون نامیده می‌شود. به‌عنوان مثال در شکل بالا، تنها درصورتی‌که الکترون قرار گرفته در نوار اول با انرژی\(E_1\) معادل \((E_3-E_1)\) انرژی دریافت کند می‌تواند به نوار سوم با انرژی\(E_3\) منتقل شود. از سوی دیگر، تنها در صورتی که یک الکترون در نوار سوم به اندازه \((E_3-E_1)\) انرژی از دست بدهد می‌تواند به نوار اول منتقل شود. به انتقال یک الکترون از یک نوار به نوار دیگر اصطلاحا گذار الکترون گفته می‌شود.

یکی از عواملی که می‌تواند گذار الکترون‌ها به نوارهای بالایی را تامین کند گرماست. فرض کنید انرژی الکترون در یک نوار \(E_1\) باشد و به اندازه Q انرژی گرمایی دریافت کند. در صورتی که\(Q=(E_2-E_1)\) باشد، الکترون برانگیخته شده و گذاری به نوار \(E_2\) انجام می‌دهد. از طرف دیگر، اگر\( Q=(E_3-E_1)\) باشد، این گذار از نوار \(E_1\) به \(E_3\) اتفاق می‌افتد. درنهایت اگر انرژی الکترون با دریافت انرژی گرمایی Q، برابر با انرژی هیچ کدام از نوارهای انرژی مجاز نباشد، گذاری رخ نخواهد داد.

گذار به نوارهای انرژی بالایی را می‌توان به‌کمک نور هم انجام داد. نور یک موج الکترومغناطیسی است. انرژی امواج با واحد فوتون اندازه‌گیری می‌شود. یک فوتون نور که دارای انرژی الکترومغناطیسی است، می‌تواند وارد یک ماده شده و توسط یک الکترون جذب شود. بنابراین انرژی الکترون افزایش پیدا می‌کند. اگر انرژی نهایی الکترون به اندازه یکی از نوارهای مجاز انرژی باشد، الکترون قادر است به این نوار انرژی گذاری انجام دهد و در غیر این صورت فوتون جذب الکترون نمی‌شود. به این فرایند، جذب فوتون گفته می‌شود(شکل زیر).

گذار الکترون به نوارهای پایین‌تر نیز ممکن است اتفاق بیافتد. اگر الکترونی که در نوار انرژی \(E_2\) قرار دارد، به اندازه \((E_2-E_1)\) انرژی از دست بدهد، می‌تواند به نوار \(E_1\) منتقل شود. بر اساس اصل پایستگی انرژی، انرژی‌ای که الکترون از دست می‌دهد به صورت فوتون نوری از ماده خارج می‌شود. به این فرایند، گسیل فوتون گفته می‌شود (شکل زیر). اگر فوتون گسیل شده طول موجی در بازه نور مرئی داشته باشد، می‌توان آن را با چشم مشاهده کرد.

منبع نور غیرهمدوس

همان‌طور که پیش از این گفته شد، الکترون‌های موجود در مواد می‌توانند با دریافت انرژی گرمایی برانگیخته شده به نوارهای انرژی بالاتر منتقل شوند. این برانگیختگی‌ها معمولا ناپایدارند و الکترون پس از گذشت مدت زمان کوتاهی با از دست دادن انرژی به شکل گسیل فوتونی، به نوار پایین‌تر باز می‌گردد. در شرایط عادی، الکترون‌های نوارهای مختلف به شکل رندوم با گسیل فوتون به نوارهای پایین‌تر گذار می‌کنند.

دو نمونه از این گذارها را در شکل زیر می‌توان دید. فرض کنید دو الکترون در یک ماده ابتدا در ترازهای \(E_2 و E_3\) قرار داشته باشند. در زمان\(t_1\) گذاری به شکل 3→2 اتفاق می‌افتد و فوتونی با انرژی \((E_3-E_2)\) گسیل می‌شود. در زمان \(t_2\) گذار دیگری به صورت 2→1 انجام می‌گیرد و در نتیجه فوتونی با انرژی \((E_2-E_1)\) گسیل می‌شود. این دو فوتون گسیل شده نه از نظر انرژی و نه زمانی ارتباط و وابستگی به یکدیگر ندارند و اصطلاحا غیرهمدوس نامیده می‌شوند.

منبع نور همدوس

در منبع نور همدوس، فوتون‌های گسیل شده از ماده در ارتباط و وابسته به دیگر فوتون‌ها هستند. همدوسی به دو دسته فضایی و زمانی تقسیم می‌شود. همدوسی زمانی یعنی فوتونی که در یک زمانی گسیل شده باشد با فوتونی که در زمانی قبل‌تر گسیل شده در ارتباط باشد. در همدوسی فضایی دو فوتون که در فاصله معینی از یکدیگر گسیل شده‌اند، به یکدیگر وابسته هستند. برای اینکه این وابستگی بهتر درک شود، در ادامه اساس کار لیزر را به عنوان یک منبع نوری همدوس توضیح می‌دهیم.

در حالت عادی بیشتر الکترون‌های ماده در حالت پایه قرار گرفته‌اند و درصد کمی از الکترون‌ها در نوارهای برانگیخته قرار دارند. الکترون‌های برانگیخته قرار گرفته در نوار برانگیخته پس از گذشت زمان محدودی و یا به کمک یک تحریک خارجی، با گسیل فوتون به نوار پایه باز می‌گردنند.

تصور کنید یک الکترون در نوار برانگیخته قرار گرفته باشد. اگر فوتونی با انرژی دقیقا \((E_2-E_1)\) به ماده تابیده شود الکترون قرار گرفته در نوار \(E_2\) تحریک می‌شود. به‌دلیل ناپایداری این وضعیت، الکترون به نوار پایه گذار می‌کند و فوتونی با انرژی \((E_2-E_1)\) گسیل می‌کند. این فوتون گسیلی که با فوتون ورودی به ماده کاملا مشابه هستند، در اصطلاح همدوس نامیده می‌شوند (شکل زیر). برای داشتن یک منبع نور همدوس مانند لیزر به تعداد بسیار زیادی فوتون همدوس نیاز داریم.

برای ساخت لیزر، ابتدا می‌بایست درصد بالایی از الکترون‌های برانگیخته شده به نوار رسانش منتقل شوند (شکل زیر).

در این شرایط اگر فوتونی با انرژی \((E_2-E_1)\) به ماده تابانده شود، یک الکترون را تحریک می‌کند. این الکترون با گذار به نوار برانگیخته، فوتونی با انرژی \((E_2-E_1)\) گسیل می‌کند. این فوتون به همراه فوتون ورودی در ادامه می‌توانند با تحریک دو الکترون دیگر باعث گسیل دو فوتون جدید شوند.

فوتون‌های گسیل شده در ادامه الکترون‌های بیشتری را تحریک می‌کنند و بنابراین در نهایت تعداد بسیار زیادی فوتون کاملا هم انرژی و هم راستا از ماده خارج می‌شوند (شکل زیر). این فرایند اساس کار لیزرهاست.

پرتو لیزر در مقایسه با دیگر منابع نوری ویژگی‌های منحصر به فردی دارد:

• حساسیت تکفام بودن: به‌این معنی که تمام فوتون‌های خروجی از لیزر هم‌ انرژی و درنتیجه هم ‌طول‌موج و تک‌رنگ هستند.
• همدوس بودن: مانند سربازانی که در یک رژه قرار دارند، فوتون‌های خروجی از لیزر کاملا با یکدیگر هماهنگ هستند.
• جهت‌دار بودن: یک لامپ رشته‌ای در تمام جهات نور گسیل می‌کند درصورتی‌که پرتو لیزر متمرکز و جهت‌دار است.

همین ویژگی‌هاست که کاربردهای فراوانی را در صنعت و پزشکی برای لیزر بوجود آورده که قبل از ساخت آن، امکان‌پذیر نبود.

برخی کاربردهای لیزر عبارتند از: برش کاری، پزشکی، انتقال اطلاعات، صنایع دفاعی و ...

انواع لیزرها

لیزرهای حالت جامد

این لیزرها از یک محیط جامد یا بلوری تشکیل شده‌اند که یک حلقه فلش لامپ به‌منظور برانگیخته کردن الکترون‌ها دور تا دور آن پیچیده شده‌است. برای تولید فوتون‌هایی با طول موج خاص، ناخالصی‌های خاصی به ماده حالت جامد افزوده می‌شود. این لیزرها معمولا در کاربردهای نظامی یا سوراخکاری فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرند

لیزرهای گازی

ماده مورد استفاده در این لیزرها عموما هلیوم یا هلیوم-نئون است و رنگ قرمز شناخته شده لیزرها را تولید می‌کنند. در میان لیزرهای گازی، لیزرهای \(CO_2\) هم هستند که پرتوی مادون قرمز تولید می‌کنند. این لیزرهای پرتوان معمولا در برش‌زنی و جوشکاری کاربرد دارند.

لیزرهای رنگدانه‌ای

ماده اصلی این لیزرها را رنگدانه‌های قرار گرفته در یک مایع تشکیل می‌دهند. الکترون‌ها به کمک یک لامپ قوس الکتریکی، فلش لامپ و یا بوسیله یک لیزر دیگر برانگیخته می‌شوند. برخلاف لیزرهای گازی و حالت جامد، لیزرهای رنگدانه‌ای قادرند طیف وسیعی از پرتوها با فرکانس‌های گوناگون را تولید کنند و بنابراین کاربردهای وسیعی دارند.

لیزرهای نیم‌رسانا

این لیزرها هزینه تولید پایینی دارند و در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی از پرینترهای لیزری گرفته تا بارکدخوان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. از آن‌جایی که این لیزرها از یک LED برای تولید پرتو تکفام استفاده می‌کنند، با نام دیودهای لیزری هم شناخته می‌شوند.

لیزرها را می‌توان با توجه به ماده مورد استفاده برای گسیل پرتو و همچنین طول موج پرتو خروجی نیز دسته بندی کرد. شناخته شده‌ترین لیزرها و طول موج‌هایشان در جدول زیر نشان داده شده‌اند.

با توجه به میزان آسیب‌رسانی زیستی، لیزرها را می‌توان در یک کلاس دیگر طبقه بندی کرد. این طبقه بندی را می‌توان روی بسته بندی لیزرها مشاهده نمود.

• کلاس I : این دسته لیزرهایی هستند که به عنوان غیر آسیب‌زای زیستی شناخته می‌شوند.
• کلاس II : این دسته لیزرها، از لیزرهای کلاس I قوی‌تر هستند اما توان تشعشعی پایین تر از1 mWدارند. این لیزرها برای استفاده انسان امن شناخته می‌شوند.
• کلاس III : توان کاری این لیزرها در بازه1-5 mW است و در صورتی که به پرتو لیزر مستقیما نگاه شود خطرناک هستند.
• کلاس IV : این لیزرها توان‌های بالاتر از500 mW را شامل می‌شوند. هر نوع نگاه کردن به پرتو این لیزرها آسیب‌زا است. درصورت تابش مستقیم می‌تواند به آسیب پوستی بیانجامد و درصورتی‌که با تجهیزات کنترل شده ایمن سازی نشود، امکان آتش سوزی هم وجود دارد.

ساختمان لیزر

ساختمان لیزر از سه بخش اساسی تشکیل شده است. هر نوع لیزری از یک لیزر گازی بزرگ گرفته تا لیزرهای نیمرسانای کوچک شامل این سه بخش اصلی هستند (شکل زیر).

• ابتدا به تعداد زیادی اتم در یک محیط مادی نیاز داریم. این محیط می‌تواند جامد، مایع و یا گاز باشد(محیط فعال).
• در ادامه به محرکی نیاز داریم که بتواند برانگیخته کردن اتم‌ها را برعهده گیرد. این محرک می‌تواند یک فلش لامپ و یا حتی یک لیزر دیگر باشد(پمپ).
• در نهایت به یک آینه نیاز داریم تا فوتون‌های گسیل شده را در یک مسیر رفت و برگشتی بازتاب دهد تا هر فوتون بتواند تعداد بیشتری الکترون را تحریک کرده و در نهایت فوتون‌های بیشتری گسیل شوند(کاواک).

کمیت‌های مختلف در فیزیک را می‌توان به دو صورت آنالوگ یا دیجیتال اندازه گیری کرد. آنالوگ یا دیجیتال بودن یک کمیت ارتباطی به ماهیت آن کمیت نداشته و به روش اندازه‌گیری ما باز می‌گردد. برای روشن شدن تفاوت روش اندازه‌گیری در این دو روش، یک مثال ساده می‌زنیم: فرض کنید طنابی به طول یک متر داریم. مورچه‌ای از یک سر طناب به‌سمت انتهای دیگر آن شروع به حرکت می‌کند. موقعیت مکانی مورچه را در هر لحظه به دو روش اندازه گیری می‌کنیم.

روش اول: در این روش موقعیت مورچه را به کمک یک خط‌کش و با محاسبه فاصله آن از مبدا اندازه گیری می‌کنیم. مثلا می‌گوییم مورچه در موقعیت 30 سانتی‌متری، 30.1 سانتی‌متری و ... است. دقت اندازه‌گیری ما در این روش به دقت خط کش مورد استفاده بستگی دارد.

روش دوم: در این روش فواصل مختلف طناب را علامت گذاری کرده، طناب را به مثلا ده قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم. قسمت‌ها را به ترتیب از صفر تا نه نامگذاری می‌کنیم. موقعیت مورچه را با شماره خانه‌ای که در هر لحظه در آن قرار گرفته گزارش می‌کنیم. مثلا می‌گوییم مورچه در خانه شماره چهار قرار دارد. دقت اندازه گیری در این روش به تعداد قسمت‌های ایجاد شده در طناب بستگی دارد.

موج عبارت است از ایجاد نوسانات در یک محیط. اگر نوسانات در محیط منتشر شوند، در اصطلاح موج رونده نامیده می‌شوند و در غیر این صورت موج ایستا نام دارند. امواج رونده می‌توانند بسته به نوع آن‌ها در محیط‌های مادی یا غیرمادی منتشر شوند.

موج مکانیکی نوسانات نقاط مختلف یک محیط مادی است. وقتی سنگی درون آب راکد می‌افتد، پستی و بلندی‌های متحرکی در سطح آب مشاهده می‌شوند. این پستی و بلندی‌ها یک موج مکانیکی هستند. وقتی یک انتهای طنابی را به شکل مداوم بالا و پایین می‌کنیم، یک موج مکانیکی در آن منتشر می‌شود. صوت هم نوعی موج مکانیکی است. چرا که صوت عبارتست از نوسانات منتشر شونده مولکول‌های محیط. صوت برای انتشار به محیط مادی نیاز دارد.

امواج مختلف فارغ از ماهیتی که دارند توسط یک دسته پارامتر مشخصه بندی می‌شوند. این پارامترها شامل فرکانس، دوره، طول موج و دامنه هستند. برای درک ویژگی این پارارمترها، طناب را مثال میزنیم. فرض کنید سر دو طناب یکسان را با آهنگ یکسان بالا و پایین ببریم. با این تفاوت که میزان جابه‌جایی یکی از این طناب‌ها در هر بالا و پایین آمدن، دو برابر دیگری باشد. شکل دو طناب را در زیر مشاهده می‌کنید. میزان بیشترین جابه‌جایی را در طناب دامنه موج آن می‌نامیم. همان طور که در شکل زیر مشخص است، دامنه موج ایجاد شده در طناب دوم بیشتر از طناب اول است.

در ادامه همان دو طناب را در نظر بگیرید. این بار میزان جابه‌جایی طناب‌ها برابر است اما طناب دوم را با سرعتی بیشتر از طناب اول بالا و پایین می‌بریم. سرعت بالا و پایین کردن طناب معرف پارامتر بسامد یا فرکانس در موج ایجاد شده است. در این شرایط فرکانس موج ایجاد شده در طناب دوم، بیشتر از فرکانس موج ایجاد شده در طناب اول است (شکل زیر). هرچه سرعت بالا و پایین کردن بیشتر باشد، فاصله قله‌های ایجاد شده در طول طناب کمتر می‌شود. به این فاصله طول موج گفته می‌شود.

نور هم نوعی موج است. موجی که برای انتشار نیازی به محیط مادی ندارد. نور عبارت است از نوسانات در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی. این میدان‌ها خاصیتی در فضا هستند. یعنی اگر در فضایی میدان الکتریکی وجود داشته باشد و یک بار الکتریکی در آن محیط قرار بگیرد، به آن بار نیروی الکتریکی وارد می‌شود. به همین شکل اگر در فضایی میدان مغناطیسی وجود داشته باشد و یک دوقطبی مغناطیسی را در آن فضا قرار دهیم، به آن دوقطبی نیروی مغناطیسی وارد می‌شود. از آنجایی که این میدان‌ها ماده نیستند و از مولکول‌ها تشکیل نشده‌اند، نور می‌تواند در خلاء هم منتشر شود. به همین دلیل نوری که از خورشید ساطع می‌شود، با عبور از فضای نسبتا تهی میان سیاره‌ای به ما می‌رسد.

در اصطلاح فیزیک، نور یک موج الکترومغناطیسی است. امواج الکترومغناطیسی گستره‌ای از امواج را در بر می‌گیرد. نور مرئی و امواج رادیویی دسته‌هایی از این امواج هستند. امواج الکترومغناطیسی بر اساس فرکانس یا طول موج به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند (شکل زیر).

انتقال اطلاعات به کمک امواج الکترومغناطیسی

همان‎‌طور که پیش از این گفته شد، فرکانس و دامنه از مشخصه‌های اصلی امواج هستند. برای انتقال اطلاعات به کمک امواج الکترومغناطیسی می‌توان از این مشخصه‌ها سود جست. به این کار مدولاسیون گفته می‌شود. در مدولاسیون، یک سیگنال یا موج حامل داریم که دامنه و فرکانس مشخصی دارد. سیگنالی که می‌خواهیم انتقال دهیم روی موج حامل، تغییراتی ایجاد و فرستنده آن را ارسال می‌کند. در بخش گیرنده، سیگنال حامل از موج دریافتی حذف می‌شود و آنچه باقی می‌ماند سیگنال حاوی اطلاعات است.

مدولاسیون دامنه (AM)

در این روش سیگنال اطلاعات روی دامنه موج حامل اثر می‌گذارد و آن را تغییر می‌دهد (شکل زیر).

مدولاسیون فرکانس (FM)

در این روش سیگنال اطلاعات روی فرکانس موج حامل اثر می‌گذارد و آن را تغییر می‌دهد (شکل زیر).