نحوه کار لیزر فیزیک لیزر اتم ها دارای یک سری ترازهای انرژی هستند که الکترون ها مجازند تنها در این ترازهای به دور هستهی اتم بگردند. این ترازها تعیین کننده انرژی الکترون میباشند یعنی الکترون در هریک از این ترازها تنها مقدار مشخصی از انرژی را میتواند داشته باشد. هرگاه یک الکترون از ترازی به تراز دیگر منتقل شود (در اثر مکانیزم های مختلف) بر طبق قانون بقای انرژی، اگر انرژی تراز اول از تراز دوم بیشتر باشد لازم است الکترون اندکی از انرژی خود را که معادل اختلاف انرژی دو تراز است از دست بدهد و اگر انرژی تراز دوم از تراز اول بیشتر باشد لازم است انرژی معادل اختلاف انرژی دو تراز بگیرد. این دادن و یا گرفتن انرژی از راه های بسیار متفاوتی میسر میشود مانند انتقال انرژی به شبکهی ماده و یا انرژی حرارتی در گازها و یا از همه مهمتر انرژی نورانی. به اتمی که الکترون آن در تراز بالا قرار داشته باشد اتم برانگیخته و به اتمی که الکترون آن در پایینترین تراز قرار داشته باشد اتم در حالت پایه میگویند. بنابراین هرگاه یک الکترون از تراز بالا به تراز پایین فرو افتد انتظار داریم یک فوتون گسیل کند و برعکس اگر از تراز پایین به تراز بالا برود یک فوتون جذب میکند. فرو افت اتم از تراز بالا به تراز پایین به دو صورت رخ میدهد. یکی به صورت خود به خودی و دیگری به صورت القایی. گسیل خود به خودی عبارت است از فروافت اتم در ترازها بدون هیچ گونه برهم کنشی با فوتون. برای یک دسته از اتم ها گذار خود به خودی به صورت آماری رخ میدهد. نوع دیگر گذار، گذار القایی است که در آن با برخورد یک فوتون با اتم برانگیخته، الکترون گذار انجام میدهد و یک فوتون علاوه بر فوتون اول گسیل میکند. شرط لازم این است که فوتون اول انرژی کاملا معادل با اختلاف انرژی دو تراز اتم داشته باشد. ویژگی این گذار این است که فوتون دوم از لحاظ انرژی، قطبش و راستای انتشار کاملا مشابه فوتون اول است. شکل ۱ نمایشی از گذار در اتم است. هنگامی که فرایند نشان داده شده در شکل به دفعات تکرار شود تعداد فوتونها به صورت تصاعدی زیاد میشود. یعنی ۱ فوتون به دو فوتون، دو فوتون به چهار فوتون و چهار فوتون به هشت فوتون و … تبدیل میشود که این امر به ایجاد یک شار فوتونی میانجامد. در لیزر با کنترل و تقویت این شار فوتونی باریکهی قدرتمندی پدید میآید که تمامی فوتونهای آن مشابه یکدیگر هستند. در فرایند توصیف شده برای اینکه یک فوتون باعث بروز یک گذار القایی و تولید دو فوتون شود لازم است که اتمی با یک الکترون در تراز برانگیخته داشته باشیم. برای برانگیخته نمودن یک اتم لازم است به آن انرژی منتقل کنیم.همانگونه که گفته شد یکی از راههای برانگیخته ساختن اتم اصابت یک فوتون با انرژی معادل اختلاف انرژی دو تراز است. پس در یک سیستم شامل تعداد زیادی اتم یک فوتون با انرژی E میتواند هم یک اتم در حالت پایه را به حالت برانگیخته منتقل کند و هم یک اتم بر انگیخته را وادار به گذار القایی و تولید دو فوتون نماید. بنابراین در یک سیستم در حال تعادل هم جذب فوتون و هم تولید فوتون داریم که در تعادل جذب و تولید یکسان میباشند. بنابراین در یک سیستم دو ترازی هرگز نمیتوان شار فوتونها را افزایش داد زیرا به همان میزان که فوتون تولید میشود به همان میزان نیز فوتون ها نابود میشوند. لیزرهای عملی تماما شامل بیش از دو تراز هستند( سه ترازی و چهار ترازی). لیزرهای سه ترازی: اولین لیزر ساخته شده (لیزر یاقوت) یک لیزر سه ترازی بود. در شکل زیر یک لیزر سه ترازی نمایش داده شده است. در شکل تراز بالا را تراز پمپاژ، تراز میانی را تراز بالای لیزر و تراز پایین را حالت پایه مینامند. در این سیستم اتمها در اثر پمپاژ از تراز پایه به تراز پمپاژ میروند. در تراز پمپاژ اتم ناپایدار است و به سرعت با ازدست دادن اندکی انرژی یه تراز بالا لیزر میروند و در انجا با برهمکنش با فوتون ها به تراز پایه فرو میافتند. همانگونه که مشاهده میشود انرژی فوتون هایی که اتم را برانگیخته میسازند با فرکانس خروجی لیزر که ناشی از گذار القایی است متفاوت است. بنابراین در چنین سیستمی میتوان انتظار تقویت داشت. نقص این سیستم در این است که تراز پایین لیزر همان حالت پایه است. بنابراین فوتون ها ممکن است جذب اتم های حالت پایه شده و آنها را به تراز بالای لیزر منتقل کنند که برای ما مطلوب نیست. از این رو مایل هستیم این اثر را به گونه این حذف کنیم. در این لیزر میزان فوتونهایی که به شاز خروجی افزوده میشود معادل اتمهایی است که از حالت پایه به به تراز پمپاژ پمپ میشوند و سپس به تراز بالای لیزر فرو میافتند. در این میان تعدادی از اتمهای منتقل شده به تراز پمپاژ به جای فرو افتادن به تراز بالای لیزر مستقیما به تراز پایه باز میگردند که نامطلوب است و در لیزر به عنوان اتلاف انرژی بروز میکند و بازده لیزر را کاهش میدهد. لیزرهای چهار ترازی: یک لیزر عملیاتی یک لیزر ۴ ترازی است که بازده به مراتب بالاتری نسبت به یک لیزر سه ترازی دارد. اغلب لیزرهای رایج چهار ترازی هستند. در شکل زیر نمایشی از ترازهای لیزر چنین لیزری آورده شده است. همانگونه که مشاهده می¬شود تفاوت این لیزر با لیزر ۳ ترازی در جدا بودن تراز پایه و تراز پایین لیزر است. به دلیل این جدایی اتم¬هایی که در اثر پمپاژ به تراز پمپاژ می¬روند در اثر پرتوی لیزری تولید شده توسط محیط فعال گذار القایی به حالت پایه انجام نمی¬دهند و همچنین اتم¬های تراز پایه در اثر پرتوی لیزری به تراز های دیگر منتقل نمی¬شوند که به اتلاف بیانجامد. لیزرهای معروفی چون لیزر Nd:YAG و CO2 از این دسته هستند. با دقت بیشتر درمی¬یابیم که فرکانس پمپاژ با فرکانس تولید شده توسط محیط فعال لیزر متفاوت است. این موضوع باعث عدم برهمکنش پرتوی پمپاژ با تراز¬های لیزری محیط فعال در پمپاژ اپتیکی می¬گردد که به پایداری هرچه بیشتر لیزر کمک می کند. پمپاژ پمپاژ یعنی بردن یک الکترون محیط فعال لیزر از تراز پایه به تراز پمپاژ توسط یک عامل تامین انرژی خارجی. در این میان بخشی از انرژی توسط گذارهای ارتعاشی از تراز پمپاژ به تراز بالای لیزر و همچنین از تراز پایین لیزر به تراز پایه تلف میشود. بنابراین به صورت تئوری نیز امکان بازده ۱۰۰% در لیزر نا ممکن است. این انرژی که به صورت گذار ارتعاشی از آن یاد شد به شکل گرما به محیط فعال منتقل میشود و باعث بالا رفتن دمای محیط فعال میگردد. بنابراین تمامی لیزرهای با توان بالا که درآنها خنکسازی توسط هوا کافی نیست نیاز به سیستم خنک سازی دارند. هنگامی که شروع به پمپاژ محیط فعال یک لیزر میکنیم اتمها از حالت پایه به حالت برانگیخته میروند. در مقابل مکانیزم پمپاژ که اتمها را به حالت برانگیخته میبرد مکانیزم هایی مانند گذار خود به خودی، گذار ارتعاشی و … هستند که اتم ها را از تراز بالای لیزر به تراز پایین یا دیگر ترازها منتقل میکنند. بسته به اینکه کدام یک از این دو فرایند غالب باشد منجر به افزایش اتمها در تراز بالا و یا کاهش اتمها در تراز بالای لیزر میانجامد. برای اینکه تولید شار فوتونی در لیزر اتفاق بیفتد لازم است جمعیت اتمهایی که الکترونی در تراز بالا دارند بیشتر از اتمهای در تراز پایین باشد. به این اتفاق وارونگی جمعیت میگویند. تا زمانی که وارونگی جمعیت نداشته باشیم عبور پرتوی لیزر از محیط با جذب همراه خواهد بود و پرتو تضعیف میشود اما هنگامی که وارونگی جمعیت داشته باشیم پرتو در عبور از محیط تقویت میشود و انرژی محیط که توسط فرایند پمپاژ به آن منتقل شده کسب میکند. علاوه بر این درون کاواک لیزر عوامل جذب ناخواسته مانند وجود نقص و ناخالصی در محیط فعال و یا نقص در آینهها وجود دارد که به اتلاف هرچه بیشتر پرتوی لیزر منجر میشود. در نتیجه برای تقویت لیزر در عبور از کاواک میزان تقویت باید به حدی باشد که تمامی اتلاف ها را جبران سازد. نقطهی از تقویت که با اتلافات کاواک برابر میشود حد آستانه گفته میشود. بنابراین پمپاژ پارامتر بسیار تعیین کنندهای در تولید یک پرتوی لیزر است از طریق رسانیدن لیزر به وارونگی جمعیت و گذشتن از حدآستانه امکان تولید پرتوی خروجی را فراهم میآورد. پمپاژ اپتیکی در این روش پمپاژ با استفاده از پرتویهای نوری تولید شده توسط یک منبع نوری خارجی اتمهای محیط فعال برانگیخته میشوند. پرتوی تولید شده توسط محیط فعال جذب شده و منجر به گذار الکترون به تراز بالا میشود. انتخاب منبع نوری مناسب اهمیت بسیار زیادی در پایداری لیزر و همچنین بازده بیشتر دارد. اولین فاکتور تعیین کننده در انتخاب منبع نوری مناسب ناحیه طول موجی تولیدی توسط منبع و انطباق آن با ناحیه جذب مطلوب محیط فعال است. ناحیه طول موجی باید به گونهای انتخاب گردد که در آن طول موج محیط فعال بیشترین جذب مطلوب (جذبی که منجر به برانگیخته شدن اتمهای ماده شود) را داشته باشد و همچنین تا حد امکان در دیگر طول موجها شدت پایینی داشته باشد. زیرا شدت در طول موجهای دیگر باعث بروز جذب نامطلوب میشود که به تولید گرما در محیط فعال میانجامد که پایداری لیزر را کاهش میدهد و مناسب نیست. بنابراین منبع نوری با طول موج معین و تا حد امکان شارپ( شدت بالا در یک طول موج خاص و شدت صفر در دیگر طول موجها) برای پمپاژ بسیار مطلوب است. ویژگی دیگر شدت مناسب است. برای ایجاد وارونگی معکوس و آستانه لیزر لازم است شدت پمپاژ از حد معینی بیشتر باشد. نحوه تابش پرتوی پمپاژ به محیط نیز دیگر عامل تاثیرگذار روی پایداری و خروجی لیزر است. در زیر تعدادی از چیدمان های مرسوم نشان داده شده اند. همانطور که مشاهده میشود از چیدمان هایی استفاده میگردد که اولا تمام پرتوهای تولید شده توسط منبع پمپاژ وارد محیط فعال شود و از طرف دیگر پرتوها به صورت متقارن وارد محیط شوند و محیط به صورت متقارن پمپ شود.