تحقیق در مورد کار برد های لیزر توسط دانش آموزان کلاس اول دبیرستان:اندیشه عباسیان

كاربردهای لیزری:

 به رسم فیلمهای تخیلی علمی – مجموعه ی شگفتی ازلامپهای رادیویی – عدسیها – سیمها – سیم پیچها وجعبه ها به نحوای با یكدیگر ارتباط دارند. این اشیاء تابه های نازك وشدید نورمنتشرمی سازند.اهل فن با تركیب حرفهای اول واژه های انگیسی زیر:

 Light Amplification by stimulated Emission of Rediation

 یعنی تقویت نوربا گسیلش تحریك شده ی تشعشع این دستگاه را لیزرنام نهادند. نظریه وتكنیك لیزردردهه ی 1950و اوایل دهه ی 1960 به وسیله ی دانشمندانی كه درزمینه ی طیف نمایی پژوهش می كردند توسعه یافت . این دانش كه به میزان زیادی درك انسان را درراه شناسایی اتم وگیتی تقویت كرده تا سال 1950 چنان توسعه یافته می نمودكه بسیاری دانشمندان به بررسی هسته ی اتم وتوسعه ی دستگاههای غول پیكرپژوهش هسته ای مانند سنكروترونها روی می آورند. وحتی اخترشناسان راههای نوینی را دربررسیهای خود با استفاده ازرادیو مورد آزمایش قرارداده بودند. به علت نتایج حاصل ازتجربیات مربوط به رادار- طی جنگ جهانی ودراثر پیشنهادها وآزمایشها ی انجام شده دراواخر دهه ی 1930 بوسیله ی كارل جنسكی وگروت ربردرایالات متحده دانشمندان متوجه شدند كه موجهای رادیویی طبیعی ازسوی ستارگان مختلف حتی ازبرخی بخشهای خالی آسمان می آیند. این انتشارات رادیویی ازفضا با آنچه كه امروز رادیو تلسكوپ نامیده می شود درزمینه ی خود همانگونه هیجان انگیزبود كه كشف ماههای كره ی مشتری وگودالهای كره ی ماه توسط گالیله . این رادیو تلسكوپها تا كنون بسیاری اطلاعات نوین وتصورناكردنی ازگیتی دردسترس بشرگذارده اند. 

دانش نوین جالب وپیچیده ی دیگری به كمك اخترشناسی رادیویی آمده به نام اخترشناسی راداری كه درآن دانشمندان موجهای را دار را پس اززدن به یك جرم آسمانی مثل ماه منعكس كردند وسپس به طورباورنكردنی وعجیب همین عمل را با سیاره ی نزدیكی ماننده زهره انجام دادند . سیگنال را داری بازتابیده به زمین بازگشت زمان رفت وآمد آن اندازه گیری شد تا فاصله ی آن اختراززمین با دقت وصحت بسیار زیاد تعیین شود وبه عنوان یك راه وروش آزمایشی نظریه ای ازسطح این كرات وجو آنها درصورتی كه وجود داشته باشدبه د ست آید. برای اجرای این منظورها تكنیك آشكارسازی قدیمی بی كفایتی خود را هرچه بیشترنشان داد وبه طوروضوح ثابت شدكه به میزان بسیارزیاد باید توانایی آشكارسازی رادیویی افزایش یابد.

 درحدود سال 1950 آمریكاییها ودست كم دونفرازفیزیكدانهای شوروی كشف كردند كه می توان مولكولهای گاز معینی را درمدسكون یا همنوایی به نوسان واداركرد . این حالت نوسانسازی را می توان با تحریك بوسیله ی یك انرژی الكتریكی خارجی پرفركانس ایجاد كرد. سپس مولكولهای گازمانند آونگهای كوچك عمل می كنند وهمنوایی نسبتا مداوم یا فركانس با ثباتی ایجاد می كنند . اولین مورد استفاده ازآن همنواییهای گازی دراصطلاح ساعتهای اتمی بودند. به دلایلی می بینیم كه مولكول آمونیاك به عنوان نیرومندترین عامل مقاوم برای ساعتهای كنترل الكترونیكی پا به عرصه ی وجود گذارد . دفتر درواشینگتن وسایرسازمانها توانستند دراوائل دهه ی 1950 ساعتهایی را تكمیل كنند كه دقت كارآنها به مراتب بیشتر ازبهترین ساعتهای كریستالی بود دقت این ساعتها معادل بعلاوه یا منهای كسری ازثانیه درسال بود. بعد متوجه شدند وقتی گازی مانند آمونیاك توانایی عمل به منزله ی فركانس استانده را دارد باید قادرباشد كه بیش ازیك واكنش وحساسیت ساده وعادی نسبت به اثرنوسان كنندگی ازخود نشان دهد. در1954 و 1955 دردانشگاه كلمبیا تاونزوهمكاران او گوردون وتسایگركه سرگرم تكمیل بررسیهای خود بودند موفق شدند اولین دستگاهی را كه عملا براساس این نوسان مولكولی كارمی كردطرحریزی كنند وبه كاربگمارند. تاونز ودیگران دستگاه خود را میزرنامیدند این واژه وخویشاوند آینده ی آن لیزربه سرعت ازراه نشریات همگانی وفنی وارد اصطلاحات علمی شدند.

 سرگذشت لیزر:

 شاولو وتاونزدریافتند كه بسیاری ازكریستالها بویژه نمكهای خاكهای كمیاب مانند نئودیمیوم ویژگیهای طیفی وفلئورسانس دارند كه ممكن است محیط مناسبی برای لیزرباشند همچنین ایشان پی بردند كه خصوصیات خطهای طیفی این مواد امیدواركننده می نمایند زیرا خطها بسیارتیزند ودارای عمرتشعشعی نسبتا درازی هستند به این معنی كه درگذرآنها الكترونهایی كه خطهای طیفی را به وجود آورد ه اند پس ازتحریك شدن زمان نسبتا درازی طول می كشد تا به حالت نخستین خود برسند این خاصیت برای عمل لیزری ضرورت دارد . یاقوت این گوهرگرانبها كه قبلا فقط به عنوان زیورمورد استفاده قرارمی گرفت چند كاربرد آزمایشگاهی نیز یافت كه مهمترین آنها فعالیت درمیزرحالت جامد بود. درواخر1959 واوائل 1960 دكترتی . اچ . می مان دانشمندی كه درآزمایشگاههای پژوهشی هیوز سرگرم كاربودمشاهده ی خود را برای اولین بارگزارش داد:

 دسته ی معینی ازالكترونهای یاقوت درتراز خود براثرتحریك نوری وآشكارسازی جذب نوری بین دوحالت تحریك شده دراین كریستال تغییرمی كند. میزر تشعشع همدوس می گسیلد دویا چند منبع موج هنگامی همدوس گفته می شوند كه اختلاف فازبین دونقطه ازاین دومنبع همیشه ثابت بماند. این تعریف برای موجهای با فركانس یكسان است اما می تواند درباره ی موجهای با فركانس متفاوت نیزبه كاررود به شرط آنكه موج ها یكسان باشند.این قسمت ازهمدوسی(( همدوسی زمانی)) موج نامید ه می شود. مد دیگری ازهمدوسی ممكن است درجهتهای عمود برجهت پخش وجود داشته باشد این ((همدوسی جانبی )) نامیده می شود. اهمیت خصوصیات ضروری همدوسی جانبی برای قابلیت استفاده ی موجهای همدوس بیشتراست. درلیزرتشعشع نتیجه ی گسیلش خود بخود گذرهای اتمی است. چنانكه قبلا مشاهده كردیم تشعشع گسیلیده به وسیله ی لیزرهمدوس است .این خاصیت یكی ازبرجسته ترین جنبه های آن است .همدوسی آن اجازه را می دهد كه ازآْن چنانكه بعدا اشاره خواهد شد به عنوان یك دستگاه مخابراتی برای حمل اطلاعات استفاده شود. ونیزنورهمدوس را طوری می توان میزان كردكه حداكثرتمركز انرژی حاصل شود. شاهكاری كه بانورناهمدوس به علت محدویتهای بنیادی كه شرایط هندسی رجهای موجی نورایجاد می كند ناممكن است .

 اندازه گیری بوسیله ی لیزر:

 امروزه مردم درامریكا وبیشتركشورهای اروپایی غربی هرچند كیلومتردرمسیرخود ناظرگنبدهای عظیم را دارهای ردیابی نظامی برفراز تپه ها كه بدون توقف مراقب موشكها یا هواپیماهای ناشناس یا رادارهای پنهانی ( گاهگاهی درنزدیكی شهرعلامت راداردیده می شود) كه بوسیله پلیس برای ردیابی ومشخص كردن راننده هایی كه سرعت اضافی دارند هستند. وظیفه های راداررا می توان به طورجامع به سه زمینه طبقه بندی كرد:

 1- جستجوی هدف زمینی یا هوایی كه استفاده ازراداربسیارشبیه نورافكن است وبخشهایی اززمین را روشن می كند موج راداركه به سوی گیرنده دریك هواپیما یا یك برج بازتابیده شده یك پرتو افكنی كلی رادارمی تواند بخشهای وسیعی ازآسمان را به منظورهای راهبری تعیین هویت وكنترل ترافیك هوایی بپوشاند.

 2- فاصله ی یك نقطه ازناظررا می توان به دست آورد دراین مورد راداربه عنوان یك دستگاه اندازه گیری نسبتا دقیق به كاربرده می شود .نقشه بردارها وزمینفیزیكدانها دستگاههای كوچك رادار را برای مشخص كردن فاصله یا نقطه ها ی غیرقابل دسترسی روی زمین جهت اندازه گیری ومنظورهای مربوطه به كا ربرده اند. تاكنون مورد بسیاروسیع دراین زمینه تراگسیل نوسانهای راداری خیلی نیرومند ( صدها میلیون وات ) تا فاصله ای به دوری سیاره ی زهره بوده وسیگنال بازگشتی بوسیله ی یك گیرنده ی ثابت زمینی دریافت شده است . این آزمایش صحیح ترین اندازه ی فاصله ی زهره اززمین را درزمان معین دراختیارگذارده .

 3- متداولترین بهره برداریهای راداردرزمینه ی به اصطلاح دوپلر است كه نه فقط محل هدف بلكه میزان تغییرمحل ( سرعت با شتاب ) آن را نیز تعیین می كند . كاربرد رادار(( دوپلر)) برای اندازه گیری تغییر درمحل یك هدف دربرنامه های فضایی وموشكی اهمیت دارد. دراینجا سرعت وشتاب موشك با سفینه ی فضایی از پایگاه اصلی یا یك ایستگاه كنترل باید بسیار صحیح تعیین شود .نه فقط برای راهبری موشك یا سفینه ی فضایی به سوی مقصد آن بلكه آشكارساختن انحراف ازمسیرتعیین شده ی پروازودرصورت لزوم انهدام تا ازسقوط آن میان منطقه ی پرجمعیت جلوگیری به عمل آید. رادار لیزری براصل فرستادن یك تابه ی لیزر به سوی هدف وتوجه به زمان بازگشت آن درزمانی كه به درون یك تلسكوپ درایستگاه گیرنده بازتابیده می شود متكی است . سیستم رادار لیزری درفضا مؤثرتراست زیرا درفضا برخلاف جو چیزی وجود نداردتا سیگنال را بتنكد وبرای آن ایجاد مزاحمت كند. تا كنون امتیازهای برجسته ای برای عملیات رادار لیزری زمینی یافت نشده به جزدرموارد بسیار استثینایی صافی جو بسیاری ازدانشمندان وشركتها كه درزمینه ی تكنولوژی فضایی فعالیت دارند رادار لیزررا دركاربردهای فضایی مانند مسافت یابی – مخابره ی بین دوسفینه – نزدیك شدن مداری یا ملاقات درفضا – یا برای كنترل نزدیك شدن یك سفینه ی سرنشین دار به یك اخترمثلا ماه مورد توجه قرارمی دهند.

 فضا:

 درسال 1964 ناسا توانست ازمركز پروازهای فضایی گدارد یك تابه ی بازتابیده ی لیزری ماهواره ی مداری را آشكارسازد. درژانویه 1965 دانشمندان نیروی هوایی توانستند ازیك تابه ی نوربازگشته ی لیزری ازماهواره ی لارگوس كه به وسیله ی ناسا درارتفاع 1500 كیلومتری زمین درمدار قرارداده شده بود عكسبرداری كنند. برای دانشمندان ناسا تشخیص سیگنال لیزرازتشعشع زمینه با نوفه دشواربود. اما نیروی هوایی توانست بدون توسل به یك اقدام فنی پیچیده دربه دست آوردن یك سیگنال واضح وقابل اندازه گیری ازماهواره پیروزشود.

 این لیزر ودستگاه آشكار سازی آن بربام ساختمان آزمایشگاه مربوط به تسهیلات مركز پژوهشی كمبریج نیروی هوایی درهانس كومب -فیلد بدفورد – ماساچوستس نصب شده بود. پروژه ی نیروی هوایی لارگوس نامیده شد. این طریقه ی تحصیل مثلثش مستلزم روشن كردن ماهواره های لیزری است كه مجهز به بازتابنده های گوشه ای باشند وازآنها روی زمینه ی ستاره ها عكسبرداری شود. این طرح (( مثلثش فضایی ))‌ نامیده شده زیرا دودستگاه یا بیشتر كه محل یكی ازآنها دقیقا شناخته یك تصویردقیق یك لكه به وجود خواهد آمد. دانشمندان نیروهای هوایی توانستند ازسیگنال بازتابیده كه قطعا كم شدت شده محل ماهواره را درفضا مشخص می كند ایستگاههای دیگرممكن است درنزدیكی (( ایستگاههای شناخته شده ))‌ قرارگرفته باشند. اطلاعات درباره ی زاویه ها با عكسبرداری ازتصویرماهواره نسبت به موقعیت معلوم ستاره ها وبردمورب تا ماهواره ازبرد خوانده شده ی تابنده ی رادار لیزری به دست می آید. این اندیشه ازعملیات زمین پیمایی ماهواره آنا ناشی شده است.

 ماهواره های آنا دارای بیكن ها یی هستند كه بنا به فرمان روشن می شوند وازآنها درزمینه ستاره ها عكسبرداری می كنند. لارگوس به سادگی به وسیله ی باز تابنده های غیرفعال جانشین منابع نیروی الكترونیكی پیچیده وبیكنهای ماهواره ها شده است. منبع نوردرروی زمین جایی گذارده شده كه بتوان آنرا تعمیر بازرسی ودرصورت نیاز تعویض كرد. همچنین لارگوس دارای امكانات جالبی دردادن اطلاعات مربوط به برداست كه به وسیله ی آنا عملی نیست . محاسبات نسان داد كه دست كم 100 ژول انرژی لیزری با یك واگرایی تا به 10 تا 15 دقیقه قوس مورد نیاز است. این واگرایی باری سیستم رادارنوری نسبتا بزرگ است اما لازم است زیرا به سبب اشتباهات تعیین محل ماهواره درآسمان نمی توان لیزررا به طوردقیق روی سفینه فضایی نشانه رفت. نیروی هوایی متوجه شدكه درازی مدت تپه نباید كمترازیك وبیشتراز3 هزارم ثانیه باشد.

 ایزرمورد استفاده یك دستگاه یاقوتی بود كه دردمای هیدرژن مایع كارمی كرد. بازتابندگی ازماهواره با عكسبرداری به وسیله photoreceiver گزارش می شداین دستگاه شامل یك لامپ نورفزوننده بود كه درانتهای یك تلسكوپ باتابنده ی تنظیم نشده ی 27و1 سانتیمتری با یك پالایه ی 15 آنگسترمی قرارداده شده درمركز 6935 آنگسترم نصب شده این گیرنده ی نوری روی یك فرستنده ی لیزری سوارشده بود تا نشانه روی را آسان سازد. مسئله اساسی درردیابی ماهوره ها ازاینجا ناشی می شود كه سرعت این هدف نسبت به زمین بسیارزیاد است. دراین لحظه ماهواره تمام قطرتابه را در6و0 ثانیه طی می كند ازاینرو مدت تابش باید كوتاه باشد وگرنه به جای بوده عكسبرداری كنند. با وجود این به سادگی عكسهای آنها قابل تشخیص بود همچنین گیرنده ی عكاسی سیگنال را دریافت كرد ولی نتیجه معین ودقیقی به دست نیامد اما معلوم شد كه این طرح عقلایی است ودانشمندان نیروی هوایی طرح آزمایشهای بیشتری را تهیه كرده اند كاربرد گیرنده ی عكاسی سرانجام امكان آشكارسازی وثبت نورلیزر را خواهدداد وممكن است ایجاد یك شبكه ی جهانی برای ردیابی ماهواره ای ونقشه برداری زمینی عملی شود. اما مسائل دیگری باقی می مانند كه شامل اثرجو روی نورلیزر قطبیده ی باریك باند وبه كارانداختن همزمان تعدادی گسیلنده های لیزری كه ممكن است فاصله ی زیادی ازیكدیگر داشته باشند می شوند.

 اما دربرابرتكنولوژی فعلی هیچ مسئله ای نمی تواند دوام داشته باشد ویقین روزی فراخواهد رسید كه توجیه بسیاردقیق نقاط روی زمین امكان پذیرباشد. علاوه براین لیزر دركاربرد خود وظیفه ی دیگری را برعهده خواهد داشت وآن افزایش دقت وراحتی مسافرت هوایی وتكمیل طرح نقشه برداری زمینی آنا به گونه ای سودمند خواهد بود. برخی بررسیهای اساسی دراین باره به وسیله ی ال . ایلیف ودیگران درآزمایشگاههای پژوهشی كمبریج نیروی هوایی دربدفورد ماساچوستی انجام گرفته است.