تاریخچه لیزر : شرح حال تولد و بلوغ فناوری انقلابی و جاه‌طلبانه‌ای که زندگی بشر را تغییر داد (قسمت سوم)

تاریخچه لیزر : شرح حال تولد و بلوغ فناوری انقلابی و جاه‌طلبانه‌ای که زندگی بشر را تغییر داد (قسمت سوم)

در قسمت‌های گذشته‌ی سری مقالاتی که به مناسب شصتمین سالگرد اختراع لیزر در سال 2020 منتشر شد، اتفاقات مهمی که در ساخت و توسعه‌ی این فناوری رخ داده، تا ابتدای قرن 21 بررسی کردیم. شاید مهمترین قدمی که فناوری لیزر در قرن حاضر برمی‌دارد، آمادگی برای به وجود آوردن فناوری مدارات مجتمع نوری با توسعه‌ی اولین لیزر سیلیکونی ‌باشد. اتفاقات مهم دیگری مانند لیزرهای پرتوان برای عملیات احتراق و مخابرات فرازمینی نیز جزو اتفاقات مهم قرن حاضر است که در ادامه به آن‌ها پرداخته شده است.

سپتامبر 2003: گروهی از محققان ناسا و دانشگاه آلاباما، اولین هواپیمای قدرت گرفته از لیزر را به صورت موفقیت‌آمیز به پرواز درمی‌آورند. این هواپیما که اسکلت آن از چوب بالسا ساخته شده، 1.5 متر طول بال و تنها 311 گرم وزن دارد. توان آن از طریق یک لیزر زمینی و نامرئی که هواپیما را در طول پرواز رهگیری می‌کند، تامین می‌شود.

2004: کلیدزنی الکترونیکی در یک لیزر رامان برای اولین بار توسط بویراز (Ozdal Boyraz) و بهرام جلالی (Bahram Jalali) از دانشگاه UCLA اثبات می‌شود. اولین لیزر رامان سیلیکونی در دمای اتاق با بیشینه‌ی توان خروجی 5/2 وات کار می‌کند. برخلاف لیزرهای رامان مرسوم و قدیمی، لیزر رامان کاملا سیلیکونی می‌تواند بصورت مستقیم برای انتقال اطلاعات، مدوله شود.

تصویر ۱: چانلی گو از دانشگاه راچستر که در مقابل لیزر فمتوثانیه‌ای خود ایستاده است.

سپتامبر 2006: جان باورز (John Bowers) و همکارانش در دانشگاه سانتا باربارا اعلام می‌کنند اولین لیزر هیبریدی سیلیکونی الکتریکی را با استفاده از فرایندهای استاندارد تولید سیلیکون ساخته‌اند.

آگوست 2007: باورز و دانشجوی دکتری او، برایان کوچ (Brian Koch)، اعلام می‌کنند که اولین لیزر سیلیکونی مد قفل شده را ساخته‌اند. این لیزر مسیر جدیدی را به سوی عملکردهای الکترونیکی و نوری مجتمع بر روی یک تراشه ارائه می‌کند و نوع جدیدی از مدارهای مجتمع را باز می‌کند.

می 2009: چانلی گیو (Chunlei Guo) از دانشگاه راچستر (Rochester)، یک روش جدید را معرفی می‌کند که از پالس‌های لیزر فمتوثانیه برای ساخت لامپ‌های رشته‌ای حبابی معمولی بسیار بهره‌ور استفاده می‌کند. پالس لیزری که به سوی المنت لامپ حبابی تابیده می‌شود، باعث می‌شود سطح فلز المنت، یک نانوساختار تشکیل دهد که تنگستن را در نور تابشی بسیار بهره‌ور می‌کند.

تصویر ۲: یک تجهیز ملی احتراق هولورام. استوانه‌ی هولورام که شامل کپسول سوخت همجوشی می‌شود، تنها چند میلی‌متر و تقریبا در ابعاد یک مدادپاک‌کن است و در هر طرف سوراخ‌هایی برای ورود اشعه دارد. کپسول سوخت در ابعاد یک نخود کوچک است.

29 می 2009: بزرگ‌ترین و پرانرژی‌ترین لیزر دنیا، به مرکز ملی احتراق (National Ignition Facility- NIF) در کالیفرنیا اختصاص می‌یابد. بعد از چند هفته، سیستم شروع به کار کرده و همه‌ی 192 لیزر خودش را بر روی اهداف شلیک می‌کند.

تصویر ۳: مدارگرد اکتشافی ماه در هنگام چرخش به دور ماه، از سطح ماه عکس‌برداری کرده و اطلاعات جمع‌آوری می‌کند.

ژوئن 2009: ناسا مدارگرد اکتشافی ماه (Lunar Reconnaissance Orbiter- LRO) را به فضا پرتاب می‌کند. ارتفاع‌سنج لیزری مدارگرد ماه که روی LRO تعبیه شده، از یک لیزر برای جمع کردن اطلاعات درباره‌ی نقاط بیشینه و کمینه ماه استفاده خواهد کرد. ناسا از این اطلاعات برای ساخت نقشه‌ی سه-بعدی استفاده خواهد کرد. این نقشه‌ی سه-بعدی می‌تواند در تشخیص محل یخ‌ها و محل‌های امن برای فرود فضاپیماهای آینده کمک کند.

تصویر ۴: عکس نمای نزدیک از فناوری Light Peak به همراه لیزرهای که برای نمایش اضافه شده‌اند (در واقع نور مادون ‌قرمز برای چشم  قابل رویت نیست) 

سپتامبر 2009: لیزرها با اعلام شرکت اینتل از فناوری فیبر نوری Light Peak خود در انجمن توسعه‌دهندگان اینتل، برای ورود به کامپیوترهای خانگی آماده می‌شوند. فناوری Light Peak شامل لیزرهای تابش سطحی با حفره‌ی عمودی هستند و می‌توانند 10 میلیارد بیت داده را در هر ثانیه، ارسال و دریافت کنند، یعنی انتقال کل داده‌های کتابخانه‌ی کنگره در 17 دقیقه! انتظار می‌رود این محصول در سال 2010 به تولیدکنندگان منتقل شود.

تصویر ۵: برش از راه دور به وسیله‌ی لیزر

نوامبر 2009: یک گروه بین‌المللی از دانشمندان علوم کاربردی، لیزرهای فشرده، چند پرتویی و چند طول ‌موجی که در ناحیه‌ی مادون ‌قرمز تابش می‌کنند را اثبات می‌کنند. به طور معمول، لیزرها یک تک‌پرتو با طول ‌موج خوش‌تعریف را می‌تابانند. این لیزرهای جدید، ظرفیت استفاده در آشکارسازی‌های شیمیایی، رصدهای آب و هوایی و مخابرات را دارند. در یکی از نمونه‌های اولیه‌، لیزر جدید، چند پرتو با جهت‌گیری بسیار بالا را با همان طول‌موج نزدیک 8 میکرومتر می‌تاباند، عملکردی که برای تداخل‌سنجی، بسیار مفید می‌باشد.

دسامبر 2009: تحلیل‌گران صنعت پیش‌بینی می‌کنند که بازار جهانی لیزر تا سال 2010 حدود 11 درصد رشد خواهد داشت و به درآمد کلی 9/5 میلیارد دلار خواهد رسید.

تصویر ۶: این تصویر هنری مفهومی، یک ساچمه‌ی هدف NIF را داخل یک کپسول هولورام به همراه اشعه‌های لیزر ورودی از طریق شکاف‌های موجود در دو سمت نشان می‌دهد. اشعه‌های لیزر، ساچمه‌ی هدف را فشرده و تا دمای مورد نظر گرم می‌کنند تا همجوشی هسته‌ای رخ دهد. آزمایش احتراق بر روی NIF، نقطه‌ی اوج بیش از 30 سال تحقیق و توسعه‌ی همجوشی محصورسازی با لختی خواهد بود که دری بسوی کشف قلمروهایی از فیزیک که قبلا قابل دسترس نبودند، می‌گشاید.

گاه‌شمار زیر که توسعه لیزر بین سال‌های 2010 و 2019 را پوشش می‌دهد، به چگونگی پیشرفت لیزرها در چند جنبه‌ی مختلف ابعاد، توان، عرض پالس، طول‌موج، روش و ماده اشاره می‌کند.

سال 2010

آنطور که در شماره‌ی ژانویه‌ی مجله‌ی Nature Photonics گزارش شد، دانشمندان از یک لیزر فیبری با ناخالصی اربیوم، یک تک پالس حلقه‌ای 3/4 فمتوثانیه‌ای با نوری در طول‌ موج 5/1میکرومتر تولید کردند. این دانشمندان می‌گویند چنین پالس‌های کوتاه لیزری می‌توانند برای سنجش فرکانس، تصویربرداری نوری مافوق سریع و کاربردهای دیگر استفاده شوند.

در ژانویه‌ی سال 2010،‌ اداره‌ی امنیت ملی هسته‌ای اعلام می‌کند که NIF بصورت موفقیت‌آمیز، یک سطح انرژی تاریخی از لیزر، بیش از 1 مگاژول، را در چند میلیاردم ثانیه به هدفی برخورد داده و ثابت شده که شرایط هدایت هدف، نیازمند رسیدن به احتراق همجوشی می‌باشد که یک پروژه‌ی زمان‌بندی شده برای تابستان 2010 است. توان بیشینه‌ی نور این لیزر در حدود 500 برابر توانی است که ایالات متحده در هر زمانی انجام داده است.

باز هم در ژانویه، محققان دانشگاه Northwestern با مدیریت پروفسور منیژه رازقی (Manijeh Razeghi) یک پیشرفت مهم را در بازدهی لیزرهای آبشاری کوانتومی گزارش می‌کنند. بازده گزارش شده، به عدد 53 درصد می‌رسد که در مقایسه با بهترین بازدهی قبلی که کمتر از 40 درصد بود، بسیار چشمگیر است. رازقی می‌گوید: «این مقدار بازدهی بیان می‌کند که این لیزر بیشتر از حرارت، نور تولید کرده است.» این لیزرها در طول‌موج 85/4 میکرومتر و در ناحیه‌ی مادون ‌قرمز میانی (3 الی 5 میکرومتر) تابش می‌کنند که برای حسگری راه دور مفید است.

تصویر ۷: یک حفره‌ی نوری با دقت و ظرافت بالا، شامل دو تله‌ی آیینه‌ای است و فوتون‌های تابیده شده توسط یون را در یک مد جمع‌آوری می‌کند. این یون به صورت چرخه‌ای توسط یک لیزر خارجی برانگیخته می‌شود و در هر چرخه، یک فوتون به مد حفره اضافه می‌شود که نور را تقویت می‌کند.

در 31 مارس 2010 بلت (Rainer Blatt) و اشمیت (Piet O. Schmidt) در دانشگاه اینسبوروک یک لیزر تک‌اتم را اثبات می‌کنند که می‌تواند با تنظیم قدرت جفت‌شدگی اتم-نور، با آستانه و بدون آستانه کار کند.

یک مقاله در مجله‌ی فیزیک کاربردی (Journal of Applied Physics) در شماره‌ جولای منتشر می‌شود که فیزیک‌دانان آزمایشگاه ملی لاورنس لیورمور (Lawrence Livermore National Laboratory) از پالس‌های بسیار سریع لیزر برای تعیین مشخصات بنیادی مواد استفاده کرده‌اند. محققان با پالس‌های لیزر، امواج لرزه‌ای را در یک سلول سندان الماس (diamond anvil cell) ایجاد کرده‌اند که فشار را بر روی آرگون و سایر گازها تا 280 هزار اتمسفر بالا می‌برد.

تصویر ۸: محققان ماده را با استفاده از لیزرهایی تحت فشار بسیار زیادی قرار می‌دهند تا به ماده در یک سلول سندان الماسی شوک وارد کنند.

سال 2011

محققانی در دانشگاه ETH زوریخ سوئیس، تحت هدایت هانس زوگ (Hans Zogg) برای اولین بار یک لیزر VECSEL (vertical external cavity surface-emitting laser) می‌سازند که در ناحیه‌ی مادون ‌قرمز میانی و طول ‌موج حدود 5 میکرومتر کار می‌کند. این محدوده‌ی طول‌موج برای کاربردهای طیف‌سنجی مفید است. ظرفیت لیزرهای VECSEL، اعضای این تیم تحقیقاتی را برآن می‌دارد تا یک شرکت به نام Phocone به منظور تجاری‌سازی این فناوری تاسیس کنند.

محققان دانشگاه هاروارد مالت گثر (Malte Gather) و سئوک هیون (Seok Hyun Yun) یک لیزر زنده را اثبات و در شماره‌ی ماه ژوئن مجله‌ی Nature Photonics گزارش می‌کنند. آن‌ها بصورت ژنتیکی سلول‌هایی را مهندسی می‌کنند تا ماده‌ی جدیدی به نام پروتئین فلورسنت سبز (green fluorescent protein-GFP) را تولید کنند. و این، همان ماده‌ای است که عروس دریایی را بصورت زیستی درخشنده می‌کند. آن‌ها سپس یک سلول به قطر 15 الی 20 میکرومتر را درون یک تشدیگر نوری قرار می‌دهند و سلول را با استفاده از یک نور آبی برانگیخته می‌کنند. سلول بدون اینکه صدمه ببیند، شروع به عمل لیزر می‌کند و در نتیجه دری را به سوی کاربردهای پزشکی و فوتونیک زیستی باز می‌کند.

دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا، به رهبری پروفسور جیانلین لیو (Jianlin Liu) لیزرهای موج‌بر از جنس نانوسیم‌های اکسید روی می‌سازند. نتیجه‌ی پژوهش آن‌ها در شماره‌ی جولای مجله‌ی Nature Nanotechnology منتشر می‌شود. با اختراع روشی برای ساخت مواد نوع p، محققان موفق به ساخت دیود پیوندی p-n می‌شوند. زمانی که این دیودها با باتری روشن می‌شوند، این دیود باعث می‌شود که نانوسیم‌ها از انتهای خود شروع به لیزر کردن کنند. لیزرهای نانوسیم می‌توانند ارزان‌تر و کوچک‌تر باشند و در عین حال با طول ‌موج کوتاه‌تر و توان بیشتری نسبت به دیودهای لیزر ماورابنفش نیمه‌هادی کار کنند.

سال 2012

گروهی از دانشگاه ییل یک لیزر تصادفی را می‌سازند. درحالیکه این لیزرها به اندازه‌ی لیزرهای مرسوم روشنایی دارند، اما از مواد نامنظمی ساخته شده‌اند و تابشی با همدوسی فضایی پایین تولید می‌کنند.

در ماه جولای یک رکورد جدید ثبت می‌شود: بیشینه توان از مرز 500 تریلیون وات تجاوز می‌کند. این توان توسط 192 پرتو لیزر ماورابنفش بدست آمد که با توانی برابر 85/1 مگاژول در تجهیزات ملی احتراق آزمایشگاه Lawrence Livermore National Laboratory، به هدفی شلیک شد که تنها ۲ میلی‌متر قطر داشت. این سطح از انرژی، مطالعه‌ی حالت موادی را ممکن می‌سازد که مثلا در مرکز سیاره‌ها و ستاره‌ها وجود دارند. و همچنین امکان بررسی همجوشی هیدروژن را به عنوان یک منبع بالقوه انرژی فراهم می‌کند. این انرژی، شرایط مشابهی را برای تجهیزات مدرن هسته‌ای بوجود می‌آورد که راهی را برای تایید شبیه‌سازی‌ها بدون آزمایش واقعی باز می‌کند. سطح انرژی، 85 درصد بیشتر از سطحی است که در همان تجهیزات احتراق در سال 2009 حاصل شده بود.

در ماه آگوست، یک لیزر، تخته سنگی را در مریخ می‌سوزاند. این کار با کنجکاوی مریخ‌نورد ناسا آغاز می‌شد. در سپتامبر، مریخ‌نوردی با ماموریتی که دو سال به طول می‌انجامید شروع شد. ابزار دقیق این کنجکاوی از یک کریستال Nd:KGW برای تولید نور در طول‌موج 067/1 میکرومتر استفاده می‌کرد. نور پس از تولید، از طریق یک تلسکوپ عبور می‌کرد و بر روی یک فاصله‌ی 1 الی 7 متری متمرکز می‌شد. پالس‌های مکرر نور، یک کوه پر از تخته سنگ ایجاد کردند که امکان استفاده از طیف‌سنجی شکستن با لیزر و تعیین ترکیب تخته سنگ را فراهم می‌کرد.
 


ادامه دارد...

كلمات كليدي :
تاریخچه لیزر , گاه شمار لیزر , لیزر
 
امتیاز دهی