ولی لیزر ها نقش محوری در زندگی روزمره‌ی دارند. حقیقت این است که لیزرها کاربردهای وسیع و جالبی در تولیدهای صنعتی و فناوری دارند. آن‌ها را می‌توانید در همه‌جا ببینید. از سی‌دی‌خوان‌ها گرفته تا مته‌های دندان‌پزشکی یا ماشین‌های اصلاح پرسرعت موهای بدن یا دستگاه‌های اندازه‌گیری، وسایل کاشت مو، عمل چشم و بسیاری دیگر.

در همه‌ی این‌ها از لیزر استفاده می‌شود.

ولی لیزر چیست؟

چه عاملی باعث می‌شود نور لیزر با نور معمولی تفاوت داشته باشد؟ مخصوصا نور لیزر چه تفاوتی با نوفه‌ی جرقه‌های نوری دارد؟ لیزرها چگونه طبقه‌بندی می‌شوند؟

بیاییم درباره‌ی انواع مختلف لیزر، طول‌موج‌های متفاوت و استفاده‌های آن مطالبی بررسی‌هایی داشته باشیم. ولی ابتدا ار مبانی فناوری لیزر شروع می‌کنیم:

فقط حدود 100 نوع اتم در کُل عالم وجود دارد. هرچیزی که می‌بینیم از این 100 نوع اتم در بی‌نهایت ترکیب در عالم ساخته شده است. چگونه این اتم‌ها چیده شده و به‌هم پیوند خورده و یک فنجان آب، یک تکه فل، یا گاز نوشابه و ... را می‌سازند!

اتم‌ها حرکت ثابت دارند. آن‌ها به‌‌طور پیوسته در حال ارتعاش، حرکت و چرخش هستند. اتم‌ها می‌توانند در حالت‌های مختلف برانگیخته شوند. به‌عبارت دیگر آن‌ها انرژی‌های متفاوتی دارند.

اگر انرژی زیادی به یک اتم اعمال کنیم، الکترون از اصطلاحا تراز «حالت پایه‌ی» انرژی کنده شده و به تراز بالاتری خواهد رفت. تراز برانگیختگی بستگی به مقدار انرژی دارد که به‌واسطه‌ی گرما، نور یا الکتریسیته اعمال می‌کنیم.

در این‌جا تعبیری از شکل اتم داریم:

این اتم ساده شامل یک هسته (پرتون‌ها و نوترون‌ها) و ابر الکترونی است. برای درک بهتر می‌توان فرض کرد الکترون‌ها در ابر الکترونی دور هسته در مدارهای مختلفی در گردش هستند.

دیدگاه‌های نوین فیزیک کوانتم از این تعبیر ساده‌انگارانه‌ی «مدارهای گسسته» برای الکترون‌ها دیگر استفاده نمی‌کنند ممکن است برای توضیح راحت‌تر این مدارها از ترازهای مختلف انرژی در اتم استفاده کنیم (شکل 1).

به‌عبارت دیگر اگر مقداری گرما به اتم بدهیم باید انتظار داشته باشیم که تعدادی الکترون در مدارهایی با انرژی پایین‌تر به مدارهایی با انرژی بالاتر گذر خواهند کرد. بدین‌ترتیب از هسته دور خواهند شد.

این مدلی که ارائه دادیم شمایه‌ای واقعا ساده‌انگارانه است از آن‌چه واقعا وجود دارد. ولی کاملا نشان‌دهنده‌ی ایده‌ی اصلی است که چگونه اتم‌ها در لیزر تغییر حالت می‌دهند.


وقتی یک الکترون به مداری با انرژی بالاتر حرکت می‌کند به‌تدریج ‌می‌خواهد که به حالت پایه برگردد. وقتی این‌ اتفاق می‌افتد انرژی به‌صورت فوتون آزاد می‌شود (فوتون: بسته‌ی موج که در فیزیک اصطلاحا می‌گوییم حامل انرژی است). شما اتم‌هایی را می‌بینید که کاهش انرژی به‌صورت فوتون دایما در حال انتقال است.

برای مثال وقتی المانی در توستر نان داغ می‌شود به‌تدریج قرمز خواهد شد. رنگ قرمز نشانه‌ای از برانگیختگی اتم‌ها توسط گرماست که در آن فوتون‌های قرمز آزاد می‌شوند.

وقتی تصویری را در تلویزیون می‌بینید آن‌چه مشاهده‌ می‌کنید اتم‌های فسفر هستند که توسط الکترون‌های سرعت بالا برانگیخته شده و رنگ‌های مختلفی در طیف مرئی نور گسیل می‌کنند.

هر چیزی که نور تولید می‌کند (از جمله نورهای فلوئورسانت، چراغ‌های گازی، لامپ‌های ملتهب) در کنش با الکترون‌هایی است که مدار خود را تغییر داده و فوتون آزاد می‌کنند.

لیزر ابزاری است برای کنترل مسیر فوتون‌هایی که از اتم آزاد می‌شوند. لیزر مخفف عنوان فوق است: «تقویت نور به‌وسیله‌ی تابش گسیل حاصل از برانگیختگی» که به‌طور خیلی خلاصه‌، چگونگی کارکرد لیزر را توصیف می‌کند.

اگرچه لیزر انواع مختلفی دارد ولی همگی یک مشخصه‌ی اساسی و مشترک دارند. در یک لیزر محیط لیزری طوری پمپ می‌شود که اتم‌ها به حالت برانگیخته می‌روند.

نوعا فلاش‌های بسیار شدید نور یا پمپ دشارژ الکتریکی محیط لیزری را فراهم کرده  مجموعه‌ی بزرگی از اتم‌های برانگیخته را خلق می‌نماید (اتم‌ها با الکترون‌های انرژی‌های بالاتر). ضروری است که تعداد زیادی اتم در حالت برانگیخته به‌وجود می‌آید که لیزر را فراهم آورده و کار می‌کند.

عموما اتم‌ها در یک تراز برانگیخته می‌شوند به‌طوری که دو یا سه تراز بالاتر از حالت پایه است. این درجه‌ی وارونی جمعیت را افزایش می‌دهد. جمعیت وارونی، تعداد اتم‌هایی است که در حالت پایه نسبت به تعداد در حالت پایه است.

وقتی محیط لیزری پمپ می‌شود اتم‌های زیادی با الکترون‌هایی در حالت برانگیخته دارد. الکترون‌های برانگیخته انرژی‌‌هایی بالاتر از الکترون‌های عادی در اتم دارند.

وقتی الکترون‌ انرژی می‌گیرد تا به این حالت برانگیختگی برسد همین مقدار انرژی را آزاد خواهد کرد تا به حالت قبلی بازگردد.

همان‌طور که در شکل 3 می‌بینید الکترون به‌سادگی به حالت عادی برگشته و مقداری انرژی آزاد می‌کند. این انرژی برانگیخته به‌صورت فوتون (بسته‌های نور) ظاهر می‌شود . فوتون برانگیخته، طول موج (رنگ) خاصی دارد که بستگی به حالت انرژی الکترون به‌هنگام آزادسازی فوتون دارد. دو اتم مشخص با الکترون‌هایی در حالت‌های کاملا معین فوتون‌هایی آزاد می‌کنند که طول‌موج‌‌های مشخصی دارند.