سلاح لیزری

دید کلی

نابود نمودن دشمن از راه دور ، با جریانی از ماده‌ای مرگبار ، مدتها موضوع داستانهای علمی - تخیلی بوده است. آیا می‌توان آن را به واقعیت درآورد؟ فیزیک نیرنگ باز است، اما سرمایه گذاریهای ارتش ایلات متحده حاکی از آن است که آنها تصمیم گرفته‌اند سلاحهای تشعشعی را بوسیله کلیفوردبیل به واقعیت در آورند. در دهه 70 میلادی ، زمانی که کاپیتان کرک ستاره تلویزیون بود، فن آوران معتقد بودند که تا سال 1997 تخیلات علمی به آن واقعیاتی علمی تبدیل می‌شوند و سلاحهای دستی لیزری ، تولید خواهند شد.

مشکلات عمده

مشکل عمده سلاحهای لیزری ، فن آوری آنهاست. در حال حاضر این سلاحها به اندازه یک اتوبوس هستند و در ضمن لیزرهای پر قدرت به توان الکتریکی و شیمیایی بالایی نیازمندند. انرژی الکتریکی ، گازهای شیمیایی را تحریک می‌کند و بدین ترتنیب اتمهای گاز برانگیخته شده ، میزان انرژی بالاتری پیدا می‌کنند و شعاع لیزری ساطع می‌شود (لیزر منبعی است از گرما و نور به شکل امواج همسان ممتد یا متناوب).

کاربرد نظامی لیزر

از زمان اختراع لیزر در سال 1960، کاربردهای نظامی انرژریهای هدایت شده ، طراحان دفاعی را به دلیل ویژگیهایی همچون نامحدود بودن مهمات و توانایی تخریب فراوان و کنترل از راه دور ، هیجان زده ساخت. همراه با روند تکامل لیزرها ، مجموعه‌ای از کاربردها از چاقوهای جراحی لیزری گرفته تا دستگاههای خودکار پخش موسیقی با دیسکهای فشرده ، ساخته شدند. البته هنوز هم سلاحهای تشعشعی که بتوانند تانکها را ذوب کنند، صورت واقعیت به خود نگرفته‌اند و هم اکنون استفاده نظامی از لیزرها ، محدود به هدف گیری و اندازه گیری مسافت به منظور افزودن بر دقت گلوله‌های تفنگ و توپ و نیز بمبهاست. در طی دهه 70 و 80 میلادی ، وزارت دفاع ایالات متحده با انجام آزمایشهای گوناگونی ، سلاحهایی با انرژی هدایت شده را مورد بررسی قرار داد. این امر با این کار مشهور دفاع استراتژیک ریگان به اوج رسید، اما با فروکش کردن جنگ سرد ، بودجه سلاحهای لیزری نیز کاهش یافت و بدین لحاظ تا کنون تنها نمونه‌های کاربردی اندکی از آنها ساخته شده است.

ولی در هر حال ، این نمونه‌ها توان تخریبی انرژیهای هدایت شده را به اثبات رساندند. در سال 1976 ارتش ایالات متحده یک لیزر دی اکسید کربن را بر قایقی نصب کرد و با استفاده از آن هدفی را که با سرعتی یکنواخت و در فاصله چند صد متری حرکت می‌کرد نابود ساخت. در دهه 80 نیروی دریایی ایالات متحده ، قدرت لیزر MIRACL (مخفف لیزر شیمیایی میان - فروسرخ) خود را در انهدام موشکها از فاصله دور به نمایش گذاشت. در حال حاضر لیزرهای کلاس مگاوات فلوراید دوتریم ، میراکل بسیار مورد توجه مجریان برنامه مشترک آمریکا و رژیم صهیونیستی در ساخت نوعی سیستم دفاع هوایی برای محافظت شمال فلسطین اشغالی از حملات موشکی مبارزان است.

لیزرهای ضد اسکاد

لیزرهای ضد اسکاد نیروی هوایی ایالات متحده اشعه‌ای به ضخامت یک تیر تلگراف دارد. به نظر میلز هولومن رئیس علوم تسلیحاتی فرماندهی موشکی ارتش آمریکا ، لیزرهای شیمیایی آنقدرها هم کارآمد نیستند. قدرت اشعه آنها یک دهم انرژی مورد نیاز برای پمپ سلاح است و همین امر موجب بزرگی دستگاهها می‌شود. اشعه لیزر ، بعد از طی چند کیلومتر متلاشی و تجزیه می‌شود و این امر در مسافتهای طولانی مشکلاتی را بوجود می‌آورد. با این حال برنامه‌هایی در حال اجراست تا لیزرها را به کاربردهای نظامی وارد سازند. اولین هواپیمایی که به سلاحهای تشعشعی مجهز می‌شود چیزی جز جنگنده استیلت خواهد بود و برای این منظور هواپیمای بولینگ 747 ترجیح داده می‌شود.

نیروی هوایی آمریکا با تیمی مرکب از بوئینگ ، لاکهید - مارتین و TRW قراردادی به منظور ساخت نمونه‌ای کاربردی از سیستم هوابرد لیزری ABL برای رهگیری و انهدام موشکهای بالستیکی در حال پرواز امضا کرد. سیستم ضداسکاد ABL ، شامل یک لیزر شیمیایی یدید اکسیژن (COIL) است که در برجی گردنده در دماغه بوئینگ 747-400F جاسازی شده است. هنگام گشتهای هوایی در ارتفاع بالا و در فاصله 250 کیلومتری پایگاههای موشکی دشمن ، ABL با استفاده از دوربینی فرو سرخ و از پس ابرها به دنبال شعله دنباله‌ای اسکادهای پرتاب شده می‌گردد. سپس خدمه به نشانه گیر لیزری سوئیچ می‌کنند تا موشک در حال پرواز رهگیری شده ، قسمت سوختش هدفگیری شود. با قفل شدن روی بدنه موشک ، سیستم ، اشعه لیزر را که ضخامتی برابر با قطر تیرهای تلگراف دارد، شلیک می‌کند، بدین ترتیب با بوجود آمدن سوراخی در مخزن سوخت ، موشک ظرف چند ثانیه منفجر و منهدم می‌شود.

البته نیروی مورد نیاز این سیستم بسیار زیاد است. سیستم مولد و مخازن شیمیایی یک لیزر سه مگاواتی حجمی بسیار (بیش از حجم یک جت) را اشغال می‌کند. هیچ جت جنگنده‌ای امکان حمل سوخت لیزری و نیروی مورد نیاز (برای سلاح لیزری) را ندارد. البته بوئینگ 747-400F فقط به دلیل حجم بزرگش (مخازن ذخیره آن ، ظرفیت مورد نیاز 50 پرتابه لیزری را دارد) برای این برنامه انتخاب نشده است بلکه توانایی پرواز این هواپیما در بالاترین ارتفاع به مدت 8 ساعت نیز مد نظر بوده است. دقت عمل لازم برای انهدام اسکادها از راه دور معادل به گودال انداختن یک توپ گلف از فاصله 65 کیلومتری است. علی‌رغم اینکه پرواز در ارتفاع 40000 پایی انجام می‌شود و هوا در این ارتفاع رقیق است، اما ABL نیز مواجه با مشکلات مربوط به انتقال اشعه ، مشابه همان مسائلی که موجب به تعویق افتادن تکامل لیزرها در میدان نبرد زمینی شده است، می‌باشد.

چند متر پس از خروج لیزر ، اشعه بر اثر آشفتگی جوی (گردبادهایی با تراکمهای مختلف) متلاشی و تجزیه می‌شود، اما سیستم کنترل اشعه در عرض چند صدم ثانیه با اندازه گیری این آشفتگیها اشعه را به گونه‌ای تنظیم می‌کند که از تلاشی آن جلوگیری می‌شود. این کار را تعدادی آینه تنظیم شونده ، که خروجی لیزر را احاطه می‌کنند، تحت تأثیر سیگنالهای ورودی به سیستم و قبل از ورود اشعه به اتمسفر انجام می‌دهند. آزمایشگاه فیلیپس نیروی هوایی ، در آزمایشی، موشکهایی را از فاصله 48 کیلومتری رهگیری و منهدم ساخت.

در سال 1983، نیروی هوایی ، قدرت خود را در انهدام موشکهایی ساید و این بار در بکار گیری لیزر موجود در هواپیمای تغییر یافته NKC135A از فاصله 10 کیلومتری به نمایش گذارد. سیستم ABL اولین آزمایش خود را در سال 2002 میلادی به انجام رساند و سپس در سال 2004 میلادی تولید 7 فروند یوئینگ مجهز به این سیستم با هزینه‌ای معادل 5 میلیارد دلار آغاز شد. در سال 2006 و درست همزمان با به کار گیری نسل جدید موشکهای اسکاد توسط کره شمالی ، این تجهیزات بکار گرفته می‌شوند. اما همه اینها اساسا متفاوت با آن سلاحهای تشعشعی علمی- تخیلی هستند که ارتش ایالات متحده از به کار گیری آنها در میادین نبرد منصرف شد.

کاربردهای عملی دیگر

در اواخر دهه 80 میلادی ، ارتش آمریکا به مطالعه لیزرهای پوتوتیپ میان انرژی و کم انرژی پرداخت. این لیزرها برای نابود ساختن سیستم اپتیکی تانکهای دشمن و خیره کردن چشمان خلبانان و تک تیراندازانی که با استفاده از دوربین سلاحهای خود در حال هدف گیری هستند بکار می‌رود. ارتش آمریکا حتی در زمان جنگ خلیج فارس یک لیزر میان انرژی به نام استینج ری را بر خودروی پیاده نظام برادلی سوار کرده بود. این سلاح عدسی سیستمهای اپتیکی تانکها و خودروهای دشمن را با ایجاد شکافی هرمی نابود می‌ساخت. البته این سلاح هرگز مورد استفاده قرار نگرفت. به عقیده جان الکساندر ، پژوهشگر سابق آزمایشگاه ملی لس آلاموس "پنتاگون چون نگران عکس العمل منفی مردم بود از استینج ری استفاده نکرد." علت چیست؟ شاید اینکه استینج ری نه تنها لنز پریسکوپها را نابود می‌کند بلکه موجب کور شدن فردی که از آن پریسکوپ استفاده می‌کند نیز می‌شود.

چشم انداز بحث

هم اکنون اخلاق ، در برابر لیزرهای میدان نبرد ، به عنوان یک مبارز طلبی فنی سد بزرگی را بوجود آورده است. در اکتبر سال 1995، چهارمین پروتکل به کنواسیون ژنو الحاق گردید و به موجب آن بکار گیری لیزرهای کور کننده در جنگ ممنوع اعلام شد. چند هفته قبل از آن ، پنتاگون سفارشی را که برای ساخت نوعی لیزر کور کننده به نام دیزر داده بود پس گرفت. این سلاح (سیستم اقدامات مقابله ای لیزری) بر روی لوله تفنگ ام 16 نصب می شد و به پیاده نظام این امکان را می داد که سیستم های کنترل آتش دشمن را از فاصله بیش از 2 کیلومتری نابود کرده ، سربازان دشمن را کور کنند.

بسیاری از کشورها ، پروتکل مزبور را محترم شمردند. چینیها آشکارا از بکار گیری سیستمی مشابه خودداری کردند. به گفته الکساندر "در هنگام جنگ ، شما می‌توانید دشمن را با استفاده از گلوله و یا انفجار بکشید و نیز می‌توانید قانون وی را با استفاده از لیزر خاکستر کنید، اما حق کور کردنش را ندارید، چشم موضوعی احساسی است." بجز مسائل اخلاقی ، ارتش در عملی بودن استفاده نظامی از لیزر دچار تردید است. طول تفنگهای لیزری قابل حمل در حال حاضر زیاد است وحتی اگر مخازن شیمیایی و باتریهای مربوطه جمع و جور ساخته شوند، نیروی موجود فقط کفاف تعداد محدودی شلیک را می‌دهد. الکساندر اضافه می‌کند "هیچ نیازی به این قبیل سلاحها وجود ندارد. ارتش ایالات متحده نمی‌خواهد به جای سلاحی قابل اطمینان ، از سیستمی سری و با منفعت محدود استفاده نماید. شما نمی‌توانید هم لیزر را حمل کنید و هم یک سلاح متعارف را."

آیا مهندسان می‌توانند مشکلات مربوط به نیروی مورد نیاز لیزرها را حل کنند و به این هدف نظامی دست یابند که سلاحی قابل حمل و با مهمات نامحدود بسازند. هولومن می‌گوید: "من جدا تردید دارم که بتوانیم سیستمی قابل حمل توسط انسان بسازیم."

کاربرد لیزر

مقدمه

لیزر این نور شگفت از نظر ماهیت هیچ تفاوتی با نور عادی ندارد و خواص فیزیکی لیزر ، آنرا از نورهای ایجاد شده از سایر منابع متمایز می‌سازد. از نخستین روزهای تکنولوژی لیزر ، به خواص مشخصه آن پی برده شد. و ما بصورتی گزینشی به این خواص از ماهیت فرآیند لیزر می‌پردازیم که خود این خواص بستری عظیم برای کاربردهای وسیع این پدیده ، در علوم مختلف بخصوص صنعت و پزشکی و ... ایجاد کرده است. به جرأت می‌توان گفت پیشرفت علوم بدون تکنولوژی لیزر امکان پذیر نیست.

پهنای باریکه

از آنجا که نشر القایی ، فوتونهایی را با راستای انتشار دقیقا یکسان تولید می‌کند، استفاده از پیکربندی آینه انتهایی به تقویت گزینشی باریکه محوری که تنها قطری در حدود 1mm دارد منجر می‌شود. بدین ترتیب لیزر ، باریکه‌ای نازک و اساس موازی از نور را که معمولا دارای توزیع گاوسی از شدت است، از آینه خروجی به بیرون منتشر می‌کند. زاویه واگرایی باریکه لیزر مقداری در حدود 1mrad است، که در فاصله یک کیلومتری ، تنها قسمتی به عرض یک متر را روشن می‌کند.

هر چند که میزان واگرایی باریکه در وهله نخست توسط حد پراش روزنه خروجی تعیین می ود، ولی به ازا اپتیکی مناسب می توان همین واگرایی اندک را به مقدار زیادی تصحیح کرد. شدت زیاد، خاصیتی است که بیش از سایر موارد همراه نور لیزر است و در حقیقت لیزرها بالاترین شدتهای روی زمین ایجاد می‌کنند. از آنجا که لیزر باریکه‌ای اصولا موازی از نور را نه در تمام جهتها بلکه در راستای مشخصی نشر می‌کند، مناسبترین معیار شدت ، تابیدگی است. توان: انرژی در واحد زمان.

سطح/توان = I تابیدگی

در این اینجا منظور از توان ، توان خروجی لیزر است، نه توان ورودی به آن. با متمرکز کردن باریکه تا رسیدن به حد پراش ناشی از ابزار اپتیکی متمرکز کننده می‌توان تابیدگی را افزایش داد. به عنوان یک اصل کلی ، حداقل شعاع باریکه متمرکز شده قابل قیاس با طول موج می‌باشد. خروجی لیزرها که دارای یک توزیع گوسی از شدت می‌باشد، ماکزیمم شدت (قله یا پیک) تنها برای زمان بسیار کوتاهی قابل حصول است. و این شدت ماکزیمم (پیک) حاصل از یک لیزر تپی بطور وارون با مدت تپ متناسب است، روشها گوناگونی برای کاستن از طول تپ وجود دارد تا شدت آن افزایش یابد.

همدوسی

همدوسی خاصیتی است که به بهترین وجه نور لیزر را از سایر انواع نور متمایز می‌کند و باز هم این خاصیت ، نتیجه ماهیت فرآیند نشر القایی است. نور حاصل از منابع معمولی که توسط نشر خود به خودی کار می‌کنند، به نور غیر همدوس آشفته موسم است. در این موارد ، هیچ همبستگی بین فاز فوتونهای گوناگون وجود ندارد و در اثر تداخلهای اساسا تصادفی بین آنها ، افت و خیز محسوسی در شدت پدید می‌آید. در مقابل در لیزر ، فوتونهایی که توسط محیط برانگیخته لیزر نشر می‌شوند، با سایر فوتونهای موجود در حفره ، همفازند.

مقیاس زمانی که طی آن همبستگی فاز برقرار می‌ماند، به عنوان زمان همدوسی شناخته می‌شود. بنابراین دو نقطه در طول باریکه لیزر به فاصله‌ای کمتر از طول همدوسی ، باید فاز مرتبطی داشته باشند. طول همدوسی برای انواع مختلف لیزر متفاوت است. مهمترین کاربرد همدوسی لیزری تمام نگاری (هولوگرافی) است، که روش برای تهیه تصاویر سه بعدی به شمار می رود.

تکفامی

مشخصه بارز نور لیزر و خاصیتی که بیشترین ارتباط را با کاربردهای شیمیایی دارد، تکفامی اساسی آن است. این خاصیت از این حقیقت منشأ می‌گیرند که تمام فوتونها در اثر گذار بین دو تراز انرژی اتمی یا مولکولی مشابه ، نشر می‌شوند و بنابراین تقریبا فرکانسهای دقیقا یکسانی دارند. تعداد کمی از فرکانسها با فواصل اندک از یکدیگر ، ممکن است در عمل لیزر حضور داشته باشند، بطورری که برای رسیدن به تکفامی بهینه باید وسیله اضافی دیگری را برای گزینش فرکانس لیزر تعبیه کرد. معمولا برای این کار از یک نسخه استفاده می‌شود که عنصری اپتیکی است که درون حفره لیزر قرار می‌گیرد و به گونه‌ای تنظیم می‌شود، که تنها یک طول موج معین بتواند بین دو آینه انتهایی ، بطور نامتناهی به جلو و عقب حرکت کند.

کاربردهای مهم پهنای کم باریکه

در صنعت سازه مثلا در حفر تونلها دریابی و فاصله‌ یابی و نظارت بر آلودگی اتمسفر (امکان نظرات بر گازهای خروج از دودکش کارخانه‌ها ، با تجزیه و تحلیل نور پراکنده از روی سطح زمین امکان پذیر است.

کاربرد لیزر بر اساس شدتهای زیاد

برش و جوشکاری با لیزر ، صنعت هوافضا و نساجی ، جراحی چشم و جراحیهای دیگر، مزایای بسیار زیادی برای استفاده از لیزر در چپنین جراحیهایی وجود دارد، روش لیزری تخریبی نیست و نیازی به بیهوشی ندارد و با توجه به مدت زمان کوتاه تپها ، نیازی به بی حرکت نگهداری طولانی عضو نیست.

کاربرد همدوس لیزر

هولوگرافی (تمام نگاری) ، که از خود این روش درست قطعات خودرو تأسیسات ، ترکیدگی داخلی لاستیکهای هواپیما ، فشرده سازی اطلاعات (اعم از تصاویر و متن و ...) و بازسازی اطلاعات.

کاربرد تکفامی نور لیزری

جداسازی ایزوتوپها ، صنایع هسته‌ای.

لیزر

مقدمه

اصطلاح لیزر (Laser) از حروف اول کلمات انگلیسی به معنی تقویت نور توسط نشر القایی تابش (Light Amplification by Stimulation Emession of Radiation ) درست شده است. از آنجا که این وسیله مبتنی بر همان اصول میزر (بجای نور لیزر ، میکروموج استفاده شده) است، تا مدتی به آن میزر (MASER: Microware Amplification by Stimulation Emession of Radiation) نیز اطلاق می‌شود، ولی نام آن به سرعت به لیزر که عبارتی ساده‌تر تبدیل شد. نور حاصل از لیزر ، همان نور معمولی است، تنها چیزی که نور لیزری را از نورهای معمولی متمایز می‌سازد هماهنگی ایجاد شده در نور لیزری می‌باشد. و این هماهنگی ویژگیهای خاص و کاربردهای مختلف آنرا در زمینه‌های بسیاری توجیه می‌کند.

فرض کنید یک کامیون کمپرسی پر از ماسه داریم، که ابتدا دانه‌های ماسه را یکی یکی بر روی فردی که روی زمین دراز کشیده می‌ریزیم، فرد هیچ گونه احساس فشار و ضربه و ناراحتی نکرده ، اگر همان ماسه را یکباره بر روی آن بریزیم چه اتفاقی می‌افتد. تقریبا تفاوت نور معمولی با نورهای حاصل از لیزر مشابه همین حالت می‌باشد. بطور کلی لیزرها انواع مختلف و زیادی دارند که وجه تمایز و دسته بندی انواع لیزرها را پارمترهایی از قبیل نوع محیط فعال (محیطی که عمل لیزر زایی یا به عبارتی تقویت در آنجا انجام می‌گیرد که می‌تواند جامد ، مایع و گاز نیز باشد) و نوع ساختار و شرایط فیزیکی حاکم بر آن تعیین می‌کند. لیزرها هم می‌توانند به صورت پالسی و هم پیوسته کار کنند، که بستگی به هدف و کاربردمان دارد.

آرایش دستگاههای لیزری

دستگاههای لیزر را محیط فعال ، آینه‌های لیزر و وسیله دمش (پمپاژ) تشکیل می‌دهند. بطور کلی ساختار یک لیزر نوعی به صورت زیر است:


آینه‌های مورد استفاده در لیزر ، با روشهای مختلف و پیشرفته لایه گذاری ساخته می‌شوند، بطوری که آینه خروجی دستگاه که باریکه لیزری از آن خارج می‌شود نیمه بازتاب و آینه اولی کاملا بازتاب کننده می‌باشد. آینه‌های لیزری به دو صورت می‌توانند روی سیستم سوار شوند:

1. آینه‌های داخلی: روی تیوپ نصب می‌شوند.
2. آینه‌های خارجی: آینه‌های خارجی دارای مزایایی بر آینه‌های داخلی هستند: در تماس با محیط خارجی فعال (بخصوص در لیزرهای گازی) فرسایش نمی‌یابند و قابلیت انعطاف بیشتری دارند.

چند نوع کاواک نوری (یا مشدد لیزری) متداول

روشهای دمش (پمپاژ) لیزری

1. دمش نوری لیزر: لامپ فلاش - نور لیزر (در لیزرهای حالت جامد به خاطر پهنای گذار تابشی)
2. دمش الکتریکی لیزر (در لیزرهای گازی)
   
   

خود دمش لیزری با طرحهای مختلفی انجام می‌گیرد. برای درک مفاهیم عمل لیزر ، لازم است که عبارات مهم نشر القایی ، تجمع معکوس و همدوسی و جهت مندی کاملا تشریح شوند.

نشر القایی

بنا به نظریه کوانتومی مدارهای الکترون (ترازهای انرژی) محدود به اندازه‌های منفصلی می‌باشند (غیر از این هم ممکن نیست) و انرژِی که هر اتم یا مولکول می‌تواند داشته باشد، به یکی از این مقادیر محدود می‌شود. به عبارت دیگر ، انرژی اتم یا مولکول و یا یون بر حسب اینکه الکترون چه مداری را اشغال کند، مقادیر منفصلی به خود می‌گیرد. به علاوه وقتی انرژی اتم با حرکت الکترون به مدارهای مجاز ، کاهش می‌یابد، فوتونی منتشر می‌شود که انرژی E∆ آن برابر اختلالف انرژی اتم در قبل و بعد از انتقال الکترون می‌باشد. این فوتون می‌تواند به صورت موجی در نظر گرفته شود که فرکانس ν آن از رابطه انیشتین E = hν بدست می‌آید، که در این رابطه h ثابت پلانک می‌باشد.

هر اتم را می‌توان بصورت مجموعه‌ای از ترازهای انرژی ممکنه در نظر گرفت که هر تراز مربوط به شکل پذیری خاص الکترون می‌باشد. پایینترین حالت انرژی را حالت پایه اتم یا مولکول گویند، که اکثرا در هر لحظه در این پایه قرار دارند. گذار اتم به ترازهای با انرژی بالاتر (ترازهای بالا) با صرف انرژی به صورت فوتون تابشی و انتقال انرژی فوتون تابشی به اتم صورت می‌گیرد. این حالت به پدیده جذب موسوم بوده و فرکانس و انرژی فوتون تابشی با رابطه انیشتین که اشاره شد بهم مربوطند.

در نتیجه جذب تابشی ، اصطلاحا گفته می‌شود اتم به حالت برانگیخته ارتقاء می‌یابد. از آنجا که تنها ترازهای گسسته انرژی وجود دارند، لذا در مورد فرکانسهایی از تابش که توسط هر ترکیب خاص جذب می‌شوند، گزینش پذیری معینی برقرار است. فرآیند معکوس جذب تابش ، نشر حاصل از تغییر اتم از یک حالت انرژی بالا به حالت انرژی پایین است. انیشتین نشان داد که در حقیقت نشر به دو طریق می‌تواند صورت بگیرد:

1. با تغییر اتم به حالت پایینتر بطور اتفاقی ، که این عمل نشر خودبخودی نامیده می‌شود.
   
   
2. اندرکنش اتم با فوتونی که دارای انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز که اتم در حالت بالایی آن قرار دارد، سبب می‌شود که اتم به سطح پایین تغییر کرده و ایجاد اتم ثانوی نماید. این عمل معکوس عمل جذب بوده و به نام نشر تحریکی یا نشر القایی شناخته می‌شود. نشر خودبخودی مستقل از هر گونه عامل خارجی می‌باشد.
   
   حال به بیان دو نقطه مهم تحریکی می‌پردازیم که خواص لیزری به آنها بستگی دارد. اول اینکه فوتون حاصل از نشر تحریکی تقریبا هم انرژی با فوتون ایجاد کننده نشر تحریکی است و از اینرو فرکانس آنها تقریبا باید مساوی باشد. ثانیا امواج نوری مربوط به این دو فوتون همفاز هستند و همدوس گفته می‌شود. در حالت نشر خودبخودی تولید اتفاقی فوتونها امواجی با فاز اتفاقی شده که نور ناهمدوس گفته می‌شوند.

تجمع معکوس

دو سیستم انرژی دو ترازی در نظر بگیرید که در یکی از آنها اتمی در حالت برانگیخته (بالا) و دیگری در حالت پایه (یایینی) باشد. فرض کنید فوتونی با انرژی برابر اختلاف بین دو تراز به این اتمها نزدیک شود. احتمال وقوع کدام یک از پدیده جذب یا نشر تحریکی بیشتر است؟ انیشتین نشان داد که تحت شرایط معمولی احتمال اتفاق هر دو پدیده یکی است. بنابراین واضح است که در سیستمی که تعداد زیادی اتم (یا مولکول) وجود دارد، پدیده غالب بستگی به تعداد نسبی اتمهای موجود در حالت بالایی و پایینی خواهد داشت.

تجمع بیشتر (یعنی تعداد اتمهای بیشتر) در تراز بالا سبب غالب بودن نشر تحریکی خواهد شد، در صورتی که اگر تعداد بیشتری اتم در تراز پایین موجود باشند، جذب بیشتر از نشر تحریکی خواهد بود. برای غالب بودن نشر تحریکی ، لازم است که به تجمع تراز بالایی افزوده شود که تجمع آن بیشتر از تجمع حالت پایین باشد، حالتی که به نام تجمع معکوس شناخته می‌شود. پس شرط اصلی لیزر زایی ، اعمال و فراهم آوردن شرایطی جهت تجمع معکوس می‌باشد.

همدوسی

همدوسی فضایی

از مشخصات تحریکی این است که امواج برانگیخته با موج برانگیزنده در یک فاز قرار دارند، یعنی تغییرات فضایی و زمانی میدان الکتریکی دو موج باهم یکسان هستند. بنابراین در یک لیزر ایده‌ال انتظار داریم که میدان الکتریکی با زمان تغییر کند، به مانند هر نقطه دیگری سطح مقطع پرتو چنین پرتوی دارای همدوس فضایی کامل است.

همدوس زمانی

همدوس زمانی به ارتباط فازی نسبی میدان الکتریکی بر حسب زمان بستگی دارد. اگر فاز بطور یکنواخت با زمان تغییر کند، پرتو از نظر همدوس زمانی کامل است. دو مقدار مفیدی که به همدوس زمانی مربوطند عبارتند از: زمان همدوسی و طول همدوسی.


برای درک این موضوع ، پرتوی را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌کنند و مجددا پس از طی مسافت مختلف آنها را باهم ترکیب می‌کنند، این فرآیند اساس وسیله‌ای به نام تداخل سنج مایکلسون است.

جهتمندی (Directionality)

یک منبع نور معمولی (مانند لامپهای تخلیه و ...) در تمام جهات دلخواه تابش می‌کند و نور حاصل از آنها جهتمند نیست. این در حالی است که خروجی یک لیزر ممکن است خیلی نزدیک به یک موج تخت باشد که واگرایی آن فقط بخاطر اثرات پراش است. خروجی یک لیزر معمولا دارای یک توزیع شدت عرضی است. برای مثال یک لیزر He - Ne که در مود اساسی خود نوسان میکند، دارای یک توزیع دامنه گوسی است:


و
که در آن انتشار در راستای Z بوده و کمیت مشخص کننده اندازه لکه باریکه است. هر قدر که اندازه بزرگ باشد واگرایی کم است. این کار با استفاده از یک سیستم ساده متشکل از دو عدسی صورت میگیرد. جهت مندی بالای باریکه لیزری ، باعث میشود که بتوان آنرا در در لکه بسیار کوچکی کانونی کرد و چنین شدتهای بالای لیزری منجر به کاربردهای فراوان در صنعت نظیر جوشکاری ، سوراخ کاری و برش کاری و ... می‌شود.