لیزرهای شیمیایی:

لیزرهای شیمیایی:
درتمام لیزرهایی که تاکنون بررسی کردیم، مکانیسم دمش مورد استفاده برای آغاز وارونگی جمعیت، یک منبع نیروی خارجی را شامل می شد. برخلاف آن، در یک لیزر شیمیایی، وارونگی جمعیت به طور مستقیم از طریق یک واکنش شیمیایی گرمازا یا سایر روشهای شیمیایی ایجاد می شود. به بیان بهتر، میتوان لیزری شیمیایی طرح کرد که مثلاً در آن واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر، چرخه لیزر را انجام می دهد. این تعریف، از آنچه سایر نویسندگان عنوان می کنند، تا حدی محدودتر است، لذا لیزرهای ید و اکسی پلکس را از این رده جدا میکند. چون واکنش شیمیایی می تواند مقادیر زیادی انرژی آزاد کند، مفهوم لیزر شیمیایی میتواند مقادیر زیادی انرژی آزاد کند، مفهوم لیزر شیمیایی بسیار جالب توجه است. بدین معنی که اگر عملیات لیزر کارآمد باشد، این وسیله قادر است انرژی خروجی بسیار بالایی را به صورت نور ایجاد کند. لیزر هیدروژن کلرید، یکی از قدیمترین مثالهای لیزر شیمیایی است و طرز کار آن بنا به توالی زیر، براساس واکنش شیمیایی گاز هیدروژن و کلر است.
     ۲Cl                                   p n  h   +  ۲     Cl
Cl + H HCl + H                                                                              
          HCl + Cl                  H + Cl
که در آن h np   یک فوتون فرابنفش دمش حاصل از لامپ درخشی است. گذار مطلوب لیزر به دنبال واپاشی تابشی مولکولهای هیدروژن کلرید برانگیخته ارتعاشی صورت می گیرد. هر چند واکنشهای انتشار رادیکال آزاد که به تولید HCl   برانگیخته منجر میشوند گرمازا هستند، مرحله آغازی به ورود تابش نیاز دارد و بنابراین باز هم منبع خارجی نیرو، مورد نیاز است.
روش اصلاحی بسیار متداولتر این طرح شامل هیدروژن فلوئورید است که به طور تجاری تولید می شود. تنها تفاوت اصلی در این است که در مرحله آغازی، معمولاً با تخلیه الکتریکی رادیکالهای فلوئور آزاد میشوند، برای مثال با تفکیک گونه هایی مانند ۶  SF به صورت ۲ SO به مخلوط واکنش گاز اکسیژن افزوده می شودباریکه خروجی معمولاً ۲ تا m  m 3  قطر دارد و میزان واگرایی آن تقریباً mrad 2 است.
چون تنها در حدود ۱% گازهای واکنش دهنده حین عبور از درون لیزر به مصرف می رسند، در صورت نیاز می توان با زدودن  HF  و بازگردانی ۶SF و۲H  گاز خروجی را بازیابی کرد. لیزر HF  در ناحیه ۶/۲ تا mm 3/0 خروجی دارد که شامل تعدادی طول موجهای گسسته مربوط به گذارهای چرخشی – ارتعاشی است، همتای دو تریمی آن که بر پایه گذارهای    DF عمل می کند، طول موجهایی با ضریب تقریباً ۲ بلندتر، یعنی در گستره ۶ر۳ تا  mm 0ر۴ نشر میکند. توان موج پیوسته، در گستره چند وات تا W 150 است. از میان سایر کاربردهای پژوهشی ، لیزر هیدروژن فلوئورید به طرز منحصر به فردی برای اندازه گیریهای جذبی آلودگی اتمسفری HF  درنواحی مجاور واحدهای نیتریک اکسید، فلوئور، دوتریمو کربن دیوکسید حاصل میشود.
                 NO + F2  ONF + F                                         
F + D2  DF + D                                           
DF + CO2  DF + CO2                                                      
نتیجه این توالی واکنشها، انتقال برخوردی انرژی ارتعاشی به مولکولهای کربن دیوکسید است،بدین ترتیب شرایطی فراهم میشود که در آن نشر لیزر می تواند درست مانند لیزر کربن دیوکسید که پیش از این مورد بحث قرار گرفت، ایجاد شود. اصولاً چنین لیزری منبع نیرو را در درون خود دارد و به راحتی می توان با باز کردن یک شیر برای مخلوط کردن گازهای واکنش دهنده ، آن را به کار انداخت. بدین لحاظ، لیزر مذکور نیاز به منبع برتری دارد. برای لیزرهای شیمیایی موج پیوسته با توان بالاتر ، نسبتاً حجم زیادی از گازهای واکنش دهنده باید سریعاً در سرعتهای فراصوتی با هم مخلوط شوند و برای رسیدن به خروجی پایدار باید در ناحیه اختلاط، همگنی فضایی بسیار بالایی وجود داشته باشد.
لیزر ید:
لیزر دیگری که بر اساس اصول بسیار مشابه کار می کند، لیزر ید است. این لیزر ویژه، در چارچوب بیشتر رده بندیها نمی گنجد و به طوری که خواهیم دید، درحالی که کار آن مبتنی بر شیمی چند اتمی است، گذار اصلی واقعاً در اتمهای آزاد ید انجام می شود، بدین ترتیب نمی توان آن را فقط در رده لیزر مولکولی قرار داد. به علاوه این لیزر، فاقد شیمی برگشت ناپذیر در چرخه لیزر است و این حالت تنها در واکنشهای جانبی رخ می دهد، بدین جهت از این دیدگاه، رده بندی آن به عنوان لیزر شیمیایی اشتباه است. با این حال، لیزر ید از بسیاری جهات به لیزرهای شیمیایی شبیه است و بنا براین بررسی آن دراینجا بسیار مناسب به نظر می رسد.
نور کافت گاز یدوهیدروکربن یا یدوفلوئورکربن توسط نور فرابنفش حاصل از لامپ درخشی، محرک اصلی لیزر ید یا به طور کاملتر لیزر تفکیک نوری ید اتمی است. ۱-  یدوهپتافلوئوروپرپانC3F7I  یکی از گازهایی است که نوعاً بدین منظور مورد استفاده قرار میگیرد و در یک آمپول نگهداری و در فشار بین ۳۰ تا mbar 300 به درون لوله سیسیلی لیزر تزریق می شود. توالی واکنش به قرار زیر است.

C3F7I + hnP  C3F7  + I                                    
I  I + hnL                                                                
C3F7 + I + M  C3F7I + M                               
که در آن hnP  فوتون دمش حاصل از لامپ درخشی و hnL فوتون نشر لیزر است مرحله نشر لیزر شامل گذار بین حالت برانگیخته شبه پایدار P 2/1  ید اتمی است، این گذار باعث ایجاد یک خروجی باپهنای خط باریک در طول موج mm 315/1 (cm7605 ) می شود که از شش مؤلفه فوق ظریف بسیارنزدیک به هم تشکیل شده است و گستره ای کمتر از cm1 را شامل می شود.
علی رغم این واقعیت که توالی واکنشها در اصل نشان دهنده ی چرخه تکراری است، ولی واکنشهای جانبی برگشت ناپذیری وجود دارند که در رقابت با این چرخه اند و در هر چرخه، در حدود ۱۰% محیط فعال را از بین می برند. واکنشهای جانبی اصلی عبارتند از :
C3F7 + C3F7 + M  C6F14 + M                                 
I + I + M   I2 + M                                       
هر ید مولکولی کارایی فرایند لیزر را نیز کاهش می دهد، زیرا این گونه با انجام واکنش زیر، به طرز بسیار کارآمدی باعث فرونشانی تراز بالایی لیزر می شود و از میزان وارونگی جمعیت می کاهد.
I2 + I  I2 + I                                               
به همین دلیل، پس از انجام نشر لیزر، باید گاز نورکافت شده را تخلیه کرد و برای تپ بعدی، باید لوله مجدداً با گاز تازه پرشود. در واقع گاز خروجی می تواند بازگردانده شود، البته به شرط آنکه ید مولکولی برای مثال در یک محلول کم دمای آلکیل یدید به دام بیفتد.
یکی از مزیتهای اساسی لیزر ید در این واقعیت نهفته است که محیط فعال در مقایسه ارزان و بنابراین درمقادیرزیاد موجود است. درغیاب هر نوع مکانیسم تپ سازی، لیزرنوعاً تپهایی با تداوم میکروثانیه ایجاد می کند و انرژی هر تپ چند ژول است، با این حال، اغلب برای ایجاد قطارهایی از تپهای با تداوم نانوثانیه یا زیر نانوثانیه ، خروجی با سوییچ کردن Q   یا قفل کردن مد اصلاح می شود. یکی از کاربردهای جالب این لیزر برای شیمیدانان، توانایی آن در افزایش سریع دما در محیطهای آبی است. چون آب به شدت در mm 315ر۱ با کارایی تقریباً ۳۰% در سانتی متر جذب می کند، لیزر ید می تواند گذارهای نانوثانیه ای دما را به اندازه چند درجه سلسیوس القا کند و لذا امکانات وسیعی برای مطالعه سینتیک سریع واکنشهای شیمیایی و زیست شناختی در محلولها پدید می آورد. لایدار و استفاده در تارهای نوری از دیگر کاربردهای این لیزرند.
لیزرهای اکسی پلکس:
دسته بعدی لیزرهای موجود در بازار، وسایلی هستند ه در آنها محیط فعال یک اکسی پلکس یا کمپلکس دو اتمی برانگیخته است. خاصیت اصلی اکسی پلکس آن است که این گونه تنها هنگامی میتواند برانگیخته الکترونی شود، که در یک حالت مقید با یک حداقل انرژی معین باشد، معمولاً حالت پایه الکترونی یا اصلاً حداقل انرژی پتانسیل ندارد، یا در غیر این صورت منحنی بسیار کم عمقی دارد. اکثر مثالها درزمینه هالید گازی خنثی مانند  KrF است. سایر گونه های دو اتمی جور هسته که در این دسته قرار می گیرند، مانند  Xe2  اکسمر نامیده می شوند، گرچه اغلب این عبارت به اشتباه برای اکسی پلکسهای ناجور هسته به کار برده میشود.
معمولاً اکسی پلکس با واکنش شیمیایی بین گاز بی اثر و یونهای هالید حاصل از تخلیه الکترونی ایجاد میشود. برای KrF اکسی پلکس از ردیف واکنشهای زیر تشکیل می شود:
Kr + e  Kr + 2e                                         
F2 +e  F + F                                            
F + Kr + He  KrF + He                                
در واکنش سه ذره ای، هلیم تنها نقش بافر را دارد. چون کریپتون فلوئوریدی که بدین ترتیب ایجاد میشود، برانگیخته الکترونی است و طول عمر کوتاهی دارد( درحدود    ns  ۵ر۲ )، همان طور که در نمودار نشان داده شده است، با نشر فوتون به سرعت به حالت انرژی پاییننتر واپاشی میکند. چون این حالت نامقید است و در آن نیروی بین اتمها همواره دافعه ای است، لذا مولکول اکسی پلکس به سرعت به اتمهای سازنده اش تفکیک می شود. بدین ترتیب، این حالت هرگز به جمعیت زیادی نمی رسدولذا بین آن و حالت مقید اکسی پلکس با انرژی بیشتر، وارونگی جمعیت وجود دارد. بنابراین گذار واپاشی می تواند برای ایجاد نشر لیزر با کارایی بالا، نوعاً حدود ۲۰% برانگیخته شود. نکته مهم در این طرح لیزری خاص آن است که این لیزر مثال نادری از یک لیزر واقعاً دو ترازی است.
هرچند لیزر اکسی پلکس را از جهتی میتوان به عنوان نوعی لیزر شیمیایی در نظر گرفت، شایان ذکر است که در پایان یک چرخه کامل از گذارهای لیزر، مواد آغازی یعنی گاز کریپتون و فلوئور، توسط دو فرایند زیر بازسازی می شود:
KrF   Kr + F + hnL                                                         
F + F  F2                                                                  
بنابراین برخلاف لیزهای شیمیایی که قبلاً بررسی شدند، این لیزر می تواند بدون مصرف محیط فعال، به طور پیوسته به کار خود ادامه دهد. بدین ترتیب می توان از حفره ای سربسته استفاده کرد که در آن برای KrF  مخلوط گازها نوعاً شامل ۲% کریپتون، ۲ر۰% فلوئور و ۸ر۹۷% هلیم با فشار کلی ۵ر۲ تا ۰ر۳ اتمسفر است. البته چون گاز هالوژن بسیار خورنده ای به کار برده می شود، باید ماده سازنده جدار حفره را به دقت برگزید. به علاوه، چون دیواره ها به سرعت توسط گاز مسموم می شوند، امکان استفاده از همان لوله لیزر برای هالوژنهای مختلف وجود ندارد.
لیزرهای اکسی پلکس ابر تابشی اند وتپهای با تداوم ۱۰ تا n  s 20 ایجاد می کنند و معمولاً‌فرکانس تکرار تپها در گستره ۱ تا Hz 500 است. انرژی تپ می تواند تا   J 1 برسد و پیک توان تپ در حد مگاوات و توان متوسط بین ۲۰ تا W 100 باشد. طول موج نشر سیستمهای موجود در بازار عبارتند از : nm  F2 157، nm ArF 193 ، nm KrCl  ۲۲۲،  nm KrF248 ،XeCl nm  ۳۰۸ ، XeF351 و   nm 353 . این طول موجهای کوتاه فرابنفش، در ناحیه ای از طیف الکترومغناطیسی قرار گرفته اند که توسط گستره وسیعی از مواد جذب می شود و فرایند جذب فوتون اغلب باعث گسختگی پیوندهای شیمیایی می شود. به علاوه، چنین جذبی اغلب تا حدی باعث تبخیر نمونه میشود، این فرایند سایش لیزری نام دارد. این ویژگی،همواره با کنترل خوب فضایی و سطوح توان بالا که معمولاً در دسترس است، لیزر اکسی پلکس را به انتخابی خردمندانه برای کاربردهای متنوعی شامل فراورش مواد، جراحی و کاربردهای نور شیمیایی مبدل ساخته است.
لیزر اکسی پلکس معمولاً به طرز کاملاً‌ متمرکزی باعث تبخیر سطح می شود و فاقد آثار انبساط گرمایی روی مواد پیرامونی است که اغلب در اثر استفاده از لیزرهای زیر قرمز به وجود می آید. برای مثال، لیزرهای اکسی پلکس در برش دقیق فلزات بی رقیب اند و در بهینه، می توانند سوراخی به قطر کسری از میکرون ایجاد کنند. حکاکی و علامتگذاری روی مواد با چگالی زیاد، مثال کاربردی دیگری است که باعث ارائه امکاناتی در زمینه علامتگذاری امنیتی مواد ارزشمند مانند الماس میشود. تکنیک مشابهی به طور روزمره برای علامتگذاری نشانهای تجاری روی شیشه خودروها به کار می رود. به علاوه مشخص شده است که کاربردهای مهمی در جراحی برای آن وجود دارد، بافتهای تابش دیده با طول موجهای لیزر اکسی پلکس، بدون آسیبهای گرمایی دستخوش قطعه قطعه شدن مولکولی و تبخیر می شوند. برای مثال، اثبات شده است چنین لیزرهایی به همراه یک کاتتر تار نوری، در زدودن لخته های خون در سرخرگهای مسدودشده، کارایی بسیار زیادی دارند.

منبع:prin.ir