رنگ نور لیزر

تکفامی نور لیزر

 مقدمه:

نور سفید خورشید ترکیبی از رنگ‌های متفاوت، از قرمز تا بنفش است که در شرایط خاصی مثل عبور از منشور (Prism) یا توری پراش، از یکدیگر تفکیک می‌شوند. این رنگ‌های مختلف نور، طول موج‌های  (Wavelength) متفاوت دارند درست مثل رنگین کمانی که بعد از بارش باران در آسمان دیده می‌شود. اما نور ساطع شده از لیزرها غالبا تنها از یک طول موج تشکیل شده و تک رنگ است. بنابراین در تابش نور لیزر به منشور یا توری پراش (Diffraction grating)  که طول موج‌های مختلف نور را از هم جدا می‌کنند، طیفی با رنگ‌های مختلف نمی‌بینیم و فقط پرتوی با رنگ خود لیزر در زاویه خاصی مشاهده خواهد شد. این تکفامی (monochromatic) یکی از ویژگی‌های اساسی نور لیزر است که آن را از نور معمولی متمایز می‌کند. برای تکفام کردن نور معمولی ممکن است از یک فیلتر اپتیکی مثل یک شیشه رنگی استفاده کرد ولی خلوص طیفی چنین نوری اغلب قابل مقایسه با خلوص طیفی نور لیزر نیست. از طرف دیگر با فیلتر کردن نور سفید برای تک رنگ کردن آن، شدت نور کم می‌شود و هرچه نور تک رنگ‌تر شود پنجره باریک‌تری از طیف اجازه عبور پیدا می‌کند و در صورت به کار بردن فیلتر با طراحی خیلی خوب که بتواند پهنای کم طیف را عبور دهد، شدت نور بسیار کم می‌شود. لیزر در پهنای طول موج خیلی کم می‌تواند شدت بالایی داشته باشد که از مشخصه‌های مهم لیزر است. این ویژگی بخاطر شیوه ایجاد نور لیزر است. البته حتی لیزرها هم دارای پهنای طیفی هستند و به خاطر محدودیت‌های فیزیک و عدم قطعیت (Uncertainty)، تک رنگی ایده‌آل وجود ندارد ولی لیزرها به خاطر شیوه تولید نور، بسیار از منابع نوری دیگر، قابلیت تک رنگ شدن بیشتری دارند.

 

هدف:

دراین آزمایش قصد داریم تکفامی و تک رنگ بودن نور لیزر را با عبور آن از یک توری پراش، بررسی کنیم.

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

می خواهیم نور لیزر را از یک توری پراش عبور دهیم و نتیجه را با عبور نور سفید از آن مقایسه کنیم. برای مشاهده طیف مربوط به تابش نور لیزر از توری پراش، به اقلام زیر نیاز داریم:

 

برای افزایش دقت آزمایش، این تکنیک‌ها به شما کمک می‌کند:

  • موازی کردن پرتو لیزر با سطح میز

 

آزمایش:

  • در یک اتاق تاریک، نور سفید را به سطح براق یکCD (یا به یک توری عبوری) بتابانید. بهتر است نور را با یک عدسی کانونی کنید.
  • رنگ‌های مختلفی در سطح CD می‌بینید. می‌دانیم که نور سفید ترکیبی از چند نور با رنگ‌های مختلف است. در اینجا سطح  CDشبیه به یک توری پراش عمل نموده و رنگ‌های تشکیل‌دهنده نور سفید تابیده شده را از یکدیگر جدا می‌کند. برای تفکیک بهتر طول موج‌ها به خصوص وقتی که منبع نور لامپی مثل لامپ گازی یا کم مصرف باشد، می‌توانید یک شیار در جلوی منبع نور قرار دهید. با این کار یک طیف‌نمای ساده درست کرده‌اید.

  • آزمایش را با نور لیزری که در اختیار دارید تکرار کنید. مشاهده می‌کنید که نور روی سطحCD فقط به همان رنگ نور لیزرتابیده شده دیده می‌شود که نتیجه تکفام بودن نور لیزر است. یعنی نور لیزر از یک طول موج تشکیل شده است.

  • همچنین می‌توانید بازتاب نور از سی دی یا عبور نور را از توری پراش، بررسی کنید.
  • آزمایش را با فیلتر کردن نور سفید توسط طلق‌ها یا شیشه‌های رنگی تکرار کنید. نور لیزر قرمز را از فیلتر قرمز و سبز و نور لیزر سبز را از همین دو فیلتر عبور دهید. لیزر قرمز و سبز را به محیط‌های با رنگ‌های مختلف بتابانید. بازتاب از آنها متفاوت است. بر اساس رنگ لیزر آن را بررسی کنید.

آزمایش پیشرفته تر:

به عنوان یادگیری یک تکنیک مهم در این بخش سعی کنید با استفاده از یک تقسیم کننده باریکه، نور دو لیزر قرمز و سبز را در یک راستا قرار دهید. برای این کار ابتدا نور یکی از لیزرها را موازی میز کنید. لیزر دوم را در جهت عمود بر آن موازی سطح میز کنید. در مسیر لیزر اول تقسیم کننده باریکه را به نحوی تنظیم کنید که بخشی از لیزر دوم در مسیر لیزر اول قرار گیرد. روی پرده لکه لیزر شامل هردو لیزر روی هم دیده می شود. در این مرحله می توانید پراش این نور از توری و مشاهده جداسازی دو لیکه لیزر را تجربه کنید. همچنین می توانید با گذاشتن فیلتر قرمز یا سبز عبور نور لیزرها از فیلترها را تجربه کنید.

 

کاربرد:

  • تکفامی نور لیزر اهمیت ویژه‌ای دارد که در طیف‌سنجی و همینطور در پزشکی لیزری و دیگر زمینه‌هایی کهاز برهمکنش نور با ماده نتیجه می‌شود کاربرد دارد. با این آزمایش می‌توان میزان تکفامی نور را ارزیابی کرد.
  • یکی از ویژگی‌های مهم نور لیزر، همانطور که گفته شد قابلیت تک رنگ کردن آن در شدت بالای نور است. این ویژگی منشا بسیاری کاربردهای لیزر است.
  • می‌توانید در نظر بگیرید که کجا وجود رنگ‌های مختلف در نور مزاحم است و در چه کاربردهایی نیاز به فقط یک رنگ دارید. بدیهی است که هر وقت قرار است نور با محیط برهمکنشی انجام دهد رنگ یا طول موج آن مهم می‌شود و بر آن أساس، برهمکنش اتفاق می‌افتد. ممکن است محیطی در یک رنگ شفاف باشد و در نتیجه در چنین محیطی ضریب شکست محیط با افزایش طول موج کاهش می‌یابد. از طرفی ممکن است در همان محیط، نور با رنگ دیگر جذب شود و پس از جذب فرآیندهای دیگر شیمیایی یا فیزیکی اتفاق بیفتد.
  • جذب انتخابی ماهیت ماده است و بر اساس ساختار هر ماده، ممکن است رنگی را جذب کند یا رنگ دیگر را جذب نکند. اساس کار در پزشکی با لیزر همین است. اگر لکه‌ای ناشی از تجمع عروق خونی است باید لیزری که در این ناحیه جذب می‌شود بکار رود و معمولا از لیزر با طول موج حدود 580 نانومتر استفاده می‌شود. اگر ضایعه پوستی ناشی از تجمع رنگدانه خاصی باشد طول موج متناسب با آن استفاده می‌شود و اگر لیزر اشتباه بکار رود می‌تواند حتی بی اثر باشد.
  • در صنعت نیز انتخاب درست طول موج، برای برش، حکاکی و دیگر فرآوری مواد بسیار مؤثر است.
  • اگر آشکارسازی به نور حساس است و شما می‌خواهید فقط با لیزر شما، تحریک شود، شاید راه مناسب استفاده از فیلتر آن طول موج جلوی آشکارساز باشد. در این صورت آشکارساز فقط آن طول موج را می‌بیند. در نتیجه چون شدت نور لیزر بالا است، می‌توانید با تنظیم آستانه عملکرد آشکارساز، به نحوی آن را تنظیم کنید که فقط نور لیزر شما را ببیند و نورهای دیگر را حذف کند. این مکانیزم در حسگرها بسیار کاربرد دارد.
  • در خانه چه زمانی پیش می آید که نور تک رنگ می تواند کمک باشد.

 

سؤال، پیشنهاد و نکته:

  • یک شیشه قرمز تا چه حد تک رنگیا تکفام است؟
  • می توانید پهنایی برای هر رنگ تخمین بزنید. مثلا نور سفید دارای پهنایی از قرمز تا بنفش است و حدود ۳۰۰ نانومتر پهنا دارد. نور لیزر چه پهنایی دارد؟ نور سفید فیلتر شده چه پهنایی دارد و چقدر تکفام است؟
  • لیزر با شدت بالا و محدوده رنگی باریک می‌تواند با شدت بالایی از فیلتر همرنگ با خودش عبور کند در صورتیکه میزان عبور نور سفید از چنین فیلتری ناچیز است. از این نکته می‌توانید کاربردهایی را متصور شوید؟

ایده‌پردازی:

  • با عبور یا بازتاب نور لیزر از تقریبا هر محیطی، شاهد تغییر رنگ نور بازتابی یا عبوری نیستید (مگر شرایط خاص مثل مواد فلورسانس). با تاباندن نور لیزر به اجسام مختلف از میزان بازتاب یا عبور می‌توانید اجسام را برای آن طول موج دسته‌بندی کنید و یا شرایط آن جسم را بررسی کنید. مثلا پارچه‌ای که نو است، بازتاب خوبی از یک لیزر دارد و در مرور زمان با کهنه شدن یا کثیف شدن بازتاب آن کم می‌شود و یا حتی برعکس اگر ابتدا جذب بالایی دارد و به تدریج جذب کم می‌شود، می‌تواند برای ارزیابی آن پارچه بکار رود.
  • با استفاده از فیلتر ومنبع نور تک رنگ در رنگ‌های مختلف به محیط اطرافتان نگاه کنید. کنتراست بازتاب در مرز تغییرات اجسام اهمیت زیادی دارد. ایده‌ای برای استفاده از این ویژگی، برای ارزیابی تغییرات مواد و اجسام بدهید. مثلا اگر رنگ جسمی در جوار آفتاب تغییر کرده است حتما تغییری ساختاری در آن ایجاد شده است که با مطالعه تغییر در طول موج مناسب، می‌توان آن را ارزیابی کرد.
  • اگر در ماده غذایی بر اثر مرور زمان تغییری ایجاد شده که با چشم می‌بینید، میزان آن تغییر را با شناسایی طول موج اصلی تغییر و تاباندن آن می‌توانید ارزیابی کنید.

 

آزمایش‌های مرتبط:

 

بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با