به نام خداوند بخشنده مهربان

1. به نام خداوند بخشنده مهربان ليزرها و ميزرهاي اخترفيزيكي ارائه دهنده: محمد مهدي مطيعي

2. ليزر به چه معناست؟ ليزر به معناي تقويت نور توسط تابش گسيل القايي است. کلمه‌ ليزرکوتاه شده‌ عبارت انگليسي زير است: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation • و ميزر: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation

3. تاريخچه • در سال 1917، اينشتين پديده گسيل القايي اتم به واسطه جذب فوتون را بديهي شمرد. • در سال 1954 اولين ميزر توسط Townes, Shawlow, Prokhorov ساخته شد. • در سال 1960 اولين ليزر اپتيكي توسط Maiman ساخته شد. • در سال 1964 جايزه نوبل فيزيك به Townes, Prokhorov, Basov به دليل تحقيقاتشان در زمينه ليزر و ميزر اهدا گرديد.

4. ليزرها چگونه كار مي‌كنند؟ هر ليزر از بخشهاي اصلي زير تشكيل شده است: • 1- يک چشمه‌ي انرژي:اغلب چشمه انرژي الکتريسيته است، ولي به جاي آن مي‌توان يک چشمه ي پرقدرت نور معمولي، واکنش شيميايي، يا حتي ليزري ديگر را نيز به کار برد. • 2- يک محيط فعال:محيط فعال ماده اي است که مي تواند انرژي را جذب و آزاد کند. اين محيط فعال مي تواند جامد باشد، مانند ياقوت يا بلورهاي ديگر، مايع باشد، مثل رنگينه‌ها، يا گاز باشد مثل دي اکسيدکربن. باريکه ي نور ليزر در واقع در محيط فعال توليد مي شود. • 3-اصلي‌ترين بخش ليزر (ساز و کار تشديد): اين بخش از دو آينه يا سطوح بازتابنده ي ديگر تشکيل شده است که در دو انتهاي محيط فعال قرار دارد. يکي از آينه ها، به نام جفتگر خروجي بازتابنده ي جزئي است.

5. 1- محيط فعال 2- چشمه انرژي 3- آينه كامل 4- آينه نيمه شفاف (جفتگر خروجي) 5- پرتو ليزر

7. نور ليزر چگونه توليد مي‌شود؟ 1- چشمه ي انرژي، يک پرتو نورگسيل مي دارد و محيط فعال آن را جذب مي کند. انرژي جذب شده، بعضي از اتمهاي محيط فعال را برانگيخته مي‌كند. اين اتمها به تراز انرژي بالاتر جهش مي‌کنند. پرتوهاي نور گسيل شده به برانگيزش اتمهاي محيط فعال ادامه مي دهد. به اين عمل دمش نيز مي گويند. وقتي که در محيط فعال تعداد اتمهاي برانگيخته با انرژي زياد بيشتر از تعداد اتمهاي با انرژي کمتر شد، واروني جمعيت به وجود مي آيد. پديد آمدن واروني جمعيت براي عمل ليزري ضروري است. به بيان ديگر دمنده يک چشمهٔ انرژي خارجي است که واروني جمعيت را در محيط ليزري به وجود مي‌آورد. تقويت موج نور يا ميدان تابش فوتون تنها در يک محيط ليزري که در آن واروني جمعيت بين دو تراز انرژي وجود داشته باشد روي مي‌دهد. براي اينکه ليزر کار کند لازم است تعداد اتم‌هاي N2 در تراز انرژي E2 از تعداد اتم‌هاي N1 در تراز انرژي E1 بزرگ‌تر باشد (E2>E1). اين وضعيت را واروني جمعيت مي‌نامند. واروني جمعيت و گسيل القائي با هم در محيط ليزري کار مي‌کنند و باعث تقويت نور مي‌شوند. در غير اين وضعيت موج نور عبور کننده از محيط ليزري تضعيف خواهد شد.

8. نور ليزر چگونه توليد مي‌شود؟ 2- در حين عمل ليزري، اتمهاي با انرژي بالاتر، در حال برگشتن به تراز انرژي پايين، انرژي اضافي خود را به صورت فوتون تابش مي کنند. اين فوتونها به نوبه‌ي خود، اتمهاي ديگري را در محيط فعال، برانگيخته مي‌كنند و همين اتمها نيز فوتون آزاد مي‌کنند. به اين ترتيب اتمهاي بيشتر و بيشتري از محيط فعال، فوتون تابش مي‌کنند و واکنش زنجيره‌اي افزايش انرژي راه مي افتد. اين پديده به گسيل القايي موسوم است. مهم‌ترين لازمهٔ محيط تقويت کننده توانايي آن براي ايجاد واروني جمعيت بين دو تراز انرژي اتم‌هاي ليزري است. اين وضعيت با برانگيختن يا دميدن اتم‌هاي بيشتري به تراز انرژي بالاتر نسبت به اتم‌هاي موجود در تراز پايين‌تر تحقق مي‌يابد.

9. نور ليزر چگونه توليد مي‌شود؟ 3- آينه‌هاي دو سر ليزر نور گسيل شده را به محيط فعال بر‌مي‌گردانند و نور باز هم پر شدت‌تر مي‌شود، فرآيندي که تقويت نام دارد. با بيشتر و بيشتر شدن شدت، نور ايجاد شده در ليزر آن قدر قوي مي‌شود که از جفتگر خروجي که به طور جزئي نقره اندود (بازتاباننده) است به صورت نور ليزر به بيرون مي‌گريزد.

11. در حالت عادي: N3<N2<N1 در حالت واروني جمعيت: N2>N1 يا N3>N2

12. در حالت تعادل ترموديناميكي با استفاده از توزيع بولتزمن داريم:

13. چرا به وارونگي جمعيت نياز داريم؟ واكنشهاي مهم بين ماده و تابش را بررسي مي‌كنيم: 1- جذب فوتون آهنگ جذب: d N2(t)/dt = K n(t) N1(t) n(t) تعداد فوتونهاي ورودي در واحد حجم:

14. 2- نشر خودبه‌خودي فوتون آهنگ نشر خودبه‌خودي: d N2(t)/dt = - g21 N2(t) = - N2(t)/ t2 حل: N2(t) = N2(0) exp(-g21t) = N2(0) exp(-t/ t2) g21:ضريب نشر خودبه‌خودي است. نكته: فوتونهاي حاصل از نشر خودبه‌خودي به طور تصادفي در تمام جهات گسيل مي‌شوند.

15. 3- نشر واداشته (القايي) يك فوتون d N2(t)/dt = - K n(t) N2(t) ضريب ثابت K براي نشر القايي و جذب (القايي) يكسان است. فوتونهاي القايي حاصل از نشر القايي همان فركانس و جهت فوتون ورودي را دارند. نشر القايي حاصل پاسخ تشديد (Resonance Response) اتم به يك سيگنال تحميلي است.

16. dN2(t)/dttot= dN2(t)/dtabsorp+ dN2(t)/dtStimul+ dN2(t)/dtSpontan = +Kn(t)[N1(t)-N2(t)]-g21N2(t) = - dN1(t)/dttot dn(t)/dt = -K [N1(t)-N2(t)] n(t) n(t) = n(0) exp[-K(N1-N2)t] در حالت عادي N1>N2 و لذا در صورتي كه تعداد فوتونهاي ورودي در ابتدا را n(0) در نظر بگيريم با گذشت زمان به دليل منفي بودن نما، n(t) كاهش مي‌يابد. پس براي تقويت فوتونها بايد N2>N1(وارونگي جمعيت) شود تا نما مثبت شده، شاهد رشد تعداد فوتونها باشيم.

17. از آنجا كه زمان استقرار الكترون در لايه‌هاي بالاتر از لايه خود در حالت اتم خنثي، چيزي حدود 8-10 تا 9-10 ثانيه مي‌باشد، براي آنكه فرصت بيشتري براي عمل دمش يا پمپاژ كردن و توليد ليزر داشته باشيم، از سه يا چهار تراز انرژي استفاده مي‌كنيم. در اين حالت، تراز‌هاي سوم يا چهارم به صورت يك واسطه مياني بين عمل پمپاژ و عمل توليد ليزر ايفاي نقش مي‌نمايند. همچنين تراز دوم (در مدل سه‌ترازي) و تراز سوم (در مدل چهارترازي)، مدارهاي نسبتا پايداري (Metastable) هستند (بسته به ساختار اتم) كه مدت حضور الكترون در آنها به چيزي حدود 3-10 ثانيه مي‌رسد و اين خود در رسيدن به وارونگي جمعيت نقش مهمي ايفا مي‌كند.

18. ليزر سه ترازي براي واروني جمعيت بايد بيش از 50 درصد اتمها در تراز 2 قرار داشته باشند. در اين حالت در مقايسه با ليزر چهار ترازي (در اسلايد بعد) به پمپاژ سريعتري نياز داريم.

19. ليزر چهار ترازي در مقايسه با ليزر سه ترازي پمپاژ مي‌تواند با آهنگ كندتري صورت پذيرد.

20. تفاوت نور ليزر با نور معمولي • 1- همدوسي: نور سفيد معمولي آميزه ي بي نظمي از طول موجهاي نوري بسيار متفاوتي است که در هم آميخته اند، و در جهت هاي مختلفي حرکت مي کنند. به اين دليل اين نور را ناهمدوس مي گويند. فوتونهاي گسيلي از يك ليزر همه طول موج يکسان دارند و با هم، هم فاز هستند. قله ي هر موج با قله ي موج ديگر منطبق است. با اين دليل نور ليزر منظم است و نور همدوس ناميده مي شود. • 2- تکفامي: چون امواج نوري گسيلي از ليزر همه طول موج يا بسامد يکساني دارند اين نور تک رنگ يا تکفام ناميده مي شود. يعني نور ليزر با گذشتن ز منشور به همان صورت خارج مي شود. نور سفيد تکفام نيست يعني هنگام عبور از منشور به رنگهاي تشکيل دهنده ي خود تجزيه مي شود و يک رنگين کمان رنگ بوجود مي آيد. • 3-جهت مندي: نور ليزر با باريکه هاي مستقيم حرکت مي کند و نظير نور معمولي پخش نمي شود. باريکه ي نور يك چراغ قوه قوي بر ديواري در فاصله ي 320 متري دايره اي به قطر 65 متر را روشن مي‌کند، ولي باريکه ي ليزر دايره اي به قطر 0.3 متر را روشن مي کند. • 4- درخشندگي: درخشندگي نور ليزر حتي با قدرت کم (چند ميلي وات) چندين برابر درخشندگي چشمه هاي معمولي نور است.

21. همدوسي

22. تكفامي

23. جهت‌مندي و درخشندگي S = 1 mm2 R = 1 m = 1000 mm P1 = 100 W S = 1 mm2 R = 1 m = 1000 mm P2 = 5 mW

24. انواع تقويت توسط گسيل القايي در نواحي مختلف طيف الكترو مغناطيس • Raser(RF maser) • Maser • Iraser(IR laser) • Laser • Uvaser(UV laser) • Xaser(X laser) • Graser(Gamma ray laser)

25. ميزر (MASER)Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation بنابراين ميزر همان ليزر است كه در بخش امواج مايكروويو طيف الكترومغناطيس توليد مي‌شود. ميزر مبتني بر اصل انتشار القايي است که در سال 1917توسط آلبرت اينشتين پيشنهاد شد و از لحاظ تاريخي قبل از ليزر مطرح شده است.

26. بيان شد كه در حالت تعادل ترموديناميكي با استفاده از توزيع بولتزمن داريم: برخي از تفاوتهاي مهم ميزر با ليزر: • نسبت جمعيت حالتهاي با انرژي بالاتر به حالتهاي با انرژي پايين‌تر براي فركانس‌هاي (طول موجهاي) مايكرو ويو، تقريبا 1 به 1 است. • DE براي توليد ميزر حدود 10-5eV است در حاليكه DE براي توليد ليزرحدود چند الكترون ولت مي‌باشد. بنابراين: DELaser >> DEMaser • مي‌توان چنين استنباط كرد كه در دماهاي معمولي براي توليد ميزر نياز به انرژي زياد نداريم و به طور كلي نياز به عمل دمش (پمپ كردن) نمي‌باشد.

27. masers lasers • بنابراين در دماي اتاق كه kTroom = 0.0258eV انرژي كافي براي توليد جمعيت فراواني از اتمها در حالت انرژي بالاتر وجود دارد.

28. لذا براي توليد ميزر به حالتهاي سه ترازي يا چهار ترازي و استفاده از تراز واسطه مياني نيازي نيست زيرا حالت نشر القايي ذاتا دوام زيادي دارد.بنا براين تنها چيزي كه مورد نياز است، جداسازي فيزيكي حالت انرژي بالاتر از حالت انرژي پايين‌تر براي رسيدن به وارونگي جمعيت مي‌باشد. • نسبت ضريب گسيل خود به خودي به ضريب گسيل القايي متناسب با توان سوم فركانس است (رابطه زير). • در بخش راديويي طيف الكترومغناطيس، به دليل كوچك بودن فركانس، اين نسبت بسيار كوچك است. • بنابراين گسيل يا نشر خودبه‌خودي در مقايسه با گسيل يا نشر القايي بسيار ناچيز و قابل صرفنظر كردن مي‌باشد.

29. اولين ميزر • اولين ميزري كه ساخته شد، ميزر پرتو آمونياك بود (در سال 1954). • دو تراز انرژي مورد استفاده: حالتهاي نوساني ملكول آمونياك. • با توجه به شكل مي توان تصور كرد كه اتمهاي هيدروژن در حال چرخش هستند و اتم نيتروژن مي‌تواند بين دو وضعيتِ بالا و پايين صفحه اتمهاي هيدروژن نوسان كند. N H H H H H H N

30. دو وضعيت ملكول دقيقا انرژي‌هاي يكساني ندارند. • لذا ملكول در دو وضعيت انرژي قرار دارد. • تفاوت انرژي بين دو وضعيت بر حسب فركانس تقريبا 23.87 گيگاهرتز (24 گيگاهرتز) و بر حسب طول موج 1.25 سانتي‌متر مي‌باشد. N H H H H H H N

31. H H H N

32. 24 GHz N H H H

33. Charles Townes and the first manmade NH3-beam maser(1954)

34. ميزرهاي اخترفيزيكي • ليزرها و ميزرهاي ملكولي ميلياردها سال است كه در طبيعت در حال وقوع هستند. • محيط ليزري مي‌تواند شامل محيط‌هاي بين‌ستاره‌اي، دنباله‌دارها، جو سيارات و ستارگان و ... نمونه‌اي از محيط‌هاي مناسب براي توليد ليزر و ميزر مي‌باشند.

35. ليزرها و ميزرهاي ملكولي ميلياردها سال است كه در طبيعت در حال وقوع هستند. • محيط‌هاي مناسب براي توليد ليزر و ميزر مي‌توانند شامل محيط‌هاي بين‌ستاره‌اي، دنباله‌دارها، جو سيارات و ستارگان و ... ‌باشند. • بهترين كانديداها تا حال حاضر براي تامين انرژي لازم براي عمل دمش يا پمپاژ، تابشهاي الكترومغناطيس و يا برخورد بين ذرات هستند. • عمل تشديد نيز در سرتاسر محيط ميزري يا ليزري كه ابعادي از حدود سال نوري تا چندين پارسك را شامل مي‌شود، رخ مي‌دهد.

36. فوايد مطالعه ميزرهاي اخترفيزيكي • بررسي كمياتي نظير دما، چگالي عددي ذرات، ميدان مغناطيسي و سرعت اجسام در فضا. • بررسي محيطهايي نظير محل تولد و مرگ ستارگان. • بررسي مركز كهكشانهايي كه گمان مي‌رود سياهچاله‌هايي در آن نواحي وجود داشته باشند.

37. پهن‌شدگي دوپلري • در سال 1962، از ابرهاي بين ستاره‌اي خطوط نشري ملكولي در طول موجهاي راديويي با شدت بسيار زياد ثبت شدند. دماي جسم سياه معادل با اين شدتها چيزي در حدو 1012 تا 1015 كلوين بود!!! حال آن كه پهناي خطوط دوپلري آنها بسيار باريك مي‌نمود (پهن شدگي دوپلري بسيار كمي در رابطه با آنها مشاهده مي‌شد). دماي حاصل از پهن‌شدگي دوپلري اين ابرها كمتر 100 كلوين بود! • يك توضيح قانع‌كننده براي اين پديده وقوع ميزر در اين ابرها مي‌باشد. • انواع زيادي از ميزرهاي اخترفيزيكي آشكار شده‌اند كه مهمترين آنها ميزرهاي OH، SiO و H2O هستند.

38. در كهكشانهاي برخوردي و سياهچاله‌هاي نزديك ميزرهاي اخترفيزيكي مي‌توانند ميليونها برابر قوي‌تر از ميزرهاي معمولي باشند. به اين ميزرها مگاميزر مي‌گويند كه در سال 1982 نخستينِ آنها كشف شد.

39. 1.42 GHz ميزر هيدروژن • يكي از انواع ميزرها، ميزر هيدروژن است كه به عنوان يك ساعت دقيق مي‌تواند مورد استفاده واقع شود. • اين ميزر نيز با استفاده از اختلاف انرژي دو وضعيت اتم هيدروژن توليد مي‌شود. • هنگامي كه اسپين الكترون اتم هيدروژن از حالت هم‌جهت با اسپين پروتون، به حالت خلاف جهت تبديل مي‌شود، فوتوني با طول موج 21 سانتي‌متر توليد مي‌گردد. • اين پديده براي اتم هيدروژن بسيار به ندرت اتفاق مي‌افتد اما در كيهان و به ويژه در قرص كهكشانها كه با مقادير بسيار عظيم هيدروژن مواجه هستيم، وقوع اين پديده دور از ذهن نيست. • عامل توليد اين ميزر برخورد اتمهاي هيدروژن با يكديگر مي‌‌باشد.

40. OH بين ستاره‌اي • خطوط جذبي OH (راديكال هيدروكسيل يا OH- )اولين مشاهده راديويي از يك ملكول بين ستاره‌اي بود (1963). • چهار گذار فوق ظريف بين ترازهاي انرژي اين ملكول برطبق تئوري مشاهده شد كه همگي با طول موج حدود 18 سانتي‌متر و با فركانسهاي 1612، 1665، 1667 و 1720 مگاهرتز و به نسبتهاي 1:5:9:1 بودند. Energy level diagram depicting the 18 cm microwave transition and its hyperfine structure

41. OH بين ستاره‌اي • دو سال بعد از كشف خطوط جذبي راديويي OH، خطوط نشري اين ملكول نيز مشاهده شد. • شدت نشر بسيار زياد، پهناي خطوط بسيار كم، درجه قطبيدگي بسيار بالا و مقياس زماني تغييرات از مرتبه چند روز بود. • شدت خطوط چنان زياد بودند كه اگر قرار بود اين شدت از يك منبع گرمايي حاصل مي‌شد، دما بايد چيزي از مرتبه 1012 كلوين مي‌بود. • هم‌اكنون عقيده بر آن است كه تنها عامل توليد چنين خطوطي ميزر مي‌باشد. • مدل‌سازي ميزرهاي OH در ستاره‌هاي نمونه ديرين (Late-Type) (رده‌هاي طيفي G، K، M، R، N و S) بسيار موفقيت‌آميز بوده است. در اين ستاره‌ها عمل دميدن (پمپاژ) توسط پرتوهاي مادون قرمز كه ناشي از تضعيف تابش ستاره به دليل ذرات غبار برخورد كننده با بادهاي ستاره‌اي است، صورت مي‌پذيرد.

42. طول موج و فركانس برخي ميزرها • OH • 180mm: 1612, 1665, 1667, 1720 MHz • 63mm: 4750 & 4765 MHz • 50mm: 6035 & 6030 MHz • H2O • 13mm: 22.235 GHz • 3mm: 96.261 GHz

43. CH3OH • 45mm: 6669 MHz • 25mm: 12179 MHz • 13-8mm: 23.1, 28.9, 37.7, 38.2 GHz • 3mm: 85.5, 86.6, 86.9, 93.1, 94.5 GHz • 3mm: 107.0, 108.8 GHz • SiO • 7mm: 42.820 & 43.122 GHz • 3mm: 86.243 GHz 294 transitions from 800 MHz to 800 GHz

44. NH3 • 16-12mm: 18.5 – 23.9 GHz • HCN • 3mm: 88.631 GHz • H2CO (formaldehyde) • 62mm: 4830 MHz • Radio recombination lines • 2mm-25m: 147 GHz – 12 THz

45. به طور خلاصه در مورد ميزرهاي اخترفيزيكي مي‌توان گفت: • اجزاي تشكيل دهنده ميزرها بسيار كوچك (در حد ميلي ثانيه قوسي) و خطوط طيفي ناشي از آنها باريك هستند (كسري از Km/s)  مكان و سرعت بخشهاي توليد كننده ميزر با دقت بالايي قابل اندازه‌گيري هستند. • براي توليد ميزرها به مسافتهاي طولاني محيط‌هاي گازي نياز است. زيرا در اين محيطها كاواك تشديد مانند ليزرها در اختيار نداريم، بنابراين مسافتهاي زياد بايد تعداد زياد فوتونهاي همدوس ميزري را تامين كنند. • براي توليد به مكانيزمي براي پمپاژ نياز دارند (تابش، برخورد، ميدانهاي الكتريكي، واكنش‌هاي شيميايي). • در دماهاي كم محيط‌هاي ميان ستاره‌اي نيز امكان شكل‌گيري آنها وجود دارد (با توجه به اينكه DE براي توليد ميزر حدود 10-5eV است). • شدت خطوط نشري ميزرها به دماي محيط بستگي ندارد. • پراكندگي يا واگرايي پرتوهاي ميزر به دليل طول موج بلند آن نسبتا كم است.

47. ليزر مادون قرمز CO2 در جو سيارات • براي اولين بار در جو سيارات مريخ و زهره مشاهده شدند. • محل توليد آنها در ارتفاع 80 كيلومتر از سطح مريخ و 120 كيلومتر از سطح زهره است. • اين ميزرها با طول موج 10 ميكرو متر مربوط به دي‌اكسيد كربن مي‌باشند كه در محدوده IR واقع شده‌اند. • ساز و كار توليد: • گسيل تابشهاي حرارتي از سطح سياره و جذب آن توسط جو • آغاز نشر در جو سياره • تشديد تقويت شده نشرهاي خودبخودي در جو سياره • ميران تقويت عمودي در جو تنها 0.3% و تقويت افقي چيزي حدود 10% براي مريخ و كمي كمتر براي زهره مي‌باشد.

48. ميزر آب در جو سيارات بزرگ (غول) • پس از برخورد دنباله‌دار شوميكر-لوي با سياره مشتري خطوط ميزر آب از اين سياره مشاهده گرديد (با بسامد 22 گيگاهرتز). • همچنين اين ميزر از برخي ستاره‌هاي ميزبان سيارات فراخورشيدي نيز دريافت شده است.

49. ميزر در دنباله‌دارها • دنباله‌دارها توده‌هايي از ذرات منجمد هستند كه شامل ملكولهايي مانند H2O, CO2, NH3, CH4 و ... مي‌باشند. • هنگامي‌كه به خورشيد نزديك مي‌شوند اين ملكولها تبخير مي‌گردند. • برخورد دنباله دار شوميكر-لوي با سياره مشتري در سال 1994، منجر به نشر ميزر آب با بسامد 22 گيگا هرتز شد. • امواج فرابنفش خورشيد برخي از ملكولهاي آب را مي‌شكنند و سبب شكلگيري ملكولهاي OH مي‌شوند. • در سال 1997 نشر ميزر OH (با بسامد 1667 مگاهرتز) از دنباله‌دار هيل-باپ مشاهده گرديد.