۱۹۶۰ م. اختراع ميزر و ليزر، انقلاب در انتقال اطلاعات

امروزه تقريباً مردم جهان با کلمه ليزر (LAZER) آشنا هستند، و کاربرد فراوان آن را در سطح وسيعى از جهان احساس مى‌کنند. از اين‌رو بخش کوچکى از وضعيت اين اشعه سحرآميز را که انقلابى در انتقال اطلاعات بازى مى‌کند مرور مى‌کنيم: همه دستگاه‌هاى تقويت‌کننده معمولى داراى نويز (Noise) مى‌باشند. در ارتباطات کوشش‌هاى زيادى صرف بهبود بخشيدن به سيگنال‌هاى بدون نويز شده است. منابع گوناگون چه ساخت دست انسان و چه طبيعت براى ايجاد نويز وجود دارد. نويز با افزايش دما زياد مى‌شود و فقط در دماى صفر مطلق ۲۷۳ درجه سانتى‌گراد از ميان مى‌رود. همه دستگاه‌هاى تقويت‌کننده معمولى اين نويز را دارند. دماهاى بالاتر از صفر مطلق توليد نويز مى‌کند. در هر سيگنالى که نويز پائين‌تر باشد در بازداد تقويت‌کننده قابل تشخيص نخواهد بود. اين موضوع عامل محدود‌کننده غيرقابل حلى در تمام کوشش‌ها براى کشف بازتاب‌هاى (رادار) از هدف‌هاى دور يا سيگنال‌هاى بسيار ضعيف از ستارگان راديوئى بسيار دور بود تا اينکه ميزر(Mazer) اختراع شد.


تقويت موج‌هاى بسيار کوتاه توسط گسيلش تحريک شده تشعشع (Microwane Amplification by Stimulated Emission of Radiation) دماى نويز تقويت‌کننده خوب از نوع معمولى در ناحيه طول موج کوتاه بين ۱۰۰۰ و ۲۰۰۰ درجه مطلق قرار دارد. دماى نويز تقويت‌کننده ميزر کمتر از ۲ درجه مطلق است که عملاً نشان‌دهنده هيچ‌گونه نويزى نيست. ايجاد رادار و سيستم‌هاى ارتباطى زمان جنگ منجر به استفاده بسيار وسيع از طول موج‌هاى کوتاه و درک خصوصيات آنها گرديد. تا سال ۱۹۴۵ کوتاه‌ترين موج که مورد استفاده قرار گرفته بود حدود نيم‌سانتى‌متر طول داشت، و مطابق با فرکانس در حدود ۶۰ گيگا سيکل بر ثانيه بود (يک گيگا سيکل مساوى ۱۰۰۰ ميليون سيکل). دانشمندان اين فن سرانجام به طول موج‌هاى کوتاه‌ترى که به ناحيه‌هاى ميلى‌مترى و زيرميلى‌مترى طيف الکترومانيتيک گسترش مى‌يابند دست پيدا کردند. اگر ما پهناى باندى برابر با ده هزار سيکل در ثانيه را براى يک کانال ارتباطى در نظر بگيريم، قسمتى از طيف الکترومانيتيک که توسط فرکانس‌هاى يک ميليون سيکل تا دو ميليون سيکل در ثانيه محدود مى‌شود، مى‌تواند حداکثر ۱۰۰ عدد کانال را بدون اينکه روى‌هم بيافتد در خود جاى دهد.


در حاليکه موج‌هاى ناحيه زيرميلى‌مترى که بين فرکانس‌هاى يک يا دو ميليون سيکل در ثانيه قرار دارد مى‌تواند به‌طور نظرى حداکثر تا ۱۰۰ ميليون از اين کانال‌ها را در خود جاى دهد. پژوهش دامنه‌دارى براى توليد موج‌هاى ميلى‌مترى و زيرميلى‌مترى در سال ۱۹۵۰ آغاز شد و به زودى به نتيجه رسيد. اين پژوهش توسط سه گروه فيزيکدان در سال ۱۹۵۱ عنوان شد که عبارت بودند از گروه دانشگاه کلمبيا به سرپرستى سي.اچ.تاونز (C.H.Townes) پروخوروف (A.Prokhorov) ان باسوف (N. Basov) از انستيتوى لبدف (Labadev) در مسکو و جى وبر (J. Weber) در دانشگاه مريلند آمريکا.


ميزر اصلى با اشعه آمونياک از يک اشعه از مولکول‌هاى گاز آمونياک استفاده کردند که از ميان يک سوراخ کوچک به درون يک کاواک تخليه شده رانده مى‌شد. در آنجا مولکول‌ها، تحت‌تأثير ميدان‌هاى الکتريکى قرار مى‌گيرند که آنها را طورى جلو و عقب مى‌رانند که مولکول‌هاى در حال برانگيختگى متراکم شده و از راه يک سوراخ کاواک ديگر متمرکز مى‌شوند و با طول موج‌هاى ريز به ارتعاش درمى‌آيند. ميزرها پيشرفت‌هاى انقلابى در زمينه‌هاى مخابراتى ايجاد کردند. آنها به‌عنوان تقويت‌کننده طول موج کوتاه هزار بار حساس‌تر از هر نوع تقويت‌کننده هستند و عملاً هيچ‌گونه نويزى ايجاد نمى‌کنند. اين موضوع سبب ايجاد توسعه بزرگى در بُرد (رادار) و ارتباط با فاصله‌هاى بسيار دور شده است.


آزمايشگاه لينکلن يک ارتباط مخابراتى از راه ماه با استفاده از تقويت‌کننده‌هاى ميزر بين دو سوى قاره آمريکا به‌کار انداخت. تقويت‌کننده‌هاى ميزر که برروى تلسکوپ‌ها سوار شدند توانستند به مرزهاى ناشناخته گيتى دست يابند. در اين ميان امکان ديگرى از ميزرها که در ناحيه‌هاى فروسرخ و مرئى طيف کار مى‌کند، شناخته شد که به آن ليزر مى‌گويند. ليزر کوتاه شده عبارت تقويت نور توسط گسيلش تحريک شده تشعشع Light Amplifiction by Stimulated Emission of Radiation است که توسعه طبيعى ميزر بود. پژوهش‌کنندگان بسيارى در کشورهاى مختلف روى طرح‌هاى گوناگونى به کشف اين اشعه دست يافتند. نخستين ليزرى که با موفقيت در فرکانس‌ها نور مرئى کارکرد در آمريکا در سال ۱۹۶۰ توسط تي.اچ.ميمن (T.H. Maiman) از آزمايشگاه پژوهش هيوز (Hughes) ساخته شد. آنها از يک ياقوت صورتى رنگ يا سطوح مسطح و موازى استفاده کردند. دور اين ياقوت توسط لامپى به‌نام (Quartz Tube) که دور ياقوت پيچيده شده است و درخشانى فلاشز (Flashes) از نور آبى رنگ بسيار شديد ايجاد مى‌کرد. ياقوت بلور سخت، اکسيدآلومينيوم است و رنگ سرخ‌رنگ مربوط به مقدار کمى از اتم‌هاى کروم است که مى‌توانند توسط نورى با طول موج متناسب برانگيخته شوند. يک طرف استوانه ياقوت کاملاً آئينه و طرف ديگر به مقدار ۹۹ درصد نقره‌اندود شده است.


پس از بازتاب‌هاى پيامى در طول ياقوت، انرژى آزاد شده توسط اتم‌هاى برانگيخته از انتهائى که نقره کمترى دارد به‌صورت تابه شديدى از نور خالص فروسرخ خارج مى‌شود که به آن اشعه ليزر مى‌گويند. به دنبال نخستين ساخت اشعه ليزر (دکتر على جوان) فيزيکدان ايرانى در هريوت (Herritt) در آمريکا، دستگاه ليزرى ساخت که در آن براى انتقال انرژى اتم‌هاى هليوم برانگيخته به اتم‌هاى گاز نئون از تخليه الکتريکى در هليوم استفاده شد، منظور اين بود که فرکانس‌هاى نورى نوسان‌هاى پيوسته ايجاد کند. به دنبال آن پژوهش در آمريکا، انگليس، شوروى انجام گرفت. سرانجام ليزرهاى از آزمايشگاه‌ها بيرون آمدند و کاربردهاى وسيعى در صنايع مختلف پديد آمد.


ميزرها و ليزرها داراى خواص منحصر به فردى هستند که افق‌هاى درخشانى را براى انسان گشوده‌اند. هيچ منبع تشعشع ديگرى نمى‌توان يافت که به اين درجه از خلوص و پايدارى نزديک باشد. سوزن نورى حاصل از ليزر مى‌تواند مقدار عظيمى از انرژى را در يک نقطه متمرکز کند و در يک فولاد قطور سوراخى ايجاد نمايد. امروزه مردم دنيا به اهميت و کاربرد وسيع ليزر که نعمت بزرگى است که نصيب انسان شده پى برده‌اند. اما يکى از مهم‌ترين هنرهاى ميزر و ليزر به کارگيرى آن در ارتباطات است. اشکال رفع نشدنى در مورد پيدا کردن پهناى باند کافى در فرکانس‌هاى معمولى راديوئى وجود دارد که در فرکانس‌هاى نورى از ميان مى‌رود. قسمت نورى طبيعى الکترومانيتيک که برروى بيش از سه هزار ميليون مگا سيکل گسترش يافته مى‌تواند يک کانال صوتى ارتباطى انفرادى براى هر نفر در روى زمين ايجاد کند. پيش از ايجاد ليزر اين کانال‌ها عملى نبودند. اما تعيين دقيق موقعيت فرکانس‌ها که توسط اين دستگاه‌ها امکان‌پذير شد. امکان ايجاد ميليون‌ها کانال مجاور هم را در ناحيه نورى بدون تداخل در يکديگر فراهم کرده است. نتيجه آن ارتباطى است به‌وسيله انواع تلفن‌ها، انتقال نوشته‌ها و تصاوير انتقال تصوير تلويزيون در سراسر جهان کتابخانه و روزنامه و مجلات الکترونيکى و شبکه اطلاعاتى جهانى (اينترنت) حمل اطلاعات به‌وسيله کابل‌هاى فيبر نورى در زمين و اعماق اقيانوس‌ها، پست الکترونيک در سراسر جهان و غيره از چنين امواجى چون ليزرها و ميزرها بهره گرفتند.


طرز کار ليزر ياقوتى
طرز کار ليزر ياقوتى