لیزرها و ویژگی های کاربردی آنها(#ویرایش شود)

تصور کنید که کاوشگر فضایی به فضا فرستاده شده است. آنگاه رد و بدل اطلاعات بین زمین و کاشگر چگونه صورت می گیرد؟

مخابره اطلاعات از کاوشگرهایی که از زمین فاصله گرفته اند، باید به گونه ای باشد که اطلاعات به جز زمین به جای دیگر فرستاده نشود؛ یعنی پیام که در قالب امواج الکترومغناطیسی است باید بصورت یک بعدی یا خطی تولید شود و نباید در همه ابعاد فضایی (مثل موبایل یا آنتن های مخابراتی و ...) تولید شوند که آن امواج به جایی غیر از زمین هم فرستاده شوند. دراینصورت فرایند پیامرسانی لیزری خواهد شد که سیستم لیزری کاوشگر، دقیقا کره زمین را هدف گیری کند و لیزر نامرئی را گسیل بدارد. وقتی که لیزر با فرکانس مشخص، به سطح زمین برسد، تمام سطح زمین و تمام ماهواره ها را پوشش می دهد. در این صورت از صرف انرژی زیاد برای رساندن پیام ها به زمین جلوگیری می شود چونکه ایجاد امواج الکترو مغناطیس تنها در یک بعد بصرفه تر از ایجاد امواج الکترومغناطیس در همه ابعاد است.

تصویر: از ویژگی های خوب لیزر، حرکت مستقیم یعنی نظم و توازی حرکت فوتون های نوری است. تولید امواج پیام به شیوه ای که امواج در سه بعد و به صورت صفحات کروی ایجاد می شوند، علاوه بر صرف انرژی زیاد  دارای برد کم و ناکافی خواهد بود. یعنی پس از طی فواصلی، از شدت امواج کاسته می شود تا اینکه موجودیت امواج به صفر میل می کند. اما در لیزر این چنین نخواهد بود.

مثال:

وقتی تکه سنگی در آب بیفتد، موج دایره ای تشکیل می شود و بر وسعت دایره امواج افزوده می شود. اما همینطور که بر وسعت آن افزوده می شود، از شدت و قدرت موج هم کاسته می شود. یعنی ارتفاع موج با پیشروی موج کاسته می شود. تا اینکه به صفر می رسد.

این خصوصیت موج ها، در میان همه امواج طبق قانون فیزیکی صادق است. که میزان فراوانی فوتون ها متناسب با معکوس توان سوم فاصله ای که طی شده است، کمتر می شود. (d³/ ×)

{ قسمتی از اثبات رابطه بین اندازه  موجودیت امواج با معکوس توان سوم فاصله؛ یا شعاع کره موجی از چشمه موج.

V = 4/3 πr^3

 نسبت حجم دو کره (تودرتو)= r1^3 / r2^3

پس نسبت حجم دو کره که یکی از دیگری بزرگتر است و دیگری که کوچکتر است درون کره بزرگتر است برابر با توان سوم تقسیم شعاع های آنها می شود. باتوجه به اینکه کره  کوچکتر با شعاع r1، درواقع همان چشمه امواج است و مقدار مشخصی دارد،  پس مقدار ان را x در نظر می گیریم. یعنی عددی مشخص و ثابت. اما شعاع کره دوم که یعنی همان کره امواج به ازاء شعاع r2، با گذشت زمان، مقداری متغیر و رو به افزایش دارد. چون در اینجا r2 معادل d یا همان distance فاصله از چشمه امواج است بنابراین با جاگداری مقادیر بالا خواهیم داشت:

r1³=x

r2=d

^{》 (d3/ ×)}

*ضمنا بدلیل سرعت ثابت پیشروی امواج الکترومغناطیس، با استفاده از فرمول d=V.t، می توان در معادله بالا بجای d ، زمان را بگذاریم. 

بنابراین به فرض، پس از گذشت ۱۰ ثانیه از انتشار امواج توسط چشمه، موجودیت امواج به یک هزارم تقلیل می یابد. اما پرواضح که موجودیت امواج که به معنای تراکم یا چگالی امواج در خلا است، با انرژی هر واحد موج(فوتون ها) متفاوت است!!!

 دریافت پیام های مخابراتی کاوشگرهای فضایی می تواند با استفاده از سیستملیزری باشد.  بصورت لیزری پیام دریافت می کنیم و بوسیله لیزری پیام می فرستیم؛ چرا؟

چونکه: 

لیزر مسافت بسیار طولانی را بدون برهم خوردن توالی و فرکانس بسته های انرژی فوتون ها طی می کند.

لیزر لوکالیزه و متمرکز بر هدف خاصی است بنابراین انرژی کمتری برای تولید آن صرف می شود.

لیزر ها البته در اینجا نامرئی اند. یعنی برخلاف لیزرهای معمول زمینی، لیزرهای تحقیقاتی امواج نامرئی (رادیویی یا فروسرخ یا فرابنفش یا گاما یا ....) تولید می کنند.

لیزر از درز اطلاعات به جایی غیر از مقصد جلوگیری می کند و پیام را تنها به هدف مورد نظر می فرستد.

○ لزومی ندارد که لیزر نقطه زن باشد. یعنی تصور کنیم که باید لیزر را دقیقا جوری تنظیم کنیم که امواجش به کاوشگر بخورد. خیر. بلکه اگر به گونه ای باشد که پهنای نهایی امواح برخوردی لیزر، به اندازه سیاره مقصد هم باشد باز خیلی خوب است. نیازی به نشان گیری دقیق نیست. بلکه بهتر است که لیزر پهنایی خیلی بیشتر از محدوده حضور کاوشگر در برخورد نهایی امواج داشته باشد.

○ لیزرها، از کدام بخش مواد تولید می شوند؟ 

در جواب سوال بالا، باید اذعان شود که کلا امواج الکترومغناطیسی،  نور، لیزر مربوط به بخش الکترونی مواد است. موبایل، مایکروویو، جی پی اس و شاید تمام دستگاه های دیگر حاصل از کار کردن دانشمندان بر روی بخش الکترونی مواد باشد. برق و الکتریسیته، همان جریان یافتن الکترون ها در ماده رسانا و هادی است. تصاویر تلویزیون هنگامی که داریم یک مسابقه فوتبال پرطرفدار را می بینیم هم در واقع بخاطر بخش الکترونی مواد است که موجب تولید نور و رنگ می شود. درواقع الکترون ها با پریدن از یک لایه به لایه دیگر موجب تولید انواع امواج الکترومعناطیس مرئی و نامرئی می شوند. حال سوال اساسی ما به هسته اتم ها باز می گردد، که آیا ایجاد تحریک و القاء پروتون ها هم اثراتی مخصوص را از خود نشان خواهد داد؟!!

عکس: نور لیزر، حاوی فوتون های موازی و هم راستا است که تا فواصل بسیار زیاد خصوصیت توازی خود را با نسبت خوبی حفظ می کنند. 

○ ماهواره لیزری، به معنای ماهواره ای است که پیام های خود را به هدف و مقصدی خاص لوکالیزه می کند و در نتیجه با صرف همان انرژی سابق، پیام را به فواصل بسیار طولانی تر می فرستد.

-----------------------------------------

پی نوشت: وقتی گفته می شود بعد از گذشت ۱۰ ثانیه موجودیت امواج الکترومغناطیسی (که از چشمه امواج به صورت صفحات کروی منتشر پی شوند) یک هزارم می شود باید توجه کرد که این ده ثانیه برای امواج مختلف (موج نوری، موج صوت و ...) فرق می کند. فرضا اگر موج نوری باشد، آنگاه در مدت ده ثانیه فاصله فوق العاده زیاد سه میلیون کیلومتر را طی کرده است!!! یعنی در این مدت چند هزار بار کره زمین را دور می زند!

بنابراین در فواصل زمینی، اصلا کاهش موجودیت امواج الکترومغناطیس نداریم. چونکه فواصل زمینی کوتاه برد هستند. و قابل صرف نظر می باشد. اما در فواصل بین سیاره ای قابل صرف نظر نیست و موج در فاصله ای دچار کاهش شدید می شود. امواج الکترومغناطیسی برای پیمودن فاصله دو سیاره چند ده ثانیه زمان سپری خواهند کرد و این لطمه شدید به موجودیت امواج می زند. اما در سطح زمین و فواصل ماهواره ای/زمینی این پدیده رخ نمی دهد و مشاهده نمی شود چونکه فاصله اندک است.

پ.ن ۱: آیا تابحال به این موضوع اندیشیده اید که بهترین مختصات برای ورود کاوشگر به سیاره های گازی مثل مشتری و زحل و غیره کدام است؟

یعنی مثلا آیا ما می توانیم که یک فضاپیما را از سمت نزدیک به قطبین مشتری وارد این سیاره کنیم یا اینکه باید به دنبال سوراخ های فرضی در میان این ابر متراکم باشیم؟

پاسخ: حقیقت این است که هیچ سوراخی در ابرهای متراکم مشتری یا زحل یا نپتون و اورانوس وجود ندارد. اما نقاط و مختصاتی هستند که آن مختصات، نسبت به بقیه جاها تراکم گازی کمتر یا خیلی کمتر دارند و در نتیجه ورود فضا پیما یا کاوشگر از آن مختصات راحت تر و سهل الوصول تر خواهد بود. و اما آن مختصات شامل چه نقاطی از سیاره می شوند؟

همه می دانیم که حجم قابل توجهی از سیارات بزرگ مذکور را گازها تشکیل می دهند. با این حال برای نفوذ کاوشگر یا سفینه به درون لایه های گازها برای بررسی و تحقیقات، بنظرم بهتر است که خط استوای این سیارات انتخاب شود. چرا؟ چونکه پیش بینی می شود که تراکم گازها در خط استوا دارای کم ترین میزان ممکن باشد. و درمقابل تراکم و چگالش گازها در قطبین بیشترین مقدار باشد. درواقع رابطه ای میان سرعت ذرات و چگالی ذرات گازها وجود دارد که به این ترتیب است:

سرعت حرکت گازها در استوا × چگالی ذرات گازها در استوا  =

سرعت حرکت گازها در قطبین × چگالی ذرات گازها در قطبین

نکته مهم که باید به آن توجه کنیم این است که سرعت ذرات گازی هیچ گاه صفر نمی شود. یعنی در مرکز قطب هم ذرات گازی که از سطح سیاره خیلی بالاتر قرار گرفته است باز سرعت و حرکت دارند. 

خوب شاید این سوال ایجاد شود که آیا سرعت بالای حرکت گازها در خط استوای سیارات موجب تغییر مکان و یا ضربه شدید به کاوشگر یا آسیب نمی شود؟ 

پیش از جواب دادن به سوال بهتر است که یک رویداد داستانی را برایتان بازگو کنم.

درواقع همکنون یادم به زمانی افتاد که در کودکی عمل جوشکاری را از نزدیک نگاه می کردم. ذرات نورانی حاصل از جوشکاری را که به اطراف پخش می شدند می دیدم. و من می ترسیدم که روی پایم بریزند چون فکر می کردم که خیلی داغ و سوزان هستند. و بطور اتفاقی چند دانه از انها هم روی پایم افتاد ولی هیچ اتفاقی رخ نداد..!

مسئله انرژی ذرات گازی پرسرعت هم شبیه داستان بالا است. یعنی با اینکه ذره جوشکاری حامل نور زیاد و گرما بود اما چون اندازه ذرات بسیار ریز بودند به حدی که بعد از سرد و بی نور شدن، به سختی ذرات ریزی دیده می شدند، بنابراین اثر گرمایی آنها ناچیز به حساب می آید. یعنی انرژی گرمایی و حرارتی آن درات از این قاعده پیروی می کردند:

جرم ذرات × دمای ذرات . چون جرم ذرات در این فرمول بسیار کم و ناچیز بود، بنابراین با وجود دمای بالای ذرات، انرژی گرمایی بسیار کمی دارند. 

همچنین است برای ذرات گازی:

انرژی جنبشی ذرات تحت تاثیر حاصلضرب جرم ذرات×سرعت ذرات است.

چون جرم ذرات گازی بسیار ناچیز می شود، انرژی جنبشی بسیار کمی خواهند داشت.

در خط استوای این سیارات هم با توجه به تراکم بسیار کم و چگالی پایین گازها، گرچه سرعت حرکت کم نیست اما اثر مخرب و زیادی قابل انتظار نباید باشد.

 علت اینکه ذرات گازی در استوا پرسرعت و در عین حال سبک اند و در قطبین برعکس یعنی کم سرعت و کند و سنگین و چگال اند، به چرخش کره ای سیاره بر می گردد. که برای حفظ تعادل و پایداری در لایه های گازی،  بطور طبیعی چنان قانون فیزیکی ای پابرجا می شود.