هيكل ومبدأ تشغيل الليزر. أجهزة كمومية يتم ضخها بصريًا وتعمل وفق "مخطط ثلاثي المستويات"

تسمى المولدات الكمومية التي تنبعث في نطاق الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء بالليزر. كلمة "ليزر" هي اختصار لعبارة: تضخيم الضوء بالانبعاث المحفز للإشعاع، وتعني تضخيم الضوء نتيجة انبعاث الكمات المستحث أو كما يطلق عليه أحيانا.

جهاز ليزر

يتكون الليزر المعمم من وسط ليزر نشط ونظام "ضخ" - مصدر جهد وتجويف بصري.

ينقل نظام الضخ الطاقة إلى ذرات أو جزيئات وسط الليزر، مما يمنحها الفرصة للدخول في "حالة شبه مستقرة" مثيرة مما يؤدي إلى انعكاس سكاني.

· يستخدم الضخ البصري الفوتونات التي يوفرها المصدر، مثل مصباح فلاش مملوء بغاز الزينون أو أي ليزر آخر، لنقل الطاقة إلى مادة الليزر. يجب أن يوفر المصدر البصري فوتونات تتوافق مع مستويات الانتقال المقبولة في مادة الليزر.

· يعتمد الضخ التصادمي على نقل الطاقة إلى مادة الليزر نتيجة تصادمها مع ذرات (أو جزيئات) مادة الليزر. وفي الوقت نفسه، يجب أيضًا توفير الطاقة المقابلة للتحولات المسموح بها. يتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام التفريغ الكهربائي في غاز نقي أو خليط من الغازات في أنبوب.

· تستخدم أنظمة الضخ الكيميائي طاقة الربط المنطلقة نتيجة التفاعلات الكيميائية لتحويل مادة الليزر إلى حالة شبه مستقرة.

مطلوب تجويف بصري لتوفير القوة المطلوبة في الليزر واختيار الفوتونات التي تتحرك في الاتجاه المطلوب. عندما يتم تفريغ الذرة أو الجزيء الأول في حالة شبه مستقرة من انعكاس السكان، بسبب الانبعاث المحفز، فإنه يبدأ تفريغ الذرات أو الجزيئات الأخرى في حالة شبه مستقرة. إذا انتقلت الفوتونات نحو جدران مادة الليزر، وعادةً ما تكون عبارة عن قضيب أو أنبوب، فإنها تُفقد وتتوقف عملية التضخيم. على الرغم من أنها قد تنعكس من جدران القضيب أو الأنبوب، إلا أنها ستفقد من النظام عاجلاً أم آجلاً ولن تساهم في إنشاء الشعاع.

ومن ناحية أخرى، إذا أطلقت إحدى الذرات أو الجزيئات المدمرة فوتونًا موازيًا لمحور مادة الليزر، فيمكن أن يبدأ إطلاق فوتون آخر، وسينعكس كلاهما بواسطة مرآة في نهاية قضيب التوليد أو أنبوب. ثم تمر الفوتونات المنعكسة مرة أخرى عبر المادة، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من الإشعاع على طول نفس المسار تمامًا، والذي ينعكس مرة أخرى بواسطة المرايا الموجودة في نهايات مادة الليزر. وطالما استمرت عملية التضخيم هذه، فإن بعض التضخيم سيخرج دائمًا من خلال المرآة العاكسة جزئيًا. وبما أن المكسب أو المكسب من هذه العملية يتجاوز الخسائر الناتجة عن التجويف، يبدأ الليزر. وهكذا يتشكل شعاع ضيق ومركّز من الضوء المتماسك. يجب ضبط المرايا الموجودة في التجويف البصري لليزر بدقة للتأكد من أن أشعة الضوء موازية للمحور. المرنان البصري نفسه، أي. يجب ألا تمتص مادة الوسط الطاقة الضوئية بقوة.

وسط الليزر (مادة الليزر) - يتم تحديد الليزر عادة حسب نوع مادة الليزر المستخدمة. هناك أربعة أنواع من هذا القبيل:

صلب،

صبغ،

أشباه الموصلات.

تستخدم ليزرات الحالة الصلبة مادة ليزر موزعة في مصفوفة صلبة. تحتل ليزرات الحالة الصلبة مكانًا فريدًا في تطوير الليزر. كان أول وسيط ليزر يعمل هو بلورة الياقوت الوردي (بلورة الياقوت المطلية بالكروم)؛ منذ ذلك الحين، تم استخدام مصطلح "ليزر الحالة الصلبة" بشكل عام لوصف الليزر الذي يكون وسطه النشط عبارة عن بلورة مشبعة بشوائب أيونية. ليزر الحالة الصلبة عبارة عن أجهزة كبيرة وسهلة الصيانة قادرة على توليد طاقة عالية الطاقة. إن أكثر ما يلفت الانتباه في ليزر الحالة الصلبة هو أن طاقة الخرج عادة ليست ثابتة، ولكنها تتكون من عدد كبير من قمم الطاقة الفردية.

أحد الأمثلة على ذلك هو ليزر نيوديميوم-ياغ. مصطلح YAG هو اختصار للبلورة: عقيق ألومنيوم الإيتريوم، الذي يعمل كحامل لأيونات النيوديميوم. يصدر هذا الليزر شعاعًا من الأشعة تحت الحمراء بطول موجة يبلغ 1064 ميكرومترًا. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام عناصر المنشطات الأخرى، مثل الإربيوم (ليزر Er:YAG).

يستخدم ليزر الغاز غازًا أو خليطًا من الغازات في أنبوب. تستخدم معظم أجهزة الليزر الغازية مزيجًا من الهيليوم والنيون (HeNe)، مع إشارة خرج أولية تبلغ 6328 نانومتر (نانومتر = 10-9 أمتار)، باللون الأحمر المرئي. تم تطوير هذا الليزر لأول مرة في عام 1961 وأصبح رائدًا لعائلة كاملة من أجهزة الليزر الغازية.

جميع أجهزة الليزر الغازية متشابهة تمامًا في التصميم والخصائص. على سبيل المثال، ينبعث ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون بطول موجي قدره 10.6 ميكرومتر في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة من الطيف. يعمل ليزر غاز الأرجون والكريبتون بترددات متعددة، وينبعث في الغالب في الجزء المرئي من الطيف. الأطوال الموجية الرئيسية لإشعاع ليزر الأرجون هي 488 و514 نانومتر.

تستخدم أشعة الليزر الصبغية وسط ليزر عبارة عن صبغة عضوية معقدة في محلول سائل أو معلق.

الميزة الأكثر أهمية لهذه الليزرات هي "قدرتها على التكيف". يسمح الاختيار الصحيح للصبغة وتركيزها بتوليد ضوء الليزر على نطاق واسع من الأطوال الموجية داخل الطيف المرئي أو بالقرب منه. عادةً ما تستخدم أشعة الليزر الصبغية نظام الإثارة الضوئية، على الرغم من أن بعض أنواع ليزر الصبغة تستخدم الإثارة الكيميائية.

ليزر أشباه الموصلات (الصمام الثنائي) - يتكون من طبقتين من مادة أشباه الموصلات مكدسة معًا. صمام ثنائي الليزر هو صمام ثنائي باعث للضوء ذو سعة بصرية لتضخيم الضوء المنبعث من رد الفعل العكسي في قضيب شبه موصل، كما هو موضح في الشكل. يمكن ضبطها عن طريق تغيير التيار المطبق أو درجة الحرارة أو المجال المغناطيسي.

يتم تحديد الأوضاع الزمنية المختلفة لتشغيل الليزر حسب التردد الذي يتم توفير الطاقة به.

تعمل أشعة الليزر ذات الموجة المستمرة (CW) بقوة شعاع متوسطة ثابتة.

عادةً ما تتراوح مدة نبضة الليزر أحادية النبضة من عدة مئات من الميكروثانية إلى عدة ميلي ثانية. يُطلق على وضع التشغيل هذا عادةً اسم النبض الطويل أو الوضع العادي.

إن ليزر Q-switched أحادي النبض هو نتيجة لتأخير داخل التجويف (خلية Q-switched)، مما يسمح لوسط الليزر بالاحتفاظ بأقصى قدر من الطاقة المحتملة. ثم، في ظل الظروف الأكثر ملاءمة، تنبعث نبضات واحدة، عادة مع فترة زمنية تتراوح من 10 إلى 8 ثواني. تتمتع هذه النبضات بقدرة ذروة عالية، غالبًا ما تتراوح بين 106 إلى 109 واط.

يعمل الليزر النبضي النبضي، أو ليزر المسح، من حيث المبدأ مثل الليزر النبضي، ولكن بمعدل نبض ثابت (أو متغير) يمكن أن يختلف من بضع نبضات في الثانية إلى ما يصل إلى 20000 نبضة في الثانية.

مبدأ تشغيل الليزر

الأساس المادي لعملية الليزر هو ظاهرة الإشعاع القسري (المستحث). وجوهر الظاهرة هو أن الذرة المثارة قادرة على إصدار فوتون تحت تأثير فوتون آخر دون امتصاصه، إذا كانت طاقة الأخير تساوي الفرق في طاقات مستويات الذرة قبل وبعد إشعاع. في هذه الحالة، يكون الفوتون المنبعث متماسكًا مع الفوتون الذي سبب الإشعاع (وهو "نسخته الدقيقة"). بهذه الطريقة يتم تضخيم الضوء. تختلف هذه الظاهرة عن الانبعاث التلقائي، حيث يكون للفوتونات المنبعثة اتجاهات انتشار واستقطاب وطور عشوائي.

إن احتمال أن يتسبب الفوتون العشوائي في انبعاث محفز من ذرة مثارة يساوي تمامًا احتمال امتصاص هذا الفوتون بواسطة ذرة في حالة غير مثارة. لذلك، لتضخيم الضوء، من الضروري أن يكون هناك ذرات مثارة في الوسط أكثر من الذرات غير المثارة (ما يسمى بالانعكاس السكاني). في حالة التوازن الديناميكي الحراري، لا يتم استيفاء هذا الشرط، لذلك يتم استخدام أنظمة مختلفة لضخ الوسط النشط بالليزر (البصري والكهربائي والكيميائي وما إلى ذلك).

المصدر الأساسي للتوليد هو عملية الانبعاث التلقائي، لذلك، لضمان استمرارية أجيال الفوتونات، من الضروري وجود ردود فعل إيجابية، بسبب أن الفوتونات المنبعثة تسبب أعمال لاحقة من الانبعاث المستحث. وللقيام بذلك، يتم وضع وسط الليزر النشط في التجويف البصري. في أبسط الحالات، يتكون من مرآتين، إحداهما شفافة - من خلالها يخرج شعاع الليزر جزئيًا من الرنان. ينعكس شعاع الإشعاع من المرايا بشكل متكرر عبر الرنان، مما يسبب التحولات المستحثة فيه. يمكن أن يكون الإشعاع مستمرًا أو نابضًا. في الوقت نفسه، باستخدام أجهزة مختلفة (المنشورات الدوارة، وخلايا كير، وما إلى ذلك) لإيقاف تشغيل التغذية المرتدة بسرعة وبالتالي تقليل فترة النبضات، من الممكن تهيئة الظروف لتوليد إشعاع ذي طاقة عالية جدًا ( ما يسمى بالنبضات العملاقة). يُسمى هذا الوضع من تشغيل الليزر بوضع Q-switched.

الإشعاع الناتج عن الليزر أحادي اللون (واحد أو مجموعة منفصلة من الأطوال الموجية)، لأن احتمالية انبعاث فوتون بطول موجي معين أكبر من احتمال انبعاث فوتون قريب، مرتبط بتوسيع الخط الطيفي، و وبالتالي فإن احتمال التحولات المستحثة عند هذا التردد له أيضًا حد أقصى. لذلك، تدريجيًا خلال عملية التوليد، ستهيمن الفوتونات ذات الطول الموجي المحدد على جميع الفوتونات الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا للترتيب الخاص للمرايا، يتم الاحتفاظ فقط بتلك الفوتونات التي تنتشر في اتجاه موازٍ للمحور البصري للمرنان على مسافة قصيرة منه، في شعاع الليزر، وتترك الفوتونات المتبقية حجم الرنان بسرعة. وبالتالي فإن شعاع الليزر له زاوية انحراف صغيرة جدًا. وأخيرا، فإن شعاع الليزر لديه استقطاب محدد بدقة. للقيام بذلك، يتم إدخال بولارويدات مختلفة في الرنان، على سبيل المثال، يمكن أن تكون عبارة عن ألواح زجاجية مسطحة مثبتة بزاوية بروستر في اتجاه انتشار شعاع الليزر.

تطبيقات الليزر

إشعاع مولد الكم الليزري

منذ اختراعه، أثبتت أجهزة الليزر نفسها على أنها "حلول جاهزة لمشاكل غير معروفة حتى الآن". نظرًا للخصائص الفريدة لإشعاع الليزر، فإنه يتم استخدامه على نطاق واسع في العديد من فروع العلوم والتكنولوجيا، وكذلك في الحياة اليومية (مشغلات الأقراص المضغوطة، وطابعات الليزر، وقارئات الباركود، ومؤشرات الليزر، وما إلى ذلك). في الصناعة، يتم استخدام الليزر في القطع واللحام ولحام الأجزاء المصنوعة من مواد مختلفة. تتيح لك درجة حرارة الإشعاع المرتفعة لحام المواد التي لا يمكن لحامها بالطرق التقليدية (على سبيل المثال، السيراميك والمعادن). يمكن تركيز شعاع الليزر في نقطة يبلغ قطرها حوالي ميكرون، مما يجعل من الممكن استخدامه في الإلكترونيات الدقيقة (ما يسمى بالكتابة بالليزر). يتم استخدام الليزر للحصول على طبقات خارجية من المواد (سبائك الليزر، وتسطيح الليزر، وترسيب الليزر الفراغي) من أجل زيادة مقاومة التآكل. كما يتم أيضًا استخدام وضع العلامات بالليزر على التصاميم الصناعية ونقش المنتجات المصنوعة من مواد مختلفة على نطاق واسع. أثناء معالجة المواد بالليزر، لا يوجد أي تأثير ميكانيكي عليها، لذلك تحدث تشوهات طفيفة فقط. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون العملية التكنولوجية بأكملها مؤتمتة بالكامل. ولذلك تتميز المعالجة بالليزر بالدقة والإنتاجية العالية.

ليزر أشباه الموصلات يستخدم في وحدة توليد الصور لطابعة Hewlett-Packard.

يتم استخدام الليزر في التصوير المجسم لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد بنفسها والحصول على صورة ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد. بعض أجهزة الليزر، مثل الليزر الصبغي، قادرة على توليد ضوء أحادي اللون بأي طول موجي تقريبًا، ويمكن أن تصل نبضات الإشعاع إلى 10−16 ثانية، وبالتالي قوى هائلة (ما يسمى بالنبضات العملاقة). وتستخدم هذه الخصائص في التحليل الطيفي، وكذلك في دراسة التأثيرات البصرية غير الخطية. باستخدام الليزر، كان من الممكن قياس المسافة إلى القمر بدقة عدة سنتيمترات. أوضح تحديد المدى بالليزر للأجسام الفضائية معنى الثابت الفلكي وساهم في تحسين أنظمة الملاحة الفضائية، وتوسيع فهم بنية الغلاف الجوي وسطح كواكب النظام الشمسي. وفي التلسكوبات الفلكية المجهزة بنظام بصري تكيفي لتصحيح تشوهات الغلاف الجوي، يتم استخدام أشعة الليزر لإنشاء نجوم توجيهية اصطناعية في الطبقات العليا من الغلاف الجوي.

تُستخدم نبضات الليزر فائقة القصر في كيمياء الليزر لتحفيز التفاعلات الكيميائية وتحليلها. هنا، يسمح إشعاع الليزر بالتحديد الدقيق للمكان والجرعة والعقم المطلق والسرعة العالية لإدخال الطاقة إلى النظام. حاليًا، يتم تطوير أنظمة تبريد نووية مختلفة بالليزر، ويتم النظر في إمكانية تنفيذ اندماج نووي حراري يتم التحكم فيه باستخدام الليزر (الليزر الأكثر ملاءمة للبحث في مجال التفاعلات النووية الحرارية هو الليزر الذي يستخدم الأطوال الموجية في الجزء الأزرق من الطيف المرئي). ). يُستخدم الليزر أيضًا للأغراض العسكرية، على سبيل المثال، كأدوات مساعدة في التوجيه والتصويب. ويجري النظر في خيارات إنشاء أنظمة دفاع قتالية جوية وبحرية وبرية تعتمد على أشعة الليزر عالية الطاقة.

في الطب، يستخدم الليزر كمشارط غير دموية ويستخدم في علاج أمراض العيون (إعتام عدسة العين، انفصال الشبكية، تصحيح الرؤية بالليزر، وما إلى ذلك). كما أنها تستخدم على نطاق واسع في التجميل (إزالة الشعر بالليزر، وعلاج عيوب الأوعية الدموية والجلد المصطبغ، وتقشير الليزر، وإزالة الوشم والبقع العمرية). حاليًا، يتطور ما يسمى باتصالات الليزر بسرعة. ومن المعروف أنه كلما زاد التردد الحامل لقناة الاتصال، زاد إنتاجها. ولذلك، تميل الاتصالات الراديوية إلى الانتقال إلى أطوال موجية أقصر من أي وقت مضى. يبلغ الطول الموجي للضوء في المتوسط ​​ستة أوامر أقل من الطول الموجي لنطاق الراديو، لذلك يمكن لإشعاع الليزر أن ينقل كمية أكبر بكثير من المعلومات. يتم إجراء الاتصال بالليزر من خلال هياكل توجيه الضوء المفتوحة والمغلقة، على سبيل المثال، الألياف الضوئية. وبسبب ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي، يمكن للضوء أن ينتشر من خلالها لمسافات طويلة، دون أن يضعف عمليا.

الإنتاج اليومي والأنشطة العلمية. على مر السنين، سيتم تحسين هذه "الأداة" بشكل متزايد، وفي الوقت نفسه سوف يتوسع نطاق الليزر بشكل مستمر. تفتح وتيرة البحث المتزايدة في مجال تكنولوجيا الليزر إمكانية إنشاء أنواع جديدة من أجهزة الليزر ذات خصائص محسنة بشكل كبير، مما يسمح لها بتوسيع مجالات تطبيقها في...

ليس فقط للمواد الصلبة بشكل خاص، ولكن أيضًا للمواد التي تتميز بالهشاشة المتزايدة. تبين أن المثقاب الليزري ليس فقط "أداة" قوية، ولكنه أيضًا "أداة" حساسة للغاية. مثال: استخدام الليزر عند حفر ثقوب في ركائز الرقائق المصنوعة من سيراميك الألومينا. السيراميك هش بشكل غير عادي. لهذا السبب، الحفر الميكانيكي للثقوب في الركيزة رقاقة...

يتكون الليزر بالضرورة من ثلاثة مكونات رئيسية:

1) وسيلة نشطة, حيث يتم إنشاء الدول ذات الانعكاس السكاني؛

2) أنظمةضخ- أجهزة لإنشاء الانقلاب في الوسط النشط؛

3) بصريحول مرنان- جهاز يحدد اتجاه شعاع الفوتون.

بالإضافة إلى ذلك، تم تصميم الرنان البصري لتضخيم إشعاع الليزر بشكل متعدد.

حاليا كما نشيط (عمل) بيئة يستخدم الليزر حالات مجمعة مختلفة للمادة: الصلبة والسائلة والغازية والبلازما.

لإنشاء مجتمع عكسي لبيئة الليزر، مختلف طرق الضخ . يمكن ضخ الليزر إما بشكل مستمر أو نابض. في الوضع طويل المدى (المستمر)، تكون طاقة المضخة المدخلة إلى الوسط النشط محدودة بسبب ارتفاع درجة حرارة الوسط النشط والظواهر ذات الصلة. في وضع النبض الفردي، من الممكن إدخال طاقة أكبر بكثير في الوسط النشط مقارنةً بنفس الوقت في الوضع المستمر. وهذا يؤدي إلى قوة أكبر لنبض واحد.

الليزر- هذا مصدر للضوء له خصائص تختلف بشكل حاد عن جميع المصادر الأخرى (المصابيح المتوهجة، مصابيح الفلورسنت، اللهب، المصابيح الطبيعية، وما إلى ذلك). يتمتع شعاع الليزر بعدد من الخصائص الرائعة. ينتشر على مسافات طويلة وله اتجاه خطي صارم. ويتحرك الشعاع في شعاع ضيق للغاية بدرجة تباعد منخفضة (يصل إلى القمر بتركيز يصل إلى مئات الأمتار). يتمتع شعاع الليزر بحرارة كبيرة ويمكنه إحداث ثقب في أي مادة. شدة ضوء الشعاع أكبر من شدة أقوى مصادر الضوء.
اسم الليزرهو اختصار للعبارة الإنجليزية: تضخيم الضوء عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز (LASER). تضخيم الضوء باستخدام الانبعاث المحفز.
يمكن تقسيم جميع أنظمة الليزر إلى مجموعات حسب نوع الوسيط النشط المستخدم. وأهم أنواع الليزر هي:

الحالة الصلبة

أشباه الموصلات

سائل

غاز
الوسيط النشط عبارة عن مجموعة من الذرات أو الجزيئات أو الأيونات أو البلورات (ليزر أشباه الموصلات)، والتي تحت تأثير الضوء يمكن أن تكتسب خصائص تضخيم.

لذلك، كل ذرة لديها مجموعة منفصلة من مستويات الطاقة. إلكترونات الذرة الموجودة في الحالة الأرضية (الحالة ذات الحد الأدنى من الطاقة) عند امتصاص الكميات الضوئية، تنتقل إلى مستوى طاقة أعلى - الذرة متحمسة؛ وعندما ينبعث كم ضوئي، يحدث العكس. علاوة على ذلك، فإن انبعاث الضوء، أي الانتقال إلى مستوى طاقة أقل (الشكل 1 ب)، يمكن أن يحدث تلقائيًا (عفويًا) أو تحت تأثير الإشعاع الخارجي (القسري) (الشكل 1 ج). علاوة على ذلك، إذا انبعثت كمات الإشعاع التلقائي في اتجاهات عشوائية، فإن كمية الإشعاع المحفز تنبعث في نفس اتجاه الكم الذي سبب هذا الإشعاع، أي أن كلا الكمتين متطابقتان تمامًا.

الشكل 1: أنواع إشعاع الليزر

لكي تسود التحولات التي يحدث فيها انبعاث الطاقة (الانتقالات من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى أقل)، من الضروري إنشاء تركيز متزايد من الذرات أو الجزيئات المثارة (لإنشاء انعكاس سكاني). سيؤدي ذلك إلى زيادة سقوط الضوء على المادة. تسمى حالة المادة التي يتم فيها إنشاء مجموعة عكسية من مستويات الطاقة بالنشط، ويسمى الوسط الذي يتكون من هذه المادة بالوسط النشط.

تسمى عملية إنشاء مجتمع معكوس من المستويات بالضخ. ويتم عمل تصنيف آخر لليزر حسب طريقة الضخ (بصري، حراري، كيميائي، كهربائي، وغيرها). تعتمد طرق الضخ على نوع الليزر (الحالة الصلبة، السائل، الغاز، أشباه الموصلات، إلخ).
يمكن اعتبار المهمة الرئيسية لعملية الضخ باستخدام مثال الليزر ثلاثي المستويات (الشكل 2)

الشكل 2: رسم تخطيطي لليزر ثلاثي المستويات

مستوى الليزر الأدنى I ذو الطاقة E1 هو مستوى الطاقة الرئيسي للنظام، حيث توجد في البداية جميع الذرات النشطة. يؤدي الضخ إلى إثارة الذرات، وبالتالي نقلها من المستوى الأرضي الأول إلى المستوى الثالث، بالطاقة E3. الذرات التي تجد نفسها في المستوى الثالث تبعث الكمات الضوئية وتنتقل إلى المستوى الأول، أو تنتقل بسرعة إلى مستوى الليزر العلوي الثاني. لكي يحدث تراكم الذرات المثارة عند مستوى الليزر العلوي II، مع الطاقة E2، من الضروري أن يكون هناك استرخاء سريع للذرات من المستوى III إلى II، والذي يجب أن يتجاوز معدل اضمحلال مستوى الليزر العلوي II. سيوفر السكان المقلوبون الذين تم إنشاؤهم بهذه الطريقة الظروف اللازمة لتضخيم الإشعاع.

ومع ذلك، لكي يحدث التوليد، لا يزال من الضروري توفير التغذية الراجعة، أي أن الانبعاث المحفز، بمجرد ظهوره، يسبب أفعالًا جديدة للانبعاث المحفز. ولإنشاء مثل هذه العملية، يتم وضع الوسط النشط في مرنان بصري.

الرنان البصري عبارة عن نظام مكون من مرآتين يقع بينهما الوسط النشط (الشكل 3). وهو يوفر مصادر متعددة لموجات الضوء المنتشرة على طول محوره من خلال وسط التضخيم، ونتيجة لذلك يتم تحقيق قوة إشعاع عالية.

الشكل 3 مخطط الليزر

عند الوصول إلى قوة معينة، يخرج الإشعاع من خلال مرآة شفافة. بسبب المشاركة في تطوير توليد ذلك الجزء فقط من الكمات الموازية لمحور الرنان، تكون الكفاءة. الليزر عادة لا يتجاوز 1٪. في بعض الحالات، التضحية ببعض الخصائص والكفاءة. يمكن زيادتها إلى 30%.

يظهر الرسم البياني: 1 - وسط نشط؛ 2 - طاقة مضخة الليزر. 3 - مرآة غير شفافة. 4 - مرآة شفافة. 5- شعاع الليزر .

تتكون جميع أجهزة الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية:

بيئة (عمل) نشطة ؛

أنظمة الضخ (مصدر الطاقة)؛

مرنان بصري (قد يكون غائبًا إذا كان الليزر يعمل في وضع مكبر الصوت).

كل واحد منهم يضمن أن الليزر يؤدي وظائفه المحددة.

بيئة نشطة

حاليًا، تُستخدم حالات إجمالية مختلفة للمادة كوسيط عمل لليزر: الصلبة والسائلة والغازية والبلازما. في الحالة الطبيعية، يتم تحديد عدد الذرات الموجودة عند مستويات الطاقة المثارة بواسطة توزيع بولتزمان:

هنا ن- عدد الذرات في الحالة المثارة بالطاقة ه, ن 0 - عدد الذرات في الحالة الأرضية، ك- ثابت بولتزمان، ت- درجة حرارة البيئة. بمعنى آخر، يوجد عدد أقل من هذه الذرات في الحالة المثارة مقارنة بالحالة الأرضية، وبالتالي فإن احتمال أن يتسبب الفوتون الذي ينتشر عبر الوسط في انبعاث محفز صغير أيضًا مقارنة باحتمال امتصاصه. ولذلك فإن الموجة الكهرومغناطيسية التي تمر عبر المادة تنفق طاقتها لإثارة الذرات، وتنخفض شدة الإشعاع وفقا لقانون بوغيه:

هنا أنا 0 - الشدة الأولية، أنا l هي شدة الإشعاع الذي ينتقل عبر المسافة لفي المسألة أ 1 هو معدل امتصاص المادة. وبما أن الاعتماد أسي، يتم امتصاص الإشعاع بسرعة كبيرة.

في الحالة التي يكون فيها عدد الذرات المثارة أكبر من عدد الذرات غير المثارة (أي في حالة الانقلاب السكاني)، فإن الوضع هو عكس ذلك تمامًا. أفعال الانبعاث المحفز تتغلب على الامتصاص، ويزداد الإشعاع حسب القانون:

أين أ 2- عامل الكسب الكمي. في الليزر الحقيقي، يحدث التضخيم حتى تصبح كمية الطاقة المستقبلة بسبب الانبعاث المحفز مساوية لكمية الطاقة المفقودة في الرنان. ترتبط هذه الخسائر بتشبع المستوى شبه المستقر للمادة العاملة، وبعد ذلك يتم استخدام طاقة الضخ لتسخينها فقط، وكذلك مع وجود العديد من العوامل الأخرى (التشتت بسبب عدم تجانس الوسط، الامتصاص بواسطة الشوائب، عيوب المرايا العاكسة، والإشعاع المفيد وغير المرغوب فيه في البيئة، وما إلى ذلك).

نظام الضخ

يتم استخدام آليات مختلفة لإنشاء انعكاس سكاني في بيئة الليزر. في ليزر الحالة الصلبة، يتم تحقيق التزمير من خلال التشعيع باستخدام مصابيح فلاش قوية لتفريغ الغاز، والإشعاع الشمسي المركز (ما يسمى بالضخ البصري) والإشعاع من أجهزة ليزر أخرى (على وجه الخصوص، ليزر أشباه الموصلات). في هذه الحالة، يكون التشغيل ممكنا فقط في الوضع النبضي، حيث أن هناك حاجة إلى كثافات طاقة ضخ عالية جدًا، والتي، مع التعرض لفترة طويلة، تسبب تسخينًا قويًا وتدميرًا لقضيب مادة العمل. يستخدم الليزر الغازي والسائل ضخ التفريغ الكهربائي. تعمل أجهزة الليزر هذه في الوضع المستمر. ضخ الليزر الكيميائييحدث من خلال حدوث تفاعلات كيميائية في وسطها النشط. في هذه الحالة، يحدث الانقلاب السكاني إما مباشرة في منتجات التفاعل أو في الشوائب المدخلة خصيصًا ذات البنية المناسبة لمستويات الطاقة. يحدث ضخ ليزر أشباه الموصلات تحت تأثير تيار أمامي قوي عبر تقاطع pn، بالإضافة إلى شعاع من الإلكترونات. هناك طرق ضخ أخرى (ديناميكية الغاز، والتي تنطوي على تبريد حاد للغازات المسخنة؛ والتفكك الضوئي، وهي حالة خاصة من الضخ الكيميائي، وما إلى ذلك).

في الشكل: أ - دوائر ضخ ثلاثية المستويات وب - أربعة مستويات لوسط الليزر النشط.

يتم استخدام النظام الكلاسيكي ثلاثي المستويات لضخ وسط العمل، على سبيل المثال، في ليزر روبي. الياقوت عبارة عن بلورة اكسيد الالمونيوم Al 2 O 3 مطعمة بكمية صغيرة من أيونات الكروم Cr 3+، وهي مصدر إشعاع الليزر. بسبب تأثير المجال الكهربائي للشبكة البلورية اكسيد الالمونيوم، فإن مستوى الطاقة الخارجية للكروم ه 2 منقسم (انظر تأثير ستارك). وهذا ما يجعل من الممكن استخدام الإشعاع غير أحادي اللون كضخ. وفي هذه الحالة تمر الذرة من الحالة الأرضية بالطاقة ه 0 في متحمس مع الطاقة حول ه 2. يمكن للذرة أن تظل في هذه الحالة لفترة قصيرة نسبيًا (حوالي 10−8 ثانية)؛ ويحدث التحول غير الإشعاعي إلى المستوى على الفور تقريبًا ه 1، حيث يمكن للذرة أن تبقى لفترة أطول بكثير (تصل إلى 10 −3 ثانية)، وهذا هو ما يسمى بالمستوى شبه المستقر. ينشأ الاحتمال من الإشعاع المستحث تحت تأثير الفوتونات العشوائية الأخرى. بمجرد أن يكون هناك عدد أكبر من الذرات في الحالة شبه المستقرة مقارنة بالحالة الرئيسية، تبدأ عملية التوليد.

تجدر الإشارة إلى أنه لإنشاء انعكاس سكاني لذرات الكروم Cr باستخدام الضخ مباشرة من المستوى ه 0 لكل مستوى ه 1 غير ممكن. ويرجع ذلك إلى أنه إذا حدث الامتصاص والانبعاث المحفز بين مستويين، فإن كلتا العمليتين تحدثان بنفس المعدل. لذلك، في هذه الحالة، لا يمكن للضخ سوى معادلة تجمعات المستويين، وهو ما لا يكفي لحدوث الليزر.

تستخدم بعض أنواع الليزر، مثل ليزر النيوديميوم، الذي يتم فيه توليد الإشعاع باستخدام أيونات النيوديميوم Nd 3+، نظام ضخ من أربعة مستويات. هنا بين متبدل الاستقرار ه 2 والمستوى الرئيسي ه 0 يوجد مستوى عمل متوسط ه 1 . يحدث الانبعاث المحفز عندما تنتقل الذرة بين المستويات ه 2 و ه 1 . ميزة هذا المخطط هو أنه في هذه الحالة من السهل تلبية شرط الانعكاس السكاني، حيث أن عمر مستوى التشغيل العلوي هو ( ه 2) عدة أوامر من حيث الحجم أطول من عمر المستوى الأدنى ( ه 1). وهذا يقلل بشكل كبير من متطلبات مصدر المضخة. بالإضافة إلى ذلك، فإن مثل هذا المخطط يجعل من الممكن إنشاء أشعة ليزر عالية الطاقة تعمل في الوضع المستمر، وهو أمر مهم جدًا لبعض التطبيقات. ومع ذلك، فإن مثل هذه الليزرات لها عيب كبير في شكل كفاءة كمية منخفضة، والتي يتم تعريفها على أنها نسبة طاقة الفوتون المنبعث إلى طاقة فوتون المضخة الممتص (η quantum = hν Radiation / hν Pump)

من الصعب هذه الأيام العثور على شخص لم يسمع هذه الكلمة من قبل "الليزر"ومع ذلك، عدد قليل جدا من الناس يفهمون بوضوح ما هو عليه.

في نصف قرن منذ اختراعها، وجدت أنواع مختلفة من الليزر تطبيقات في مجموعة واسعة من المجالات، من الطب إلى التكنولوجيا الرقمية. إذن ما هو الليزر وما هو مبدأ عمله وما هو الغرض منه؟

ما هو الليزر؟

لقد تنبأ ألبرت أينشتاين بإمكانية وجود الليزر، حيث نشر في عام 1917 ورقة بحثية تتحدث عن إمكانية انبعاث الإلكترونات لكميات ضوئية بطول معين. كانت هذه الظاهرة تسمى الانبعاث المحفز، ولكن لفترة طويلة اعتبرت غير قابلة للتحقيق من الناحية الفنية.

ومع ذلك، مع تطور القدرات التقنية والتكنولوجية، أصبح إنشاء الليزر مسألة وقت. في عام 1954، حصل العلماء السوفييت N. Basov و A. Prokhorov على جائزة نوبل لإنشاء مازر - أول مولد ميكروويف يعمل على الأمونيا. وفي عام 1960، أنتج الأمريكي ت. ميمان أول مولد كمي للأشعة الضوئية، والذي أسماه الليزر (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع). يقوم الجهاز بتحويل الطاقة إلى إشعاع بصري ضيق الإتجاه أي إلى إشعاع ضوئي. شعاع الضوء، تيار من الكمات الضوئية (الفوتونات) ذات التركيز العالي.

مبدأ تشغيل الليزر

تسمى الظاهرة التي يعتمد عليها تشغيل الليزر بالإشعاع القسري أو المستحث للوسط. يمكن لذرات مادة معينة أن تبعث فوتونات تحت تأثير فوتونات أخرى، ويجب أن تكون طاقة الفوتون الفعال مساوية للفرق بين مستويات طاقة الذرة قبل الإشعاع وبعده.

ويكون الفوتون المنبعث متماسكًا مع الفوتون المسبب للإشعاع، أي. تماما مثل الفوتون الأول. ونتيجة لذلك، يتم تضخيم التدفق الضعيف للضوء في الوسط، وليس بشكل فوضوي، ولكن في اتجاه واحد محدد. يتم تشكيل شعاع من الإشعاع المحفز، وهو ما يسمى الليزر.

تصنيف الليزر

وبدراسة طبيعة وخصائص الليزر، تم اكتشاف أنواع مختلفة من هذه الأشعة. اعتمادًا على حالة المادة الأولية، يمكن أن يكون الليزر:

• غاز؛
• سائل؛
• الحالة الصلبة
• على الإلكترونات الحرة.

حاليًا، تم تطوير عدة طرق لإنتاج شعاع الليزر:

• باستخدام توهج كهربائي أو تفريغ القوس في بيئة غازية - تفريغ الغاز؛
• باستخدام التوسع في الغاز الساخن وإنشاء الانقلابات السكانية - الغاز الديناميكي؛
• عن طريق تمرير التيار عبر أشباه الموصلات مع إثارة الوسيط - الصمام الثنائي أو الحقن ؛
• عن طريق الضخ البصري للوسط باستخدام مصباح فلاش، LED، ليزر آخر، وما إلى ذلك؛
• عن طريق ضخ شعاع الإلكترون للوسط؛
• الضخ النووي عندما يأتي الإشعاع من مفاعل نووي؛
• باستخدام التفاعلات الكيميائية الخاصة - الليزر الكيميائي.

جميعها لها خصائصها واختلافاتها الخاصة، والتي بفضلها يتم استخدامها في مختلف مجالات الصناعة.

الاستخدام العملي لليزر

اليوم، يتم استخدام أنواع مختلفة من الليزر في العشرات من الصناعات والطب وتقنيات تكنولوجيا المعلومات وغيرها من مجالات النشاط. وبمساعدتهم يتم تنفيذ ما يلي:

• قطع ولحام المعادن والبلاستيك والمواد الأخرى؛
• تطبيق الصور والنقوش ووضع علامات على سطح المنتجات؛
• حفر ثقوب رفيعة جدًا، وتصنيع دقيق للأجزاء البلورية لأشباه الموصلات؛
• تشكيل طلاءات المنتج عن طريق الرش، والتسطيح، وسبائك السطح، وما إلى ذلك؛
• نقل حزم المعلومات باستخدام الألياف الزجاجية؛
• إجراء العمليات الجراحية والتدخلات العلاجية الأخرى؛
• إجراءات التجميل لتجديد شباب الجلد، وإزالة التكوينات المعيبة، وما إلى ذلك؛
• واستهداف أنواع مختلفة من الأسلحة، من الأسلحة الصغيرة إلى الصواريخ؛
• إنشاء واستخدام الأساليب الثلاثية الأبعاد؛
• التطبيق في الأعمال البحثية المختلفة.
• قياس المسافات والإحداثيات وكثافة وسائط العمل وسرعة التدفق والعديد من المعالم الأخرى؛
• إطلاق التفاعلات الكيميائية لتنفيذ العمليات التكنولوجية المختلفة.

هناك العديد من المجالات التي يتم فيها استخدام الليزر بالفعل أو سيتم تطبيقها في المستقبل القريب جدًا.