طاقة نبضة الليزر هي الطاقة التي تنقلها نبضة ليزر لكل وحدة زمنية. عادةً، تُصدر أشعة الليزر موجات مستمرة (CW) أو موجات نبضية، وتُعد هذه الأخيرة ذات أهمية خاصة في العديد من التطبيقات، مثل معالجة المواد، والاستشعار عن بُعد، والمعدات الطبية، والبحث العلمي. يُعد فهم خصائص طاقة نبضة الليزر أمرًا بالغ الأهمية لتحسين أدائها وزيادة كفاءة تطبيقاتها.
1. تعريف وقياس طاقة النبضة
طاقة نبضة الليزر هي الطاقة المُطلقة من كل نبضة ليزر، وتُقاس عادةً بالجول (J). بخلاف ليزر الموجة المستمرة (CW)، يُطلق ليزر النبضات طاقةً في وقت قصير، وترتبط كمية الطاقة عادةً بمدة النبضة (عرض النبضة) وطاقتها القصوى.
يمكن حساب طاقة النبضة باستخدام الصيغة التالية: E = Ppeak × τ. حيث E هي طاقة النبضة (جول)، وPpeak هي ذروة قدرة النبضة (واط)، وτ هي مدة النبضة (ثانية). هذا يعني أن طاقة النبضة مرتبطة ارتباطًا مباشرًا بكلٍّ من ذروة القدرة وعرض النبضة.
2. العوامل المؤثرة على طاقة النبض
تؤثر العديد من العوامل على طاقة نبضة الليزر، بما في ذلك:
1تصميم الليزر ونوعه:
تؤثر أنواع الليزر المختلفة على حجم طاقة النبضة. على سبيل المثال، عادةً ما توفر ليزرات الحالة الصلبة طاقة نبضية أعلى، مناسبة للتطبيقات التي تتطلب خرج طاقة عاليًا. من ناحية أخرى، يمكن لليزرات الليفية إنتاج نبضات ذات طاقة أعلى عن طريق تعديل طول موجتها.
②مدة النبضة (عرض النبضة):
كلما قصر عرض النبضة، زادت ذروة الطاقة في زمن معين، مما يسمح بزيادة طاقة النبضة. عادةً ما تكون أطوال النبضات في الليزر النبضي قابلة للتعديل بين النانوثانية والبيكوثانية، وتُستخدم النبضات القصيرة على نطاق واسع في التطبيقات عالية الدقة نظرًا لارتفاع ذروة الطاقة فيها.
③قوة الليزر وكفاءة تحويل الطاقة:
تُحدد كفاءة الليزر مُباشرةً إنتاج الطاقة. يُمكن لبعض أنظمة الليزر تعزيز كفاءة التحويل من خلال تحسين تصميم وسط الكسب أو تجويف الليزر، مما يزيد من طاقة النبضة.
④مكبرات الليزر:
في العديد من أنظمة الليزر عالية القدرة، تُستخدم مُضخِّمات لزيادة طاقة الخرج. ومن خلال التضخيم متعدد المراحل، يُمكن تعزيز طاقة النبضة بشكل ملحوظ.
⑤تيار محرك الليزر:
يُعدّ تيار تشغيل ثنائي الليزر أو نظام الليزر عاملاً رئيسياً يؤثر على طاقة خرجه وطاقة نبضاته. بتعديل التيار، يمكن تعديل حالة إثارة الليزر، مما يؤثر على طاقة خرجه النبضية.
3. تطبيقات طاقة نبضة الليزر
يحدد حجم طاقة نبضة الليزر مدى ملاءمتها لمجالات مختلفة. من بين التطبيقات النموذجية:
1معالجة المواد:
في عمليات اللحام والقطع والنقش بالليزر، يُمكن التحكم بدقة في طاقة النبضة لتحقيق معالجة فعّالة وعالية الدقة. تُناسب طاقة النبضة العالية معالجة المواد المعدنية، بينما تُستخدم النبضات منخفضة الطاقة للمعالجات الدقيقة للأسطح.
②التطبيقات الطبية:
تُستخدم أشعة الليزر النبضية على نطاق واسع في المجال الطبي، وخاصةً في جراحات الليزر، وعلاجات الجلد، وعلاجات العيون. على سبيل المثال، يُمكن لأشعة الليزر النبضية عالية الطاقة تركيز طاقة الليزر ذات أطوال موجية محددة على مناطق صغيرة لاستئصال الأنسجة المريضة أو علاج أمراض العين.
③الليدار والاستشعار عن بعد:
تعتمد تقنية الليدار على ليزرات عالية الطاقة النبضية لضمان دقة القياس والتصوير. في مجال مراقبة البيئة، والقيادة الذاتية، ومراقبة الطائرات المسيرة، يؤثر حجم طاقة النبضة بشكل مباشر على مسافة الكشف ودقة نظام الليدار.
④البحث العلمي:
تلعب الليزرات النبضية دورًا هامًا في تجارب الفيزياء والكيمياء والأحياء. فمن خلال التحكم الدقيق في طاقة النبضات، يمكن للعلماء إجراء أبحاث عالية الدقة في مجال التحليل الطيفي المُستحث بالليزر، وتسريع الجسيمات، وتبريد الليزر.
4. طرق زيادة طاقة النبض
تتضمن الطرق الشائعة لزيادة طاقة نبضة الليزر ما يلي:
1تحسين متوسط الربح:
من خلال اختيار وسط الكسب المناسب وتحسين تصميم تجويف الليزر، يمكن زيادة طاقة خرج الليزر.
②تضخيم الليزر متعدد المراحل:
يمكن لمضخمات المراحل المتعددة زيادة طاقة نبضة الليزر تدريجيًا لتلبية متطلبات التطبيقات المختلفة.
③زيادة تيار القيادة أو عرض النبضة:
قد يؤدي تعديل تيار محرك الليزر أو عرض النبضة إلى الحصول على طاقة نبضية أكبر.
④تقنية ضغط النبض:
باستخدام تقنيات ضغط النبضة، يمكن تقصير مدة النبضة، مما يزيد من قوتها القصوى ويطلق المزيد من الطاقة في وقت أقصر.
5. الخاتمة
تُعد طاقة نبضات الليزر معيارًا أساسيًا يؤثر بشكل مباشر على أداء الليزر وتطبيقاته في مختلف المجالات. ومع التقدم المستمر في تكنولوجيا الليزر، ستتوسع تطبيقات الليزر النبضي في العديد من الصناعات. بدءًا من الآلات الدقيقة ووصولًا إلى الاستشعار عن بُعد والعلاجات الطبية، يفتح إنتاج الطاقة العالي لليزر النبضي آفاقًا جديدة. إن فهم المفاهيم الأساسية لطاقة النبض وعواملها المؤثرة يُساعد على اتخاذ قرارات علمية أكثر عند تصميم أنظمة الليزر وتطبيقها.
وقت النشر: ١١ فبراير ٢٠٢٥