يعتمد مبدأ عمل الليزر الأساسي (تضخيم الضوء بالانبعاث المُحفَّز للإشعاع) على ظاهرة الانبعاث المُحفَّز للضوء. ومن خلال سلسلة من التصاميم والهياكل الدقيقة، تُولِّد الليزرات أشعةً عالية التماسك، وأحادية اللون، والسطوع. ويُستخدم الليزر على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة، بما في ذلك في مجالات مثل الاتصالات، والطب، والتصنيع، والقياس، والبحث العلمي. كفاءته العالية وخصائص التحكم الدقيقة تجعله العنصر الأساسي في العديد من التقنيات. فيما يلي شرح مُفصَّل لمبادئ عمل الليزر وآليات عمله بأنواعه المختلفة.
1. الانبعاث المحفز
الانبعاث المحفزهو المبدأ الأساسي لتوليد الليزر، الذي اقترحه أينشتاين لأول مرة عام ١٩١٧. تصف هذه الظاهرة كيفية إنتاج فوتونات أكثر تماسكًا من خلال التفاعل بين الضوء والمادة المثارة. لفهم الانبعاث المحفز بشكل أفضل، لنبدأ بالانبعاث التلقائي:
الانبعاث التلقائيفي الذرات والجزيئات أو الجسيمات المجهرية الأخرى، تستطيع الإلكترونات امتصاص الطاقة الخارجية (مثل الطاقة الكهربائية أو الضوئية) والانتقال إلى مستوى طاقة أعلى، يُعرف بالحالة المثارة. إلا أن إلكترونات الحالة المثارة غير مستقرة، وستعود في النهاية إلى مستوى طاقة أدنى، يُعرف بالحالة الأرضية، بعد فترة قصيرة. خلال هذه العملية، يُطلق الإلكترون فوتونًا، وهو انبعاث تلقائي. هذه الفوتونات عشوائية من حيث التردد والطور والاتجاه، وبالتالي تفتقر إلى التماسك.
الانبعاث المحفزيكمن سر الانبعاث المُحفَّز في أنه عندما يقابل إلكترون في حالة مُثارة فوتونًا بطاقة تُطابق طاقة انتقاله، يُمكن للفوتون أن يُحفِّز الإلكترون على العودة إلى حالة الاستقرار مع إطلاق فوتون جديد. يكون الفوتون الجديد مُطابقًا للفوتون الأصلي من حيث التردد والطور واتجاه الانتشار، مما يُنتج ضوءًا مُتماسكًا. تُضخِّم هذه الظاهرة عدد الفوتونات وطاقتها بشكل كبير، وهي الآلية الأساسية لليزر.
تأثير التغذية الراجعة الإيجابية للانبعاث المحفزفي تصميم الليزر، تُكرر عملية الانبعاث المُحفَّز عدة مرات، وهذا التأثير المُرتد إيجابيًا يُمكن أن يُزيد عدد الفوتونات بشكل كبير. وبمساعدة تجويف الرنين، يُحافظ على تماسك الفوتونات، وتزداد شدة شعاع الضوء باستمرار.
2. كسب متوسط
المتوسط الكسبهي المادة الأساسية في الليزر التي تُحدد تضخيم الفوتونات وخرج الليزر. وهي الأساس الفيزيائي للانبعاث المُحفَّز، وتُحدد خصائصها تردد الليزر وطوله الموجي وقدرته الخرجية. يؤثر نوع وخصائص وسط الكسب بشكل مباشر على تطبيق الليزر وأدائه.
آلية الإثارةتحتاج الإلكترونات في وسط الكسب إلى الإثارة إلى مستوى طاقة أعلى بواسطة مصدر طاقة خارجي. عادةً ما يتم تحقيق هذه العملية باستخدام أنظمة إمداد طاقة خارجية. تشمل آليات الإثارة الشائعة ما يلي:
الضخ الكهربائي:إثارة الإلكترونات في وسط الكسب عن طريق تطبيق تيار كهربائي.
الضخ البصري:إثارة الوسط باستخدام مصدر ضوء (مثل مصباح فلاش أو ليزر آخر).
نظام مستويات الطاقة:تتوزع الإلكترونات في وسط الكسب عادةً في مستويات طاقة محددة. الأكثر شيوعًا هيأنظمة ذات مستويينوأنظمة ذات أربعة مستوياتفي نظام بسيط ذي مستويين، تنتقل الإلكترونات من حالة الاستقرار إلى حالة الإثارة، ثم تعود إليها عبر الانبعاث المُحفَّز. أما في نظام رباعي المستويات، فتخضع الإلكترونات لانتقالات أكثر تعقيدًا بين مستويات الطاقة المختلفة، مما يؤدي غالبًا إلى كفاءة أعلى.
أنواع وسائل الكسب:
وسط كسب الغازعلى سبيل المثال، ليزر الهيليوم-النيون (He-Ne). تتميز وسائط كسب الغاز بثبات إنتاجها وطولها الموجي، وتُستخدم على نطاق واسع كمصادر ضوء قياسية في المختبرات.
وسط كسب السائلعلى سبيل المثال، ليزر الصبغة. تتميز جزيئات الصبغة بخصائص إثارة جيدة عبر أطوال موجية مختلفة، مما يجعلها مثالية لليزر القابل للضبط.
مكسب قوي متوسطعلى سبيل المثال، ليزرات Nd (النيوديوميوم المشبع بالإتريوم والألومنيوم العقيق). تتميز هذه الليزرات بكفاءة عالية وقوة عالية، وتُستخدم على نطاق واسع في القطع الصناعي واللحام والتطبيقات الطبية.
وسط كسب أشباه الموصلات:على سبيل المثال، تُستخدم مواد زرنيخيد الغاليوم (GaAs) على نطاق واسع في أجهزة الاتصالات والأجهزة البصرية الإلكترونية مثل ثنائيات الليزر.
3. تجويف الرنان
التجويف الرنانهو مُكوِّن هيكلي في الليزر يُستخدم للتغذية الراجعة والتضخيم. وظيفته الأساسية هي زيادة عدد الفوتونات المُنتَجة من خلال الانبعاث المُحفَّز عن طريق عكسها وتضخيمها داخل التجويف، مما يُولِّد ناتج ليزر قويًا ومُركَّزًا.
بنية تجويف الرنان:يتكون عادةً من مرآتين متوازيتين. إحداهما مرآة عاكسة بالكامل، تُعرف باسمالمرآة الخلفيةوالأخرى عبارة عن مرآة عاكسة جزئيًا، تُعرف باسممرآة الإخراجتنعكس الفوتونات ذهابًا وإيابًا داخل التجويف ويتم تضخيمها من خلال التفاعل مع وسط الكسب.
حالة الرنينيجب أن يستوفي تصميم تجويف الرنان شروطًا معينة، مثل ضمان تشكيل الفوتونات موجات ثابتة داخل التجويف. يتطلب ذلك أن يكون طول التجويف مضاعفًا لطول موجة الليزر. لا يمكن تضخيم موجات الضوء داخل التجويف بفعالية إلا إذا استوفت هذه الشروط.
شعاع الإخراج:تسمح المرآة العاكسة جزئيًا بمرور جزء من شعاع الضوء المُضخّم، مُشكّلةً شعاع الليزر المُخرَج. يتميز هذا الشعاع بتوجهية عالية، وتماسك، وأحادية اللون..
إذا كنت تريد معرفة المزيد أو كنت مهتمًا بالليزر، فلا تتردد في الاتصال بنا:
لومي سبوت
العنوان: المبنى رقم 4، رقم 99، طريق فورونغ الثالث، منطقة شيشان، ووشي، 214000، الصين
هاتف: + 86-0510 87381808.
الجوال: +86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
الموقع الإلكتروني: www.lumispot-tech.com
وقت النشر: ١٨ سبتمبر ٢٠٢٤