يعتمد مبدأ العمل الأساسي لليزر (تضخيم الضوء عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز) على ظاهرة انبعاث الضوء المحفز. من خلال سلسلة من التصاميم والهياكل الدقيقة، يقوم الليزر بتوليد أشعة ذات تماسك عالي وأحادية اللون وسطوع. يُستخدم الليزر على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة، بما في ذلك في مجالات مثل الاتصالات والطب والتصنيع والقياس والبحث العلمي. إن كفاءتها العالية وخصائص التحكم الدقيقة تجعلها المكون الأساسي للعديد من التقنيات. وفيما يلي شرح مفصل لمبادئ عمل الليزر وآليات أنواع الليزر المختلفة.
1. الانبعاث المحفز
الانبعاث المحفزهو المبدأ الأساسي وراء توليد الليزر، والذي اقترحه أينشتاين لأول مرة في عام 1917. وتصف هذه الظاهرة كيفية إنتاج فوتونات أكثر تماسكًا من خلال التفاعل بين الضوء والمادة المثارة. لفهم الانبعاث المحفز بشكل أفضل، لنبدأ بالانبعاث التلقائي:
الانبعاث التلقائي: في الذرات أو الجزيئات أو الجسيمات المجهرية الأخرى، يمكن للإلكترونات امتصاص الطاقة الخارجية (مثل الطاقة الكهربائية أو الضوئية) والانتقال إلى مستوى طاقة أعلى، يُعرف بالحالة المثارة. ومع ذلك، فإن إلكترونات الحالة المثارة غير مستقرة وستعود في النهاية إلى مستوى طاقة أقل، يُعرف بالحالة الأرضية، بعد فترة قصيرة. خلال هذه العملية، يطلق الإلكترون فوتونًا، وهو انبعاث تلقائي. هذه الفوتونات عشوائية من حيث التردد والطور والاتجاه، وبالتالي تفتقر إلى التماسك.
الانبعاث المحفز: مفتاح الانبعاث المحفز هو أنه عندما يواجه إلكترون في حالة مثارة فوتونًا ذو طاقة تطابق طاقته الانتقالية، يمكن للفوتون أن يدفع الإلكترون إلى العودة إلى الحالة الأرضية أثناء إطلاق فوتون جديد. الفوتون الجديد مطابق للفوتون الأصلي من حيث التردد والطور واتجاه الانتشار، مما ينتج عنه ضوء متماسك. تعمل هذه الظاهرة على تضخيم عدد وطاقة الفوتونات بشكل كبير وهي الآلية الأساسية لليزر.
تأثير ردود الفعل الإيجابية للانبعاثات المحفزة: في تصميم الليزر، تتكرر عملية الانبعاث المحفز عدة مرات، ويمكن أن يؤدي تأثير التغذية المرتدة الإيجابية هذا إلى زيادة عدد الفوتونات بشكل كبير. بمساعدة تجويف الرنين، يتم الحفاظ على تماسك الفوتونات، وتزداد شدة شعاع الضوء بشكل مستمر.
2. الحصول على متوسط
الكسب المتوسطةهي المادة الأساسية في الليزر التي تحدد تضخيم الفوتونات وإخراج الليزر. وهو الأساس الفيزيائي للانبعاث المحفز، وتحدد خصائصه تردد الليزر وطوله الموجي وطاقته الناتجة. يؤثر نوع وخصائص وسط الكسب بشكل مباشر على تطبيق الليزر وأدائه.
آلية الإثارة: يجب إثارة الإلكترونات الموجودة في وسط الكسب إلى مستوى طاقة أعلى بواسطة مصدر طاقة خارجي. عادة ما يتم تحقيق هذه العملية عن طريق أنظمة إمداد الطاقة الخارجية. تشمل آليات الإثارة الشائعة ما يلي:
الضخ الكهربائي: إثارة الإلكترونات في وسط الكسب بتطبيق تيار كهربائي.
الضخ البصري: إثارة الوسط بمصدر ضوء (مثل مصباح فلاش أو ليزر آخر).
نظام مستويات الطاقة: يتم توزيع الإلكترونات الموجودة في وسط الكسب عادة في مستويات طاقة محددة. الأكثر شيوعا هيأنظمة ذات مستويينوأنظمة من أربعة مستويات. في نظام بسيط مكون من مستويين، تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة ثم تعود إلى الحالة الأرضية من خلال الانبعاث المحفز. في نظام من أربعة مستويات، تمر الإلكترونات بانتقالات أكثر تعقيدًا بين مستويات الطاقة المختلفة، مما يؤدي غالبًا إلى كفاءة أعلى.
أنواع وسائل الإعلام الربحية:
كسب الغاز متوسط: على سبيل المثال، ليزر الهيليوم والنيون (He-Ne). تُعرف وسائط كسب الغاز بإنتاجها المستقر وطولها الموجي الثابت، وتستخدم على نطاق واسع كمصادر إضاءة قياسية في المختبرات.
متوسط كسب السائل: على سبيل المثال، صبغ الليزر. تتمتع جزيئات الصبغة بخصائص إثارة جيدة عبر أطوال موجية مختلفة، مما يجعلها مثالية لليزر القابل للضبط.
متوسط الكسب الصلب: على سبيل المثال، ليزر Nd (عقيق ألومنيوم الإيتريوم المغطى بالنيوديميوم). تتميز أجهزة الليزر هذه بالكفاءة والقوة العالية، وتستخدم على نطاق واسع في القطع الصناعي واللحام والتطبيقات الطبية.
كسب أشباه الموصلات المتوسطة: على سبيل المثال، تُستخدم مواد زرنيخيد الغاليوم (GaAs) على نطاق واسع في الاتصالات والأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل صمامات الليزر الثنائية.
3. تجويف الرنان
التجويف الرنانهو مكون هيكلي في الليزر يستخدم للتغذية المرتدة والتضخيم. وتتمثل وظيفتها الأساسية في تعزيز عدد الفوتونات المنتجة من خلال الانبعاث المحفز عن طريق عكسها وتضخيمها داخل التجويف، وبالتالي توليد خرج ليزر قوي ومركّز.
هيكل تجويف الرنان: تتكون عادة من مرآتين متوازيتين. إحداهما عبارة عن مرآة عاكسة بالكامل، والمعروفة باسممرآة خلفيةوالأخرى عبارة عن مرآة عاكسة جزئيًا، تُعرف باسممرآة الإخراج. تنعكس الفوتونات ذهابًا وإيابًا داخل التجويف ويتم تضخيمها من خلال التفاعل مع وسط الكسب.
حالة الرنين: يجب أن تتوفر في تصميم تجويف الرنان شروط معينة، مثل التأكد من أن الفوتونات تشكل موجات ثابتة داخل التجويف. وهذا يتطلب أن يكون طول التجويف مضاعفًا لطول موجة الليزر. فقط موجات الضوء التي تستوفي هذه الشروط يمكن تضخيمها بشكل فعال داخل التجويف.
شعاع الإخراج: تسمح المرآة العاكسة جزئيًا لجزء من شعاع الضوء المضخم بالمرور، مما يشكل شعاع خرج الليزر. يتمتع هذا الشعاع باتجاهية عالية وتماسك وأحادية اللون.
إذا كنت تريد معرفة المزيد أو مهتمًا بالليزر، فلا تتردد في الاتصال بنا:
لوميسبوت
العنوان: المبنى رقم 4، رقم 99 طريق فورونج الثالث، حي شيشان. وشى، 214000، الصين
هاتف: + 86-0510 87381808.
الجوال: + 86-15072320922
Email: sales@lumispot.cn
موقع الكتروني: www.lumispot-tech.com
وقت النشر: 18 سبتمبر 2024