المبدأ الأساسي لعمل الليزر

يعتمد مبدأ عمل الليزر الأساسي (تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع) على ظاهرة الانبعاث المحفز للضوء. ومن خلال سلسلة من التصاميم والهياكل الدقيقة، تُولّد أشعة الليزر حزمًا ضوئية عالية التماسك، أحادية اللون، وذات سطوع عالٍ. تُستخدم أشعة الليزر على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة، بما في ذلك مجالات الاتصالات، والطب، والتصنيع، والقياس، والبحث العلمي. وتجعلها كفاءتها العالية وخصائص التحكم الدقيقة مكونًا أساسيًا للعديد من التقنيات. فيما يلي شرح مفصل لمبادئ عمل الليزر وآليات عمل أنواع الليزر المختلفة.

1. الانبعاث المحفز

الانبعاث المحفزيُعدّ الانبعاث المحفز المبدأ الأساسي لتوليد الليزر، وقد اقترحه أينشتاين لأول مرة عام 1917. تصف هذه الظاهرة كيفية إنتاج فوتونات أكثر تماسكًا من خلال التفاعل بين الضوء والمادة في حالة الإثارة. لفهم الانبعاث المحفز بشكل أفضل، دعونا نبدأ بالانبعاث التلقائي:

الانبعاث التلقائيفي الذرات والجزيئات والجسيمات المجهرية الأخرى، تستطيع الإلكترونات امتصاص طاقة خارجية (مثل الطاقة الكهربائية أو الضوئية) والانتقال إلى مستوى طاقة أعلى، يُعرف بالحالة المثارة. مع ذلك، فإن الإلكترونات في الحالة المثارة غير مستقرة، وستعود في النهاية إلى مستوى طاقة أدنى، يُعرف بالحالة الأرضية، بعد فترة وجيزة. خلال هذه العملية، يُطلق الإلكترون فوتونًا، وهو ما يُعرف بالانبعاث التلقائي. هذه الفوتونات عشوائية من حيث التردد والطور والاتجاه، وبالتالي تفتقر إلى التماسك.

الانبعاث المحفزيكمن سر الانبعاث المحفز في أنه عندما يصطدم إلكترون في حالة إثارة بفوتون ذي طاقة مطابقة لطاقة انتقاله، يحفز الفوتون الإلكترون على العودة إلى حالته الأرضية مع إطلاق فوتون جديد. هذا الفوتون الجديد مطابق للفوتون الأصلي من حيث التردد والطور واتجاه الانتشار، مما ينتج عنه ضوء متماسك. هذه الظاهرة تضخم بشكل كبير عدد الفوتونات وطاقتها، وهي الآلية الأساسية لليزر.

تأثير التغذية الراجعة الإيجابية للانبعاث المحفزفي تصميم الليزر، تتكرر عملية الانبعاث المحفز عدة مرات، ويمكن لهذا التأثير الارتجاعي الإيجابي أن يزيد عدد الفوتونات بشكل كبير. وبمساعدة تجويف رنيني، يتم الحفاظ على تماسك الفوتونات، وتزداد شدة شعاع الضوء باستمرار.

2. كسب متوسط

الوسط النموالمادة الأساسية في الليزر هي التي تحدد تضخيم الفوتونات وقوة خرج الليزر. وهي الأساس الفيزيائي للانبعاث المحفز، وتحدد خصائصها تردد الليزر وطول موجته وقدرته الخارجة. ويؤثر نوع وخصائص وسط التضخيم بشكل مباشر على تطبيقات الليزر وأدائه.

آلية الإثارةتحتاج الإلكترونات في وسط التضخيم إلى إثارة إلى مستوى طاقة أعلى بواسطة مصدر طاقة خارجي. وتتم هذه العملية عادةً بواسطة أنظمة إمداد طاقة خارجية. وتشمل آليات الإثارة الشائعة ما يلي:

الضخ الكهربائي: إثارة الإلكترونات في وسط التضخيم عن طريق تطبيق تيار كهربائي.

الضخ الضوئي: إثارة الوسط بمصدر ضوئي (مثل مصباح فلاش أو ليزر آخر).

نظام مستويات الطاقةتتوزع الإلكترونات في وسط التضخيم عادةً في مستويات طاقة محددة. وأكثرها شيوعًا هيأنظمة ذات مستويينوأنظمة ذات أربعة مستوياتفي نظام ثنائي المستويات بسيط، تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة ثم تعود إلى الحالة الأرضية عبر الانبعاث المحفز. أما في نظام رباعي المستويات، فتخضع الإلكترونات لانتقالات أكثر تعقيدًا بين مستويات الطاقة المختلفة، مما يؤدي غالبًا إلى كفاءة أعلى.

أنواع وسائط الكسب:

متوسط ​​زيادة الغازعلى سبيل المثال، ليزرات الهيليوم-نيون (He-Ne). تُعرف أوساط التضخيم الغازية بإخراجها المستقر وطولها الموجي الثابت، وتُستخدم على نطاق واسع كمصادر ضوئية قياسية في المختبرات.

وسط اكتساب السوائلعلى سبيل المثال، ليزرات الصبغة. تتمتع جزيئات الصبغة بخصائص إثارة جيدة عبر أطوال موجية مختلفة، مما يجعلها مثالية لليزر القابل للضبط.

كسب متوسط ​​صلبعلى سبيل المثال، ليزرات النيوديميوم (الغارنيت الألومنيوم الإيتريوم المشوب بالنيوديميوم). تتميز هذه الليزرات بكفاءة عالية وقوة كبيرة، وتستخدم على نطاق واسع في عمليات القطع الصناعية واللحام والتطبيقات الطبية.

وسط كسب أشباه الموصلاتعلى سبيل المثال، تُستخدم مواد زرنيخيد الغاليوم (GaAs) على نطاق واسع في أجهزة الاتصالات والأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل ثنائيات الليزر.

3. تجويف الرنين

التجويف الرنينيُعدّ هذا العنصر مكونًا هيكليًا في الليزر يُستخدم للتغذية الراجعة والتضخيم. وتتمثل وظيفته الأساسية في زيادة عدد الفوتونات المنتجة من خلال الانبعاث المحفز عن طريق عكسها وتضخيمها داخل التجويف، مما يُولّد خرج ليزر قوي ومركز.

بنية تجويف الرنينيتكون عادةً من مرآتين متوازيتين. إحداهما مرآة عاكسة بالكامل، تُعرف باسم المرآة العاكسة.مرآة خلفيةوالآخر مرآة عاكسة جزئياً، تُعرف باسممرآة الإخراجتنعكس الفوتونات ذهابًا وإيابًا داخل التجويف ويتم تضخيمها من خلال التفاعل مع وسط التضخيم.

حالة الرنينيجب أن يستوفي تصميم تجويف الرنين شروطًا معينة، منها ضمان تشكّل موجات مستقرة للفوتونات داخل التجويف. ويتطلب ذلك أن يكون طول التجويف من مضاعفات طول موجة الليزر. ولا يمكن تضخيم الموجات الضوئية داخل التجويف بكفاءة إلا إذا استوفت هذه الشروط.

شعاع الإخراجتسمح المرآة العاكسة جزئيًا بمرور جزء من شعاع الضوء المُضخّم، مُشكّلةً شعاع خرج الليزر. يتميز هذا الشعاع بتوجيهية عالية، وتماسك، وأحادية اللون..

إذا كنت ترغب في معرفة المزيد أو كنت مهتمًا بالليزر، فلا تتردد في الاتصال بنا:

لوميسبوت

العنوان: المبنى رقم 4، رقم 99، طريق فورونغ الثالث، منطقة شيشان، ووشي، 214000، الصين

الهاتف: +86-051087381808.

جوال: +86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

الموقع الإلكتروني: www.lumispot-tech.com