مبدأ العمل الأساسي للليزر

يعتمد مبدأ العمل الأساسي للليزر (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع) على ظاهرة انبعاثات الضوء المحفزة. من خلال سلسلة من التصميمات والهياكل الدقيقة ، تولد الليزر عوارضًا ذات التماسك العالي ، أحادي اللون ، والسطوع. تستخدم الليزر على نطاق واسع في التكنولوجيا الحديثة ، بما في ذلك في المجالات مثل الاتصالات والطب والتصنيع والقياس والبحث العلمي. خصائصها عالية الكفاءة وخصائص التحكم الدقيقة تجعلهم المكون الأساسي للعديد من التقنيات. فيما يلي تفسير مفصل لمبادئ عمل الليزر وآليات أنواع مختلفة من الليزر.

1. الانبعاثات المحفزة

الانبعاثات المحفزةهو المبدأ الأساسي وراء توليد الليزر ، الذي اقترحه أولنشتاين لأول مرة في عام 1917. هذه الظاهرة تصف كيف يتم إنتاج المزيد من الفوتونات المتماسكة من خلال التفاعل بين الضوء والدولة المتحمسة. لفهم الانبعاثات المحفزة بشكل أفضل ، لنبدأ بالانبعاثات التلقائية:

الانبعاث العفوي: في الذرات ، الجزيئات ، أو الجزيئات المجهرية الأخرى ، يمكن للإلكترونات امتصاص الطاقة الخارجية (مثل الطاقة الكهربائية أو البصرية) والانتقال إلى مستوى طاقة أعلى ، والمعروفة باسم الحالة المتحمسة. ومع ذلك ، فإن إلكترونات الحالة المتحمسة غير مستقرة وستعود في النهاية إلى مستوى الطاقة المنخفضة ، والمعروفة باسم الحالة الأرضية ، بعد فترة قصيرة. خلال هذه العملية ، يطلق الإلكترون الفوتون ، وهو انبعاث عفوي. مثل هذه الفوتونات عشوائية من حيث التردد والمرحلة والاتجاه ، وبالتالي تفتقر إلى التماسك.

الانبعاثات المحفزة: مفتاح الانبعاثات المحفزة هو أنه عندما يواجه إلكترون الحالة المتحمسة فوتونًا مع طاقة مطابقة للطاقة الانتقالية ، يمكن للفوتون أن يدفع الإلكترون إلى العودة إلى الحالة الأرضية أثناء إطلاق فوتون جديد. الفوتون الجديد مطابق للتفتيل الأصلي من حيث التردد والمرحلة واتجاه الانتشار ، مما يؤدي إلى ضوء متماسك. هذه الظاهرة تضخّم بشكل كبير عدد وطاقة الفوتونات وهي الآلية الأساسية للليزر.

تأثير التغذية المرتدة الإيجابية للانبعاثات المحفزة: في تصميم الليزر ، تتكرر عملية الانبعاث المحفزة عدة مرات ، ويمكن أن يزيد تأثير التعليقات الإيجابية بشكل كبير من عدد الفوتونات. بمساعدة تجويف الرنين ، يتم الحفاظ على تماسك الفوتونات ، ويتم زيادة شدة شعاع الضوء باستمرار.

2. كسب متوسط

الكسب وسيطهي المادة الأساسية في الليزر التي تحدد تضخيم الفوتونات وإخراج الليزر. هذا هو الأساس المادي للانبعاثات المحفزة ، وتحدد خصائصه التردد وطول الموجة وطاقة الإخراج للليزر. يؤثر نوع وخصائص وسط الكسب بشكل مباشر على تطبيق وأداء الليزر.

آلية الإثارة: يجب أن تكون الإلكترونات في وسط الكسب متحمسًا لمستوى الطاقة الأعلى من خلال مصدر طاقة خارجي. عادة ما يتم تحقيق هذه العملية من خلال أنظمة إمداد الطاقة الخارجية. تشمل آليات الإثارة الشائعة:

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

الضخ البصري: مثيرة للوسيط مع مصدر الضوء (مثل مصباح فلاش أو ليزر آخر).

نظام مستويات الطاقة: يتم توزيع الإلكترونات في وسط الكسب عادة في مستويات طاقة محددة. الأكثر شيوعاأنظمة مستويينوالأنظمة ذات أربعة مستويات. في نظام بسيط من مستويين ، تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المتحمسة ثم تعود إلى الحالة الأرضية من خلال الانبعاثات المحفزة. في نظام من أربعة مستويات ، تخضع الإلكترونات إلى انتقالات أكثر تعقيدًا بين مستويات الطاقة المختلفة ، مما يؤدي غالبًا إلى زيادة الكفاءة.

أنواع الكسب الوسائط:

كسب الغاز وسيط: على سبيل المثال ، ليزر هيليوم نيون (He-ne). تُعرف وسائط كسب الغاز بإخراجها المستقر وطولها الموجي الثابت ، وتستخدم على نطاق واسع كمصادر إضاءة قياسية في المختبرات.

كسب السائل وسيلة: على سبيل المثال ، صبغة ليزر. تحتوي جزيئات الصبغة على خصائص الإثارة الجيدة عبر أطوال موجية مختلفة ، مما يجعلها مثالية للليزر القابل للضبط.

مكسب صلبة وسيط: على سبيل المثال ، ND (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet). هذه الليزر عالية الكفاءة وقوية ، وتستخدم على نطاق واسع في القطع الصناعية واللحام والتطبيقات الطبية.

أشباه الموصلات كسب متوسط: على سبيل المثال ، تستخدم مواد غاليوم أرسينيد (GAAs) على نطاق واسع في الاتصالات والأجهزة الإلكترونية البصرية مثل الثنائيات بالليزر.

3. تجويف المرنان

التجويف المرنانهو مكون هيكلي في الليزر المستخدم للتعليقات والتضخيم. تتمثل وظيفتها الأساسية في تعزيز عدد الفوتونات المنتجة من خلال الانبعاثات المحفزة من خلال عكسها وتضخيمها داخل التجويف ، وبالتالي توليد ناتج ليزر قوي ومركّز.

هيكل تجويف الرنين: عادة ما يتكون من اثنين من المرايا المتوازية. أحدهما مرآة عاكسة تمامًا ، تُعرف باسمالمرآة الخلفيةوالآخر هو مرآة عاكسة جزئيا ، والمعروفة باسممرآة الإخراج. ينعكس الفوتونات ذهابًا وإيابًا داخل التجويف ويتم تضخيمها من خلال التفاعل مع وسيط الكسب.

حالة الرنين: يجب أن يفي تصميم تجويف الرنان بظروف معينة ، مثل ضمان أن الفوتونات تشكل موجات دائمة داخل التجويف. هذا يتطلب أن يكون طول التجويف مضاعفًا لطول موجة الليزر. يمكن فقط تضخيم موجات الضوء التي تلبي هذه الشروط بشكل فعال داخل التجويف.

شعاع الإخراج: تتيح المرآة العاكسة جزئيًا أن يمر جزء من شعاع الضوء المتضخم ، وتشكيل شعاع إخراج الليزر. هذه الشعاع له اتجاهات عالية ، تماسك ، وحيوية أحادية اللون.

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

lumispot

العنوان: المبنى 4 #، No.99 Furong 3rd Road ، Xishan Dist. Wuxi ، 214000 ، الصين

Tel: + 86-0510 87381808.

Mobile: + 86-15072320922

Email: sales@lumispot.cn

الموقع: www.lumispot-tech.com