مبدأ الليزر

يعتمد مبدأ الليزر على الانبعاث المحفز، وهو مفهوم اقترحه أينشتاين لأول مرة في أوائل القرن العشرين. العملية الرئيسية هي كما يلي:

- انتقال الإلكترون: تكتسب الذرات أو الجزيئات الموجودة في وسط العمل طاقة تحت تأثير مصدر المضخة (مثل الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية وغيرها)، وتنتقل من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع، وتدخل في حالة مثارة. نظرًا لأن مستوى الطاقة المرتفع غير مستقر، فإن الذرات أو الجزيئات تنتقل تلقائيًا إلى مستوى الطاقة المنخفض، وتطلق الفوتونات في هذه العملية.

- انعكاس تجويف الرنين: تنعكس هذه الفوتونات ذهابًا وإيابًا داخل تجويف الرنين، وتتفاعل مع ذرات أو جزيئات الحالة المثارة الأخرى في وسط العمل، مما يؤدي إلى المزيد من الانبعاث المحفز. يؤدي هذا إلى زيادة عدد الفوتونات بشكل مفاجئ، مما يؤدي إلى ظهور ضوء ليزر عالي الكثافة وأحادي اللون للغاية ومتجه للغاية.

مكونات الليزر

يتكون الليزر أساسًا من ثلاثة أجزاء: وسط العمل، ومصدر المضخة، وتجويف الرنين.

- وسط العمل: هذا هو أساس توليد الليزر. وهو يتألف من وسط نشط يتيح انعكاس السكان، مثل الياقوت أو زجاج النيوديميوم أو غاز ثاني أكسيد الكربون.

- مصدر المضخة: يوفر الطاقة لوسط العمل، مما يؤدي إلى انبعاث محفز. وتشمل الطرق الشائعة الإثارة الكهربائية والإثارة البصرية.

- تجويف الرنين: يتكون من مرايا انعكاس داخلية كلية ومرايا انعكاس داخلية جزئية، ويوفر ردود فعل وبيئة متذبذبة للفوتونات، مما يسمح لها بالسفر ذهابًا وإيابًا عدة مرات داخل التجويف، مما يعزز تأثير الانبعاث المحفز ويشكل في النهاية مخرجات الليزر.

الفرق بين الليزر أحادي الوضع ومتعدد الأوضاع

يكمن الاختلاف الرئيسي بين الليزر أحادي الوضع ومتعدد الأوضاع في عدد الأوضاع في شعاع الإخراج.

- الليزر أحادي الوضع: يدعم وضعًا واحدًا فقط لانتشار الضوء. تتميز بجودة شعاع عالية، واتجاهية وتماسك جيدين، ونقطة شعاع دائرية قياسية، وزاوية انحراف صغيرة. إنها مناسبة للتطبيقات عالية الدقة مثل مقاييس التداخل بالليزر واتصالات الألياف الضوئية.

- ليزر متعدد الأوضاع: يدعم أوضاع متعددة لانتشار الضوء. لديها زاوية انحراف كبيرة لشعاع الإخراج، وشكل شعاع معقد وتوزيع كثافة، وطول تماسك أقصر، ولكن طاقة خرج عالية. إنها مناسبة للتطبيقات الأقل تطلبًا مثل معالجة المواد وإضاءة الليزر.

الليزر - الحزم الغوسية

يُطلق على الليزر اسم الحزم الغوسية لأن توزيع شدتها عبر مقطعها العرضي يتوافق تقريبًا مع وظيفة غاوسية، مما يعني أن الشدة عالية في المركز وتتناقص تدريجيًا نحو الحواف، مما يُظهر منحنى على شكل جرس.

تنبع خاصية التوزيع هذه من إمكانية التكاثر الذاتي لليزر أثناء تكوينه داخل تجويف الرنين؛ وحتى بعد الحيود والانتشار، يحافظ توزيع شدته على الشكل الغوسي. تتمتع الحزم الغوسية بأداء تركيز ممتاز وأحادية اللون، مما يقلل بشكل فعال من المنافسة في الوضع ويحسن جودة الشعاع، مما يجعلها مستخدمة على نطاق واسع في تصميم النظام البصري، والمعالجة بالليزر، وغيرها من المجالات.

تصنيف الليزر يمكن تصنيف الليزر بعدة طرق، إحداها حسب وسط العمل:

- ليزر الحالة الصلبة: يستخدم هذا النوع من الليزر المواد الصلبة كوسط عمل، مثل ليزر جارنيت الألومنيوم المطلي بالنيوديميوم (Nd:YAG). تتميز أجهزة الليزر هذه عادة بإنتاج طاقة عالي واستقرار جيد، وتستخدم على نطاق واسع في المعالجة الصناعية والطب والبحث العلمي.

- الليزر الغازي: يستخدم الغازات كوسيلة للعمل، مثل ليزر الهيليوم والنيون (He-Ne) وليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2). لليزر الغازي تطبيقات واسعة في المناطق الطيفية المرئية والأشعة تحت الحمراء.

- الليزر السائل: المعروف أيضًا باسم الليزر الصبغي، ويستخدم محاليل الصبغة العضوية كوسيلة للعمل. تمنحهم قابلية ضبط الطول الموجي مزايا فريدة في البحث العلمي والطب الحيوي.

- ليزر أشباه الموصلات: تستخدم هذه المواد مواد شبه موصلة كوسيط عمل، مثل صمامات الليزر الثنائية. توفر أجهزة الليزر هذه مزايا في التصغير والتكامل، وتستخدم على نطاق واسع في الاتصالات البصرية، والطباعة بالليزر، وغيرها من المجالات.

- ليزر الإلكترون الحر: يستخدم أشعة الإلكترون الحرة عالية السرعة كوسيلة للعمل. إنها توفر نطاقًا واسعًا من الطاقة الناتجة والأطوال الموجية، مما يجعلها مناسبة لفيزياء الطاقة العالية والتحليل الطيفي للأشعة السينية.