تخيل تسخير شعاع من الضوء قوي بما يكفي لقطع الفولاذ أو إجراء عمليات جراحية دقيقة. تتعمق هذه المقالة في عالم تكنولوجيا الليزر الرائع، وتستكشف المكونات والمبادئ الأساسية التي تجعل الليزر ممكناً. من الوسيط النشط إلى المرنان البصري، يلعب كل عنصر دورًا حاسمًا في توليد وتضخيم ضوء الليزر. سيكتسب القراء فهماً شاملاً لكيفية عمل الليزر والعلم الكامن وراء هذه التقنية الثورية. استعد للكشف عن أسرار هذه الأشعة الضوئية الاستثنائية!
يوضح الشكل 1 الهيكل الأساسي لليزر ويتكون من المكونات التالية:
يتطلب إنتاج ضوء الليزر وسطًا نشطًا مناسبًا، والذي يمكن أن يكون غازًا أو سائلًا أو صلبًا أو شبه موصل. في هذا الوسط، يمكن تحقيق انعكاس التعداد لخلق الظروف اللازمة لتوليد ضوء الليزر. ويسهِّل وجود مستويات طاقة شبه مستقرة إلى حد كبير من انعكاس التجميع.
هناك ما يقرب من ألف نوع من الوسائط النشطة المتاحة، القادرة على إنتاج أطوال موجية ليزرية تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة، وتغطي طيفًا واسعًا.
وباعتباره قلب الليزر، يتألف الوسط النشط من جسيمات المنشط (عادةً معادن) ومصفوفة. وتحدد بنية مستوى الطاقة لجسيمات المنشط الخصائص الطيفية وعمر التألق لليزر، بينما تحدد المصفوفة بشكل أساسي الخصائص الفيزيائية والكيميائية للوسط النشط.
يمكن تقسيم الليزر إلى أنظمة ثلاثية المستويات (مثل ليزر الياقوت) وأنظمة رباعية المستويات (مثل ليزر Nd:YAG) بناءً على بنية مستوى الطاقة لجزيئات المنشط. الأشكال الشائعة الاستخدام للوسط النشط هي الأسطوانية (الأكثر استخدامًا) والمستوية والقرصية والأنبوبية.
لتحقيق انعكاس تعداد الجسيمات في الوسط النشط، يجب إثارة الذرات بطريقة معينة لزيادة عدد الجسيمات عند مستويات الطاقة الأعلى. ويتطلب إخراج الليزر المستمر "ضخًا" مستمرًا للحفاظ على عدد أكبر من الجسيمات عند مستوى الطاقة الأعلى مقارنة بالمستوى الأدنى، ومن ثم يُشار إلى مصدر الضخ الخارجي أيضًا بمصدر الضخ.
ويوفر مصدر المضخة الطاقة لعكس التجميع بين مستويات الطاقة العالية والمنخفضة، حيث أن الضخ البصري هو الطريقة الأساسية المستخدمة اليوم. يجب أن يستوفي مصدر المضخة شرطين أساسيين: يجب أن يكون له كفاءة إضاءة عالية ويجب أن تتطابق خصائصه الطيفية مع طيف امتصاص الوسط النشط. وتشمل مصادر الضخ الشائعة مصابيح تفريغ الغاز الخامل والطاقة الشمسية وليزر الصمام الثنائي.
مصابيح تفريغ الغاز الخامل هي مصادر المضخات الأكثر استخداماً. وغالباً ما يُستخدم الضخ بالطاقة الشمسية للأجهزة منخفضة الطاقة، وخاصة أشعة الليزر الصغيرة في التطبيقات الفضائية التي يمكن أن تستخدم الطاقة الشمسية كمصدر طاقة دائم. ويمثل ضخ الصمام الثنائي الاتجاه المستقبلي لليزر الحالة الصلبة، حيث يجمع بين العديد من المزايا ويصبح أحد أسرع أنواع الليزر تطوراً.
يمكن تقسيم طرق ضخ الصمام الثنائي إلى نوعين: الضخ المستعرض (الضخ المستعرض (الضخ الطرفي مع السقوط المحوري) والضخ الطولي (الضخ الجانبي مع السقوط العمودي).
تتمتع ليزرات الحالة الصلبة ذات الصمام الثنائي المضخة بالديود بالعديد من المزايا، بما في ذلك العمر الطويل، والاستقرار الجيد للتردد، والحد الأدنى من التشوه البصري الحراري، مع الميزة الأبرز وهي كفاءة الضخ العالية بسبب التطابق الدقيق بين الطول الموجي لضوء المضخة وطيف امتصاص الوسط النشط.
ويؤدي تجويف التركيز وظيفتين: فهو يقرن مصدر المضخة بالوسط النشط ويحدد توزيع كثافة ضوء المضخة على الوسط النشط، مما يؤثر على التوحيد والتباعد والتشوه البصري لحزمة الخرج.
نظرًا لأن كلاً من الوسيط النشط ومصدر المضخة يتم تركيبهما داخل تجويف التركيز، فإن جودته تؤثر بشكل مباشر على كفاءة وأداء المضخة. تُستخدم تجاويف التركيز البؤري الأسطوانية الإهليلجية بشكل شائع في أجهزة الليزر الصغيرة ذات الحالة الصلبة.
المرنان البصري هو في الأساس مرآتان عاكستان عاكستان للغاية موضوعتان وجهاً لوجه عند طرفي الليزر. تكون إحدى المرآتين عاكسة بالكامل بينما تكون الأخرى عاكسة جزئيًا، مما يسمح بانعكاس معظم الضوء للخلف بينما تنتقل كمية صغيرة للخارج، مما ينتج ضوء الليزر. يستمر الضوء المنعكس إلى الوسط النشط في إحداث انبعاثات محفزة جديدة، مما يؤدي إلى تضخيم الضوء.
يتأرجح الضوء ذهابًا وإيابًا داخل المرنان مسببًا تفاعلًا متسلسلًا وتضخيمًا يشبه الانهيار الجليدي، مما يؤدي إلى انبعاث ضوء ليزر شديد من طرف المرآة العاكسة جزئيًا.
لا يوفر المرنان البصري تغذية راجعة بصرية للحفاظ على تذبذب الليزر المستمر والانبعاث المحفز فحسب، بل يقيد أيضًا اتجاه وتردد شعاع الضوء المتذبذب لضمان أحادية اللون العالية والتوجيه العالي لليزر الناتج. يتكون المرنان الضوئي الأبسط والأكثر استخدامًا في ليزر الحالة الصلبة من مرآتين مسطحتين (أو كرويتين) متقابلتين.
أنظمة التبريد والترشيح هي أجهزة مساعدة لا غنى عنها لليزر. يولد الليزر حرارة كبيرة عند التشغيل، مما يستلزم تدابير تبريد. يقوم نظام التبريد في المقام الأول بتبريد الوسط النشط بالليزر ومصدر الضخ وتجويف التركيز لضمان التشغيل الطبيعي لليزر وحماية المعدات.
تشمل طرق التبريد السائل والغاز والتوصيل، مع كون التبريد السائل هو الأكثر استخدامًا. وبالإضافة إلى ذلك، للحصول على شعاع ليزر أحادي اللون، من الضروري تصفية الخرج. يمكن لنظام الترشيح إزالة معظم ضوء المضخة والضوء المتداخل الآخر، مما ينتج عنه شعاع ليزر مخرجات ذات جودة أحادية اللون عالية.
لنأخذ ليزر الياقوت كمثال لشرح مبدأ عمل الليزر. الوسيط النشط هو قضيب من الياقوت. الياقوت عبارة عن بلورة من أكسيد الألومنيوم مطعّمة بكمية صغيرة من أيونات الكروم ثلاثية التكافؤ، وعادة ما تكون نسبة كتلة أكسيد الكروم حوالي 0.05%. ونظراً لأن أيونات الكروم تمتص الضوء الأخضر والأزرق من الضوء الأبيض، تظهر الجوهرة باللون الوردي.
كانت الياقوتة التي استخدمها ميمان في أول ليزر اخترعه في عام 1960 عبارة عن قضيب أسطواني قطره 0.8 سم وطوله حوالي 8 سم. وأطرافه عبارة عن زوج من المرايا المستوية المتوازية، إحداهما مغطاة بغشاء عاكس بالكامل والأخرى بمعدل إرسال 10%، مما يسمح بمرور الليزر من خلالها.
في ليزر الياقوت، يُستخدم مصباح زينون عالي الضغط "كمضخة" لإثارة أيونات الكروم إلى الحالة المثارة E3. الإلكترونات التي تُضخ إلى E3 الانتقال بسرعة (في حوالي 10-8 ثانية) إلى E2 دون إشعاع. E2 هو مستوى طاقة شبه مستقر حيث احتمال الانبعاث التلقائي إلى E1 منخفضة جدًا، حيث يصل عمرها الافتراضي إلى 10 سنوات.-3 ثوانٍ، مما يسمح للجسيمات بالبقاء لفترة طويلة.
وبالتالي، تتراكم الجسيمات عند E2مما يحقق انعكاسًا في التعداد السكاني بين مستويات الطاقة E2 و هـ1. الانبعاث المستحث للضوء من E2 إلى هـ1 ليزر أحمر بطول موجي يبلغ 694.3 نانومتر. ويدوم الليزر النبضي المستخرج من مصباح الزينون النبضي أقل من 1 مللي ثانية لكل نبضة ضوئية، وتتجاوز طاقة كل نبضة 10 جول وقدرة كل ليزر نبضي قادرة على تجاوز 10 كيلوواط.
تنطوي عملية استثارة أيونات الكروم وانبعاث ضوء الليزر على ثلاثة مستويات طاقة، ومن ثم يُطلق عليه نظام ثلاثي المستويات. في النظام الثلاثي المستويات، بما أن مستوى الطاقة الأدنى E1 هو الحالة الأرضية، وعادةً ما يتراكم عدد كبير من الذرات، ويتطلب تحقيق انعكاس التعداد قدرًا كبيرًا من الإثارة.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO