المبدأ الأول لليزر ، الذي استندت فيزياءه على قانون الإشعاع الخاص بلانك ، تم إثباته نظريًا من قبل أينشتاين في عام 1917. وصف الامتصاص والإشعاع الكهرومغناطيسي العفوي والمحفز باستخدام معاملات الاحتمال (معاملات أينشتاين).
رواد
كان ثيودور ميمان أول من أظهر مبدأ تشغيل ليزر الياقوت القائم على الضخ البصري للياقوت الاصطناعي بمصباح فلاش ، والذي أنتج إشعاعًا نبضيًا متماسكًا بطول موجي 694 نانومتر.
في عام 1960 ، أنشأ العالمان الإيرانيان جافان وبينيت أول مولد كمي للغاز باستخدام مزيج 1:10 من غازات هي و نيون.
في عام 1962 ، أظهر RN Hall أول ليزر ثنائي لزرنيخيد الغاليوم (GaAs) ينبعث عند طول موجة 850 نانومتر. في وقت لاحق من ذلك العام ، طور Nick Golonyak أول مولد كمومي للضوء المرئي لأشباه الموصلات.
تصميم ومبدأ تشغيل الليزر
يتكون كل نظام ليزر من وسط نشط موضوعةبين زوج من المرايا المتوازية بصريًا وعاكسة للغاية ، إحداهما شفافة ، ومصدر طاقة لضخها. يمكن أن يكون وسط التضخيم صلبًا أو سائلًا أو غازيًا ، وله خاصية تضخيم اتساع الموجة الضوئية التي تمر عبرها عن طريق الانبعاث المحفز بواسطة الضخ الكهربائي أو البصري. يتم وضع مادة بين زوج من المرايا بحيث يمر الضوء المنعكس فيهما في كل مرة ، وبعد أن وصل إلى تضخيم كبير ، يخترق مرآة شفافة.
بيئات من مستويين
لنأخذ في الاعتبار مبدأ تشغيل الليزر بوسط نشط ، تحتوي ذراتهما على مستويين فقط من الطاقة: متحمس E2و E 1. إذا كانت الذرات متحمسة للحالة E2بواسطة أي آلية ضخ (بصري ، تفريغ كهربائي ، انتقال تيار أو قصف إلكتروني) ، فعندئذٍ بعد بضع نانوثانية ستعود إلى الموضع الأرضي ، وتنبعث منها فوتونات من الطاقة hν=E2- E1. وفقًا لنظرية أينشتاين ، يتم إنتاج الانبعاث بطريقتين مختلفتين: إما أنه ناتج عن فوتون ، أو يحدث تلقائيًا. في الحالة الأولى ، يحدث الانبعاث المستحث ، وفي الحالة الثانية ، يحدث الانبعاث التلقائي. عند التوازن الحراري ، يكون احتمال الانبعاث المحفّز أقل بكثير من الانبعاث التلقائي (1: 1033) ، لذا فإن معظم مصادر الضوء التقليدية غير متماسكة ، ويمكن توليد الليزر في ظروف أخرى غير الحرارية التوازن
حتى مع قوي جداالضخ ، لا يمكن إلا أن يكون عدد سكان الأنظمة ذات المستويين متساويًا. لذلك ، هناك حاجة لأنظمة من ثلاثة أو أربعة مستويات لتحقيق انعكاس السكان عن طريق طرق الضخ الضوئية أو طرق الضخ الأخرى.
أنظمة متعددة المستويات
ما هو مبدأ الليزر ثلاثي المستويات؟ الإشعاع بضوء شديد من التردد ν02يضخ عددًا كبيرًا من الذرات من أدنى مستوى طاقة E0إلى أعلى مستوى طاقة E2. يؤسس الانتقال غير الإشعاعي للذرات من E2إلى E1انعكاس سكاني بين E1و E0، وهو أمر ممكن عمليًا فقط عندما تكون الذرات في حالة مستقرة لفترة طويلة E1 ،والانتقال من E2إلى E 1يسير بسرعة. مبدأ تشغيل الليزر ثلاثي المستويات هو استيفاء هذه الشروط ، بسبب ما بين E0و E1يتحقق انعكاس السكان والفوتونات يتم تضخيمها بواسطة الطاقة E1-E0الانبعاث المستحث. يمكن أن يزيد المستوى الأوسع من E2من نطاق امتصاص الطول الموجي لضخ أكثر كفاءة ، مما يؤدي إلى زيادة الانبعاث المحفّز.
يتطلب النظام ذو المستويات الثلاثة طاقة ضخ عالية جدًا ، نظرًا لأن المستوى الأدنى الذي ينطوي عليه التوليد هو المستوى الأساسي. في هذه الحالة ، لكي يحدث انعكاس السكان ، يجب ضخ أكثر من نصف العدد الإجمالي للذرات إلى الحالة E1. عند القيام بذلك ، يتم إهدار الطاقة. يمكن أن تكون قوة الضخ كبيرةإنقاص إذا لم يكن مستوى الجيل الأدنى هو المستوى الأساسي ، الأمر الذي يتطلب نظامًا من أربعة مستويات على الأقل.
اعتمادًا على طبيعة المادة الفعالة ، يتم تقسيم الليزر إلى ثلاث فئات رئيسية ، وهي الصلبة والسائلة والغازية. منذ عام 1958 ، عندما لوحظ الليزر لأول مرة في بلورة الياقوت ، درس العلماء والباحثون مجموعة متنوعة من المواد في كل فئة.
ليزر الحالة الصلبة
يعتمد مبدأ التشغيل على استخدام وسيط نشط ، والذي يتكون عن طريق إضافة مجموعة معدنية انتقالية إلى الشبكة البلورية العازلة (Ti+ 3، Cr+ 3، V+ 2 ، С+ 2 ، Ni+ 2 ، Fe+ 2، وما إلى ذلك) ، أيونات الأرض النادرة (Ce+ 3، Pr+ 3، Nd + 3 ، Pm+ 3 ، Sm+ 2 ، الاتحاد الأوروبي + 2، +3 ، Tb+ 3 ، Dy+ 3 ، Ho+ 3، Er+ 3، Yb+ 3، وما إلى ذلك) ، والأكتينيدات مثل U+ 3. مستويات طاقة الأيونات مسؤولة فقط عن التوليد. تعتبر الخصائص الفيزيائية للمادة الأساسية ، مثل التوصيل الحراري والتمدد الحراري ، ضرورية لتشغيل الليزر بكفاءة. يغير ترتيب الذرات الشبكية حول أيون مخدر مستويات طاقته. يتم تحقيق أطوال موجية مختلفة للجيل في الوسط النشط عن طريق تعاطي مواد مختلفة بنفس الأيون.
ليزر هولميوم
مثال على ليزر الحالة الصلبة هو مولد الكم ، حيث يستبدل الهولميوم ذرة من المادة الأساسية للشبكة البلورية. Ho: YAG هي واحدة من أفضل مواد الجيل. مبدأ تشغيل ليزر الهولميوم هو أن عقيق الإيتريوم المصنوع من الألومنيوم مخدر بأيونات الهولميوم ، ويتم ضخه بصريًا بواسطة مصباح وميض وينبعث بطول موجة يبلغ 2097 نانومتر في نطاق الأشعة تحت الحمراء ، والذي تمتصه الأنسجة جيدًا. يستخدم هذا الليزر في عمليات المفاصل ، وعلاج الأسنان ، ولتبخير الخلايا السرطانية والكلى وحصوات المرارة.
مولد الكم أشباه الموصلات
ليزر الآبار الكمومية غير مكلف ، ويمكن إنتاجه بكميات كبيرة وقابل للتطوير بسهولة. يعتمد مبدأ تشغيل ليزر أشباه الموصلات على استخدام الصمام الثنائي للوصلة p-n ، والذي ينتج ضوءًا بطول موجي معين عن طريق إعادة تركيب الناقل عند تحيز إيجابي ، على غرار مصابيح LED. تنبعث مصابيح LED تلقائيًا ، وثنائيات الليزر - قسريًا. للوفاء بشرط انعكاس السكان ، يجب أن يتجاوز تيار التشغيل قيمة العتبة. الوسيط النشط في الصمام الثنائي أشباه الموصلات له شكل منطقة متصلة من طبقتين ثنائي الأبعاد.
مبدأ تشغيل هذا النوع من الليزر هو عدم الحاجة إلى مرآة خارجية للحفاظ على التذبذبات. تعتبر الانعكاسية الناتجة عن معامل الانكسار للطبقات والانعكاس الداخلي للوسط النشط كافية لهذا الغرض. يتم تكسير السطوح النهائية للديودات ، مما يضمن أن الأسطح العاكسة متوازية.
الاتصال المكون من مواد أشباه الموصلات من نفس النوع يسمى التماثل المتماثل ، ويسمى الاتصال الذي تم إنشاؤه بواسطة اتصالين مختلفين
أشباه الموصلات من النوع P و n ذات الكثافة الحاملة العالية تشكل تقاطع pn مع طبقة نضوب رفيعة جدًا (≈1 ميكرومتر).
غاز الليزر
مبدأ التشغيل واستخدام هذا النوع من الليزر يسمح لك بإنشاء أجهزة بأي طاقة تقريبًا (من ملي واط إلى ميغاواط) وأطوال موجية (من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء) ويسمح لك بالعمل في أوضاع نبضية ومستمرة. بناءً على طبيعة الوسائط النشطة ، هناك ثلاثة أنواع من المولدات الكمومية للغاز ، وهي الذرية والأيونية والجزيئية.
يتم ضخ معظم أنواع الليزر بواسطة تفريغ كهربائي. يتم تسريع الإلكترونات الموجودة في أنبوب التفريغ بواسطة المجال الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية. تتصادم مع ذرات أو أيونات أو جزيئات الوسط النشط وتحث على الانتقال إلى مستويات طاقة أعلى لتحقيق حالة انعكاس سكانية وانبعاث محفز.
الليزر الجزيئي
يعتمد مبدأ تشغيل الليزر على حقيقة أنه ، على عكس الذرات والأيونات المعزولة ، تمتلك الجزيئات في المولدات الكمومية الذرية والأيونية نطاقات طاقة واسعة من مستويات الطاقة المنفصلة. علاوة على ذلك ، يحتوي كل مستوى من مستويات الطاقة الإلكترونية على عدد كبير من مستويات الاهتزاز ، وهذه بدورها لها عدة مستويات دوران.
الطاقة بين مستويات الطاقة الإلكترونية في الأشعة فوق البنفسجية والمناطق المرئية من الطيف ، بينما بين مستويات الدوران الاهتزازي - في الأشعة تحت الحمراء البعيدة والقريبةالمناطق. وبالتالي ، فإن معظم مولدات الكم الجزيئية تعمل في مناطق الأشعة تحت الحمراء البعيدة أو القريبة.
الليزر الإكسيمري
Excimers هي جزيئات مثل ArF و KrF و XeCl ، والتي لها حالة أرضية منفصلة ومستقرة في المستوى الأول. مبدأ تشغيل الليزر على النحو التالي. كقاعدة عامة ، يكون عدد الجزيئات في الحالة الأرضية صغيرًا ، لذا فإن الضخ المباشر من الحالة الأرضية غير ممكن. تتشكل الجزيئات في الحالة الإلكترونية المثارة الأولى عن طريق الجمع بين هاليدات عالية الطاقة والغازات الخاملة. يتم تحقيق عدد سكان الانعكاس بسهولة ، نظرًا لأن عدد الجزيئات عند المستوى الأساسي صغير جدًا مقارنةً بالمثارة. باختصار ، مبدأ تشغيل الليزر هو الانتقال من الحالة الإلكترونية المثارة المقيدة إلى الحالة الأرضية الانفصالية. يظل عدد السكان في الحالة الأرضية دائمًا عند مستوى منخفض ، لأن الجزيئات في هذه المرحلة تنفصل إلى ذرات.
الجهاز ومبدأ تشغيل الليزر هو أن أنبوب التفريغ مملوء بمزيج من الهاليد (F2) وغازات الأرض النادرة (Ar). تنفصل الإلكترونات الموجودة فيه وتتأين جزيئات الهاليد وتنتج أيونات سالبة الشحنة. تتفاعل الأيونات الموجبة Ar+والسالبة F-وتنتج جزيئات ArF في حالة الارتباط المثارة الأولى مع انتقالها اللاحق إلى الحالة الأساسية الطاردة وتوليد إشعاع متماسك. يمكن استخدام ليزر الإكسيمر ، وهو مبدأ التشغيل والتطبيق الذي نفكر فيه الآن ، في الضخوسط نشط على الأصباغ.
الليزر السائل
بالمقارنة مع المواد الصلبة ، السوائل أكثر تجانسًا ولها كثافة ذرات نشطة أعلى من الغازات. بالإضافة إلى ذلك ، فهي سهلة التصنيع ، وتسمح بتبديد الحرارة بسهولة ويمكن استبدالها بسهولة. مبدأ تشغيل الليزر هو استخدام الأصباغ العضوية كوسيط نشط ، مثل DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran) ، رودامين ، ستريل ، LDS ، كومارين ، ستيلبين ، إلخ… ، مذاب في مذيب مناسب. يتم تحفيز محلول جزيئات الصبغة عن طريق الإشعاع الذي يكون لطوله الموجي معامل امتصاص جيد. باختصار ، مبدأ تشغيل الليزر هو التوليد بطول موجي أطول يسمى التألق. يتم استخدام الفرق بين الطاقة الممتصة والفوتونات المنبعثة من خلال انتقالات الطاقة غير الإشعاعية وتسخن النظام.
نطاق التألق الأوسع للمولدات الكمومية السائلة يتميز بميزة فريدة - ضبط الطول الموجي. أصبح مبدأ التشغيل واستخدام هذا النوع من الليزر كمصدر مضبوط ومتماسك للضوء ذا أهمية متزايدة في التحليل الطيفي والتصوير المجسم والتطبيقات الطبية الحيوية.
في الآونة الأخيرة ، تم استخدام مولدات كمية الصبغ لفصل النظائر. في هذه الحالة ، يقوم الليزر بإثارة إحداها بشكل انتقائي ، مما يدفعها للدخول في تفاعل كيميائي.
