الليزر - الجهاز ومبدأ التشغيل

السلوك الطبيعي للضوء عند المرور عبر وسيط

عادة ، عندما يمر الضوء عبر وسيط ، تقل شدته. يمكن العثور على القيمة العددية لهذا التوهين من قانون Bouguer:

في هذه المعادلة ، بالإضافة إلى شدة الضوء التي أدخلت وأخرجت من الوسط ، هناك أيضًا عامل يسمى معامل امتصاص الضوء الخطي للوسط. في البصريات التقليدية ، يكون هذا المعامل دائمًا إيجابيًا.

امتصاص الضوء السلبي

ماذا لو كان معامل الامتصاص سالبًا لسبب ما؟ ماذا بعد؟ سيكون هناك تضخيم للضوء أثناء مروره عبر الوسط ؛ في الواقع ، سيُظهر الوسط امتصاصًا سلبيًا.

يمكن إنشاء شروط مراقبة مثل هذه الصورة بشكل مصطنع. تمت صياغة المفهوم النظري المتعلق بطريقة تنفيذ الظاهرة المقترحة في عام 1939 من قبل الفيزيائي السوفيتي فالنتين ألكساندروفيتش فابريكانت.

في سياق تحليل وسيط افتراضي لتضخيم الضوء يمر عبره ، اقترح فابريكانت مبدأ تضخيم الضوء. وفي عام 1955قام الفيزيائيان السوفييت نيكولاي جناديفيتش باسوف وألكسندر ميخائيلوفيتش بروخوروف بتطبيق فكرة فابريكانت على منطقة الترددات الراديوية للطيف الكهرومغناطيسي.

ضع في اعتبارك الجانب المادي لإمكانية الامتصاص السلبي. في شكل مثالي ، يمكن تمثيل مستويات طاقة الذرات كخطوط - كما لو أن الذرات في كل حالة لها طاقات محددة بدقة فقط E1 و E2. هذا يعني أنه عند الانتقال من حالة إلى أخرى ، فإن الذرة إما تنبعث أو تمتص فقط ضوءًا أحادي اللون بطول موجي محدد بدقة.

لكن الواقع بعيد كل البعد عن المثالية ، وفي الواقع ، فإن مستويات طاقة الذرات لها عرض محدد معين ، أي أنها ليست خطوطًا ذات قيم دقيقة. لذلك ، أثناء التحولات بين المستويات ، سيكون هناك أيضًا نطاق معين من الترددات المنبعثة أو الممتصة dv ، والتي تعتمد على عرض مستويات الطاقة التي يحدث الانتقال بينها. يمكن استخدام قيم E1 و E2 للإشارة فقط إلى مستويات الطاقة المتوسطة للذرة.

لذلك ، بما أننا افترضنا أن E1 و E2 هما نقطتا المنتصف لمستويات الطاقة ، فيمكننا اعتبار الذرة في هاتين الحالتين. دع E2> E1. يمكن للذرة إما أن تمتص أو تنبعث من الإشعاع الكهرومغناطيسي عندما تمر بين هذه المستويات. لنفترض أنه في الحالة الأرضية E1 ، امتصت الذرة الإشعاع الخارجي بالطاقة E2-E1 وانتقلت إلى الحالة المثارة E2 (احتمال مثل هذا الانتقال يتناسب مع معامل أينشتاين B12).

كونها في حالة مثارة E2 ، فإن الذرة تحت تأثير الإشعاع الخارجي بالطاقة E2-E1 تنبعث كمية من الطاقة E2-E1 وتضطر للانتقال إلى الحالة الأرضية مع الطاقة E1 (احتمال مثل هذا الانتقال يتناسب مع معامل أينشتاين B21).

إذا مرت حزمة متوازية من الإشعاع أحادي اللون بكثافة طيفية حجمية w (v) عبر مادة تحتوي طبقتها على وحدة مساحة المقطع العرضي وسمك dx ، فإن شدتها ستتغير بالقيمة:

هنا n1 هو تركيز الذرات في حالات E1 ، n2 هو تركيز الذرات في حالات E2.

باستبدال الشروط الموجودة على الجانب الأيمن من المعادلة ، بافتراض أن B21 = B12 ، ثم استبدال التعبير عن B21 ، نحصل على معادلة التغيير في شدة الضوء عند مستويات طاقة ضيقة:

في الممارسة العملية ، كما ذكر أعلاه ، فإن مستويات الطاقة ليست ضيقة بشكل غير محدود ، لذلك يجب أن يؤخذ عرضها في الاعتبار. من أجل عدم تشويش المقالة بوصف للتحولات ومجموعة من الصيغ ، نلاحظ ببساطة أنه من خلال إدخال نطاق تردد ثم التكامل فوق x ، سننتهي بصيغة لإيجاد معامل الامتصاص الحقيقي لمتوسط:

نظرًا لأنه من الواضح أنه في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري ، يكون تركيز الذرات n1 في حالة الطاقة المنخفضة E1 دائمًا أكبر من تركيز n2 للذرات في الحالة الأعلى E2 ، والامتصاص السلبي مستحيل في ظل الظروف العادية ، ومن المستحيل تضخيمه الضوء فقط من خلال المرور ببيئة حقيقية دون اتخاذ أي تدابير إضافية ...

لكي يصبح الامتصاص السلبي ممكنًا ، من الضروري خلق ظروف يكون فيها تركيز الذرات في الحالة المثارة E2 في الوسط أكبر من تركيز الذرات في الحالة الأرضية E1 ، أي أنه من الضروري التنظيم توزيع عكسي للذرات في الوسط وفقًا لحالات طاقتها.

الحاجة إلى ضخ طاقة البيئة

لتنظيم مجموعة مقلوبة من مستويات الطاقة (للحصول على وسط نشط) ، يتم استخدام الضخ (مثل البصري أو الكهربائي). يتضمن الضخ البصري امتصاص الإشعاع الموجه إليها بواسطة الذرات ، مما يؤدي إلى انتقال هذه الذرات إلى حالة الإثارة.

يتضمن الضخ الكهربائي في وسط غازي إثارة الذرات عن طريق الاصطدامات غير المرنة مع الإلكترونات في تفريغ الغاز. وفقًا لفابريكانت ، يجب التخلص من بعض حالات الطاقة المنخفضة للذرات عن طريق الشوائب الجزيئية.

من المستحيل عمليًا الحصول على وسيط نشط باستخدام الضخ البصري في وسط ثنائي المستوى ، نظرًا لأن انتقالات الذرات لكل وحدة زمنية من الحالة E1 إلى الحالة E2 والعكس بالعكس (!) في هذه الحالة ستكون مكافئة ، مما يعني ذلك من الضروري اللجوء إلى نظام ثلاثي المستويات على الأقل.

ضع في اعتبارك نظام ضخ ثلاثي المراحل. دع الإشعاع الخارجي مع طاقة الفوتون E3-E1 يعمل على الوسط بينما تنتقل الذرات الموجودة في الوسط من الحالة بالطاقة E1 إلى الحالة مع الطاقة E3. من حالة الطاقة E3 ، يمكن إجراء انتقالات تلقائية إلى حالة E2 وإلى E1. للحصول على مجتمع مقلوب (عندما يكون هناك المزيد من الذرات ذات المستوى E2 في وسط معين) ، من الضروري جعل المستوى E2 أطول عمراً من E3. لهذا ، من المهم الامتثال للشروط التالية:

سيعني الامتثال لهذه الشروط أن الذرات في الحالة E2 تظل أطول ، أي أن احتمال حدوث انتقالات عفوية من E3 إلى E1 ومن E3 إلى E2 يتجاوز احتمال حدوث انتقالات تلقائية من E2 إلى E1. بعد ذلك ، سيصبح المستوى E2 أطول أمداً ، ويمكن تسمية هذه الحالة عند المستوى E2 بأنها مستقرة. لذلك ، عندما يمر الضوء ذو التردد v = (E3 - E1) / h عبر هذا الوسط النشط ، سيتم تضخيم هذا الضوء. وبالمثل ، يمكن استخدام نظام من أربعة مستويات ، ثم سيكون المستوى E3 ثابتًا.

جهاز الليزر

وهكذا ، يشتمل الليزر على ثلاثة مكونات رئيسية: وسيط نشط (يتم فيه إنشاء الانعكاس السكاني لمستويات طاقة الذرات) ، ونظام ضخ (جهاز للحصول على انعكاس السكان) والرنان البصري (الذي يضخم الإشعاع مرات عديدة ويشكل شعاعًا موجهًا للإخراج). يمكن أن يكون الوسط النشط صلبًا أو سائلًا أو غازيًا أو بلازما.

يتم الضخ بشكل مستمر أو نبضي. مع الضخ المستمر ، يكون إمداد الوسيط محدودًا بسبب ارتفاع درجة حرارة الوسط وعواقب ارتفاع درجة الحرارة. في الضخ النبضي ، يتم الحصول على الطاقة المفيدة التي يتم إدخالها جزئياً إلى الوسط أكثر بسبب القوة الكبيرة لكل نبضة فردية.

ليزرات مختلفة - ضخ مختلف

يتم ضخ ليزرات الحالة الصلبة عن طريق تشعيع وسيط العمل بمضات قوية لتفريغ الغاز ، أو ضوء الشمس المركّز ، أو ليزر آخر.هذا هو الضخ النبضي دائمًا لأن الطاقة عالية جدًا بحيث ينهار قضيب العمل تحت تأثير مستمر.

يتم ضخ أشعة الليزر السائلة والغازية بواسطة تفريغ كهربائي.تفترض الليزرات الكيميائية حدوث تفاعلات كيميائية في وسطها النشط ، ونتيجة لذلك يتم الحصول على مجموعة الذرات المقلوبة إما من نواتج التفاعل أو من شوائب خاصة ذات بنية مستوية مناسبة.

يتم ضخ ليزر أشباه الموصلات بواسطة تيار أمامي من خلال تقاطع pn أو بواسطة حزمة إلكترونية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك طرق ضخ مثل التفكك الضوئي أو الطريقة الديناميكية للغاز (التبريد المفاجئ للغازات الساخنة).

الرنان البصري - قلب الليزر

الرنان البصري هو نظام من زوج من المرايا ، في أبسط الحالات ، مرآتان (مقعرتان أو متوازيتان) مثبتتان مقابل بعضهما البعض ، وبينهما على طول محور بصري مشترك يوجد وسط نشط على شكل بلورة أو كوفيت بالغاز. الفوتونات التي تمر بزاوية عبر الوسط تتركها على الجانب ، وتلك التي تتحرك على طول المحور ، تنعكس عدة مرات ، يتم تضخيمها وتخرج من خلال مرآة شفافة.

ينتج عن ذلك إشعاع ليزر - شعاع من الفوتونات المتماسكة - شعاع موجه بدقة. أثناء مرور الضوء بين المرآة ، يجب أن يتجاوز حجم الكسب حدًا معينًا - مقدار فقد الإشعاع من خلال المرآة الثانية (كلما كانت المرآة ترسل بشكل أفضل ، يجب أن تكون هذه العتبة أعلى).

من أجل تنفيذ تضخيم الضوء بشكل فعال ، من الضروري ليس فقط زيادة مسار الضوء داخل الوسط النشط ، ولكن أيضًا للتأكد من أن الموجات الخارجة من الرنان في طور مع بعضها البعض ، ومن ثم ستعطي الموجات المتداخلة السعة القصوى الممكنة.

لتحقيق هذا الهدف ، من الضروري أن تعود كل موجات في الرنان إلى نقطة على مرآة المصدر وبشكل عام ، في أي نقطة في الوسط النشط ، تكون في الطور مع الموجة الأولية بعد عدد عشوائي من الانعكاسات المثالية . يكون هذا ممكنًا عندما يفي المسار البصري الذي تنتقل به الموجة بين عودتين بالشرط:

حيث m عدد صحيح ، في هذه الحالة سيكون فرق الطور من مضاعفات 2P:

الآن ، نظرًا لأن كل موجة من الموجات تختلف في الطور عن الموجة السابقة بمقدار 2 نقطة في البوصة ، فهذا يعني أن جميع الموجات التي تغادر الرنان ستكون في طور مع بعضها البعض ، مما يعطي أقصى تداخل في السعة. سيكون للرنان إشعاع متوازي أحادي اللون تقريبًا عند الخرج.

سيوفر تشغيل المرايا داخل الرنان تضخيمًا للأنماط المقابلة للموجات الواقفة داخل الرنان ؛ سيتم إضعاف الأنماط الأخرى (الناشئة بسبب خصائص الظروف الحقيقية).

ليزر روبي - الحالة الصلبة الأولى

تم بناء أول جهاز الحالة الصلبة في عام 1960 من قبل الفيزيائي الأمريكي ثيودور ميمان. كان عبارة عن ليزر ياقوتي (ياقوتي - Al2O3 ، حيث يتم استبدال بعض المواقع الشبكية - في حدود 0.5٪ - بالكروم المتأين الثلاثي ؛ وكلما زاد الكروم ، كان لون بلورة الياقوت أغمق).

أول ليزر عامل ناجح صممه الدكتور تيد ميمان عام 1960.

يتم وضع أسطوانة الياقوت المصنوعة من أكثر البلورات تجانساً ، ويبلغ قطرها من 4 إلى 20 مم وطولها من 30 إلى 200 مم ، بين مرآتين مصنوعتين على شكل طبقات من الفضة مطبقة على الأطراف المصقولة بعناية. اسطوانة. يحيط مصباح تفريغ الغاز على شكل حلزوني بالأسطوانة بطولها بالكامل ويتم تزويده بجهد عالي من خلال مكثف.

عند تشغيل المصباح ، يتم تشعيع الياقوت بشكل مكثف ، بينما تتحرك ذرات الكروم من المستوى 1 إلى المستوى 3 (تكون في حالة الإثارة هذه لأقل من 10-7 ثوانٍ) ، وهذا هو المكان الأكثر احتمالية للانتقال إلى يتم تحقيق المستوى 2 - إلى مستوى ثابت. يتم نقل الطاقة الزائدة إلى الشبكة البلورية الياقوتية. التحولات العفوية من المستوى 3 إلى المستوى 1 غير ذات أهمية.

تحظر قواعد الاختيار الانتقال من المستوى 2 إلى المستوى 1 ، لذا فإن مدة هذا المستوى تبلغ حوالي 10-3 ثوانٍ ، وهي أطول بـ 10000 مرة من المستوى 3 ، ونتيجة لذلك ، تتراكم الذرات في الياقوت مع المستوى 2 - هذا هو التعداد السكاني العكسي للمستوى 2.

يمكن للفوتونات التي تنشأ تلقائيًا أثناء التحولات العفوية أن تسبب انتقالات قسرية من المستوى 2 إلى المستوى 1 وتثير سيلًا من الفوتونات الثانوية ، لكن هذه التحولات العفوية عشوائية وتنتشر فوتوناتها بشكل عشوائي ، وغالبًا ما تترك الرنان من خلال جدارها الجانبي.

لكن تلك الفوتونات التي تصطدم بالمحور تخضع لانعكاسات متعددة من المرايا ، مما يتسبب في نفس الوقت في انبعاث قسري للفوتونات الثانوية ، مما يؤدي مرة أخرى إلى إثارة الانبعاث المستحث ، وما إلى ذلك. ستتحرك هذه الفوتونات في اتجاه مشابه للفوتونات الأولية وسيزداد التدفق على طول محور البلورة مثل الانهيار الجليدي.

سيخرج التدفق المضاعف للفوتونات من خلال المرآة الجانبية الشفافة للرنان في شكل شعاع ضوئي موجه بدقة شديدة الشدة. يعمل ليزر الياقوت بطول موجة 694.3 نانومتر ، بينما يمكن أن تصل قوة النبض إلى 109 واط

ليزر النيون بالهيليوم

يعد ليزر الهليوم-نيون (الهيليوم / النيون = 10/1) أحد أكثر أنواع الليزر الغازية شيوعًا. يبلغ الضغط في خليط الغاز حوالي 100 باسكال.يعمل النيون كغاز نشط ، وينتج فوتونات بطول موجة يبلغ 632.8 نانومتر في الوضع المستمر. تتمثل وظيفة الهيليوم في إنشاء مجموعة عكسية من أحد مستويات الطاقة العليا للنيون. يبلغ عرض الطيف لمثل هذا الليزر حوالي 5 * 10-3 هرتز طول التماسك 6 * 1011 م ، وقت التماسك 2 * 103 درجة مئوية.

عندما يتم ضخ ليزر الهيليوم-نيون ، فإن التفريغ الكهربائي عالي الجهد يحث على انتقال ذرات الهيليوم إلى حالة مثارة ثابتة من المستوى E2. تتصادم ذرات الهليوم هذه بشكل غير مرن مع ذرات النيون في الحالة الأرضية E1 ، ناقلة طاقتها. طاقة مستوى E4 من النيون أعلى من مستوى E2 للهيليوم بمقدار 0.05 فولت. يتم تعويض نقص الطاقة من خلال الطاقة الحركية للتصادمات الذرية. نتيجة لذلك ، عند المستوى E4 من النيون ، يتم الحصول على مجموعة مقلوبة فيما يتعلق بالمستوى E3.

أنواع الليزر الحديث

وفقًا لحالة الوسط النشط ، يتم تقسيم الليزر إلى: صلب ، سائل ، غاز ، أشباه الموصلات ، وكذلك بلوري. وفقًا لطريقة الضخ ، يمكن أن تكون: تفريغ بصري وكيميائي وتفريغ للغاز. حسب طبيعة الجيل ، ينقسم الليزر إلى: مستمر ونبضي. هذه الأنواع من الليزر تبعث إشعاعًا في النطاق المرئي للطيف الكهرومغناطيسي.

ظهرت أشعة الليزر الضوئية في وقت متأخر عن غيرها. إنها قادرة على توليد إشعاع في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة ، وهذا الإشعاع (بطول موجة يصل إلى 8 ميكرون) مناسب جدًا للاتصالات الضوئية. تحتوي الليزرات الضوئية على ألياف في لبها تم إدخال عدة أيونات من العناصر الأرضية النادرة المناسبة.

يتم تثبيت دليل الضوء ، كما هو الحال مع أنواع الليزر الأخرى ، بين زوج من المرايا.من أجل الضخ ، يتم تغذية إشعاع الليزر بالطول الموجي المطلوب في الألياف ، بحيث تنتقل أيونات العناصر الأرضية النادرة إلى حالة الإثارة تحت تأثيرها. بالعودة إلى حالة طاقة أقل ، تصدر هذه الأيونات فوتونات ذات طول موجي أطول من طول موجة الليزر البادئ.

بهذه الطريقة ، تعمل الألياف كمصدر لضوء الليزر. يعتمد تردده على نوع العناصر الأرضية النادرة المضافة. الألياف نفسها مصنوعة من فلوريد المعدن الثقيل ، مما ينتج عنه توليد فعال لإشعاع الليزر عند تردد نطاق الأشعة تحت الحمراء.

تشغل أشعة الليزر السينية الجانب الآخر من الطيف - بين الأشعة فوق البنفسجية وجاما - وهي أوامر ذات أطوال موجية تتراوح من 10-7 إلى 10-12 مترًا.يتمتع الليزر من هذا النوع بأعلى سطوع نبضي لجميع أنواع الليزر.

تم تصنيع أول ليزر للأشعة السينية في عام 1985 في الولايات المتحدة ، في مختبر ليفرمور. لورانس. الليزر المتولد على أيونات السيلينيوم ، يتراوح مدى الطول الموجي من 18.2 إلى 26.3 نانومتر ، وأعلى سطوع يقع على خط الطول الموجي البالغ 20.63 نانومتر. اليوم ، تم تحقيق إشعاع ليزر بطول موجة 4.6 نانومتر مع أيونات الألومنيوم.

يتم إنشاء ليزر الأشعة السينية بواسطة نبضات تتراوح مدتها من 100 ps إلى 10 ns ، والتي تعتمد على عمر تكوين البلازما.

الحقيقة هي أن الوسط النشط لليزر الأشعة السينية هو بلازما شديدة التأين ، والتي يتم الحصول عليها ، على سبيل المثال ، عندما يتم تشعيع غشاء رقيق من الإيتريوم والسيلينيوم بالليزر عالي الطاقة في الطيف المرئي أو الأشعة تحت الحمراء.

تصل طاقة ليزر الأشعة السينية في نبضة إلى 10 مللي جول ، بينما يبلغ الاختلاف الزاوي في الحزمة حوالي 10 مللي راديان. تبلغ نسبة طاقة المضخة إلى الإشعاع المباشر حوالي 0.00001.