مبدأ الليزر وتطبيقه
كيف يعمل الليزر
الليزر هو جهاز ينبعث منه ضوء الليزر. وفقًا لوسط العمل ، يمكن تقسيم الليزر إلى أربع فئات: ليزر غازي ، ليزر صلب ، ليزر أشباه الموصلات وليزر صبغ. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير ليزر الإلكترون الحر. عادة ما يكون الليزر عالي الطاقة ناتجًا نابضًا.
باستثناء ليزر الإلكترون الحر ، فإن مبادئ العمل الأساسية لأنواع الليزر المختلفة هي نفسها. الشرط الذي لا غنى عنه لتوليد ضوء الليزر هو أن الانعكاس السكاني والكسب أكبر من الخسارة ، وبالتالي فإن المكونات التي لا غنى عنها للجهاز هي مصدر الإثارة (أو الضخ) ووسط العمل بمستوى طاقة ثابت. الإثارة هي إثارة وسيط العمل لإثارة الحالة المثارة ، وخلق الظروف لتحقيق والحفاظ على الانقلاب السكاني. تشمل طرق التحفيز الإثارة البصرية ، والإثارة الكهربائية ، والإثارة الكيميائية ، وإثارة الطاقة النووية.
إن مستوى الطاقة غير المستقر لوسط العمل هو أن الإشعاع المحفز يهيمن ، وبالتالي تحقيق التضخيم البصري. من المكونات الشائعة لليزر تجويف الرنين ، لكن التجويف الرنيني (انظر التجويف البصري) ليس مكونًا لا غنى عنه. يسمح التجويف الرنيني للفوتونات الموجودة في التجويف بالحصول على تردد ثابت وطور واتجاه حركة ، مما يتيح لليزر الحصول على اتجاه وتماسك جيد. علاوة على ذلك ، يمكنه تقصير طول مادة العمل جيدًا ، ويمكنه أيضًا ضبط وضع الليزر المتولد عن طريق تغيير طول التجويف (أي اختيار الوضع) ، لذلك يحتوي الليزر عمومًا على تجويف طنين.
ثلاثة مكونات لليزر
أولا ، مادة العمل
في قلب الليزر ، يمكن فقط استخدام المواد التي يمكنها تحقيق انتقالات في مستوى الطاقة كمواد عاملة لليزر.
Sالطاقة المحفزة econd
يتمثل دورها في تنشيط مادة العمل ، فالذرة متحمسة من مستوى الطاقة المنخفض إلى الطاقة الخارجية لمستوى الطاقة العالي. عادة ما تكون هناك طاقة ضوئية وطاقة حرارية وطاقة كهربائية وطاقة كيميائية وما إلى ذلك.
ثالثًا: دور التجويف البصري:
أولاً ، يتم إجراء الإشعاع المحفز للمادة العاملة بشكل مستمر ؛
والثاني هو تسريع الفوتون باستمرار ؛
والثالث هو تحديد اتجاه خرج الليزر.
يتكون أبسط تجويف بصري من مرآتين متوازيتين بشكل متبادل موضوعتين في نهايات ليزر HeNe. عندما تنتقل بعض ذرات الديوتيريوم بين مستويين من الطاقة يحققان انعكاس الجسيمات ، ويصدران فوتونات موازية لاتجاه الليزر ، فإن هذه الفوتونات ستنعكس ذهابًا وإيابًا بين المرآتين ، مما يتسبب باستمرار في تحفيز الإشعاع. يتم إنتاج ليزر قوي جدًا بسرعة كبيرة.
يمكن تطبيق الضوء النقي والطيف المستقر لليزر بعدة طرق.
ليزر روبي
تم فرك الليزر الأصلي بمصباح فلاش ساطع ، وكان الليزر المنتج عبارة عن" ؛ الليزر النبضي" ؛ بدلاً من شعاع ثابت بشكل مستمر. تختلف جودة الضوء الناتج عن هذا الليزر اختلافًا جوهريًا عن الليزر الناتج عن الصمام الثنائي لليزر الذي نستخدمه اليوم. يعد هذا الانبعاث الضوئي المكثف ، الذي لا يدوم سوى بضع نانو ثانية ، مثاليًا لالتقاط الأشياء التي يسهل نقلها ، مثل الصور الشخصية ثلاثية الأبعاد. وُلدت أول لوحة ليزر في عام 1967. تتطلب ليزر الياقوت الياقوت باهظ الثمن ويمكنه فقط إنتاج دفعات قصيرة من الضوء.
ليزر الهيليوم
في عام 1960 قام العلماء علي جافان وويليام ر. برينيت جونيور ودونالد هيريوت بتصميم ليزر HeNe. هذا هو الليزر الغازي الأول الذي يستخدم بشكل شائع في المصورين الفوتوغرافيين المجسمات
ميزتان: 1. إنتاج إخراج ليزر مستمر. 2. لا حاجة لمصباح فلاش لأداء إثارة الضوء ، ولكن استخدم غاز الإثارة الكهربائية.
الصمام الثنائي بالليزر
يعد الصمام الثنائي بالليزر أحد أكثر أنواع الليزر شيوعًا. تسمى ظاهرة إعادة التركيب التلقائي للإلكترونات والثقوب الموجودة على جانبي تقاطع PN للديود بالانبعاث التلقائي. عندما تمر الفوتونات المتولدة من الانبعاث التلقائي عبر أشباه الموصلات ، بمجرد مرورها عبر أزواج ثقب الإلكترون المنبعثة ، يمكن أن تكون متحمسة لإعادة الاتحاد لإنتاج فوتونات جديدة ، مما يحفز الناقلات المثارة على إعادة الاتحاد وإصدار فوتونات جديدة. تسمى هذه الظاهرة بالإشعاع المحفز.
إذا كان تيار الحقن كبيرًا بدرجة كافية ، يتم تكوين توزيع حامل مقابل حالة التوازن الحراري ، أي يتم عكس عدد السكان. عندما تكون الحاملات في الطبقة النشطة في عدد كبير من الانعكاسات ، فإن كمية صغيرة من الفوتونات المولدة تلقائيًا تولد إشعاعًا استقرائيًا بسبب الانعكاس المتبادل في كلا طرفي تجويف الطنين ، مما يؤدي إلى ردود فعل انتقائية للرنين الانتقائي للتردد ، أو كسب من أجل تردد معين. عندما يكون الكسب أكبر من فقد الامتصاص ، يمكن أن ينبعث ضوء متماسك مع خط طيفي جيد ، الليزر ، من تقاطع PN. يتيح اختراع ثنائيات الليزر التطبيق السريع لتطبيقات الليزر ، وأنواع مختلفة من مسح المعلومات ، واتصالات الألياف الضوئية ، ومدى الليزر ، ورادار الليزر ، وأقراص الليزر ، ومؤشرات الليزر ، ومجموعات السوبر ماركت ، وما إلى ذلك ، ويتم تطوير وتعميم التطبيقات المختلفة باستمرار .