كيف تصنع شعاع ليزر

من خلال تسخير قوة الضوء من خلال الليزر ، يمكنك استخدام الليزر لمجموعة متنوعة من الأغراض وفهمها بشكل أفضل من خلال دراسة الفيزياء والكيمياء الأساسية التي تجعلها تعمل.

بشكل عام ، يتم إنتاج الليزر بواسطة مادة الليزر ، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية ، والتي تنبعث منها إشعاع على شكل ضوء. كاختصار لـ "تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع" ، توضح طريقة الانبعاثات المحفزة كيف تختلف أشعة الليزر عن المصادر الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي. تتيح لك معرفة كيفية ظهور ترددات الضوء هذه الاستفادة من إمكاناتها لاستخدامات مختلفة.

يمكن تعريف الليزر على أنه جهاز ينشط الإلكترونات لإصدار إشعاع كهرومغناطيسي. يعني تعريف الليزر هذا أن الإشعاع يمكن أن يتخذ أي شكل من أشكال الطيف الكهرومغناطيسي ، من موجات الراديو إلى أشعة جاما.

ينتقل ضوء الليزر بشكل عام على طول مسار ضيق ، ولكن من الممكن أيضًا استخدام أشعة الليزر ذات النطاق الواسع من الموجات المنبعثة. من خلال مفاهيم الليزر هذه ، يمكنك التفكير فيها على أنها موجات تمامًا مثل أمواج المحيط على شاطئ البحر.

وصف العلماء الليزر من حيث تماسكه ، وهي ميزة تصف ما إذا كان اختلاف الطور بين إشارتين متدرج ولهما نفس التردد وشكل الموجة. إذا كنت تتخيل الليزر كموجات ذات قمم ووديان وقيعان ، فسيكون اختلاف الطور هو كيف موجة واحدة ليست متزامنة تمامًا مع أخرى أو مدى تباعد الموجتين عنهما تداخل.

تردد الضوء هو عدد قمم الموجات التي تمر عبر نقطة معينة في الثانية ، والطول الموجي هو الطول الكامل لموجة واحدة من القاع إلى القاع أو من القمة إلى القمة.

تشكل الفوتونات ، وهي جزيئات كمية من الطاقة ، الإشعاع الكهرومغناطيسي لليزر. تعني هذه الحزم الكمية أن ضوء الليزر دائمًا ما يكون له طاقة مضاعفة لطاقة a فوتون واحد وأنه يأتي في هذه "الحزم" الكمومية. هذا ما يصنع الموجات الكهرومغناطيسية الجسيمات.

العديد من أنواع الأجهزة تصدر أشعة الليزر ، مثل التجاويف الضوئية. هذه غرف تعكس الضوء من مادة تنبعث منها إشعاعات كهرومغناطيسية عائدة إلى نفسها. إنها مصنوعة بشكل عام من مرآتين ، واحدة في كل طرف من نهاية المادة بحيث عندما تعكس الضوء ، تصبح أشعة الضوء أقوى. تخرج هذه الإشارات المضخمة من خلال عدسة شفافة في نهاية تجويف الليزر.

عند وجود مصدر طاقة ، مثل بطارية خارجية توفر التيار ، فإن المادة التي تنبعث منها الإشعاع الكهرومغناطيسي تبعث ضوء الليزر في حالات طاقة مختلفة. تعتمد مستويات الطاقة هذه ، أو المستويات الكمومية ، على مادة المصدر نفسها. من المرجح أن تكون حالات الطاقة العالية للإلكترونات في المادة غير مستقرة ، أو في حالات مثارة ، وسوف ينبعث منها الليزر من خلال ضوءه.

على عكس المصابيح الأخرى ، مثل الضوء من مصباح يدوي ، فإن الليزر يبعث الضوء في خطوات دورية مع نفسه. هذا يعني أن قمة وقاع كل موجة من الليزر تصطف مع الموجات التي تأتي قبلها وبعدها ، مما يجعل ضوءها متماسكًا.

تم تصميم الليزر بهذه الطريقة بحيث يعطي ضوء ترددات معينة من الطيف الكهرومغناطيسي. في كثير من الحالات ، يأخذ هذا الضوء شكل حزم ضيقة ومنفصلة ينبعث منها الليزر بترددات دقيقة ، لكن بعض الليزر يعطي نطاقات واسعة ومتواصلة من الضوء.

إحدى ميزات الليزر الذي يتم تشغيله بواسطة مصدر طاقة خارجي والتي قد تحدث هي انعكاس السكان. هذا شكل من أشكال الانبعاث المحفّز ، ويحدث عندما يفوق عدد الجسيمات في الحالة المثارة عدد الجسيمات الموجودة في حالة طاقة منخفضة المستوى.

عندما يحقق الليزر انعكاس السكان ، فإن كمية هذا الانبعاث المحفز الذي يمكن للضوء أن يخلقه سيكون أكبر من كمية الامتصاص من المرايا. يؤدي هذا إلى إنشاء مضخم ضوئي ، وإذا وضعت واحدًا داخل تجويف ضوئي رنان ، فقد قمت بإنشاء مذبذب ليزر.

تشكل طرق إثارة وإصدار الإلكترونات هذه الأساس لأن الليزر مصدر للطاقة ، وهو مبدأ ليزر موجود في العديد من الاستخدامات. تتراوح المستويات الكمية التي يمكن أن تشغلها الإلكترونات بين المستويات المنخفضة الطاقة التي لا تتطلب الكثير من الطاقة ليتم إطلاقها والجسيمات عالية الطاقة التي تظل قريبة ومضغوطة من النواة. عندما ينطلق الإلكترون بسبب اصطدام الذرات ببعضها البعض في الاتجاه الصحيح ومستوى الطاقة ، فهذا هو الانبعاث التلقائي.

عندما يحدث الانبعاث التلقائي ، يكون للفوتون المنبعث من الذرة طور واتجاه عشوائي. وذلك لأن مبدأ عدم اليقين يمنع العلماء من معرفة كل من موضع الجسيم وزخمه بدقة تامة. كلما زادت معرفتك بموضع الجسيم ، قلّت معرفتك بزخمه ، والعكس صحيح.

يمكنك حساب طاقة هذه الانبعاثات باستخدام معادلة بلانك

للحصول على طاقةهفي الجول ، الترددνللإلكترون في الصورة^-1 وثابت بلانكح​ = ​6.63 × 10^-34 م² كجم / ثانية.يمكن أيضًا حساب الطاقة التي يمتلكها الفوتون عند انبعاثه من الذرة على أنها تغير في الطاقة. لإيجاد التردد المرتبط بهذا التغيير في الطاقة ، احسبνباستخدام قيم الطاقة لهذا الانبعاث.

بالنظر إلى النطاق الواسع لاستخدامات الليزر ، يمكن تصنيف الليزر بناءً على الغرض أو نوع الضوء أو حتى مواد الليزر نفسها. إن التوصل إلى طريقة لتصنيفها يحتاج إلى مراعاة كل أبعاد الليزر هذه. إحدى طرق تجميعها هي الطول الموجي للضوء الذي يستخدمونه.

يحدد الطول الموجي للإشعاع الكهرومغناطيسي لليزر تردد وقوة الطاقة التي يستخدمونها. يرتبط الطول الموجي الأكبر بكمية أقل من الطاقة وتردد أصغر. في المقابل ، يعني التردد الأكبر لحزمة من الضوء أن لديها طاقة أكبر.

يمكنك أيضًا تجميع الليزر حسب طبيعة مادة الليزر. تستخدم ليزر الحالة الصلبة مصفوفة صلبة من الذرات مثل النيوديميوم المستخدم في عقيق الإيتريوم الألومنيوم البلوري الذي يحتوي على أيونات النيوديميوم لهذه الأنواع من الليزر. تستخدم أشعة الليزر الغازية مزيجًا من الغازات في أنبوب مثل الهيليوم والنيون مما يخلق لونًا أحمر. يتم إنشاء ليزر الصبغ بواسطة مواد صبغ عضوية في محاليل سائلة أو معلقات

تستخدم ليزر الصبغة وسيط ليزر يكون عادة صبغة عضوية معقدة في محلول سائل أو معلق. تستخدم أشعة الليزر شبه الموصلة طبقتين من مادة أشباه الموصلات التي يمكن دمجها في مصفوفات أكبر. أشباه الموصلات هي المواد التي توصل الكهرباء باستخدام القوة بين عازل والموصل التي تستخدم كميات صغيرة من الشوائب ، أو إدخال مادة كيميائية ، بسبب إدخال مواد كيميائية أو تغييرات في درجة الحرارة.

لجميع استخداماتها المختلفة ، تستخدم جميع أنواع الليزر هذين المكونين لمصدر الضوء في صورة صلبة أو سائلة أو غازية تنبعث منها الإلكترونات وشيء لتحفيز هذا المصدر. يمكن أن يكون هذا ليزرًا آخر أو الانبعاث التلقائي لمادة الليزر نفسها.

تستخدم بعض أنواع الليزر أنظمة الضخ ، وهي طرق لزيادة طاقة الجسيمات في وسط الليزر والتي تسمح لها بالوصول إلى حالة الإثارة الخاصة بها لإحداث انعكاس في التجمعات السكانية. يمكن استخدام مصباح فلاش الغاز في الضخ البصري الذي ينقل الطاقة إلى مادة الليزر. في الحالات التي تعتمد فيها طاقة مادة الليزر على اصطدام الذرات داخل المادة ، يُشار إلى النظام باسم ضخ التصادم.

تختلف مكونات شعاع الليزر أيضًا في المدة التي تستغرقها لتوصيل الطاقة. تستخدم أشعة الليزر ذات الموجة المستمرة قوة شعاع متوسطة ثابتة. مع أنظمة الطاقة العالية ، يمكنك بشكل عام ضبط الطاقة ، ولكن مع أشعة الليزر الغازية منخفضة الطاقة مثل ليزر الهيليوم-نيون ، يتم تثبيت مستوى الطاقة بناءً على محتوى الغاز.

كان ليزر الهليوم-نيون أول نظام موجي مستمر ومن المعروف أنه يعطي ضوءًا أحمر. من الناحية التاريخية ، استخدموا إشارات التردد اللاسلكي لإثارة موادهم ، لكنهم في الوقت الحاضر يستخدمون تفريغ تيار مباشر صغير بين الأقطاب الكهربائية في أنبوب الليزر.

عندما تكون الإلكترونات في الهيليوم متحمسة ، فإنها تعطي الطاقة لذرات النيون من خلال الاصطدامات التي تخلق انعكاسًا سكانيًا بين ذرات النيون. يمكن أن يعمل ليزر الهليوم-نيون أيضًا بطريقة مستقرة عند الترددات العالية. يتم استخدامه في محاذاة خطوط الأنابيب والمسح والأشعة السينية.

أظهرت ثلاثة غازات نبيلة ، الأرجون والكريبتون والزينون ، استخدامها في تطبيقات الليزر عبر عشرات ترددات الليزر التي تمتد عبر الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء. يمكنك أيضًا مزج هذه الغازات الثلاثة مع بعضها البعض لإنتاج ترددات وانبعاثات محددة. تسمح هذه الغازات في أشكالها الأيونية بإثارة إلكتروناتها عن طريق الاصطدام ببعضها البعض حتى تحقق انعكاس السكان.

ستتيح لك العديد من تصميمات هذه الأنواع من الليزر تحديد طول موجي معين للتجويف ليصدره لتحقيق الترددات المطلوبة. يمكن أن يتيح لك التلاعب بزوج من المرايا داخل التجويف أيضًا عزل الترددات الفردية للضوء. تسمح لك الغازات الثلاثة ، الأرجون والكريبتون والزينون ، بالاختيار من بين العديد من مجموعات ترددات الضوء.

تنتج هذه الليزرات مخرجات عالية الاستقرار ولا تولد الكثير من الحرارة. تُظهر هذه الليزرات نفس المبادئ الكيميائية والفيزيائية المستخدمة في المنارات وكذلك المصابيح الكهربائية الساطعة مثل ستروبوسكوب.

ليزر ثاني أكسيد الكربون هو الأكثر كفاءة وفعالية من ليزرات الموجة المستمرة. تعمل باستخدام تيار كهربائي في أنبوب بلازما يحتوي على غاز ثاني أكسيد الكربون. تثير تصادمات الإلكترون جزيئات الغاز هذه التي تعطي طاقة بعد ذلك. يمكنك أيضًا إضافة النيتروجين والهيليوم والزينون وثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج ترددات ليزر مختلفة.

عند النظر إلى أنواع الليزر التي يمكن استخدامها في مجالات مختلفة ، يمكنك تحديد أي منها يمكنه إنتاج كميات كبيرة من الطاقة لأن لديهم معدل كفاءة مرتفع بحيث يستخدمون نسبة كبيرة من الطاقة الممنوحة لهم دون ترك الكثير يذهبون إليه المخلفات. في حين أن معدل كفاءة ليزر الهليوم-نيون أقل من 1٪ ، فإن معدل ليزر ثاني أكسيد الكربون هو حوالي 30٪ ، 300 ضعف معدل ليزر الهيليوم-نيون. على الرغم من ذلك ، تحتاج ليزرات ثاني أكسيد الكربون إلى طلاء خاص ، على عكس ليزر الهليوم-نيون ، لعكس أو نقل تردداتها المناسبة.

تستخدم ليزرات الإكسيمر الضوء فوق البنفسجي الذي حاول ، عند اختراعه لأول مرة في عام 1975 ، إنشاء حزمة مركزة من الليزر من أجل الدقة في الجراحة المجهرية والطباعة الحجرية الدقيقة الصناعية. يأتي اسمها من المصطلح "الثنائى المثير" حيث يكون الثنائى هو نتاج تركيبات الغاز التى تكون كهربائيا متحمس بتكوين مستوى الطاقة الذي ينشئ ترددات محددة من الضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية للمجال الكهرومغناطيسي نطاق.

تستخدم هذه الليزرات غازات تفاعلية مثل الكلور والفلور إلى جانب كميات من الغازات النبيلة مثل الأرجون والكريبتون والزينون. لا يزال الأطباء والباحثون يستكشفون استخداماتهم في التطبيقات الجراحية نظرًا لمدى قوتها وفعاليتها في تطبيقات الليزر في جراحة العيون. لا تولد ليزر الإكسيمر حرارة في القرنية ، لكن طاقتها يمكن أن تكسر الروابط بين الجزيئات نسيج القرنية في عملية تسمى "التحلل الضوئي" دون التسبب في أضرار لا داعي لها في عين.