مقدمة لنظرية وتصنيف وتطبيق الليزر

الليزر - الأجهزة التي تنبعث منها أشعة الليزر.

تم تصنيع أول مضخم كمي بالميكروويف في عام 1954 ، وكان شعاع الميكروويف متماسكًا للغاية.

في عام 1958 ، إيه إل شول وسي إتش. طبق تونز مبدأ مضخمات الكم الميكروية على نطاق ترددات الضوء. في عام 1960 ، T.H. ميمان وآخرون. جعل أول ليزر روبي.

في عام 1961 ، أ. جارفين وآخرون. جعل الليزر هو ني.

في عام 1962 ، ر. قاعة وآخرون. خلق أشباه الموصلات زرنيخيد الغاليوم.

في المستقبل ، سيكون هناك المزيد والمزيد من أنواع الليزر.

وفقًا لوسط العمل ، يمكن تقسيم الليزر إلى أربع فئات: ليزر الغاز ، الليزر الصلب ، ليزر أشباه الموصلات و ليزر الصبغ.

في الآونة الأخيرة ، تم تطوير الليزر الإلكتروني المجاني. عادةً ما يتم نبض أشعة الليزر عالية الطاقة.

المبدأ الأول:

جميع أنواع الليزر لديها نفس مبادئ التشغيل الأساسية باستثناء ليزر الإلكترون الحر. الشرط الأساسي لإنتاج الليزر هو عكس عدد الجسيمات والكسب على الخسارة. لذلك ، يتكون المكون الذي لا غنى عنه للجهاز من جزأين: مصدر الإثارة (أو الضخ) ووسيط العمل مع مستوى طاقة متبدل.

الإثارة هي إثارة وسط العمل بعد امتصاص الطاقة الأجنبية إلى الحالة المثارة ، لتحقيق والحفاظ على ظروف عكس عدد الجسيمات.

هناك حوافز بصرية وكهربائية وكيميائية ونووية.

إن مستوى الطاقة غير المستقر لوسط العمل يجعل الإشعاع المحفز مهيمناً ، وبالتالي تحقيق التضخيم البصري.

تشتمل المكونات الشائعة لليزر على تجويف رنان ، لكن التجويف (انظر التجويف البصري) ليس مكونًا أساسيًا. يسمح التجويف للفوتونات في التجويف أن يكون لها تردد وطور واتجاه تشغيل ثابت ، وبالتالي إعطاء الليزر توجيهًا جيدًا وتماسكًا.

علاوة على ذلك ، يمكن أن تقصر طول مادة العمل وتعديل وضع الليزر الناتج عن طريق تغيير طول التجويف (أي اختيار الوضع). لذلك ، معظم الليزر لديه تجويف رنين.

مادة عمل الليزر

يشير المصطلح إلى نظام المواد المستخدم لتحقيق عكس عدد الجسيمات وتوليد الضوء عن طريق تضخيم الإشعاع المحفز ، والذي يطلق عليه أحيانًا متوسط ​​كسب الليزر ، ويمكن أن يكون صلبًا (الكريستال ، الزجاج) ، الغاز (الغاز الذري ، الغاز الأيوني ، الغاز الجزيئي) ، أشباه الموصلات والوسط السائل.

الشرط الرئيسي لمواد العمل بالليزر هو تحقيق درجة كبيرة من انقلاب عدد الجسيمات بين مستويات الطاقة المحددة لجزيئات العمل والحفاظ على الانعكاس بأكبر قدر ممكن من الفعالية خلال عملية انبعاث الليزر بأكملها.

لذلك ، من المطلوب أن تحتوي مادة العمل على هيكل مستوى طاقة مناسب وخصائص انتقال.

3. نظام ضخ الإثارة

يعني آلية أو جهاز يوفر طاقة لمادة تعمل بالليزر لتحقيق والحفاظ على انعكاس عدد الجسيمات.

اعتمادًا على مادة العمل وظروف تشغيل الليزر ، يمكن اعتماد طرق وأجهزة إثارة مختلفة.

تشغيل بصري (مضخة ضوئية).

عادة ما يتكون جهاز الإثارة بالكامل من مصادر ضوء تصريف الغاز (مثل مصباح زينون ، مصباح الكريبتون) والمكثف. وتسمى طريقة الإثارة هذه أيضًا مضخة المصباح.

، إثارة تصريف الغاز.

عادة ما يتكون جهاز الإثارة بأكمله من قطب التفريغ وإمداد طاقة التفريغ.

كيمياء.

يتم تحقيق انعكاس عدد الجسيمات باستخدام عملية التفاعل الكيميائي التي تحدث في مادة العمل ، والتي تتطلب عادة مفاعلات كيميائية مناسبة وتدابير البدء المقابلة.

الطاقة النووية.

يتم استخدام أجزاء الانشطار أو الجزيئات عالية الطاقة أو الإشعاع الناتج عن تفاعلات الانشطار النووي الصغيرة لإثارة مواد العمل وتحقيق عكس عدد الجسيمات.

تجويف بصري

وتتكون عادة من مرآتين لهما خصائص هندسية وبصرية معينة.

ويتمثل التأثير في توفير تغذية مرتدة بصرية بحيث تنتقل الفوتونات الإشعاعية المتحمسة ذهابًا وإيابًا في التجويف عدة مرات لتشكيل تذبذبات مستمرة متماسكة.

يقتصر اتجاه وتردد الحزم المتذبذبة في التجويف للتأكد من أن ليزر الإخراج اتجاهي وأحادي اللون.

يتم تحديد تأثير التجويف من خلال الشكل الهندسي (نصف قطر الانحناء للسطح العاكس) والتركيب النسبي للمرايا التي تشكل عادة التجويف.

يتم تحديد القوى من خلال خصائص الخسارة الانتقائية لاتجاهات الحركة المختلفة وترددات الضوء المختلفة في نوع تجويف معين.

هناك العديد من أنواع الليزر.

في الجزء التالي ، سيتم إدخال تصنيف مادة عمل الليزر ووضع الإثارة ووضع التشغيل ونطاق الطول الموجي الناتج.

مادة العمل

يمكن تقسيم جميع أشعة الليزر إلى الفئات التالية وفقًا للحالات المادية المختلفة لمادة العمل: الليزر الصلب المتبقي (الكريستال والزجاج).

الليزر الغازي هو غاز ، ويمكن تقسيمه أيضًا إلى ليزر غاز ذري ، ليزر غاز أيوني ، ليزر غاز جزيئي و ليزر غاز excimer وفقًا للخصائص المختلفة للجسيمات العاملة في الغاز التي تولد بالفعل انبعاثًا محفزًا.

تشتمل مواد العمل التي يعتمدها هذا النوع من الليزر على محلول صبغ الفلوريسنت العضوي ومحلول مركب غير عضوي يحتوي على أيونات المعادن الأرضية النادرة ، حيث تعمل أيونات المعادن (مثل Nd) كجزيئات عاملة وعمل سوائل المركبات غير العضوية (مثل SeOCl2) كركيزة.

(4) ليزر أشباه الموصلات ، الليزر هو دور مادي أشباه الموصلات كمادة عمل تنتج عن انبعاث الإشعاع المحفز ، ويتم مبدأه من خلال حوافز معينة (مضخة حقن كهربائية ، حقن شعاع إلكتروني خفيف أو عالي الطاقة) ، بين فجوة النطاق مواد أشباه الموصلات أو بين النطاق ومستوى الشوائب ، عن طريق تحفيز الناقل وتوازن الانعكاس السكاني ، يتم إنتاج دور الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع ؛

(5) ليزر إلكترون حر ، وهو نوع خاص من نوع جديد من الليزر ، مادة عمل للتغييرات الدورية في مساحة الحركة عالية السرعة في شعاع الإلكترون الحر في المجال المغناطيسي ، طالما أن سرعة تغيير شعاع الإلكترون الحر يمكن أن ينتج إشعاعًا كهرومغناطيسيًا متماسكًا قابلًا للضبط ، من حيث المبدأ ، يمكن أن ينتقل طيف الإشعاع المتماسك من أطوال موجات الأشعة السينية إلى منطقة الميكروويف ، لذلك فهي احتمالات مغرية للغاية.

السادس. حوافز

مضخة الليزر الخفيفة.

يشير إلى أشعة الليزر التي يتم ضخها بالضوء ، بما في ذلك جميع أشعة الليزر الصلبة والسائلة تقريبًا ، بالإضافة إلى القليل من أشعة الليزر وأشباه الموصلات.

ليزر متحمس كهربائيا.

يتم إثارة معظم ليزر الغاز بتفريغ الغاز (التفريغ بالتيار المستمر ، التفريغ بالتيار المتردد ، التفريغ بالنبض ، حقن شعاع الإلكترون) ، بينما يتم تنشيط معظم أشباه الموصلات من خلال حقن تيار الوصلة. يمكن أيضًا إثارة بعض أشعة الليزر شبه الموصلة عن طريق حقن شعاع إلكتروني عالي الطاقة.

الليزر الكيميائي.

هذا ليزر يستخدم الطاقة المنبعثة من التفاعلات الكيميائية لإثارة مواد العمل. يمكن تشغيل التفاعلات الكيميائية عن طريق الضوء أو التفريغ أو التحفيز الكيميائي على التوالي.

هو المضخة النووية بالليزر.

نوع من الليزر الخاص ، مثل ليزر الهيليوم والأرجون المضخوخ نوويًا ، والذي يستخدم الطاقة التي يطلقها تفاعل انشطار نووي صغير لإثارة مادة العمل.

ثامنا. وضعية التشغيل

نظرًا لمواد العمل المختلفة وأوضاع الإثارة وأغراض التطبيق ، يختلف وضع التشغيل وحالة عمل الليزر ، والتي يمكن تقسيمها إلى الأنواع الرئيسية التالية.

يتميز الليزر المستمر بإثارة مادة العمل وإخراج الليزر المقابل ، والذي يمكن تنفيذه بشكل مستمر في نطاق زمني طويل. الليزر الصلب متحمس من مصدر الضوء المستمر و ليزر الغاز و ليزر أشباه الموصلات المشغلين بواسطة الإثارة الكهربائية المستمرة من هذا النوع.

نظرًا لتأثير الحرارة المفرط الذي لا مفر منه للأجهزة في التشغيل المستمر ، يحتاج معظمها إلى اتخاذ تدابير التبريد المناسبة.

(2) ليزر نبض واحد ، لهذا النوع من الليزر ، حوافز المواد وانبعاث الليزر المقابل ، من وقت كل شيء هو عملية نبض واحد ، ليزر الحالة الصلبة العامة ، الليزر السائل ، وكذلك بعض ليزر الغاز الخاص ، اعتماد بهذه الطريقة ، يمكن تجاهل تأثير التسخين للجهاز في هذا الوقت ، لذلك لا يمكنه اتخاذ تدابير تبريد خاصة.

(3) الليزر النبضي المتكرر ، تتميز هذه الأجهزة بإخراجها عبارة عن سلسلة من نبضات الليزر المتكررة ، وبالتالي يمكن للجهاز أن يكون حوافز مناسبة ، على شكل نبض متكرر أو دافع على أساس عملية التذبذب المستمر بالليزر ولكن في بطريقة معينة ، للحصول على خرج ليزر نبضي متكرر ، عادة ما يتطلب أيضًا اتخاذ تدابير تبريد فعالة إلى الجهاز.

(4) الليزر ، الذي يشير على وجه التحديد إلى اعتماد تقنية تبديل معينة لتحقيق خرج طاقة عالية من الليزر النبضي ، مبدأ العمل هو في حالة العمل من مادة انعكاس السكان لا يجعلها بعد تشكيل تذبذب الليزر ( المفتاح مغلق) ، بعد انتظار تراكم الجسيمات إلى مستوى عالٍ بما فيه الكفاية ، يصبح المفتاح الفوري المفاجئ ، والذي يمكن أن يكون في فترة زمنية قصيرة نسبيًا (10 ~ 10 ثوانٍ ، على سبيل المثال) تشكل تذبذبًا قويًا للغاية بالليزر ونبضًا عالي القدرة بالليزر الإخراج (انظر '\"class = link> تقنية الليزر).

(5) الليزر المغلق بالوضع ، وهو نوع من نوع خاص من الليزر يستخدم تقنية قفل الوضع المستخدم ، والذي يتميز عمله من خلال تجويف الرنين بعلاقة طور محددة بين الأوضاع الطولية المختلفة ، وبالتالي يمكن الحصول على سلسلة من الرؤية متباعدة بالتساوي في الوقت المناسب ليزر نبض القصر الفائق ، عرض النبض من 10 إلى 10 ثوانٍ) ، إذا اعتمد كذلك تقنية التبديل البصري السريع الخاص ، من اختيار تسلسل نبض واحد من نبضات الليزر فائقة القصر (انظر تقنية الليزر المقفلة).

6 وضع واحد واستقرار تردد الليزر ، يشير ليزر الوضع المفرد إلى اعتماد حد معين بعد أن تكون تقنية العفن في حالة عرضية مفردة أو تشغيل وضع طولي واحد لليزر ، تشير تدابير تثبيت تردد الليزر إلى اعتماد تحكم أوتوماتيكي معين في الطول الموجي لمخرجات الليزر أو استقرار التردد تحت دقة معينة في نطاق أجهزة الليزر الخاصة ، في بعض الحالات ، يمكن أيضًا إجراؤه في كل من التشغيل أحادي الوضع والليزر الخاص القادر على أجهزة التحكم التلقائي في استقرار التردد (انظر تكنولوجيا تثبيت تردد الليزر).

بشكل عام ، يتم إصلاح الطول الموجي للخرج من الليزر القابل للضبط ، ولكن يمكن تغيير الطول الموجي الناتج لبعض الليزر في نطاق مستمر ويمكن التحكم فيه باستخدام تقنية ضبط خاصة. يسمى هذا النوع من الليزر الليزر القابل للضبط (انظر تقنية ضبط الليزر).

نطاق النطاق

يمكن تقسيم أنواع الليزر المختلفة إلى الأنواع التالية وفقًا لنطاق الطول الموجي لليزر الناتج.

يتراوح نطاق الطول الموجي الناتج لليزر تحت الأحمر البعيد بين 25 ~ 1000 ميكرون. يقع ناتج الليزر لبعض ليزر الغاز الجزيئي وليزر الإلكترون الحر في هذه المنطقة.

يشير ليزر نير إلى جهاز ليزر طوله الموجي الليزر الناتج في منطقة منتصف الأشعة تحت الحمراء (2.5 ~ 25 ميكرون) ، والذي يمثله ليزر غاز الجزيئي CO (10.6 ميكرون) و ليزر غاز الجزيئي CO (5 ~ 6 ميكرون).

إن الليزر السلبي القريب من الأشعة تحت الحمراء هو جهاز ليزر يبلغ طول موجة الليزر الناتج في المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء (0.75 ~ 2.5 ميكرون) ، ممثلة بالليزر الصلب المنشط بالنيوديميوم (1.06 ميكرون) ، ليزر دايز أشباه الموصلات (حوالي 0.8 ميكرون) و بعض ليزر الغاز.

(4) الليزر المرئي ، يشير إلى الطول الموجي لليزر الناتج في النطاق الطيفي المرئي (4000 ~ 7000 أو 0.4 ~ 0.7 ميكرون) من جهاز الليزر ، ممثلين لليزر روبي (6943) ، ليزر ne-ne (6328) ، الأرجون ليزر أيون (4880 ، 5145) ، ليزر أيون الكريبتون (4762 ، 5208 ، 5682 ، 6471) ، وبعض ليزر الصبغ الانضباطي ، إلخ.

الليزر القريب من الأشعة فوق البنفسجية ، الذي يكون نطاقه الموجي لليزر الناتج في منطقة الطيف القريب من الأشعة فوق البنفسجية (2000-4000 أنجسترومز) ، يتم تمثيله بالليزر الجزيئي بالنيتروجين (3371 أنجسترومز) ليزر إكسينر المفلور (XeF) ليزر إكسيمر (3511 أنجسترومز ، 3531 أنجسترومز) ليزر فلوريد الكريبتون (2490 أنجسترومز) وبعض ليزر صبغ الانضباطي.

يقع نطاق الطول الموجي لليزر الناتج في منطقة الطيف فوق البنفسجي الفراغي (50 ~ 2000 أنجستروم) ، ويمثله الليزر الجزيئي (H) (1644 ~ 1098 أنجستروم) ، ليزر إكسينر (Xe) (1730 أنجستروم) ، إلخ.

تم تطوير الأشعة السينية الناعمة ، لكنها لا تزال في المرحلة الاستكشافية.

تاسعا. الأغراض الرئيسية

الليزر هو أحد المكونات الأساسية الأساسية في نظام معالجة الليزر الحديث.

مع تطور تقنية المعالجة بالليزر ، تم تطوير الليزر وظهرت العديد من الليزرات الجديدة.

ليزر المعالجة بالليزر المبكر عبارة عن ليزر غاز CO2 عالي الطاقة و ليزر YAG صلب يضخ بالضوء.

من تاريخ تطور تقنية المعالجة بالليزر ، ظهر أول ليزر في منتصف السبعينات من القرن الماضي أنبوب الليزر CO2 المختوم. حتى الآن ، برز الجيل الثاني من ليزر ثاني أكسيد الكربون المبرد - بثاني أكسيد الكربون.

يمكن أن نرى من التطور أن ليزر ثاني أكسيد الكربون المبكر يميل إلى اتجاه التطوير لتحسين قوة الليزر. ومع ذلك ، عندما تصل قوة الليزر إلى متطلبات معينة ، يتم أخذ جودة شعاع الليزر على محمل الجد ، ويتم نقل تطوير الليزر إلى جودة شعاع التعديل العالي.

إن ليزر CO2 لشريحة التبريد المنتشر الذي يظهر بالقرب من حد الانعراج له جودة شعاع جيدة وقد استخدم على نطاق واسع ، خاصة في مجال القطع بالليزر ، والذي يفضله العديد من الشركات.

في أوائل القرن الحادي والعشرين ، ظهر نوع جديد آخر من الليزر - أشباه الموصلات بالليزر.

بالمقارنة مع ليزر CO2 و YAG الصلب عالي الطاقة التقليدي ، يتميز ليزر أشباه الموصلات بالمزايا التقنية الواضحة ، مثل ذكر الحجم الصغير ، والخفيف الوزن ، والكفاءة العالية ، وانخفاض استهلاك الطاقة ، والعمر الطويل ، والاستفادة العالية من أشباه الموصلات بالليزر ، مع التطوير المستمر من تكنولوجيا أشباه الموصلات بالليزر ، ليزر أشباه الموصلات يعتمد على الليزر الصلب الآخر ، مثل أشعة الليزر ، مضخة أشباه الموصلات ليزر الحالة الصلبة ، مثل تطوير ليزر الألواح بسرعة كبيرة أيضًا.

من بينها ، تم تطوير الليزرات الليفية بسرعة ، خاصةً الليزرات الليفية المخدرة النادرة النادرة التي يجب استخدامها على نطاق واسع في مجالات الاتصالات بالألياف واستشعار الألياف ومعالجة المواد بالليزر.

نظرًا لخصائصه البارزة ، فقد تم استخدام الليزر في العديد من المجالات مثل الصناعة والزراعة والقياس الدقيق والكشف والاتصال ومعالجة المعلومات والعلاج الطبي والعسكري ، وحقق اختراقات ثورية في العديد من المجالات.

في الجيش ، تم استخدام الليزر في الاتصالات ، والرؤية الليلية ، والإنذار المبكر ، والمدى والجوانب الأخرى ، كما تم استخدام مجموعة متنوعة من أسلحة الليزر وأسلحة التوجيه بالليزر.

1. يتم استخدام الليزر كمصدر للحرارة.

شعاع الليزر صغير ويحمل كمية هائلة من الطاقة. يمكن للتركيز باستخدام العدسة ، على سبيل المثال ، تركيز الطاقة على منطقة صغيرة وتوليد كميات هائلة من الحرارة.

على سبيل المثال ، يمكن للأشخاص استخدام طاقة الليزر المركزة والعالية للغاية لمعالجة المواد المختلفة وحفر 200 حفرة على الإبرة.

كوسيلة للتسبب في التحفيز والتباين والكي والتبخير على الكائنات البيولوجية ، حقق الليزر نتائج جيدة في التطبيق العملي للطب والزراعة.

2. الليزر تتراوح.

كمصدر ضوء لتحديد المدى ، يمكن لليزر قياس المسافة البعيدة جدًا نظرًا لتوجيهه الجيد وقوته العالية ودقته العالية.

3. الاتصالات بالليزر.

في الاتصالات ، يمكن للكابل البصري الذي يستخدم شعاع الليزر لإرسال الإشارات أن يحمل قدرًا كبيرًا من المعلومات مثل 20000 سلك نحاسي.

4. تطبيق تجميع النواة في الهواء.

من خلال إطلاق الليزر على مزيج من الديوتريوم والتريتيوم ، يمنحهم الليزر كميات هائلة من الطاقة ، مما ينتج ضغطًا عاليًا ودرجة حرارة عالية ، مما يتسبب في اندماج النواتين في الهيليوم والنيوترونات ، وإطلاق كميات هائلة من الطاقة الإشعاعية في نفس الوقت .

بما أنه يمكن التحكم في طاقة الليزر ، فإن العملية تسمى الاندماج النووي المتحكم فيه.

في المستقبل ، مع مزيد من البحث والتطوير لتقنية الليزر ، سيتم تحسين أداء الليزر بشكل أكبر وستنخفض التكلفة بشكل أكبر ، ولكن سيتم توسيع نطاق تطبيقه بشكل أكبر ، وسوف يلعب دورًا كبيرًا بشكل متزايد.