دليل شامل حول مبادئ الليزر وتطبيقاته

I. مبادئ الليزر

الهيكل الأساسي لليزر:

1. مادة العمل

يشير الوسيط النشط بالليزر إلى النظام المادي المستخدم لتحقيق انعكاس التعداد وتضخيم الإشعاع المحفز للضوء. ويُشار إليه أحياناً باسم وسيط كسب الليزر. ويمكن أن يكون صلبًا (بلورات، زجاج)، وغازًا (غاز ذري، غاز أيوني، غاز جزيئي)، وأشباه موصلات، ووسائط سائلة.

الشرط الرئيسي للوسيط النشط بالليزر هو تحقيق أكبر قدر ممكن من انعكاس التعداد بين مستويات طاقة محددة لجسيماته العاملة، والحفاظ على هذا الانعكاس بأكبر قدر ممكن من الفعالية طوال عملية الانبعاث الليزري. ولهذا الغرض، يجب أن يكون للوسط النشط بنية مستوى طاقة مناسبة وخصائص انتقالية.

2. مصدر الضخ

يشير نظام الإثارة (الضخ) إلى الآلية أو الجهاز الذي يوفر مصدر طاقة لتحقيق انعكاس الجسيمات والحفاظ عليه في مادة عمل الليزر. واعتماداً على مادة العمل وظروف تشغيل الليزر، يمكن اعتماد طرق وأجهزة إثارة مختلفة. هناك أربعة أنواع شائعة:

①. الإثارة الضوئية (الضخ البصري). يتضمن ذلك استخدام الضوء المنبعث من مصدر ضوء خارجي لإشعاع المادة العاملة لتحقيق انعكاس الجسيمات. يتكون جهاز الإثارة بأكمله عادةً من مصدر ضوء التفريغ الغازي (مثل مصباح زينون أو مصباح كريبتون) ومكثف.

②. إثارة التفريغ الغازي. يتضمن ذلك استخدام عملية التفريغ الغازي التي تحدث داخل المادة العاملة بالغاز لتحقيق انعكاس الجسيمات. ويتكون جهاز الإثارة بأكمله عادة من أقطاب التفريغ ومصدر طاقة التفريغ.

③. الإثارة الكيميائية. يتضمن ذلك استخدام عملية التفاعل الكيميائي التي تحدث داخل المادة العاملة لتحقيق انعكاس الجسيمات. ويتطلب ذلك عادةً متفاعلات كيميائية مناسبة وإجراءات تحفيز مقابلة.

④. إثارة الطاقة النووية. ينطوي ذلك على استخدام شظايا الانشطار أو الجسيمات عالية الطاقة أو الإشعاع الناتج عن تفاعل انشطار نووي صغير النطاق لإثارة المادة العاملة وتحقيق انعكاس الجسيمات.

3. التجويف الرنيني - لزيادة مسافة انتشار الموجات الضوئية في وسط الكسب

يتم إنشاء المرنان البصري عادةً عن طريق الجمع بين مرآتين بأشكال هندسية محددة وخصائص انعكاس بصري بطريقة معينة. ووظائفه هي:

①. لتوفير القدرة على التغذية المرتدة الضوئية، مما يسمح لفوتونات الانبعاثات المحفزة بالانتقال ذهابًا وإيابًا عدة مرات داخل التجويف لتكوين تذبذبات متماسكة ومستمرة.

②. للحد من اتجاه وتردد أشعة الضوء المتذبذب داخل التجويف، مما يضمن أن يكون لليزر الخرج اتجاهية معينة وأحادية اللون.

يتم تحديد الدالة الأولى للمرنان من خلال الشكل الهندسي (نصف قطر انحناء السطح العاكس) وطريقة الجمع النسبي للمرآتين اللتين تشكلان التجويف عادةً. ويتم تحديد الدالة الثانية من خلال خصائص الفقد الانتقائية المختلفة لنوع المرنان المحدد للضوء مع اختلاف اتجاهات وترددات انتقال الضوء داخل التجويف.

ثانياً. تصنيف الليزر

بوسيط عمل الليزر:

• ليزر الحالة الصلبة (ليزر الألياف)
• ليزر الغاز
• ليزر أشباه الموصلات
• ليزر الصبغة
• ليزر الإلكترونات الحرة

أوضاع تشغيل الليزر:

• مستمر
• النبض: نبضة واحدة؛ تردد متكرر؛ شبه مستمر

حسب التركيب الكيميائي:

• الليزر الذري
• الليزر الجزيئي
• الليزر الأيوني
• ليزر الإلكترونات الحرة
• ليزر إكسيمر

طرق التعديل بالليزر:

• الجري الحر
• التبديل الكمي
• قفل الوضع

ثالثاً. الليزر النموذجي

1. ليزر الحالة الصلبة

وهي تنقسم إلى فئتين: الكريستال والزجاج، المصنوعان عن طريق تنشيط الأيونات المنشطة في المادة الأساسية.

وفي الوقت الراهن، هناك أكثر من 200 نظام مختلف مخدّر القاعدة حقق تذبذب الليزر كمادة عاملة، ولكن الأنواع الثلاثة المستخدمة على نطاق واسع وذات أداء جيد هي كما يلي

(1) ليزر زجاج النيوديميوم النيوديميوم

يتم تخدير عنصر النيوديميوم الأرضي النادر في الزجاج كمادة عاملة، λ = 1.053 ميكرومتر. ونظرًا لإمكانية الحصول على زجاج النيوديميوم بحجم كبير وتوحيد جيد، يمكن تحويله إلى أجهزة كبيرة، مما يحقق ليزر عالي الطاقة والطاقة. وقد تم إنتاج ليزر بطاقة خرج تبلغ 1014 واط.

(2) ليزر الياقوت (2)

• مادة العمل: الكريستال الياقوتي
• الطول الموجي للإخراج: λ=694.3 نانومتر
• عرض خط الإخراج: Δλ=0.01 ~ 0.1 نانومتر
• وضع التشغيل: مستمر، نابض
• زاوية التباعد: θ ≈ 10^-3راد، مخرج متعدد الأوضاع بشكل عام؛ طاقة المضخة > العتبة 10 ~20% → الوضع الفردي

(3) عقيق الألومنيوم الإيتريوم والألومنيوم المطعمة بالنيوديميوم (Nd:YAG)

• مادة العمل: بلورة YAG مخدرة بعنصر النيوديميوم الأرضي النادر
• الطول الموجي للإخراج: λ=1064 نانومتر، 914 نانومتر، 1319 نانومتر
• وضع العمل: نبض متواصل، معدل التكرار العالي النبضي

ونظراً للقدرة على التخدير بتركيز عالٍ من النيوديميوم، يمكن أن توفر المادة العاملة طاقة ليزر أعلى لكل وحدة حجم، ويمكن جعل الليزر أصغر. إذا تم استخدام ليزر أشباه الموصلات كمصدر للمضخة، يمكن أن يكون حجم الجهاز أصغر.

(4) ليزر التيتانيوم الياقوت الياقوتي القابل للضبط بموجة مستمرة

ليزر 3900S CW CW قابل للضبط Ti:sapphire: ليزر الياقوت

ليزر الأشعة تحت الحمراء الصلب عالي الأداء والقابل للضبط، ذو الحالة الصلبة

يتراوح الطول الموجي الناتج من 675 إلى 1100 نانومتر

يتم ضخه بواسطة ليزر Ar أو ليزر LD يضخ ليزر 532 نانومتر

TEM₀₀ يمكن أن تصل طاقة الخرج إلى 3.5 واط/ثانية

التطبيقات:

• التحليل الطيفي
• ليزر الألياف البحث
• أبحاث الاتصالات السلكية واللاسلكية
• دراسات أشباه الموصلات

2. ليزر الغاز

• مواد العمل: مختلف الغازات المختلطة، التوحيد البصري الجيد.
• تتفوق أشعة الليزر الغازية في أحادية اللون وثبات الحزمة مقارنة بأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة وأشباه الموصلات والليزر السائل.
• وصلت خطوط الطيف إلى آلاف الأنواع (160 نانومتر ~ 4 مم).
• وضع العمل: التشغيل المستمر (معظم الحالات)

معظم أشعة الليزر الغازية لديها نقطة ضعف تتمثل في عدم وجود طاقة لحظية عالية.

السبب: عادةً ما يكون ضغط الغاز منخفضًا، مما يؤدي إلى انخفاض عدد الجسيمات لكل وحدة حجم.

(1) ليزر هيليوم-نيون الهيليوم-نيون

مادة العمل: خليط من غازي الهيليوم والنيون

ينبعث الليزر من ذرات النيون، بينما يحسن الهيليوم من ظروف تفريغ الغاز، وبالتالي يعزز طاقة خرج الليزر.

الطول الموجي للإخراج: الشائع الاستخدام هو 632.8 نانومتر

واعتمادًا على ظروف التشغيل المختارة، يمكن لليزر إخراج ضوء قريب من الأشعة تحت الحمراء والأحمر والأصفر والأخضر.

(λ=3.39 ميكرومتر؛ λ=1.15 ميكرومتر)

(2) ثاني أكسيد الكربون₂الليزر

مادة العمل: خليط من ثاني أكسيد الكربون₂هي، ن₂وغازات Xe

ينبعث الليزر من ثاني أكسيد الكربون₂ الجزيئات، بينما تساعد الغازات الأخرى في تحسين ظروف عمل الليزر، مما يعزز طاقة الخرج واستقراره وعمره الافتراضي.

الطول الموجي الناتج: λ=10.6 ميكرومتر

ليزر ثاني أكسيد الكربون CO2 هو أعلى خرج طاقة الليزر الغازيبقدرة خرج مستمر تبلغ 50 كيلو واط؛ وخرج نبضي يبلغ 1012 واط.

(3) ليزر الأرغون الأيوني (3)

ليزر الأرغون/كريبتون أيون ليزر، ليزر الأرغون/كريبتون أيون ليزر ستابليت 2017

الطول الموجي للإخراج:

• λ = 488 نانومتر؛ λ
• λ = 514.5 نانومتر ；

أعلى طاقة خرج في منطقة الضوء المرئي

تتراوح طاقة الخرج من بضع واط إلى بضع مئات من الواط.

3. ليزر الهيليوم والكادميوم

وباستخدام بخار معدن الكادميوم كمادة باعثة، فإنه يحتوي بشكل أساسي على خطين طيفيين مستمرين، وهما الأشعة فوق البنفسجية بطول موجي 325 نانومتر والضوء الأزرق 441.6 نانومتر. تبلغ طاقة الخرج النموذجية 1 ~ 25 ميجاوات و1 ~ 100 ميجاوات على التوالي. تشمل مجالات تطبيقه الرئيسية الطباعة بالحروف، وعد خلايا الدم، وفحص رقاقة الدائرة المتكاملة، وتجارب التألق المستحث بالليزر، إلخ.

(1). ليزر بخار النحاس النحاسي

وعادةً ما يتم تحفيزه من خلال تصادم الإلكترونات، والخطان الطيفيان الرئيسيان العاملان هما الضوء الأخضر عند الطول الموجي 510.5 نانومتر والضوء الأصفر عند 578.2 نانومتر. وبعرض نبض نموذجي يتراوح من 10 إلى 50 نانوثانية، يمكن أن يصل تردد التكرار إلى 100 كيلو هرتز. عند المستوى الحالي، تبلغ طاقة النبضة الواحدة حوالي 1 ميجا جول. وهذا يعني أن متوسط الطاقة يمكن أن يصل إلى 100 واط، في حين أن طاقة الذروة يمكن أن ترتفع إلى 100 كيلوواط.

(2). ليزر النيتروجين الجزيئي

يُخرج إثارة التفريغ النبضي ضوءًا خارجيًا بنفسجيًا بنفسجيًا، مع طاقة ذروة تصل إلى عشرات الميجاوات، وعرض النبضة أقل من 10 نانوثانية، وتردد التكرار من عشرات الهرتز إلى آلاف الهرتزات. يُستخدم في المقام الأول كمصدر ضخ لليزر الصبغي، ويمكن استخدامه أيضًا في التحليل الطيفي والكشف والطب والكيمياء الضوئية. الأطوال الموجية الشائعة: 337.1 نانومتر، 357.7 نانومتر.

3. ليزر أشباه الموصلات

مصنوعة من مواد شبه موصلة من مكونات مختلفة.

الليزر مع المنطقة النشطة ومنطقة القيد.

الخصائص: أصغر حجمًا، وأخف وزنًا، وعمر خدمة طويل، ووقت استخدام فعال يتجاوز 100,000 ساعة.

نطاق الطول الموجي الناتج: الأشعة فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء

طاقة الخرج: ميجاوات، واط، واط، كيلوواط.

مخطط تخطيطي لليزر أشباه الموصلات DFB

مخطط تخطيطي لليزر أشباه الموصلات DBR

ليزر الباعث السطحي التجويفي العمودي (VCSEL)

الليزرات المتتالية الكمية، QCLs

نوع جديد من أجهزة أشباه الموصلات أحادية القطب تعتمد على مبدأ انتقال الإلكترونات بين النطاقات الفرعية في الآبار الكمومية لأشباه الموصلات والنفق الرنيني بمساعدة الفون.

الألياف المقترنة (حزمة ضفيرة)

أجهزة أشباه الموصلات الليزرية

الليزر أحادي الانبعاث الليفي المقترن بالألياف من نوع ProLite

رابعا. تطبيقات الليزر

1. التطبيقات الصناعية

• القياس الدقيق (المسافة، الإزاحة)
• المعالجة بالليزر (القطع واللحام والحفر والحفر والنقش)
• التحليل الطيفي

2. التطبيقات الطبية

• طب العيون
• الجراحة العامة
• طب الأسنان
• طب الأمراض الجلدية

3. التطبيقات العسكرية

• تحديد المدى بالليزر
• الاستطلاع بالليزر
• اتصالات الليزر في الغلاف الجوي
• التوجيه بالليزر
• أسلحة الليزر

4. التطبيقات اليومية

• طابعات الليزر
• محركات الأقراص الضوئية للكمبيوتر
• الماسحات الضوئية للرموز الشريطية
• مكافحة التزييف والتزوير بالليزر
• مصابيح ليزر نيون مضيئة

5. التطبيقات في مجال الاتصالات

• اتصالات الليزر الفضائية
• اتصالات الألياف الضوئية

V. آليات الأضرار الناجمة عن أسلحة الليزر

1. تأثير الاستئصال - ارتفاع درجة الحرارة المحلية

2. تأثير الموجة الصدمية

3. التأثير الإشعاعي - المجال الكهرومغناطيسي القوي

سادسًا. مزايا أسلحة الليزر

1. لا حاجة للحساب الباليستي

2. لا ارتداد

3. تشغيل سهل ومرن ومتعدد الاستخدامات

4. لا يوجد تلوث إشعاعي، نسبة عالية من الفعالية من حيث التكلفة

جميع الليزرات المستخدمة في الاتصالات البصرية تقريبًا هي ليزرات أشباه موصلات، مع وجود عدد قليل فقط من أنظمة CATV التي تستخدم ليزرات الحالة الصلبة ذات الضخ النانومتري 1310 نانومتر أو 1550 نانومتر LD.

الليزر المستخدم في الاتصالات نوعان أساسيان: مصادر ضوء المضخة المستخدمة في مضخمات الألياف الضوئية ومصادر ضوء الإشارة المستخدمة في أجهزة الإرسال.

يتوفر الليزر المستخدم في اتصالات بصريات الفضاء الحر (FSO) في نوعين: 850 نانومتر و1550 نانومتر.

سابعاً. تحديد المدى بالليزر

الاستفادة من أحادية اللون والتماسك القوي والتوجيهية القوية لليزر لتحقيق قياسات وفحوصات عالية الدقة، مثل قياس الطول والمسافة والسرعة والزوايا.

ثامناً. اللحام بالليزر

تاسعًا. النماذج الأولية السريعة بالليزر

X. النقش بالليزر

حادي عشر. الاندماج النووي الليزري

ثاني عشر. العلاج الطبي بالليزر

ثالث عشر. الاتصال بالليزر

وبما أن تردد الموجات الضوئية أعلى بعدة مرات من تردد موجات الراديو، فإن الألياف الضوئية الرفيعة جدًا يمكن أن تحمل كمية من المعلومات تعادل ما يمكن أن يحمله كابل بهذا السمك في الصورة.

رابع عشر. أسلحة الليزر

خامس عشر. عرض الليزر