المبدأ الأول من الليزر ، الذي الفيزياءبناءً على قانون إشعاع بلانك ، تم إثباته نظريًا بواسطة آينشتاين عام 1917. ووصف الامتصاص والإشعاع الكهرومغناطيسي العفوي والمحفز باستخدام معاملات الاحتمال (معاملات آينشتاين).
كان ثيودور ميمان أول من عرضمبدأ تشغيل ليزر روبي يعتمد على الضخ البصري باستخدام مصباح فلاش من روبي صناعي ينتج إشعاعًا متماسكًا نابضًا بطول موجة يبلغ 694 نانومتر.
في عام 1960 ، أنشأ العلماء الإيرانيون Javan و Bennett أول مولد لكمية الغاز باستخدام مزيج من غازات He و Ne بنسبة 1:10.
في عام 1962 ، ر. ن.أظهر هول أول ليزر ديود من زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ينبعث من طول موجة 850 نانومتر. في وقت لاحق من ذلك العام ، طور نيك جولونياك أول مولد الضوء المرئي الكم شبه الموصل.
كل نظام ليزر يتكون من نشطوسيط يتم وضعه بين زوج من المرايا المتوازية بصريًا والانعكاس للغاية ، أحدهما شفاف ومصدر للطاقة لضخه. يمكن أن يكون وسط التضخيم صلبًا أو سائلاً أو غازًا ، له خاصية تضخيم سعة موجة الضوء التي تمر عبره عن طريق الانبعاث المحفز بواسطة الضخ الكهربائي أو البصري. يتم وضع المادة بين زوج من المرايا بطريقة تمر عبرها الضوء المنعكس فيها في كل مرة ، وبعد تحقيق تضخيم كبير ، تخترق مرآة شفافة.
دعونا نفكر في مبدأ تشغيل الليزر بوسيط نشط ، ذراته لها مستويان فقط من الطاقة: E متحمس2 والأساسي E1. إذا كانت الذرات التي تستخدم أي آلية ضخ (بصري ، أو تفريغ كهربائي ، أو إرسال تيار ، أو قصف إلكتروني) متحمسة للحالة E2، ثم بعد بضع ثوان نانوية سيعودون إلى موقعهم الرئيسي ، وينبعثون فوتونات الطاقة hν = E2 - هاء1. وفقًا لنظرية أينشتاين ، يتم إنتاج الانبعاثبطريقتين مختلفتين: إما أن يكون بفعل الفوتون ، أو يحدث بشكل عفوي. في الحالة الأولى ، يحدث انبعاث محفز ، وفي الحالة الثانية ، انبعاث تلقائي. في التوازن الحراري ، يكون احتمال الانبعاث المحفز أقل بكثير من العفوي (1:1033) ، لذلك ، فإن معظم مصادر الضوء التقليدية غير متماسكة ، ويمكن توليد الليزر تحت ظروف أخرى غير التوازن الحراري.
حتى مع الضخ القوي جدا ، السكانيمكن جعل الأنظمة ذات المستويين متساوية فقط. لذلك ، لتحقيق تجمع عكسي بواسطة طرق الضخ البصري أو غيرها ، هناك حاجة إلى أنظمة من ثلاثة أو أربعة مستويات.
ما هو مبدأ تشغيل ليزر ثلاثي المستويات؟ تشعيع الضوء الشديد للتردد ν02 يضخ عددًا كبيرًا من الذرات من أدنى مستوى للطاقة E0 إلى الأعلى E2. الانتقال غير الإشعاعي للذرات مع E2 إصبع قدم1 يحدد الانعكاس السكاني بين E1 و E0، وهو أمر ممكن عمليًا فقط عندما تكون الذرات في حالة عدم الاستقرار E لفترة طويلة1, والانتقال من E2 إصبع قدم1 الذهاب بسرعة. مبدأ تشغيل ليزر ثلاثي المستويات هو استيفاء هذه الشروط ، التي بسببها بين E0 و E1 يتم تحقيق انعكاس التعداد السكاني وتضخيم الفوتونات بالطاقة E1-E0 الإشعاع المستحث. المستوى الأوسع E2 يمكن أن يزيد من مدى الامتصاص من الأطوال الموجية من أجل ضخ أكثر كفاءة ، مما يؤدي إلى زيادة في الانبعاثات المحرضة.
يتطلب نظام ثلاث طبقات عالية جداقوة الضخ ، لأن المستوى الأدنى المتضمن في التوليد هو القاعدة. في هذه الحالة ، من أجل عكس السكان ، إلى الدولة E1 يجب ضخ أكثر من نصف الإجماليعدد الذرات. في هذه الحالة ، يتم إهدار الطاقة. يمكن تقليل طاقة المضخة بشكل كبير إذا لم يكن مستوى التوليد الأدنى أساسيًا ، الأمر الذي يتطلب على الأقل نظامًا من أربعة مستويات.
اعتمادا على طبيعة المادة الفعالة ،تنقسم أشعة الليزر إلى ثلاث فئات رئيسية هي ، الصلبة والسائلة والغازية. منذ عام 1958 ، عندما لوحظ توليد الكريستال الياقوتي لأول مرة ، درس العلماء والباحثون مجموعة واسعة من المواد في كل فئة.
يعتمد مبدأ التشغيل على استخدام وسيط نشط ، والذي يتكون عن طريق إضافة فلز مجموعة انتقالية (Ti إلى الشبكة البلورية العازلة+3سجل تجاري+3، في+2، شارك+2ني+2، Fe+2، وما إلى ذلك) ، أيونات الأرض النادرة (Ce+3، PR+3، بدون تاريخ+3، مساءً+3، سم+2الاتحاد الأوروبي+ 2 ، + 3السل+3دى+3هو+3، إيه+3Yb+3، وما إلى ذلك) ، والأكتينيدات مثل U+3. مستويات الطاقة من الأيونات هي المسؤولة فقطتوليد. تعتبر الخواص الفيزيائية للمادة الأساسية ، مثل الموصلية الحرارية والتمدد الحراري ، مهمة للتشغيل الفعال لليزر. إن ترتيب ذرات الشبكة حول أيون مخدر يغير مستويات طاقته. يتم تحقيق أطوال موجية مختلفة من التوليد في الوسط النشط عن طريق تناول مواد مختلفة بنفس الأيونات.
مثال على ليزر الحالة الصلبة هو الكممولد يستبدل فيه هولميوم ذرة المادة الأساسية للشبكة البلورية. Ho: YAG هي واحدة من أفضل مواد الجيل. مبدأ تشغيل ليزر هولميوم هو أن عقيق الألومنيوم الإيتريوم مخدر بأيونات هولميوم ، يتم ضخه بصريًا بواسطة مصباح فلاش وينبعث على طول موجة 2097 نانومتر في نطاق الأشعة تحت الحمراء ، والذي يمتص جيدًا بواسطة الأنسجة. يستخدم هذا الليزر في عمليات المفاصل ، في علاج الأسنان ، لتبخر الخلايا السرطانية والكلى وحصوات المرارة.
ليزر الكم الكمّي غير مكلفالإنتاج الضخم وسهل النطاق. يعتمد مبدأ تشغيل ليزر أشباه الموصلات على استخدام الصمام الثنائي مع تقاطع pn ، والذي ينتج ضوءًا لطول موجة معين عن طريق إعادة تركيب الموجة الحاملة عند انحياز إيجابي ، مثل مصابيح LED. تنبعث مؤشرات LED تلقائيًا ، وثنائيات الليزر - بقوة. لتحقيق شرط انعكاس المحتوى ، يجب أن يتجاوز تيار التشغيل قيمة العتبة. يحتوي الوسط النشط في الصمام الثنائي شبه الموصل على شكل منطقة ربط من طبقتين ثنائي الأبعاد.
مبدأ تشغيل الليزر من هذا النوع هو ذلكليس هناك حاجة إلى مرآة خارجية للحفاظ على التذبذب. إن الانعكاسية الناتجة عن معامل الانكسار للطبقات والانعكاس الداخلي للوسط النشط كافية لهذا الغرض. يتم تقطيع الأسطح الطرفية للثنائيات ، مما يضمن موازاة الأسطح العاكسة.
يسمى المركب المكون من مواد أشباه الموصلات من نفس النوع بالوصلات المتجانسة ، ويتم إنشاؤه بواسطة اتصال مكونين مختلفين من الوصلات المتغايرة.
تشكل أشباه الموصلات من النوع p و n بكثافة حاملة عالية تقاطع pn مع طبقة مستنفدة رقيقة جدًا (μ1 μm).
مبدأ التشغيل واستخدام الليزر هذايسمح لك النوع بإنشاء أجهزة من أي طاقة تقريبًا (من الواط إلى الميجاوات) وأطوال الموجات (من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء) ويسمح لك بالعمل في أوضاع نابضة ومستمرة. استنادًا إلى طبيعة الوسائط النشطة ، يتم تمييز ثلاثة أنواع من مولدات الكم الغازية ، وهي الذرية والأيونية والجزيئية.
يتم ضخ معظم ليزر الغازالتفريغ الكهربائي. يتم تسريع الإلكترونات في أنبوب التفريغ بواسطة المجال الكهربائي بين الأقطاب. تتصادم مع ذرات أو أيونات أو جزيئات الوسط النشط وتحفز الانتقال إلى مستويات طاقة أعلى لتحقيق حالة الانقلاب السكاني والانبعاث المحفز.
ويستند مبدأ عملية الليزر على حقيقة أنه فيعلى عكس الذرات والأيونات المعزولة ، في المولدات الكمية الذرية والأيونية ، تمتلك الجزيئات مناطق طاقة واسعة من مستويات الطاقة المنفصلة. علاوة على ذلك ، يحتوي كل مستوى للطاقة الإلكترونية على عدد كبير من مستويات الاهتزاز ، وهذه بدورها بدورها إلى حد ما دورانية.
الطاقة بين الطاقة الإلكترونيةتكون المستويات في الأشعة فوق البنفسجية والمناطق المرئية من الطيف ، بينما بين مستويات الاهتزاز - الدوران - في مناطق الأشعة تحت الحمراء البعيدة والقريبة. وبالتالي ، فإن معظم مولدات الكم الجزيئية تعمل في مناطق الأشعة تحت الحمراء البعيدة أو القريبة.
المكثفات هي جزيئات مثلArF ، KrF ، XeCl ، التي لها حالة أرضية مقسمة ومستقرة في المستوى الأول. مبدأ تشغيل الليزر على النحو التالي. كقاعدة عامة ، في الحالة الأرضية ، يكون عدد الجزيئات صغيرًا ، لذا لا يمكن الضخ المباشر من الحالة الأرضية. تتشكل الجزيئات في أول حالة إلكترونية متحمسة من خلال الجمع بين هاليدات عالية الطاقة والغازات الخاملة. يمكن تحقيق تعداد الانقلاب بسهولة ، لأن عدد الجزيئات في المستوى الأساسي صغير جدًا مقارنة بالجزيء المتحمس. وباختصار ، يتألف مبدأ تشغيل الليزر من الانتقال من حالة إلكترونية متحمسة ملزمة إلى حالة أرضية انفصالية. يظل السكان في الحالة الأرضية دائمًا عند مستوى منخفض ، لأن الجزيئات في هذه المرحلة تنفصل إلى ذرات.
يتكون جهاز ومبدأ تشغيل الليزر من حقيقة أن أنبوب التفريغ مملوء بمزيج من هاليد (F2) والغاز الأرضي النادر (Ar). تتحلل الإلكترونات الموجودة فيه وتؤين جزيئات الهاليد وتخلق أيونات سالبة الشحنة. أيونات إيجابية+ و سلبي و- تتفاعل وتنتج جزيئات ARF في البدايةمتحمس حالة متحولة مع انتقالها اللاحق إلى حالة قاعدة طاردة وتوليد إشعاع متماسك. يمكن استخدام ليزر إكسيمر ، مبدأ التشغيل والتطبيق الذي نفكر فيه الآن ، لضخ الوسط النشط على الأصباغ.
بالمقارنة مع المواد الصلبة والسوائلأكثر تجانسا ، ولها كثافة أعلى من الذرات النشطة ، مقارنة بالغازات. بالإضافة إلى ذلك ، ليس من الصعب تصنيعها ، مما يجعل من السهل إزالة الحرارة ويمكن استبدالها بسهولة. مبدأ تشغيل الليزر هو استخدام الأصباغ العضوية كوسيط نشط ، مثل DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyr-4H-pyran) ، الرودامين ، الستايرين ، LDS ، الكومارين ، stilbene ، إلخ. مذاب في مذيب مناسب. يتم تحفيز محل جزيئات الصبغة بالإشعاع الذي طوله الموجي لديه معامل امتصاص جيد. وباختصار ، فإن مبدأ الليزر هو توليد طول موجي أطول يسمى الفلورة. يتم استخدام الفرق بين الطاقة الممتصة والفوتونات المنبعثة من خلال تحويلات الطاقة غير الإشعاعية وتسخين النظام.
شريط مضان سائل أوسعتتميز مولدات الكم بميزة فريدة - ضبط الطول الموجي. لقد أصبح مبدأ التشغيل واستخدام هذا النوع من الليزر كمصدر ضوء قابل للانضباط ومتماسك مهمًا بشكل متزايد في التحليل الطيفي ، والمجسم ، وفي التطبيقات الطبية الحيوية.
في الآونة الأخيرة ، تم استخدام مولدات كمية الصبغ لفصل النظائر. في هذه الحالة ، يثير الليزر انتقائيًا واحدًا منهم ، مما يدفعهم إلى الدخول في تفاعل كيميائي.
