الرئيسية
السلام عليكم هذا بحث عن طريقة عمل الليزر يفضل متابعة الموضوع من هذا الرابط لكي تكتمل جميع الصور
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]
كيف يعمل الليزر؟؟
في هذا الفصل
تعلمينا قواعد الفيزياء والبصريات التي توضح لنا كيف يعمل الليزر في الفصل السابق .
وفي هذا الفصل سوف نتعلم خبايا الليزر وكيف يتم تزويده بالطاقة وكيف ينتج
الاشعاعات ، هنا سوف نتعلم المبادئ الأساسية لتشغيل الليزر وفيما بعد سوف
نتعلم خصائص وخصوصية الليزر .
إنتاج عكسية التعداد
في الفصل السابق رأينا أنكم في حاجة إلى عكسية التعداد لعمل الليزر إذا
كان هناك اكثرية من الذرات والجزيئات في المستوى الأدني لمادة متفرقة
حرارياً قابله للأشتعال بمستوي أعلى يحدث هنا امتصاص للطاقة المنبثقة أما
إذا كان هناك الثريه من الذرات فيحدث هنا طرد للاشعاعات المنبثقة ، لأن
الانبعاث إلى المستوى الأدني فيحدث هنا طرد للاشعاعات المنبعثة ، لأن
الانبعاث يكون أكثر من الامتصاص , لذلك يكون فوتون ذو طاقه انتقالية محتمل
يواجه حالة محفزه وانبعاث مثار قبل أن يتم امتصاصه الذرات والجزيئات عندها
عده مستويات طاقه محتملة يحدث فيها مثل هذا ولكنك في حوجه إلى عكسية
التعداد في انتقالية واحده لعلم الليزر .
هناك طريقتين اساسيتين لإنتاج الليزر مثل عكسية التعداد وحوجتنا إليها أكثر في إثارة الذرات أو الجزئيات إلى حالة أعلى .
على كل حال يمكن أيضاً اخلأ المستوى الأدني او اختيار النظام عندما يكون المستوي الأدني غير ثابت أو غير مستقر .
لذا هنالك أعداد قليلة من الذرات في المستوى الدني ، لكي يعمل الليزر
بصورة مستمرة ، نجد أن هنالك أهمية لعدد الذرات في المستوى الأعلى والأدني
، لأن تراكمها يعمل على إنهاء عكسية التعداد وبالتالي إيقاف عمل الليزر .
ميكانيكية التحفيز :-
الطريقة المثلى لانتاج عكسية التعداد هي تزايد الذرات والجزيئات بالطاقة
وحثها للانتقال بمستوى اعلى . على كل حال أن تزويد هذه الذرات بالطاقة
بواسطة تسخين المواد ليس كافياً بقدر ما تبقى المواد في ديناميكا حرارة
ذات اتزان نجد بمجرد تسخينها تزداد عدد الذرات في المستوى الأدني . وتكون
النسبة للذرات في مستوى الطاقة ( 1 ) إلى مستوى الطاقة ( 2 ) في درجة
الحرارة T كالتالي :-
N2/N1 = exp [ - ( E2 - E1 ) / KT ]
N1 و N2 هما عدد الذرات في مستوى الطاقة E1 و E2 ، و K هو ثابت بولتزمان (
1.38054 x 10-23 جول لكل درجة كالفن ) طالما E1 يكون الناتج دائماً
بالساين . تسحين المادة يعمل على زيادة متوسط الطاقة ولكنه لا يجعل N2
أكبر من N1 لإنتاج عكسية التعداد يجي تحضير الذرات والجزيئات بانتقالية في
مستوى طاقة معين . وهذا يتطلب بعض البراعة كما سوف ترى فيما بعد . على كل
حال فإن الطريقة يجعل درجة الحرارة سالبه .
تحضير الليزر بواسطة الضوء والكهرباء تقنياً هما الأكثر انتشاراً , وهما
يعملان بطريقة غير مباشرة بتحضير الذرات للمستوى الأعلى والتي منها تسقط
إلى مستوى الليزر الأعلى ، أو ربما تقوم بإثارة ذرات أخرى التي تنقل
الطاقة إلى باعثي الضوء الذري أو الجزئ ، كما سنرى فيما بعد ، أكثر الطرق
الرنانة تقصيراً غالباً ما تنتج ليزر أفضل .
حالات شبه مستقرة ومدى فتراتها في البقاء :-
تقنيات التحضير هذه تعمل فقط عندما تكون الذرات والجزئيات في وضع صحيح من
مستويات الطاقة وعادة تكون حالة حدوث التحضير هذه في جزء من المليون في
الثانية وتحدث بانبعاث تلقائي . حالات التحضير ذات العمر القصير ليست
كافية لتحفيز الطاقة وأكثرها ينتج عن انبعاث تلقائي .
مثل هذه الحالات تسمى شبه مستقرة لأنها عادة تكون غير ثابتة في الجدول
الذري ، وتبقي على حالتها هذه جزء من الألف في الثانية او ما يكرو ثانية .
وهي مهمة جداً في فيزياء الليزر لأنها تنتج نوع افضل من أنواع الليزر
وتبقي الذرات والجزئيات لفترة كافية في وضع تحفيز تثعيه ثابت لإنتاج كميات
من انبعاثات مثاره .
على أكثر القواعد الكمية ، يتجلى عمل الليزر بناء التعداد في مستوى الليزر
العالي يكون هذا ممكناً إذا تم إنتاج الليزر بصورة أسرع من انحلاله . لذا
فوق المستوى الأعلى للتعداد المستوى الأدني تحافظ الذرات او الجزئيات على
أطوال فترات الليزر الانبعاثية التلقائية ومعدل الإنحلال المنخفض والأسهل
للحصول على التعداد العكسي ومخرجات الليزر .
نبضات كهربائية ونظامين مسطحين :-
عملية تشغيل الليزر مجهده إذا ما نظرنا لبعض الأمثلة كما ذكرنا آنفاً أن
تشالز تونيز ضع أول نبضات كهربائية من جامعة كولمبيا قبل عدة سنوات من صنع
أول ليزر تتطلب النبضات الكهربائية عكسية التعداد المتبعة في عمل الليزر ،
على كلٍ اعتمد توتر على الخدعة غير المعتادة ، بدأ تونز باشعاع جزئيات
الامونيا التي تحتوى على جزئيات في حالة مثارة وغير مثارة لأن آخر عينة له
احتوت من جزيئات مثارة وكان عنده عكسية التعداد وكان باستطاعته كشف عمل
النبضات الكهربائية.
لم تدم الخدعة طويلاً قبل أن يكتشف العلماء طرق أخرى لصناعة النبضات
الكهربائية ، لعبت قواعدها الهامة في تطوير النبضات الكهربائية وتطوير
الليزر بواسطة تحسين عكسية التعداد التي انتجت فيما شك فيه العلماء
الفيزيائون .
ليزرات مستوى ثالث أو رابع :-
تتركب نبضات الأمونيا الكهربائية الأولى لتوتر من مستوين للطاقة تتطلب
أنظمة الليزر العملية ثلاث أو أربع مستويات للطاقة معتمدة على كيفية تحويل
الطاقة.
النوع الأبسط لتركيب مستوى الطاقة هو مستوى الليزر الثالث كما في الشكل [ 1-3 ]
للتبسيط نفترض ان كل الذرات تبدأ من الحالة الطبيعية والتي تكون في
المستوى الأدني لليزر والتي تثار إلى مستوى طاقة عالي قصير الأجل ثم تسقط
بسرعة إلى مستوى أدني غير ثابت والذي يبقي فيه لفترة أطول . وهنا تتجمع
منتجة عكسية التعداد بين الحالة غير الثابتة والحالة الطبيعية الخاملة
والتي تكون فيها المستويات الدنيا والعليا لليزر مأخوذة في الاعتبار لأن
عكسية التعداد تعني أن اكثر الذرات تكون مفيدة في الحالة العليا للانبعاث
المحفز أكثر منه في المستوى الأدنى للامتصاص يسيطر الانبعاث المحفز على
إرسال الليرز .
يا قوت ميمنز هو ياقوت مهم لمشروع المستويات الثلاث بالرغم من أن النظام
يعمل لكنه غير مثالي وهنالك مشكلة واحدة و هي في الحالة الطبيعة وأيضاً في
المستوى المنخفض لليزر ، معظم الذرات يجي أن تثار لمستوى الليزر العلى لكى
ينتج عكسية التعداد .
هذه هي متطبعات الطاقة المحفزة لكثافة والتي استخدمها ميمنز في المصباح
المضئ عكسية التعداد صعبه التحمل لذا مستويات أربعة مستويات من الطاقة على
الأقل كما عرض في الشكل [ 2-3 ]
كم في المستوى الليزر الثالث ، ترفع الطاقة المثارة الذرة او الجزئ من
الحالة الطبيعية إلى مستوي عالى قصير الأجل يسقط الذره او الجزئ بسرعة في
مستوى الليزر الأعلى غير المستقر يأخذ انتقال أو أرسال الليزر الذرات أو
الجزئيات إلى الحالة المنخفضة التي تكون في الحالة الطبيعية أعلاه . تفقد
الذرات او الجزيئات بقية طاقتها الزائدة بواسطة الانبعاث التلقائي أو
عمليات أخرى و تسقط إلى الحالة الطبيعية . الاختلاف الرئيسي هو ان المستوى
الأدني لا يكون فى الحالة الطبيعية ، لماذا يكون هذا مهماً لأن من الطبيعي
معظم الذارات او الجزئيات تكون في الحالة الطبيعية .
إذا كانت الحالة الطبيعية هي حالة مستوى الليزر الأدني تكون الطريقة
الوحيدة لأنتاج عكسية الليزر هي إثارة معظم الذرات أو الجزئيات إلى
المستوى الأعلى وهذه هي متطلبات الطاقة الزائدة المكثفة استخدم مصباح
ميمنز المضئ لإثارة الليزر الياقوتي .
نفترض أن 1% تكون هناك إعداد قليلة من الذرات أو الجزئيات في مستوى الليزر
المنخفض يمكن إنتاج عكسية التعداد بواسطة الإثارة بنسبة 2% فقط من الذارات
إلى مستوى الليزر الأعلى ذلك أكثر سهولة من ثارة نصف الذرات من حالتها
الطبيعية .
إنفصال مستوى الليزر الأدني من الحالة الطبيعية يجلب فائدة أكثر ، حيث
تسقط الذرات اوالجزئيات في مستوى الليزر تلقائياً من مستويات الليزر
الأدني إلى الحالة الطبيعية . إذاً عند مستوى الليزر الأدني ذو الأجل
الأقصر من المستوى الأعلى هذا النضوب الثاني يساعد تحمل عكسية التعداد
بواسطة تحاشي تجميع الذرات او الجزئيات في المستوى الأدني ، هذا الليزر
ينتج شعاع مستمر غالباً يسمى بإصدار الموجة الـمستمرة نلاحظ أن المستوى
الأدني ذو الحياة الأطول من اللازم تتجمع هناك ، أخيراً ينهون عكسية
التعداد وإيقاف إصدار الليزر هذا يحدث في ليزرات قليلة ، المحدودة بواسطة
نبض العملية .
إذا أمعنت النظر في عملية الليزرات الحقيقية الموصوفة في الفصول السابقة ،
سنرى أن تركيبات مستوى الطاقة الفعلية أكثر تقصيراً . الإثارة لم تكن
دائماً هي الوحيدة المستوى العام ربما قد تكون في مجموعة مستويات التي
تحلل إلى مستوى الليزر الأعلى نفسه . حقاً غنها أخبار ساره لأنها تسمح
بالإثارة لمعدل الطاقة التي ترفع الذرة إلى حاله منفردة والصورة السابقة
لمستوى الطاقة سوف تكون اكثر تقصيراً وخاصة إخلاء التعداد من مستوى الليزر
الأدني ذو اهمية . مستويات الليزر العليا والدنيا ستكون من الحالة
الطبيعية المشار إليها في الرسم [ 2-3 ] والتي تجعله سهلاً .
لمراقبة تعدادهم لكن التجديدات تتجاوز عملية الاكتفاء الفعلي وأيضاً نعتبر
فقط المستويين الأعلى والدني الفرديين هنالك مستويات كثيرة في معظم
الليزرات مثال لذلك ربما يكون هناك مستويين عاليين بطاقات مختلفة كلاهما
يؤدي إلى الآخر أو إلى مستويات ادني منها هذه يمكن أن تنتج تحويلات متعددة
وفي عدة ليزرات أخرى تكون ممكنة مثال أننا احياناً نعتقد أن ليزر النيون
هيليوم كانه ينبعث فقط بلون أحمر فردي لكن البصريات المناسبة يمكن ان
تنبعث بالأشعة تحت الحمراء على اطوال موجات الخضراء والصفراء والبرتقالية
وليزرات اخرى مثل ثاني أكسيد الكربون يمكنها ان تشغل في آن واحد على
العديد من أطوال الموجات لأن امستويات العليا والدنيا قسمت لعده مستويات
فرعية .
هناك حقيقة هامة هي أن لوسائل النشطة العملية الليزرات تحتوى على اكثر من
نوع الذرات والجزئيات ربما تنزع احد الأنواع الطاقة المثارة كالعادة ثم
تنتقل الطاقه إلى انواع أخرى لإنتاج عكسية التعداد وعمل الليزر . مثال
لذلك ليزر الينوم – هليليوم حينما ينتزع ذره الهيليوم الطاقه من
الالكترونات من الغاز وثم تنتقل الطاقه إلى ذرات النيون مولده بذلك عكسية
التعداد . في بعض الليزارت أو ربما يضاف غاز آخر لاخلاء المستوى الأدني
لليزر في حالة الليزرات الصلبة تثبت الذره الباعثة للضوء عادة في البلوربة
والتي تنتج ضوئاً .
النبضات الكهربائية والليزرات الطبيعية :-
السبب الرئيسي خلال أكثر من أربعة عقود بين تنبوء اينشتاين للانبعاث
المثار وعمل او ليز كان هو اعتقاد الفزيائيين بأنه من الصعب عمل عكسية
التعداد لم يدركوا على ما يبدو أن المسألة ما هي الا توازن حراري سيخريه
فقط بعد أن بدأ الناس في عمل النبضات الكهربائية والليزرات الأخرى الذي
اكتشف النبضات الطبيعية في الفضاء الخارجي . أصبح تشالريز تونز القائد في
جامعة كالفورنيا في تدريس النبضات الكهربائية الكونية .
النبضات الكهربائية الطبيعية عبارة عن سحي من الغاز التي تكون بالقرب من
النجوم الملتهبة . يثير ضوء النجوم جزئيات الغاز لمستويات طاقة عليا ،
وتسقط الجزئيات إلى مستوى طاقة غير مستقر إذا كان مستوى الليزر الأدنى
مستقر يمكنه أن ينتج عكسية التعداد وعمل الليزر يعتقد بعض العلماء أن حصول
عمليات مشابهه في غلاف كوكب المريخ التي تولد الأشعة تحت الحمراء في
الأطوال الموجيه نفسها مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون الصناعي .
تنتج النبضات الكهربائية الكونية انبعاثات مثارة بنفس الطريقة الصناعية
لعمل النبضات الكهربائية والليزر ولكن هنالك اختلاف في عدة طرق مهمة
بالرغم من أنها تشع كميات هائلة من الطاقة ، إلا أن النبضات الكهربائية
الكونية لا تنتج أشعة أنها تبدو بدون أي أدوات خاصة كسحي من الغاز . كما
اعتقده الفلكيون الأوائل . لم يكتشف الفلكيون طبيعتها الخاصة إلا بعد أن
حللوا الضوء الصادر من السحي الغازيه . تبعث النبضات الكهربائية الكونية
بقوة في أطوال الموجيه المشتعلة من جزئيات محددة مثل أول أكسيد الكربون .
يبعث غاز حار طيفا مستمراً واسعاً مثل انبعاث الضوء الأبيض من المصباح .
التجويف المرنات
لا تؤخذ كل عكسية التعداد لتشغيل الليزر يحدث هناك انفجار الفقاقيع في غاز
حار مع معكوس التعداد ، فينبعث الضوء في كل اتجاه . مثل المضخات الكويبة
الكونية ربما يكون للضوء انبعاث مثار ويكون طوله الموجي منفرد ولكن لا
يوصل باشعة الليزر إذا أحست الميثا بالطول الموجي الصحيح ، فذلك الانبعاث
المحفز يشبه الضوء الملوث المألوف ان استخلاص الطاقة بكفاءة من الوسط
بعكسيه التعداد ويجعل شعاع الليزر . أنك تحتاج فجوة وكانه تساعد في انشأ
انبعاث محفز بواسطة التغذية المرجعه يعكسها في وسط الليزر لرؤية ما يحدث ،
دعنا نبدأ بالنظر إلى عملية التكبير
التكبير والربح او الكسب
الانبعاث المثار يمكنه تضحيم الضوء كما أن فوتون واحد في نفس طاقة انتقال
الليزر يمكنه ان يثير انبعاث سقوط الفوتونات الأخرى في نفس اطول الموجي .
يمكنك أن تعتقد بأن الفوتونات الأولى مثل الأشارة التي تضخم بواسطة
الانبعاث المحفز تستخدم انبعاثات الكهربائية في تكبير اشارات المايكرويف
الضعيفة وهذه العمليه مجاده لأنها تضخم سلسلة من الترددات الضعيفة مع
تجاهل الضجة الخلفية المحدثة .
الضوء المكبر بواسطة الانبعاثات المثارة للإشعاع يمكنه إنتاج شعاع قوى ..
عملية تضخيم الليزر موضحة في الشكل [ 3-3 ] يأتي الفوتون الأول من
الانبعاث التلقائي لإنتقال الليزر عندما تواجه موجه الضوء الذره في مستوى
الليزر الأعلى تثار كى تبعث ضوء و تسقط في مستوى الليزر الأدني إذا واجهت
الذره في مستوى الليزر الأدني ، يمكن أن يتم أمتصاصها . [ الانبعاث المثار
والامتصاص لا يكون أوتوماتيكياً . ولكن احتمالات مساويه إذا واجه الفوتون
الذي في حاله صحيحة ] ، بالرغم من اننا عندنا عكسيه التعداد أكثر الذرات
تكون في المستوى الأعلى لليزر أكثر منه في المستوى الأدني ويكون احتمال
انبعاث الضوء أو أكثر من احتمال أمتصاصه بعد الانبعاث المثار الأول ومثل
انبعاث الفوتون التلقائي الأساسي كل منهما احتماله أكثر في أن يواجه
الذرات في المستوى الليزر الأعلى وأكثر منه في المستوى الأدني ثم إحتماله
أكبر من إنتاج انبعاثات مثارة لذا الفوتونات يتم انتاجها بإعداد كبيرة
بواسطة الانبعاث المحفز الذي يزداد بسرعه جداً .
يقيس علماء الليزر درجة التكبير المكتسب وكمية الانبعاث المثار بالكسب
2/cm يعني أن كل فوتون يولد أكثر من فوتوتيى لكل سنتمر في حركته كسب
0.05/cm يعنى أن كل فوتون يولد متوسط
0.05 فوتون منبعث مثار لكل سنتمر في حركته
Output / input = Amplificarion = ( 1+9 ain )LENGTH
الشكل 3-3 بعث اول فوتون تلقائياص يحفز انبعاث الفوتون الآخر الذي يحفز انبعاث أكثر ألخ ...
لذلك كسب 0,05سم يرفع عامل التضخيم (1,05) إلى قوة الطول المقاس باستثمر .
مع ذلك هذا الكسب ربما يكون صغيراً ، يمكن مجموع التكبير أن يزيد بتكرار
لكل 15سم يكون التكبير 1,63 لكل 20سم يكون التكبير 2.65 ولكل 50سم يكون
التكبير 11.5.
ذلك التعبير هو من الحقيقة تقريب للناتج لدرجة التكبير السبب في ذلك هو أن
فترة الربح تعتمد على كميـة إعـداد الذرات أو الجزئيات في المتسويات
العليا والدنيا و ( أيضاً تعتمد على احتمال الانبعاث الثار وعلى بعض
العناصر التي تشمل كثافه ودرجة حرارة وسط الليزر ) .
تبقى القليل من الذرات من المستوى الأعلى لليزر لكل تحدث الكثير من
الانبعاث المثار . إعداد الذرات والجزيئات في المستوى الليزر الأعلى
يمكنها أن تحفز لتبعث ضوء ساقط وبينما الرقم في المستوى الأدني الذي يمكنه
أن يمتص الزيادة الضوئية هذا انقص معامل الربح ونبضات الليزر العديدة ،
وفي الآخر يقوم بالغاءها وإيقاف جملة الانبعاثات المثارة .
فترات الربح مفيدة في دراسة الليزرات ، ولكنها مهمة لفهم معناها
القيمة المعطاة لربح الليزر ما يسمى ربح الإشارة الصغير ، عندما تكبر
الأشارة تصبح قويه يمكن لربح الليزر أن يصل لحاله التشبع لأن الليزر يعمل
على تخفيض الانبعاث المثار في مسافة حركته خلال وسط الليزر النقطة الهامة
التي ينبغي تذكرها هي أن زيادة كمية حجم التكبير نجده مع مسافة حركته
الضوء في مادة الليزر .
هذا يزيد من الربح في نفس المسافة يساعد العنصر في نتائج الليزر
المركزة ، كما هو موضح في الشكل ( 3-4 ) إذا كان وسط الليزر هو قضيب محدد
، سوف تأتي كثير من النتائج القوية في نهايات القضيب كما في الشكل [ 3-4A]
هذه نتيجة الطول المركز حفزت الانبعاث في زاوية u التي حددت بواسطة وظيفة
ارسني :
u = arcsin ( Dn/ 2l )
عندما تكون D هي قطر القضبين ، L هي الطول ، n هي معامل افنكسار يفقد
الضوء في الخارج ، ولكن بكمية قليلة لأنه يتحرك مسافة صغيرة قبل أن يغادر
القضيب .
يمكن زيادة الربح والقدرة بوضع المرايا عند مؤخرة وسط الليزر كما في
الشكل [ 3-4 B ] هذا يقوم بعكس الضوء الواصل إلى مؤخرة القضيب إلى داخله
عملياً يقوم بزيادة طوله زاوية افنبعاث المضئ عي صغيرة لحد ما في مرايا
الليزر الوحيدة
u = arcsim ( Dn / 4L )
الشكل 3-4 يمكن لعلم الهندسة وحده تركيز الأصدارات او الانبعاثات المحفزة القضيب
بسبب المرآة :
القليل من الليزرات هي ذات ربح عالي وخصوصاً شبه الموصل وليزرات اكسمر
التي مع ذلك يمكنها ان تشغل بهذه الطريقة بعض الليزر الطهراني واتقاص في
نهاية زوج المرآة ذلك من المرنان البصرى الذي يساعد على تعريف الليزر
القياسي .
المرايات وفجوات الليزر وتذبذت :-
معظم الليزرات لها زوج من المرآة موضوع بشكل مقابل في القضيب المحدد لوسط
الليزر . المرآيات من مرنان ليزر ، فجوة أدني فكرة الذبذبة مهمة جداً
لأنها مثل الذبذبة الإلكترونية يمكنها توليد إشارات ذاتية ( من ليزر
العالم فترة التكبير لها معنى منفصل وهي وسط الليزر الذي يكبر بواسطة
الانبعاث المثار إشارات صادرة من مصدر خارجي ) لماذا يكون الضجيج ذبذبات
عندما لا يكون ضرورياً غنتاج انبعاث مثار ؟ إلسبب في ذلك يعود إلى أن معظم
مواد الليزر لها ربح منخفض ، لذا يجي عليك إمرار الضوء على طول المسافة
للحصول على تكبير أكبر نحتاج إلى معظم التكبيرات لأن الذبذبات تبدأ بقليل
من الفوتونات ولكنها تأخذ اعداد كبيرة من الفوتونات لإنتاج قدرة منظورة
يجي على ليزر الهليليوم – نيون أن يولد 3.2 x1015فوتون لبعث lMW من الضوء
الحمر لكل ثانية .
أن اكثر الطرق عملية للحصول على الضوء هي أن يمرر بليمر على طول وسط
الليزر وبوضع مرايا على نهايات مقابلة من الأنبوب أو القضيب عندما يرتد
الضوء من عداً بين المرايا يجعل العديد منها يمر خلال وسط الليزر مقدار
الانبعاث المثار يزداد عندما يمر بويط الليزر حتى يصل إلى مستوى التوازن .
هناك نقطة مهمة عن مرايا الليزر لم يتم ذكرها بعد هي أن مرايا
التجويف تعكس كل الضوء الساقط عليها ولكن البعض يعكس بعض الضوء إلى داخل
تجويف الليزر تبرز فترة سكونالشعاع كما موضح في الشكل [ 3-5 ] إذا كان ربح
قليل كما في ليزر الهيليوم – ينون يلون جزؤ من الضوء المثقل صغير جداً يصل
إلى 1% فقط ويتجه معظم الضوء الليزر إلى داخل تجويف الليزر ليقوم بتحضير
انبعاثات كثيرة .
في الحقيقة أن مرآة المخرجات تعكس بعض الضوء من الفكرات غير المفهومة
اكثر شيوعاً هي أنما مؤخرتي المرايا تعكس كل الضوء إلى داخل وسط الليزر ثم
نيكسر الضوء خلال مرآة واحدة ويبرز كالشعاع هذه ليست القضية مخرجات المرآة
تنقل جزء من الضوء الثابت [ الذى ينبثق كالشعاع ] ويعكس السكون ثانية في
وسط الليزر .
انعكاسية ث مخرجات المرآة هي ثابتة انتقادية التي يعتمد اختيارها على
ربح وسط الليزر والخاسرة خلال فجوة الليزر عندما يكون تشغيل الليزر ثابت
او موجاته مستمرة يجي على التكبير في الرحلة المستديرة ان يساوى مجموع
القوة المفقودة من التجويف .
Amplifi Cation = Loss + output Power
يجب ان يبقي المفقود في ليزر التجويف بأقل ما يمكن إذا كان الربح
قليل ، ولكنها لا يمكن أن تخفض إلى الصفر ليس هناك مرايا لا تستطيع أن
تعكس القوتون الذي يصل إلى سطحها نمتص مادة ليزر التجويف بعض الضوء نفترض
مثلاً أن الضوء المكبر بنسبة 5% يعمل رحله مستديرة في تجويف الليزر ذلك أن
1% تمتص بواسطة غاز الليزر ثم يمكن أن يبرز 2% من طاقة الليزر في مخرجات
الشعاع .
E هذا المثال يتضمن قدرة عالية لليزر داخل التجويف اكثر من خارجها
أفترض أن مخرجات المرآة تعكس 98% من الضوء العائد إلى الفجوة وتنقد 2% فقط
مفقودات متجاهله ثم القدرة المردوده تمثل 2% من الطاقة داخل التجويف . إذا
الشعاع المردود هو lmw تكون قدرة السعة 50mw تباين النقصان مثل زيادة
انتقال مردود المرآة ونفس المقدار تعكس الضوء العائد إلى داخل التجويف
الطاقة داخل التجويف ستكون أعلى من الشعاع المنبثق من الليزر .
الشكل 3-5 نمو الانبعاثات المحفزة في تجويف مرنان الليزر
المرنان :-
هنا كبعض التضحنميات الدقيقة لذبذبة تردد الموجات الحقيقة العائدة
والصاعدة بين المرآتين في تجويف الليزر احداهما تسمى المرنان وتعتمد طول
الموجة الانبعاث المثار وطول تجويف الليزر لفهم طبيعة المرنان نحتاج
للرجوع إلى صورة موجة الضوءتي الشكل [ 3-6 ] نقول ان موجات الضوء كبيرة
مقارنة مع ول تجويف الليزر [ هذه ليست مشكلة الدرس ، لكن موجات الضوء أقصر
من تجويف الليزر الذي لا تتسطيع ان تراه إذا ما شاهدناه على المستوى
الحقيقي ] تسمى نقطة البداية أن الانبعاث المثار يكون متجانس ولذا كل
موجات الضوء تكون في نفس المرحلة ، الموجات الضوئية تزيد في النطاق .
الشكل 3-6 تكون أمواج الضوء رنانة إذا كان طولي تجويف الليزر مساوياً لعدد متكامل من الأطوال الموجية
الشكل [ 3-6 ] يوضح ماذا يحدث عندما تكون أطوال الموجات التكاملية مضاعفة
( في هذه الحالة يكون التجويف مساوياً لسبعة موجات في الطول ) لأن كل
الموجات الضوئية في التجويف متجانسة وكلها في مستوى واحد .
لذا تكون كل مجموعة في نفس المرحلة عندما تنعكس من أحد مرآتي التجويف
مثال عندما ينعكس الضوء من مخرجات المرآة بادياً من قمة الموجه سوف تتحرك
عدد من الموجات الضوئية قبل أن تصل إلى مخرجات المرآيات مرة أخرى . حيث
تكون في القمة مرة ثانية سوف تثار الموجات الضوئية عن طريق تلك الموجه
علاوة على ذلك سوف تزيد كلها من سعتها عن طريق تدخل نباء .
علاوة على ذلك نفترض أن طول الموجه المضاعفة ليس بطول الموجه التكاملية
المتعددة لذلك تكون الموجه خارج المرحلة مع الموجات الأخرى بعد ان تقوم
برحلة دائرية سوف تزيد الموجة من السعة لأنها خارج المرحلة ، سوف يقلل
التدخل النباء قوتها النتيجة هي المرنان : الموجات الضوئية يتم تكبيرها
بقوة إذا ضعف طول التجويف وتكون متعددة متكاملة لطول موجاتها .
Nl = 2 L
حيث تكون N متكاملة ، l طول الموجه ، L طول التجويف لا يتم تكبير طول
الموجات الآخرى بقوة ، لذا تتلاشي داخل تجويف الليزر وهذا يبدو كما نما هي
حالة مقيدة والتي تجعله صعباً لبناء التجويف الرنان على طول الموجة الخاصة
تتخذ عدة تأثيرات لشسثر إرسا الليزر على نظام طول الموجة وتجعلها مثل
تجويفات الرنانة العملية احداهما اكتسبت انثعالات الليزر ولا ء سلسلة
اطوال موجية التي تسمى مجموعة الترداد الرابحة .
ولحسن الحظ ربح مجموعة الترداد هذه أكثر بعدأ من سلسلة مرنان الموجات الطولية في تجويف الليزر .
علاوة على ذلك تذكر أن طول الموجات الضوئية أصغر من معظم تجويفات الليزر
مثال 30سم حدعه المسافة الدائرية في ليزر الهيليوم نيون مساوياً لـ 475ألف
موجة طولية من 6328 ضوء أحمر .
لا يمكن للمرنان ان يكون فقط على 475000 موجه ولكن يكون أيضاً على 475001
و 475002 ألخ ، ان الموجات الطولية الإعداد تلك من الربح لليزرات الهيليوم
نيون . كما موضح في الشكل [ 3-7 ] كل قمة N للمرنان تسمى طريقة طولية
لليزر كل منها لديه أطول موجي مختلف .
إنتاج اشعاعات الليزر
رأينا جزء من الضوء في تجويف الليزر يخرج من خلال مخرجات المرايا مثل أشعة
الليزر ، ولكن إننا غضضنا النظر عن تفاصيل غنتاج الشعاع ، خصائص الأشعة
مثل الحجم توزيع الضوء معدل الانتشار او تباين الأشعة معتمدة على تتصميم
تجويف الليزر و مخرجات البصريات قبل أن نمعن النظر في ما هية التأثيرات ،
خصائص الأشعة يجب أن نفسر قليل من مفاهيم الليزر متضمنة التوزيع المكثف
وطرق الذبذبة .
الشكل 3-7 يمكن لعدد رنانات الفجوة ان تناسب مع مجموعة الترددات المكتسبة طبقاً لغاز الليزر
ربما نفتكر ببساطة ان شعاع الليزر مثل تجمع الأشعة الضوئية في نقطة لماعم
على الشاشة على كل حال إذا رسمنا خطاص يقطع الشعاع وثم قياس كثافة الضوء
من نقاط مختلفة سوف نجد أن هناك تفاوت في الكثافة وطبقاً لذلك يكون الشعاع
لا معاص في الوسط مع إسقاط الكثافة جانباً من الصعب أن نعرف بدقة أين يقف
الشعاع ، ومن الطبيعي قطعاً ان يعرف جزء محدد من الكقافة المركزية [
أحياناً 1/e2 حيثما e هي جزر اللوغرتيمات الطبيعية ]
شاهدنا مبكراً ان الليزرات تتذبذب في حركات طولية مختلفة مرسلة إلى اطوال الموجات التي تؤكد المعادلة :
Nl = 2x Cavity Lengtn
حيث N هي التكامل ، طول الموجة . وأيضاً يمكن ان تتذبذب الليزرات في
الحركات الانتقالية المختلفة التي تظهر نفسها في طراق مختلفة منالكثافة
خلال الشعاع تلك معتمدة على التصميم المرنان وسوف نلاحظها في تفاصيل أخرى .
نجد ان انحراف الشعاع انتقادي أيضاً ، كيف تقيس هذه الزاوية وكيف ينتشر
الشعاع سريعاً عن الليزر إذا عرفنا فيما بعد انحراف الشعاع نقدر أن نحسب
حجم بقعة الليزر .
انواع المرنات
حتى الآن لم نق ل شيئاً عن شكل المرآتينى الموضوعتين في تجويف الليزر ،
ربما افترضنا ان تكون مستطحتين . ذلك الترتيب البسيط يكون فقط أحد
التركيبات الممكنة كما موضح في الشكل [ 3-8 ] في الحقيقة بالرغم من انه
يبدو كمفهوم بسيط ، يتكون المرنان من مرآتين متوازيتين بدقة ومستطحتين
الشكل [ 3-8A ] يكون شعاع الضوء صاعداً بينهما واخيراً يخطى اشعاع السقوط
في أحد المرآتين ويتسبب في وقف ذبذبة الليزر إذا كانت أحدى تقل بنصف درجة
عن التوازي مع الآخرى فإن الضوء يسقط على المرآة الأخرى على عد طول 15سم
من المركز وقد يعكس الضوء إلى نقطة تبعد 1.3mm من مركز المرآة .
وقد يخطى حافة تجويف المرآة بـ 2mm من القطر . الإنعكاس الناتج قد يزيد من التأثيرات ويزيد من مقدار الضوء المفقود في الخارج .
الشكل 3-8 تركيبه تشكيلة لمعظم ليرنانات الليزر الكبيرة
هذا الضوء المتسرب المفقود يمكن تفاديه إذا كانت أحدى المرآتين محدبة كما
هو صمم في الشكل [ 3-8 ] تتيع اشعة الضوء في الأشكال [ 3-8B ] [ 3-8C ] ،
[ 3-8D ] ، [ 3-8E ] يمكنك كيف تجلب بؤرة المرآة المحدبة القوية الضوء إلى
وسط الليزر تعكس المرآة المحدبة الضوء إلى داخل التجويف ، حتى ولو لم يبعث
بدقة على طول محور الأنبوب كذلك المرآة الثانوية بتقويس الضوء الذي يتجه
إلى المرآة الأخرى مثل التركيبه التي تسمى بالرنات الثابت لأن الشعاع يتم
عكسه من مرىة إلى أخرى سوف يعود مرة من وقف لا حق .
الرنانات الثابتة معظمها جذابة إذا كان ربح الليزر قليل ، يجعل خسارته
قليلة من جهة اخرى ،إذا كان ربح الليزر عالى لاتكون هنالك مشكلة إذا تسرب
الضوء من جوانب التجويف بعد تكرار الانعكاسات للحصول على قمة المخرجات ،
من المهم جداً انتزاع الطاقة من كل الوسط المتحفز بين تجويف المرآتين .
أنظر الشكل [ 3-8 F ] حصل هذا المرنان على اسمه المرنان غير الثابت على
أسمه هذا ران الأشعة المعكوسة على التوالي من مراياها ، تنحرف أخيراً
للخارج إلى جوانب مزايا الليزر هذا على ما يدبو غير مرغوب فيه ، على كل
حال في ربح الليزرات العالية مثل هذه الخسارة تزيد عن العنسبلة بواسطة
محاسن جمع الطاقة من الحجم الأكبر لوسط الليزر .
يمكن أيضاً أن ترى الاخلاق بطريقة أخرى في ربح الليزر المنخفض يمكن نجد أن
معظم الخارج من المرآة يتم عكسه إلى داخل تجزيف الليزر إذا كانت مخرجات
المرآة 95% منها قابلة لإنعكاس، سوف ينعكس الضوء الذي خلال التجويف من
مخرجات المرآة قبل أن يبرز كشعاع مخرج وهذا يؤكد أن الضوء يمكن ان ينعكس
عائداً صعوداً بين المرآتين عدة مرات من جهة أخرى ، نجد أن مخرجات المرآة
في ربح الليزر العالى ربما تكون 60% قابله للإنعكاس لذا متوسط أشعة الضوء
التي سوف تنعكس قبل أن تبرز كشعاع ناتج . هذا موازنة مرآتي التجويف ذي
انتقادية أقل بكثير أن محاسن تجويف المرآة هي سهولة عملها ، خاصة في
ليزرات شبه الموصلات حيث ينتج بواسطة شق بلورة شبه الموصلات . هذا لا يسبب
أي مشكلة لأن ليزرات شبه الموصلات صغيرة جداً وذات ربح عالى .
سوف لا تدخل في تفاصيل نظرية رنانات الليزر لأنها تغوص في ضرب من التقصير
الرياضي – على كل حال ان رنانات الليزر يعني ان كلاً توزيع الشدة في
الشعاع الناتج والمعدل الذي ينتج عنه الشعاع ، رأينا سابقاً كيف يتفاعل
على طول الليزر هناك أيضاً طرق مستعرضة ، التي تحدد نموذج توزيع الشدة عبر
عرض شعاع الليزر يؤخذ مدى سعة الصفر في نموذج الطريقة المستعرضة والتي لها
قمة او أثنين أو أكثر في الجزء الوسط من الشعاع . كما هو موضح في الشكل [
3-9 ] هذا الشكل الرياضي يسمى منحني قاسيان هذا التوزيع المكثف [ 3 ] مثل
وظيفة المسافة من وسط شعاع الليزر [ 3 ] تعطي بـ
I ( r ) = ( 2P/ P d2 ) x ex p ( -2r2 / d2 )
الشكل 3-9 طريقة شعاع TEMoo وفيه من طرق أشعة مستعرضة أخرى
حيثما تكون P ي قدرة الشعاع و ل هي حجم النقطة المقاسة 1/e2 كثافة شدة
النقاط ، طريقة الترتيب الأولى هذه تسمى طريقة Temoo ، حيث M , T , E
تتوقف على الطرق المستعرضة الكهربائية والمغناطيسية على التوالي تقليدياً
الرقم الأول هو الطريقة E وثانياً الطريقة N , M بارزان M تشير إلى نقطة
الرقم صفر أو حدود دنيا ، بين حواف الإشعاع في اتجاه واحد ، و n تشير إلى
حدود الرقم بين حواف الشعاع في اتجاه متعامد ثم شعاع a TEM 01 له حد أدني
تقسييم الشعاع لنقطتين لا معتين شعاع a TEM له حدين متعامدين [ واحد لكل
اتجاه ]مقسمة الشعاع لارباع دائرة لخ . طريقة TEM00 مرغوبة لأنها تحدث
انفصال أقل مما في طريقة الترتيب العليا وسط الليزر الأقل كسباً مع مرنان
ثابت يمكنها ان تنتج طريقة الترتيب العليا وسط الليزر الأقل كسباً مع
مرنان ثابت يمكنها ان تنتج طريقة الترتيب الدنيا هذه ، يضيف التصميم التام
المفقودات لكبن ذبذبات طرق الترتيب العليا على كل حال بعض مرنانات الليزر
الثابتة تعمل في واحد أو أكثر على طرق الترتيب العليا خاصة عندما تصمم
لنتاج قدرة في حدها الأعلى .
المرنانات غير الثابتة لها اساسيات طرق مختلفة لانشاءها ويمكن معرفة السبب
الأساسي لهذا في الشكل [ 3-10 ] الذي يختبر المرنان غير الثابت كما في
المثال في الشكل [ 3-8F ] توجد ي داخل هذا المرنان غير الثالث مرآة معدنية
صلبة لذا نعكس بعض الضوء على داخل وسط الليزر عند ما يهرب الشعاع من
جوانبها .
الشكل 3-10 نموذج للمخرجات من المرنان غير الثابت عند حد أدني مركزي
تفاصيل المرنان غير الثابت تكون أكثر تقصيراً من طرق المرنان الثابت
ولكنها يمكن أن تجاوز العديد من المتغيرات بسلامة لن لها عادة تأثير قليل
وسوف ندرس في الفصل الرابع كيف تؤثر الطرق المستعرضة احتمالية اشعاع
الليزر .
تقنيات تحفيز الليزر
شرحنا العام لفيزياء الليزر اعطاك فكرة عن عمل الليزرات ولكن جعنا ننظر
لتحفيز الذرات والجزئيات الحقيقة لإنتاج عكسية التعداد يمكننا وصف أو شرح
انواع قواعد تحفيز الليزرات هنا ، حيث تعتمد التفاصيل على انواع الليرزات
ويوف يتم تغطيته في الفصل السادس والتالسع .
الضخ البصري :
الضخ البصري هو الذي يستخدم الفوتونات لتحضير الذرات والجزئيات . وأولها
كان هو طريق الاثبات او التظاهر ، وهو مفهوم .ربما يكون بسيط ، ويمكن ضخ
الثلاث أو الأربع مستويات البسيطة لليرز بصرياً لإثارة او تحضير الذرات أو
الجزئيات من حالتها الطبيعية إلى المستوى الأعلى لذا سوف تسقط في مستوى
الليزر الأعلى غير التاين فيبعث الضوء الشكل [ 3-1 ] و [ 3-2 ] ربما يجعله
يبدو وكان ضخ الضوء يجب أن يكون على طول موجبي خاص لأنه يظهر انتقالات
ضقية بين مستويات الطاقة المعزولة هذه ليست المشكلة ، هنالك مستويات عليا
متعددة التي تخلل او تذوب كلها إلى مستوى ليزر شبه المستقر الأعلى هذا
يعني ان الليزر يمكن يحفز لارسال او صدار أطول موجية إلى انتقال بين
الحالة الطبيعية والمستويات العليا تلك هناك عدة ليزرات منها يمكن ان يتم
ضخها بعيداً بمصدر انبعاث عالى خارج سلسلة الأطوال الموجيه مثل المصباح
المضئ ، على كل حال يلاحظ أن هناك خط ضيق يقع مع ليزر آخر ربما يمكنه
تحريك الطاقة بكفاءة أعلى وهذا يتطلب بعض الليزرات للعمل .
أحدى الحقائق الهامة هي أن ضخ الفوتون يجب أن يكون طاقته عالية او طول الموجه المكافئ أكبر من طول موجة الضوء المنبعث وذلك .
لأن أنواع الضوء المنبعث يجب أن تدفع فوق مستوى الليزر العلى من بداية
النقطة وذلك عادة يكون أسفل مستوى الليزر الأدني كما سوف نرى فيما بعد .
يمكن ان يستخدم ضخ البصريات مع أى وسط الليزر التي توضح ضخ الضوء عملياً
معظمها في الحالة الصلبه لليزرات خط البلوري ولليزرات السوائل المصبوغة
القابلة للتساعم – طاقة ضخ البصريات تكون موزعة ببثبات او في النبضات
بالرغم من أن معظم ليزرات الضخ البصري لا تستطيع إنتاج إشعاع ثابتز
الضخ الكهربائي
معظم مصادر الضوء الصناعية في حياتنا تحصل على طاقتها من الكهرباء ،
الليزر ليس مشتثنى من هذا وتكون الكهرباء مناسبة لنقل الطاقة منها كما سوف
نرى وهي مفيدة أيضاً لأنها تستخدم في تحفيز الليزرات [ توفر الكهرباء
أيضاً الطاقة الضوء المستخدمة في ضخ البصريات ، لكن هنا نتحدث عن
التحفيزات المباشرة لوسط الليزر بالكهرباء ]
ضوء فلورنت هي نقطة مفيدة للبداية لوصف ليزرات الغاز المخضرة يتدفق التيار
الكهربائي خلال الغاز في أنبوب فلوريستن ناقلاً الطاقة إلى الذرات او
الجزئيات في الغاز الذرات او الجزئيات المحفزة تختزل تلك الطاقة الزائدة
مثل المصباح المضئ شبعث ذرات الذرات الزئبق في أنابيب فلورينس المألوفة
حقيقاً تبعث الأشعة فوق البنفسجية التي تحفز طبقة العسنفور داخل الأنبوب
كى تبعث ضوء مرئي .
هي ليزر الغاز النموذجي الصغير ، يتدفق التيار الكهربائي خلال الأنبوب
ناقلاً معه الطافة الى الغاز تلك الطاقة تحفز أنواع الانبعاثات الضوء إلى
مستوى الليزر الأعلى ثم بعد ذلك تنتج انبعاثات محفزة كما في أنبوب فلورينس
، تعمل النبضات الفولتية العالية على تفريغ الغاز من الكهرباء ، ولكن يمكن
لمعظم الفولتان المنخفضة أن تحمل التيار الكهربائي ومن ثم تشغيل الليزر .
لبعض ناتج اليزرات الغاز المسافة كهربائيا اشعاعات ثابتة او موج مستمر مثل
التيار الثابت المار خلال الغاز بعضهما ينتج ضوء بعد ان تمر نبضات
كهربائية مكثفة خلال الغاز ، يتم تحفيز بعض ليزرات الطاقة العالية بواسطة
اشعة الفوتون التي يتم حرقها داخل الغاز .
تحضير ليزرات أشباه الموصلات :-
يختلف تشغيل ليرزات الموصلات :
يختلف تشغيل ليزرات اشباه الموصلات وليزرات التيارات الكهربائية عن تلك
الليزرات التي تضخ كهربائياً التي أشير إليها هنا علاه على التفاصيل
الكثيرة في الفصل الثامن يسر التيار خلال أشباه الموصلات منتجة عكسية
التعداد في طبقة رقيقة تسمى التوصيلة ، حيثما يتغير تركيب شبه الموصل .
مستوى الفولت الذي يحتاج له صغير جداً مقارنة مع ليزرات الغاز تلك .
ميكانيكيات التحول للطاقة الأخرى :
هناك عدة تغيرات في تحويل الطاقة بعضها بمجرد حصولها على الطاقة الكهربائية والبصرية بواسطة نوع واحد الذي يقوم تبقله للآخر .
مثال على ذلك تسبب ذرات الطاقة في ليزر الهليليوم نيون من التفريغ
الكهربائي من الغاز لذرات الهليليوم مستويات طاقة مغلقة أغلاق تام تلك
الذرات للأنبوب التي تمكنها أن تنقل طاقة التحفيز إلى ذرات النيون ثم تسقط
ذرات النيون في متسويات الليزر العليا غير المستقرة منتجة عكسية التعداد
التي تحتاجها لتوليد الضوء .
هناك أيضاً تقنيات اتضح تختلف عن ضخ البصريات والضخ الكهربائي .
مثال على ذلك تولد التفاعلات الكيميائية نوع محفز من كيمياء الليزر يمكن
للذرات والجزئيات ان تنتزع الطاقة المنتجة في التفاعلات النووية لعمل
اليزرات النووية ، يحصل ليزر الالكترون الحر على كافية من شعاع
الالكتروتات المارة بمجموعة إعداد مغنطيسية مرتبة وسوف نتعلم المزيد عن
هذه الأنواع من الليزرات غير الطبيعية في الفصل التاسع .
كفاءة الطاقة
في شرح ليزرات اتضح البصري ، أشرنا إلى ان طول الموجة المضخ دائماً يكون
أقل من الطول الموجي لليزر وهذا يكون صحا صحيحاً عرضاً في كل الليزرات
بإختصار الليرز ليس كقوة ضمنياً يجب عليك منع بعض الطاقة التي تحول من
إدخال طاقتك بشكل منظم اكثر من ضوء الليزر .
من السهل رؤية الطاقة المحدودة الأولى في الرسم البياني ببساطة لمستويات
الطاقة من ثلاثة او أربعة مستويات الليزر ضخ تدفع نوع الليزر من أسفل جدول
الطاقة إلى قمته انتقال الليزر مطلقة جزء من تلك الطاقة في بعض القضايا
المفقودة ضمنياً يكون قليلاً في بناء مستوى الطاقة . مثال الضخ البصرى على
500mm ربما تنتج مخرجات ليزر على 600mm هذا يعني أن 17% من طاقة ضخ
الفوتون لا تظهر في مخرجات الفوتون [ لا يحسب المفقود عند ضخ الشعاع الذي
ربما يكون جوهريا]يكون إنتقال الليزر بصيرا في بعض الأنظمة لمستوى أعلى
كافياً لبعض شعاع الليزر . لذا أكثر الطاقة تستخدم في رفع نوعية الليزر
كما سوف نرى في الفصل السادس ، هذا يؤثر على وضع سقف منخفض منخفض جداً
يساوي تقريباً 501% على كفاءة ليزر الأرجون – نيون .
هناك تحديد جاد آخر هو ان الشارة او التحضير لا تكون كافية 100% لا يمتص وسط الليزر الضوء المضخ او التيار الكهربائي المباشر داخله .
هناك أيضاً تحديدات ثابتة مثال لذلك الليزر الفعال يتطلب عكسية التعداد
لذا توضح بعض الطاقة في مادة الليزر لتوليد العكسية تتاركم الذرات
والجزئيات في المستوي الأدني ، لم تعد العكسية موجودة ولكن تبقي بعض
الذرات والجزئيات في مستوى طاقة عالى وفقدت الطاقة التي ابقتهم هناك .
كل هذه المؤثرات تتخذ لتحدد كفاءة الليزر بعض أشباه الموصلات يمكنها أن
تحول ثلث الطاقة الداخلة إلى ضوء ناتج ، ويمكن لليزر ثاني أكسيد الكربون
أن يحول نسبة الكهرباء الداخلة إلى ضوء على كل حال طبقاً للكفاءة [
أحياناً تسمى لقادة أداة التوصيل الكهربائي عندما يتم قيامها مثل القدرة
في VS مفتاح موحد ايقاف الليزر ] في بعض الليزرات يكون المفقود 1% سوف
ننظر هذه التحديدات مفصلة أكثر في الفصل الرابع .
اختبار الخط والتناغم
حتى الآن تحدثنا القليل عن العوامل التي تعين ما الطوال الموجية لبعض
الليزر كما سوف نرى لا حقاً ان بعض الليزرات تبعث فقط على الانتقال الحادي
، بينما البعض الآخر تنبعث على أثنين أو اكثر البعض في ليزر الهيليوم نيون
يمكنها أن تنبعث على عدة خطوط معتمدة على كيفية تعميمها في الاختبار وتكون
هناك عدة عمليات معقدة والتي
الشكل 3-11 ادخل حاجيات انتقال الليزر
تسيطر فيها الأرساليات او الانتقالات في ليزرات معطاه ، وعده معايير يجب ان يتم تقابلها قبل أن يحدث أي ليزر في أي إرسال .
للذرات والجزئيات بناءات مستوى طاقة معقد عموماص معظم الالكترونات ومعظم
مستويات الطاقة الالكترونية يمكن حدوثها او هي مهيئة يحدث فيها ذلك .
يأخذ شوط الانتقال مع سقوط الخصائص الصحيح لعمل ليزر جيد كما موضح في الشكل [ 3-11 ] هذا الخصائص تضمن في نوعية الليزر :-
1. الانتقال او الارسال مع احتمال عالى للتحفيز يحتاج إلى ضخ الذرات أو الجزئيات إلى طاقة عالية الإرسال .
2. الانتقالية ذات الاحتمال العالى يحتاج لها من تلك الحالة إلى مستوى الليزر طاقة الليزرات العليا لإنتاج عكسية التعداد.
3. حالة غير ثابته مع احتمالية إرسال منخفض للمستويات الدنيا يحتاج إليـها
لـذا سوف تبقي الذرات الجزئات على هذه الحالة ( مثل عكسية التعداد مدة
كافية ليتم تحفيزها كى تبقي ضوء الليزر.
4. [ مثاليا ] الانتقالية ذات الاحتمالية العالية في المستوى الأدني لحالة
منخفضة يكون مرغوب منها لاخلال مستوى الليزر الأدني وهذا يعين عكسية
التعداد .
التقاء هذه المتطلبات الأساسية لم تكن كافية لعمل الليزر ، على كل حال
يشغل الانتقال الأول في تبتابع فقط أذا كان هناك طريقة عملية وفعالة لنقل
طاقة التحفيز يمكن ان يتم نقل الطاقة بواسطة الضوء الالكترونات ،
الاصطدامات مع نوع آخر من الغاز ، او عمليات آخرى ولكن يمكن ان تنقل
بكفاءة تامة لتوليد عكسية التعداد .
تعتمد كفاءة نقل الطاقة واحتمالية الانتقال على عدة عوامل هي مثلاً من
ليزر الغاز تشمل ، ضغط غاز الليزر ، تجميع بعض الغازات الأخرى في مزيج
الليزر ، الحرارة ، حجم الأنبوب الليزر شده تدفق التيار خلال وسط الليزر .
لأن تبادات مستويات الطاقة مقعدة فإن تخفيز وسط الليزر تنتج عكسية
التعداد بطريقتين انتقاليتين أو أكثر شاملة مستوى ثالث أو أكثر هذا يمكن
أن يؤدي إلى انبعاثات محفزة على طولى الموجتين او أكثر وهي لا يكون مرغوب
فيها عادة ولكن يمكن التحكم فيها عادة .
طبيعة تضخيم الليزر تتحكم غي الطوال الموجية الحالية لأنها تسبب معظم
الانتقالات المحتملة تسيطر على الانبعاثات ى تحتاج ان تكون الاختلاف في
الانبعاث ذات الاحتمال القوي ان تكون ضخمه – حتى الاستهانة في اختلاف
الكسب مثل بين o.o4 و o.o5/cm كافية لتؤدي إلى أخلاق تمثيلي في قدرة
الانتقاليات التي تنشأ من نفس المستوى غير المتسقر لفهم كيف يعمل هذا ،
دعنا نلقى نظرة على المثال الرقمي البسيط يكسب انتقالات إلى إرسالات من
نفس المستوى غير الثابت o.o4 و o.o5 سم دعنا نفترض أنها بدأت بنفس القوة ،
ولتبسيط ماراتنا دعنا نستخدم معادلة بسيطة
Power = [ 1+ Galn ]Length
هذا يتجاهل تأثيرات مرنان المرآتين الذي فقد خلال وسط الليزر ويبعث
على كسب ممكن ، لا يمكن تتبع القواعد تماماً لتعطي وحدات القياس ، ولكنها
تعطي تقريبات معتمدة . جدول [ 3-1 ] يوضح كيف تنشئ القوة على خطين مع
مسافة داخل عاز الليزر القوة أو القدرة لاتضخم بمثليها توضحة الموضحة في
الليزر الحقيقي لكن الاختلاف الصغير في الكسب يسبب الخط قوي للسيطرة .
جدول [ 3-1 ] تأثير الكسب على القدرة القريبة .
بصريات التجويف :-
يمكن لبصريات الليزر أن تساعد أيضاً في اختبار طول الموجة التي فيها
يتذبذب لليزر ، كما يبدو لكل من أول وهلة لا تكون هناك مشكلة إذا كان طول
تجويف الليزر اطول من طول الموجة l وهذا يجعل Nl = 2 L يحدث كسب الليزر
سلسلة عريضة التي تلقي بعض الموجة ضمن المجموعة الملتقية ومعايير ذبذبتها .
على كل حال يمكن لبصريات التجويف أن تكتب الانتقالات بواسطة زيادة
الفقد في إرسال أطول الموجة مثال نفترض أن الليزر يبقي على انتقالين 600mm
و 400 لكنك تحتاجها فقط للذبذبة على 400mm لكن انتقال 600mm من الضوء ،
التجويف له فقد عالى لذا يبعث الليزر طول موجي قصير حتى إذا كان وسط
الليزر له نفس الكسب على كلا طولى الموجه .
من المحتمل أيضاً ان يتناغم انبعاث الليزر فوق سلسة اطوال الموجات
بواسطة وضع منشور تحليل الضوء في فجوة الليزر كما موضح في الشكل [3-12 ]
تخرج مختلف الأطوال من المنشور بزوايا مختلفة تنحني موجة واحدة على
الزاوية تماماً لترتد راجعة وصاعدة بين المرآتين في تجويف الليزر تنطلق
أطوال الموجات القصيرة والطويلة على اجناب التجويف وبالتالي يتم فقدها،
النتيجة الكسب الصافي في تجويف الليزر يكون هو الأعلى الطول الموجي الذي
تم اختياره بواسطة المنشور أو الحاجز مخرجات الطول الموجي يمكنها ان
تتناغم وقاطعته سلسلة الأطوال الموجيه [ عاده تكون محددة بواسطة مادة
الليزر ] بواسطة غدارة الحاجز المنشور او المرآة هذه الترتيبات تستخدم في
ليزر قابل للتناغم لعدة أنواع .
الشكل 3-12 ترتيب لطول موجي ليزر تناغم باستمرار
ماذا تعلمنا :-
· إذا تم الانعاكس التعداد يكون الانبعاث المحفز أكثر احتمالية من الامتصاص .
· اشغال المستوى الأعلى وإخلاء المستوى الأدني كلاهما ذات أهمية في صيانة
عكسية التعداد يجب أن تكون فترة بقاء مستوى الليزر العالى طويلة غير
معتادة .
· لكى يتم إنتاج عكسية التعداد يجب أن يحفز حالات خاصة ليس فقط بستخين المادة .
· الضوء والكهرباء هما نوعى من انواع الطاقة التي يستخدم معظهما أحياناص في تحفيز الليزر .
· يكون للنبضات الكهربائية عكسية التعداد يتم انتاجها ب
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]
كيف يعمل الليزر؟؟
في هذا الفصل
تعلمينا قواعد الفيزياء والبصريات التي توضح لنا كيف يعمل الليزر في الفصل السابق .
وفي هذا الفصل سوف نتعلم خبايا الليزر وكيف يتم تزويده بالطاقة وكيف ينتج
الاشعاعات ، هنا سوف نتعلم المبادئ الأساسية لتشغيل الليزر وفيما بعد سوف
نتعلم خصائص وخصوصية الليزر .
إنتاج عكسية التعداد
في الفصل السابق رأينا أنكم في حاجة إلى عكسية التعداد لعمل الليزر إذا
كان هناك اكثرية من الذرات والجزيئات في المستوى الأدني لمادة متفرقة
حرارياً قابله للأشتعال بمستوي أعلى يحدث هنا امتصاص للطاقة المنبثقة أما
إذا كان هناك الثريه من الذرات فيحدث هنا طرد للاشعاعات المنبثقة ، لأن
الانبعاث إلى المستوى الأدني فيحدث هنا طرد للاشعاعات المنبعثة ، لأن
الانبعاث يكون أكثر من الامتصاص , لذلك يكون فوتون ذو طاقه انتقالية محتمل
يواجه حالة محفزه وانبعاث مثار قبل أن يتم امتصاصه الذرات والجزيئات عندها
عده مستويات طاقه محتملة يحدث فيها مثل هذا ولكنك في حوجه إلى عكسية
التعداد في انتقالية واحده لعلم الليزر .
هناك طريقتين اساسيتين لإنتاج الليزر مثل عكسية التعداد وحوجتنا إليها أكثر في إثارة الذرات أو الجزئيات إلى حالة أعلى .
على كل حال يمكن أيضاً اخلأ المستوى الأدني او اختيار النظام عندما يكون المستوي الأدني غير ثابت أو غير مستقر .
لذا هنالك أعداد قليلة من الذرات في المستوى الدني ، لكي يعمل الليزر
بصورة مستمرة ، نجد أن هنالك أهمية لعدد الذرات في المستوى الأعلى والأدني
، لأن تراكمها يعمل على إنهاء عكسية التعداد وبالتالي إيقاف عمل الليزر .
ميكانيكية التحفيز :-
الطريقة المثلى لانتاج عكسية التعداد هي تزايد الذرات والجزيئات بالطاقة
وحثها للانتقال بمستوى اعلى . على كل حال أن تزويد هذه الذرات بالطاقة
بواسطة تسخين المواد ليس كافياً بقدر ما تبقى المواد في ديناميكا حرارة
ذات اتزان نجد بمجرد تسخينها تزداد عدد الذرات في المستوى الأدني . وتكون
النسبة للذرات في مستوى الطاقة ( 1 ) إلى مستوى الطاقة ( 2 ) في درجة
الحرارة T كالتالي :-
N2/N1 = exp [ - ( E2 - E1 ) / KT ]
N1 و N2 هما عدد الذرات في مستوى الطاقة E1 و E2 ، و K هو ثابت بولتزمان (
1.38054 x 10-23 جول لكل درجة كالفن ) طالما E1 يكون الناتج دائماً
بالساين . تسحين المادة يعمل على زيادة متوسط الطاقة ولكنه لا يجعل N2
أكبر من N1 لإنتاج عكسية التعداد يجي تحضير الذرات والجزيئات بانتقالية في
مستوى طاقة معين . وهذا يتطلب بعض البراعة كما سوف ترى فيما بعد . على كل
حال فإن الطريقة يجعل درجة الحرارة سالبه .
تحضير الليزر بواسطة الضوء والكهرباء تقنياً هما الأكثر انتشاراً , وهما
يعملان بطريقة غير مباشرة بتحضير الذرات للمستوى الأعلى والتي منها تسقط
إلى مستوى الليزر الأعلى ، أو ربما تقوم بإثارة ذرات أخرى التي تنقل
الطاقة إلى باعثي الضوء الذري أو الجزئ ، كما سنرى فيما بعد ، أكثر الطرق
الرنانة تقصيراً غالباً ما تنتج ليزر أفضل .
حالات شبه مستقرة ومدى فتراتها في البقاء :-
تقنيات التحضير هذه تعمل فقط عندما تكون الذرات والجزئيات في وضع صحيح من
مستويات الطاقة وعادة تكون حالة حدوث التحضير هذه في جزء من المليون في
الثانية وتحدث بانبعاث تلقائي . حالات التحضير ذات العمر القصير ليست
كافية لتحفيز الطاقة وأكثرها ينتج عن انبعاث تلقائي .
مثل هذه الحالات تسمى شبه مستقرة لأنها عادة تكون غير ثابتة في الجدول
الذري ، وتبقي على حالتها هذه جزء من الألف في الثانية او ما يكرو ثانية .
وهي مهمة جداً في فيزياء الليزر لأنها تنتج نوع افضل من أنواع الليزر
وتبقي الذرات والجزئيات لفترة كافية في وضع تحفيز تثعيه ثابت لإنتاج كميات
من انبعاثات مثاره .
على أكثر القواعد الكمية ، يتجلى عمل الليزر بناء التعداد في مستوى الليزر
العالي يكون هذا ممكناً إذا تم إنتاج الليزر بصورة أسرع من انحلاله . لذا
فوق المستوى الأعلى للتعداد المستوى الأدني تحافظ الذرات او الجزئيات على
أطوال فترات الليزر الانبعاثية التلقائية ومعدل الإنحلال المنخفض والأسهل
للحصول على التعداد العكسي ومخرجات الليزر .
نبضات كهربائية ونظامين مسطحين :-
عملية تشغيل الليزر مجهده إذا ما نظرنا لبعض الأمثلة كما ذكرنا آنفاً أن
تشالز تونيز ضع أول نبضات كهربائية من جامعة كولمبيا قبل عدة سنوات من صنع
أول ليزر تتطلب النبضات الكهربائية عكسية التعداد المتبعة في عمل الليزر ،
على كلٍ اعتمد توتر على الخدعة غير المعتادة ، بدأ تونز باشعاع جزئيات
الامونيا التي تحتوى على جزئيات في حالة مثارة وغير مثارة لأن آخر عينة له
احتوت من جزيئات مثارة وكان عنده عكسية التعداد وكان باستطاعته كشف عمل
النبضات الكهربائية.
لم تدم الخدعة طويلاً قبل أن يكتشف العلماء طرق أخرى لصناعة النبضات
الكهربائية ، لعبت قواعدها الهامة في تطوير النبضات الكهربائية وتطوير
الليزر بواسطة تحسين عكسية التعداد التي انتجت فيما شك فيه العلماء
الفيزيائون .
ليزرات مستوى ثالث أو رابع :-
تتركب نبضات الأمونيا الكهربائية الأولى لتوتر من مستوين للطاقة تتطلب
أنظمة الليزر العملية ثلاث أو أربع مستويات للطاقة معتمدة على كيفية تحويل
الطاقة.
النوع الأبسط لتركيب مستوى الطاقة هو مستوى الليزر الثالث كما في الشكل [ 1-3 ]
للتبسيط نفترض ان كل الذرات تبدأ من الحالة الطبيعية والتي تكون في
المستوى الأدني لليزر والتي تثار إلى مستوى طاقة عالي قصير الأجل ثم تسقط
بسرعة إلى مستوى أدني غير ثابت والذي يبقي فيه لفترة أطول . وهنا تتجمع
منتجة عكسية التعداد بين الحالة غير الثابتة والحالة الطبيعية الخاملة
والتي تكون فيها المستويات الدنيا والعليا لليزر مأخوذة في الاعتبار لأن
عكسية التعداد تعني أن اكثر الذرات تكون مفيدة في الحالة العليا للانبعاث
المحفز أكثر منه في المستوى الأدنى للامتصاص يسيطر الانبعاث المحفز على
إرسال الليرز .
يا قوت ميمنز هو ياقوت مهم لمشروع المستويات الثلاث بالرغم من أن النظام
يعمل لكنه غير مثالي وهنالك مشكلة واحدة و هي في الحالة الطبيعة وأيضاً في
المستوى المنخفض لليزر ، معظم الذرات يجي أن تثار لمستوى الليزر العلى لكى
ينتج عكسية التعداد .
هذه هي متطبعات الطاقة المحفزة لكثافة والتي استخدمها ميمنز في المصباح
المضئ عكسية التعداد صعبه التحمل لذا مستويات أربعة مستويات من الطاقة على
الأقل كما عرض في الشكل [ 2-3 ]
كم في المستوى الليزر الثالث ، ترفع الطاقة المثارة الذرة او الجزئ من
الحالة الطبيعية إلى مستوي عالى قصير الأجل يسقط الذره او الجزئ بسرعة في
مستوى الليزر الأعلى غير المستقر يأخذ انتقال أو أرسال الليزر الذرات أو
الجزئيات إلى الحالة المنخفضة التي تكون في الحالة الطبيعية أعلاه . تفقد
الذرات او الجزيئات بقية طاقتها الزائدة بواسطة الانبعاث التلقائي أو
عمليات أخرى و تسقط إلى الحالة الطبيعية . الاختلاف الرئيسي هو ان المستوى
الأدني لا يكون فى الحالة الطبيعية ، لماذا يكون هذا مهماً لأن من الطبيعي
معظم الذارات او الجزئيات تكون في الحالة الطبيعية .
إذا كانت الحالة الطبيعية هي حالة مستوى الليزر الأدني تكون الطريقة
الوحيدة لأنتاج عكسية الليزر هي إثارة معظم الذرات أو الجزئيات إلى
المستوى الأعلى وهذه هي متطلبات الطاقة الزائدة المكثفة استخدم مصباح
ميمنز المضئ لإثارة الليزر الياقوتي .
نفترض أن 1% تكون هناك إعداد قليلة من الذرات أو الجزئيات في مستوى الليزر
المنخفض يمكن إنتاج عكسية التعداد بواسطة الإثارة بنسبة 2% فقط من الذارات
إلى مستوى الليزر الأعلى ذلك أكثر سهولة من ثارة نصف الذرات من حالتها
الطبيعية .
إنفصال مستوى الليزر الأدني من الحالة الطبيعية يجلب فائدة أكثر ، حيث
تسقط الذرات اوالجزئيات في مستوى الليزر تلقائياً من مستويات الليزر
الأدني إلى الحالة الطبيعية . إذاً عند مستوى الليزر الأدني ذو الأجل
الأقصر من المستوى الأعلى هذا النضوب الثاني يساعد تحمل عكسية التعداد
بواسطة تحاشي تجميع الذرات او الجزئيات في المستوى الأدني ، هذا الليزر
ينتج شعاع مستمر غالباً يسمى بإصدار الموجة الـمستمرة نلاحظ أن المستوى
الأدني ذو الحياة الأطول من اللازم تتجمع هناك ، أخيراً ينهون عكسية
التعداد وإيقاف إصدار الليزر هذا يحدث في ليزرات قليلة ، المحدودة بواسطة
نبض العملية .
إذا أمعنت النظر في عملية الليزرات الحقيقية الموصوفة في الفصول السابقة ،
سنرى أن تركيبات مستوى الطاقة الفعلية أكثر تقصيراً . الإثارة لم تكن
دائماً هي الوحيدة المستوى العام ربما قد تكون في مجموعة مستويات التي
تحلل إلى مستوى الليزر الأعلى نفسه . حقاً غنها أخبار ساره لأنها تسمح
بالإثارة لمعدل الطاقة التي ترفع الذرة إلى حاله منفردة والصورة السابقة
لمستوى الطاقة سوف تكون اكثر تقصيراً وخاصة إخلاء التعداد من مستوى الليزر
الأدني ذو اهمية . مستويات الليزر العليا والدنيا ستكون من الحالة
الطبيعية المشار إليها في الرسم [ 2-3 ] والتي تجعله سهلاً .
لمراقبة تعدادهم لكن التجديدات تتجاوز عملية الاكتفاء الفعلي وأيضاً نعتبر
فقط المستويين الأعلى والدني الفرديين هنالك مستويات كثيرة في معظم
الليزرات مثال لذلك ربما يكون هناك مستويين عاليين بطاقات مختلفة كلاهما
يؤدي إلى الآخر أو إلى مستويات ادني منها هذه يمكن أن تنتج تحويلات متعددة
وفي عدة ليزرات أخرى تكون ممكنة مثال أننا احياناً نعتقد أن ليزر النيون
هيليوم كانه ينبعث فقط بلون أحمر فردي لكن البصريات المناسبة يمكن ان
تنبعث بالأشعة تحت الحمراء على اطوال موجات الخضراء والصفراء والبرتقالية
وليزرات اخرى مثل ثاني أكسيد الكربون يمكنها ان تشغل في آن واحد على
العديد من أطوال الموجات لأن امستويات العليا والدنيا قسمت لعده مستويات
فرعية .
هناك حقيقة هامة هي أن لوسائل النشطة العملية الليزرات تحتوى على اكثر من
نوع الذرات والجزئيات ربما تنزع احد الأنواع الطاقة المثارة كالعادة ثم
تنتقل الطاقه إلى انواع أخرى لإنتاج عكسية التعداد وعمل الليزر . مثال
لذلك ليزر الينوم – هليليوم حينما ينتزع ذره الهيليوم الطاقه من
الالكترونات من الغاز وثم تنتقل الطاقه إلى ذرات النيون مولده بذلك عكسية
التعداد . في بعض الليزارت أو ربما يضاف غاز آخر لاخلاء المستوى الأدني
لليزر في حالة الليزرات الصلبة تثبت الذره الباعثة للضوء عادة في البلوربة
والتي تنتج ضوئاً .
النبضات الكهربائية والليزرات الطبيعية :-
السبب الرئيسي خلال أكثر من أربعة عقود بين تنبوء اينشتاين للانبعاث
المثار وعمل او ليز كان هو اعتقاد الفزيائيين بأنه من الصعب عمل عكسية
التعداد لم يدركوا على ما يبدو أن المسألة ما هي الا توازن حراري سيخريه
فقط بعد أن بدأ الناس في عمل النبضات الكهربائية والليزرات الأخرى الذي
اكتشف النبضات الطبيعية في الفضاء الخارجي . أصبح تشالريز تونز القائد في
جامعة كالفورنيا في تدريس النبضات الكهربائية الكونية .
النبضات الكهربائية الطبيعية عبارة عن سحي من الغاز التي تكون بالقرب من
النجوم الملتهبة . يثير ضوء النجوم جزئيات الغاز لمستويات طاقة عليا ،
وتسقط الجزئيات إلى مستوى طاقة غير مستقر إذا كان مستوى الليزر الأدنى
مستقر يمكنه أن ينتج عكسية التعداد وعمل الليزر يعتقد بعض العلماء أن حصول
عمليات مشابهه في غلاف كوكب المريخ التي تولد الأشعة تحت الحمراء في
الأطوال الموجيه نفسها مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون الصناعي .
تنتج النبضات الكهربائية الكونية انبعاثات مثارة بنفس الطريقة الصناعية
لعمل النبضات الكهربائية والليزر ولكن هنالك اختلاف في عدة طرق مهمة
بالرغم من أنها تشع كميات هائلة من الطاقة ، إلا أن النبضات الكهربائية
الكونية لا تنتج أشعة أنها تبدو بدون أي أدوات خاصة كسحي من الغاز . كما
اعتقده الفلكيون الأوائل . لم يكتشف الفلكيون طبيعتها الخاصة إلا بعد أن
حللوا الضوء الصادر من السحي الغازيه . تبعث النبضات الكهربائية الكونية
بقوة في أطوال الموجيه المشتعلة من جزئيات محددة مثل أول أكسيد الكربون .
يبعث غاز حار طيفا مستمراً واسعاً مثل انبعاث الضوء الأبيض من المصباح .
التجويف المرنات
لا تؤخذ كل عكسية التعداد لتشغيل الليزر يحدث هناك انفجار الفقاقيع في غاز
حار مع معكوس التعداد ، فينبعث الضوء في كل اتجاه . مثل المضخات الكويبة
الكونية ربما يكون للضوء انبعاث مثار ويكون طوله الموجي منفرد ولكن لا
يوصل باشعة الليزر إذا أحست الميثا بالطول الموجي الصحيح ، فذلك الانبعاث
المحفز يشبه الضوء الملوث المألوف ان استخلاص الطاقة بكفاءة من الوسط
بعكسيه التعداد ويجعل شعاع الليزر . أنك تحتاج فجوة وكانه تساعد في انشأ
انبعاث محفز بواسطة التغذية المرجعه يعكسها في وسط الليزر لرؤية ما يحدث ،
دعنا نبدأ بالنظر إلى عملية التكبير
التكبير والربح او الكسب
الانبعاث المثار يمكنه تضحيم الضوء كما أن فوتون واحد في نفس طاقة انتقال
الليزر يمكنه ان يثير انبعاث سقوط الفوتونات الأخرى في نفس اطول الموجي .
يمكنك أن تعتقد بأن الفوتونات الأولى مثل الأشارة التي تضخم بواسطة
الانبعاث المحفز تستخدم انبعاثات الكهربائية في تكبير اشارات المايكرويف
الضعيفة وهذه العمليه مجاده لأنها تضخم سلسلة من الترددات الضعيفة مع
تجاهل الضجة الخلفية المحدثة .
الضوء المكبر بواسطة الانبعاثات المثارة للإشعاع يمكنه إنتاج شعاع قوى ..
عملية تضخيم الليزر موضحة في الشكل [ 3-3 ] يأتي الفوتون الأول من
الانبعاث التلقائي لإنتقال الليزر عندما تواجه موجه الضوء الذره في مستوى
الليزر الأعلى تثار كى تبعث ضوء و تسقط في مستوى الليزر الأدني إذا واجهت
الذره في مستوى الليزر الأدني ، يمكن أن يتم أمتصاصها . [ الانبعاث المثار
والامتصاص لا يكون أوتوماتيكياً . ولكن احتمالات مساويه إذا واجه الفوتون
الذي في حاله صحيحة ] ، بالرغم من اننا عندنا عكسيه التعداد أكثر الذرات
تكون في المستوى الأعلى لليزر أكثر منه في المستوى الأدني ويكون احتمال
انبعاث الضوء أو أكثر من احتمال أمتصاصه بعد الانبعاث المثار الأول ومثل
انبعاث الفوتون التلقائي الأساسي كل منهما احتماله أكثر في أن يواجه
الذرات في المستوى الليزر الأعلى وأكثر منه في المستوى الأدني ثم إحتماله
أكبر من إنتاج انبعاثات مثارة لذا الفوتونات يتم انتاجها بإعداد كبيرة
بواسطة الانبعاث المحفز الذي يزداد بسرعه جداً .
يقيس علماء الليزر درجة التكبير المكتسب وكمية الانبعاث المثار بالكسب
2/cm يعني أن كل فوتون يولد أكثر من فوتوتيى لكل سنتمر في حركته كسب
0.05/cm يعنى أن كل فوتون يولد متوسط
0.05 فوتون منبعث مثار لكل سنتمر في حركته
Output / input = Amplificarion = ( 1+9 ain )LENGTH
الشكل 3-3 بعث اول فوتون تلقائياص يحفز انبعاث الفوتون الآخر الذي يحفز انبعاث أكثر ألخ ...
لذلك كسب 0,05سم يرفع عامل التضخيم (1,05) إلى قوة الطول المقاس باستثمر .
مع ذلك هذا الكسب ربما يكون صغيراً ، يمكن مجموع التكبير أن يزيد بتكرار
لكل 15سم يكون التكبير 1,63 لكل 20سم يكون التكبير 2.65 ولكل 50سم يكون
التكبير 11.5.
ذلك التعبير هو من الحقيقة تقريب للناتج لدرجة التكبير السبب في ذلك هو أن
فترة الربح تعتمد على كميـة إعـداد الذرات أو الجزئيات في المتسويات
العليا والدنيا و ( أيضاً تعتمد على احتمال الانبعاث الثار وعلى بعض
العناصر التي تشمل كثافه ودرجة حرارة وسط الليزر ) .
تبقى القليل من الذرات من المستوى الأعلى لليزر لكل تحدث الكثير من
الانبعاث المثار . إعداد الذرات والجزيئات في المستوى الليزر الأعلى
يمكنها أن تحفز لتبعث ضوء ساقط وبينما الرقم في المستوى الأدني الذي يمكنه
أن يمتص الزيادة الضوئية هذا انقص معامل الربح ونبضات الليزر العديدة ،
وفي الآخر يقوم بالغاءها وإيقاف جملة الانبعاثات المثارة .
فترات الربح مفيدة في دراسة الليزرات ، ولكنها مهمة لفهم معناها
القيمة المعطاة لربح الليزر ما يسمى ربح الإشارة الصغير ، عندما تكبر
الأشارة تصبح قويه يمكن لربح الليزر أن يصل لحاله التشبع لأن الليزر يعمل
على تخفيض الانبعاث المثار في مسافة حركته خلال وسط الليزر النقطة الهامة
التي ينبغي تذكرها هي أن زيادة كمية حجم التكبير نجده مع مسافة حركته
الضوء في مادة الليزر .
هذا يزيد من الربح في نفس المسافة يساعد العنصر في نتائج الليزر
المركزة ، كما هو موضح في الشكل ( 3-4 ) إذا كان وسط الليزر هو قضيب محدد
، سوف تأتي كثير من النتائج القوية في نهايات القضيب كما في الشكل [ 3-4A]
هذه نتيجة الطول المركز حفزت الانبعاث في زاوية u التي حددت بواسطة وظيفة
ارسني :
u = arcsin ( Dn/ 2l )
عندما تكون D هي قطر القضبين ، L هي الطول ، n هي معامل افنكسار يفقد
الضوء في الخارج ، ولكن بكمية قليلة لأنه يتحرك مسافة صغيرة قبل أن يغادر
القضيب .
يمكن زيادة الربح والقدرة بوضع المرايا عند مؤخرة وسط الليزر كما في
الشكل [ 3-4 B ] هذا يقوم بعكس الضوء الواصل إلى مؤخرة القضيب إلى داخله
عملياً يقوم بزيادة طوله زاوية افنبعاث المضئ عي صغيرة لحد ما في مرايا
الليزر الوحيدة
u = arcsim ( Dn / 4L )
الشكل 3-4 يمكن لعلم الهندسة وحده تركيز الأصدارات او الانبعاثات المحفزة القضيب
بسبب المرآة :
القليل من الليزرات هي ذات ربح عالي وخصوصاً شبه الموصل وليزرات اكسمر
التي مع ذلك يمكنها ان تشغل بهذه الطريقة بعض الليزر الطهراني واتقاص في
نهاية زوج المرآة ذلك من المرنان البصرى الذي يساعد على تعريف الليزر
القياسي .
المرايات وفجوات الليزر وتذبذت :-
معظم الليزرات لها زوج من المرآة موضوع بشكل مقابل في القضيب المحدد لوسط
الليزر . المرآيات من مرنان ليزر ، فجوة أدني فكرة الذبذبة مهمة جداً
لأنها مثل الذبذبة الإلكترونية يمكنها توليد إشارات ذاتية ( من ليزر
العالم فترة التكبير لها معنى منفصل وهي وسط الليزر الذي يكبر بواسطة
الانبعاث المثار إشارات صادرة من مصدر خارجي ) لماذا يكون الضجيج ذبذبات
عندما لا يكون ضرورياً غنتاج انبعاث مثار ؟ إلسبب في ذلك يعود إلى أن معظم
مواد الليزر لها ربح منخفض ، لذا يجي عليك إمرار الضوء على طول المسافة
للحصول على تكبير أكبر نحتاج إلى معظم التكبيرات لأن الذبذبات تبدأ بقليل
من الفوتونات ولكنها تأخذ اعداد كبيرة من الفوتونات لإنتاج قدرة منظورة
يجي على ليزر الهليليوم – نيون أن يولد 3.2 x1015فوتون لبعث lMW من الضوء
الحمر لكل ثانية .
أن اكثر الطرق عملية للحصول على الضوء هي أن يمرر بليمر على طول وسط
الليزر وبوضع مرايا على نهايات مقابلة من الأنبوب أو القضيب عندما يرتد
الضوء من عداً بين المرايا يجعل العديد منها يمر خلال وسط الليزر مقدار
الانبعاث المثار يزداد عندما يمر بويط الليزر حتى يصل إلى مستوى التوازن .
هناك نقطة مهمة عن مرايا الليزر لم يتم ذكرها بعد هي أن مرايا
التجويف تعكس كل الضوء الساقط عليها ولكن البعض يعكس بعض الضوء إلى داخل
تجويف الليزر تبرز فترة سكونالشعاع كما موضح في الشكل [ 3-5 ] إذا كان ربح
قليل كما في ليزر الهيليوم – ينون يلون جزؤ من الضوء المثقل صغير جداً يصل
إلى 1% فقط ويتجه معظم الضوء الليزر إلى داخل تجويف الليزر ليقوم بتحضير
انبعاثات كثيرة .
في الحقيقة أن مرآة المخرجات تعكس بعض الضوء من الفكرات غير المفهومة
اكثر شيوعاً هي أنما مؤخرتي المرايا تعكس كل الضوء إلى داخل وسط الليزر ثم
نيكسر الضوء خلال مرآة واحدة ويبرز كالشعاع هذه ليست القضية مخرجات المرآة
تنقل جزء من الضوء الثابت [ الذى ينبثق كالشعاع ] ويعكس السكون ثانية في
وسط الليزر .
انعكاسية ث مخرجات المرآة هي ثابتة انتقادية التي يعتمد اختيارها على
ربح وسط الليزر والخاسرة خلال فجوة الليزر عندما يكون تشغيل الليزر ثابت
او موجاته مستمرة يجي على التكبير في الرحلة المستديرة ان يساوى مجموع
القوة المفقودة من التجويف .
Amplifi Cation = Loss + output Power
يجب ان يبقي المفقود في ليزر التجويف بأقل ما يمكن إذا كان الربح
قليل ، ولكنها لا يمكن أن تخفض إلى الصفر ليس هناك مرايا لا تستطيع أن
تعكس القوتون الذي يصل إلى سطحها نمتص مادة ليزر التجويف بعض الضوء نفترض
مثلاً أن الضوء المكبر بنسبة 5% يعمل رحله مستديرة في تجويف الليزر ذلك أن
1% تمتص بواسطة غاز الليزر ثم يمكن أن يبرز 2% من طاقة الليزر في مخرجات
الشعاع .
E هذا المثال يتضمن قدرة عالية لليزر داخل التجويف اكثر من خارجها
أفترض أن مخرجات المرآة تعكس 98% من الضوء العائد إلى الفجوة وتنقد 2% فقط
مفقودات متجاهله ثم القدرة المردوده تمثل 2% من الطاقة داخل التجويف . إذا
الشعاع المردود هو lmw تكون قدرة السعة 50mw تباين النقصان مثل زيادة
انتقال مردود المرآة ونفس المقدار تعكس الضوء العائد إلى داخل التجويف
الطاقة داخل التجويف ستكون أعلى من الشعاع المنبثق من الليزر .
الشكل 3-5 نمو الانبعاثات المحفزة في تجويف مرنان الليزر
المرنان :-
هنا كبعض التضحنميات الدقيقة لذبذبة تردد الموجات الحقيقة العائدة
والصاعدة بين المرآتين في تجويف الليزر احداهما تسمى المرنان وتعتمد طول
الموجة الانبعاث المثار وطول تجويف الليزر لفهم طبيعة المرنان نحتاج
للرجوع إلى صورة موجة الضوءتي الشكل [ 3-6 ] نقول ان موجات الضوء كبيرة
مقارنة مع ول تجويف الليزر [ هذه ليست مشكلة الدرس ، لكن موجات الضوء أقصر
من تجويف الليزر الذي لا تتسطيع ان تراه إذا ما شاهدناه على المستوى
الحقيقي ] تسمى نقطة البداية أن الانبعاث المثار يكون متجانس ولذا كل
موجات الضوء تكون في نفس المرحلة ، الموجات الضوئية تزيد في النطاق .
الشكل 3-6 تكون أمواج الضوء رنانة إذا كان طولي تجويف الليزر مساوياً لعدد متكامل من الأطوال الموجية
الشكل [ 3-6 ] يوضح ماذا يحدث عندما تكون أطوال الموجات التكاملية مضاعفة
( في هذه الحالة يكون التجويف مساوياً لسبعة موجات في الطول ) لأن كل
الموجات الضوئية في التجويف متجانسة وكلها في مستوى واحد .
لذا تكون كل مجموعة في نفس المرحلة عندما تنعكس من أحد مرآتي التجويف
مثال عندما ينعكس الضوء من مخرجات المرآة بادياً من قمة الموجه سوف تتحرك
عدد من الموجات الضوئية قبل أن تصل إلى مخرجات المرآيات مرة أخرى . حيث
تكون في القمة مرة ثانية سوف تثار الموجات الضوئية عن طريق تلك الموجه
علاوة على ذلك سوف تزيد كلها من سعتها عن طريق تدخل نباء .
علاوة على ذلك نفترض أن طول الموجه المضاعفة ليس بطول الموجه التكاملية
المتعددة لذلك تكون الموجه خارج المرحلة مع الموجات الأخرى بعد ان تقوم
برحلة دائرية سوف تزيد الموجة من السعة لأنها خارج المرحلة ، سوف يقلل
التدخل النباء قوتها النتيجة هي المرنان : الموجات الضوئية يتم تكبيرها
بقوة إذا ضعف طول التجويف وتكون متعددة متكاملة لطول موجاتها .
Nl = 2 L
حيث تكون N متكاملة ، l طول الموجه ، L طول التجويف لا يتم تكبير طول
الموجات الآخرى بقوة ، لذا تتلاشي داخل تجويف الليزر وهذا يبدو كما نما هي
حالة مقيدة والتي تجعله صعباً لبناء التجويف الرنان على طول الموجة الخاصة
تتخذ عدة تأثيرات لشسثر إرسا الليزر على نظام طول الموجة وتجعلها مثل
تجويفات الرنانة العملية احداهما اكتسبت انثعالات الليزر ولا ء سلسلة
اطوال موجية التي تسمى مجموعة الترداد الرابحة .
ولحسن الحظ ربح مجموعة الترداد هذه أكثر بعدأ من سلسلة مرنان الموجات الطولية في تجويف الليزر .
علاوة على ذلك تذكر أن طول الموجات الضوئية أصغر من معظم تجويفات الليزر
مثال 30سم حدعه المسافة الدائرية في ليزر الهيليوم نيون مساوياً لـ 475ألف
موجة طولية من 6328 ضوء أحمر .
لا يمكن للمرنان ان يكون فقط على 475000 موجه ولكن يكون أيضاً على 475001
و 475002 ألخ ، ان الموجات الطولية الإعداد تلك من الربح لليزرات الهيليوم
نيون . كما موضح في الشكل [ 3-7 ] كل قمة N للمرنان تسمى طريقة طولية
لليزر كل منها لديه أطول موجي مختلف .
إنتاج اشعاعات الليزر
رأينا جزء من الضوء في تجويف الليزر يخرج من خلال مخرجات المرايا مثل أشعة
الليزر ، ولكن إننا غضضنا النظر عن تفاصيل غنتاج الشعاع ، خصائص الأشعة
مثل الحجم توزيع الضوء معدل الانتشار او تباين الأشعة معتمدة على تتصميم
تجويف الليزر و مخرجات البصريات قبل أن نمعن النظر في ما هية التأثيرات ،
خصائص الأشعة يجب أن نفسر قليل من مفاهيم الليزر متضمنة التوزيع المكثف
وطرق الذبذبة .
الشكل 3-7 يمكن لعدد رنانات الفجوة ان تناسب مع مجموعة الترددات المكتسبة طبقاً لغاز الليزر
ربما نفتكر ببساطة ان شعاع الليزر مثل تجمع الأشعة الضوئية في نقطة لماعم
على الشاشة على كل حال إذا رسمنا خطاص يقطع الشعاع وثم قياس كثافة الضوء
من نقاط مختلفة سوف نجد أن هناك تفاوت في الكثافة وطبقاً لذلك يكون الشعاع
لا معاص في الوسط مع إسقاط الكثافة جانباً من الصعب أن نعرف بدقة أين يقف
الشعاع ، ومن الطبيعي قطعاً ان يعرف جزء محدد من الكقافة المركزية [
أحياناً 1/e2 حيثما e هي جزر اللوغرتيمات الطبيعية ]
شاهدنا مبكراً ان الليزرات تتذبذب في حركات طولية مختلفة مرسلة إلى اطوال الموجات التي تؤكد المعادلة :
Nl = 2x Cavity Lengtn
حيث N هي التكامل ، طول الموجة . وأيضاً يمكن ان تتذبذب الليزرات في
الحركات الانتقالية المختلفة التي تظهر نفسها في طراق مختلفة منالكثافة
خلال الشعاع تلك معتمدة على التصميم المرنان وسوف نلاحظها في تفاصيل أخرى .
نجد ان انحراف الشعاع انتقادي أيضاً ، كيف تقيس هذه الزاوية وكيف ينتشر
الشعاع سريعاً عن الليزر إذا عرفنا فيما بعد انحراف الشعاع نقدر أن نحسب
حجم بقعة الليزر .
انواع المرنات
حتى الآن لم نق ل شيئاً عن شكل المرآتينى الموضوعتين في تجويف الليزر ،
ربما افترضنا ان تكون مستطحتين . ذلك الترتيب البسيط يكون فقط أحد
التركيبات الممكنة كما موضح في الشكل [ 3-8 ] في الحقيقة بالرغم من انه
يبدو كمفهوم بسيط ، يتكون المرنان من مرآتين متوازيتين بدقة ومستطحتين
الشكل [ 3-8A ] يكون شعاع الضوء صاعداً بينهما واخيراً يخطى اشعاع السقوط
في أحد المرآتين ويتسبب في وقف ذبذبة الليزر إذا كانت أحدى تقل بنصف درجة
عن التوازي مع الآخرى فإن الضوء يسقط على المرآة الأخرى على عد طول 15سم
من المركز وقد يعكس الضوء إلى نقطة تبعد 1.3mm من مركز المرآة .
وقد يخطى حافة تجويف المرآة بـ 2mm من القطر . الإنعكاس الناتج قد يزيد من التأثيرات ويزيد من مقدار الضوء المفقود في الخارج .
الشكل 3-8 تركيبه تشكيلة لمعظم ليرنانات الليزر الكبيرة
هذا الضوء المتسرب المفقود يمكن تفاديه إذا كانت أحدى المرآتين محدبة كما
هو صمم في الشكل [ 3-8 ] تتيع اشعة الضوء في الأشكال [ 3-8B ] [ 3-8C ] ،
[ 3-8D ] ، [ 3-8E ] يمكنك كيف تجلب بؤرة المرآة المحدبة القوية الضوء إلى
وسط الليزر تعكس المرآة المحدبة الضوء إلى داخل التجويف ، حتى ولو لم يبعث
بدقة على طول محور الأنبوب كذلك المرآة الثانوية بتقويس الضوء الذي يتجه
إلى المرآة الأخرى مثل التركيبه التي تسمى بالرنات الثابت لأن الشعاع يتم
عكسه من مرىة إلى أخرى سوف يعود مرة من وقف لا حق .
الرنانات الثابتة معظمها جذابة إذا كان ربح الليزر قليل ، يجعل خسارته
قليلة من جهة اخرى ،إذا كان ربح الليزر عالى لاتكون هنالك مشكلة إذا تسرب
الضوء من جوانب التجويف بعد تكرار الانعكاسات للحصول على قمة المخرجات ،
من المهم جداً انتزاع الطاقة من كل الوسط المتحفز بين تجويف المرآتين .
أنظر الشكل [ 3-8 F ] حصل هذا المرنان على اسمه المرنان غير الثابت على
أسمه هذا ران الأشعة المعكوسة على التوالي من مراياها ، تنحرف أخيراً
للخارج إلى جوانب مزايا الليزر هذا على ما يدبو غير مرغوب فيه ، على كل
حال في ربح الليزرات العالية مثل هذه الخسارة تزيد عن العنسبلة بواسطة
محاسن جمع الطاقة من الحجم الأكبر لوسط الليزر .
يمكن أيضاً أن ترى الاخلاق بطريقة أخرى في ربح الليزر المنخفض يمكن نجد أن
معظم الخارج من المرآة يتم عكسه إلى داخل تجزيف الليزر إذا كانت مخرجات
المرآة 95% منها قابلة لإنعكاس، سوف ينعكس الضوء الذي خلال التجويف من
مخرجات المرآة قبل أن يبرز كشعاع مخرج وهذا يؤكد أن الضوء يمكن ان ينعكس
عائداً صعوداً بين المرآتين عدة مرات من جهة أخرى ، نجد أن مخرجات المرآة
في ربح الليزر العالى ربما تكون 60% قابله للإنعكاس لذا متوسط أشعة الضوء
التي سوف تنعكس قبل أن تبرز كشعاع ناتج . هذا موازنة مرآتي التجويف ذي
انتقادية أقل بكثير أن محاسن تجويف المرآة هي سهولة عملها ، خاصة في
ليزرات شبه الموصلات حيث ينتج بواسطة شق بلورة شبه الموصلات . هذا لا يسبب
أي مشكلة لأن ليزرات شبه الموصلات صغيرة جداً وذات ربح عالى .
سوف لا تدخل في تفاصيل نظرية رنانات الليزر لأنها تغوص في ضرب من التقصير
الرياضي – على كل حال ان رنانات الليزر يعني ان كلاً توزيع الشدة في
الشعاع الناتج والمعدل الذي ينتج عنه الشعاع ، رأينا سابقاً كيف يتفاعل
على طول الليزر هناك أيضاً طرق مستعرضة ، التي تحدد نموذج توزيع الشدة عبر
عرض شعاع الليزر يؤخذ مدى سعة الصفر في نموذج الطريقة المستعرضة والتي لها
قمة او أثنين أو أكثر في الجزء الوسط من الشعاع . كما هو موضح في الشكل [
3-9 ] هذا الشكل الرياضي يسمى منحني قاسيان هذا التوزيع المكثف [ 3 ] مثل
وظيفة المسافة من وسط شعاع الليزر [ 3 ] تعطي بـ
I ( r ) = ( 2P/ P d2 ) x ex p ( -2r2 / d2 )
الشكل 3-9 طريقة شعاع TEMoo وفيه من طرق أشعة مستعرضة أخرى
حيثما تكون P ي قدرة الشعاع و ل هي حجم النقطة المقاسة 1/e2 كثافة شدة
النقاط ، طريقة الترتيب الأولى هذه تسمى طريقة Temoo ، حيث M , T , E
تتوقف على الطرق المستعرضة الكهربائية والمغناطيسية على التوالي تقليدياً
الرقم الأول هو الطريقة E وثانياً الطريقة N , M بارزان M تشير إلى نقطة
الرقم صفر أو حدود دنيا ، بين حواف الإشعاع في اتجاه واحد ، و n تشير إلى
حدود الرقم بين حواف الشعاع في اتجاه متعامد ثم شعاع a TEM 01 له حد أدني
تقسييم الشعاع لنقطتين لا معتين شعاع a TEM له حدين متعامدين [ واحد لكل
اتجاه ]مقسمة الشعاع لارباع دائرة لخ . طريقة TEM00 مرغوبة لأنها تحدث
انفصال أقل مما في طريقة الترتيب العليا وسط الليزر الأقل كسباً مع مرنان
ثابت يمكنها ان تنتج طريقة الترتيب العليا وسط الليزر الأقل كسباً مع
مرنان ثابت يمكنها ان تنتج طريقة الترتيب الدنيا هذه ، يضيف التصميم التام
المفقودات لكبن ذبذبات طرق الترتيب العليا على كل حال بعض مرنانات الليزر
الثابتة تعمل في واحد أو أكثر على طرق الترتيب العليا خاصة عندما تصمم
لنتاج قدرة في حدها الأعلى .
المرنانات غير الثابتة لها اساسيات طرق مختلفة لانشاءها ويمكن معرفة السبب
الأساسي لهذا في الشكل [ 3-10 ] الذي يختبر المرنان غير الثابت كما في
المثال في الشكل [ 3-8F ] توجد ي داخل هذا المرنان غير الثالث مرآة معدنية
صلبة لذا نعكس بعض الضوء على داخل وسط الليزر عند ما يهرب الشعاع من
جوانبها .
الشكل 3-10 نموذج للمخرجات من المرنان غير الثابت عند حد أدني مركزي
تفاصيل المرنان غير الثابت تكون أكثر تقصيراً من طرق المرنان الثابت
ولكنها يمكن أن تجاوز العديد من المتغيرات بسلامة لن لها عادة تأثير قليل
وسوف ندرس في الفصل الرابع كيف تؤثر الطرق المستعرضة احتمالية اشعاع
الليزر .
تقنيات تحفيز الليزر
شرحنا العام لفيزياء الليزر اعطاك فكرة عن عمل الليزرات ولكن جعنا ننظر
لتحفيز الذرات والجزئيات الحقيقة لإنتاج عكسية التعداد يمكننا وصف أو شرح
انواع قواعد تحفيز الليزرات هنا ، حيث تعتمد التفاصيل على انواع الليرزات
ويوف يتم تغطيته في الفصل السادس والتالسع .
الضخ البصري :
الضخ البصري هو الذي يستخدم الفوتونات لتحضير الذرات والجزئيات . وأولها
كان هو طريق الاثبات او التظاهر ، وهو مفهوم .ربما يكون بسيط ، ويمكن ضخ
الثلاث أو الأربع مستويات البسيطة لليرز بصرياً لإثارة او تحضير الذرات أو
الجزئيات من حالتها الطبيعية إلى المستوى الأعلى لذا سوف تسقط في مستوى
الليزر الأعلى غير التاين فيبعث الضوء الشكل [ 3-1 ] و [ 3-2 ] ربما يجعله
يبدو وكان ضخ الضوء يجب أن يكون على طول موجبي خاص لأنه يظهر انتقالات
ضقية بين مستويات الطاقة المعزولة هذه ليست المشكلة ، هنالك مستويات عليا
متعددة التي تخلل او تذوب كلها إلى مستوى ليزر شبه المستقر الأعلى هذا
يعني ان الليزر يمكن يحفز لارسال او صدار أطول موجية إلى انتقال بين
الحالة الطبيعية والمستويات العليا تلك هناك عدة ليزرات منها يمكن ان يتم
ضخها بعيداً بمصدر انبعاث عالى خارج سلسلة الأطوال الموجيه مثل المصباح
المضئ ، على كل حال يلاحظ أن هناك خط ضيق يقع مع ليزر آخر ربما يمكنه
تحريك الطاقة بكفاءة أعلى وهذا يتطلب بعض الليزرات للعمل .
أحدى الحقائق الهامة هي أن ضخ الفوتون يجب أن يكون طاقته عالية او طول الموجه المكافئ أكبر من طول موجة الضوء المنبعث وذلك .
لأن أنواع الضوء المنبعث يجب أن تدفع فوق مستوى الليزر العلى من بداية
النقطة وذلك عادة يكون أسفل مستوى الليزر الأدني كما سوف نرى فيما بعد .
يمكن ان يستخدم ضخ البصريات مع أى وسط الليزر التي توضح ضخ الضوء عملياً
معظمها في الحالة الصلبه لليزرات خط البلوري ولليزرات السوائل المصبوغة
القابلة للتساعم – طاقة ضخ البصريات تكون موزعة ببثبات او في النبضات
بالرغم من أن معظم ليزرات الضخ البصري لا تستطيع إنتاج إشعاع ثابتز
الضخ الكهربائي
معظم مصادر الضوء الصناعية في حياتنا تحصل على طاقتها من الكهرباء ،
الليزر ليس مشتثنى من هذا وتكون الكهرباء مناسبة لنقل الطاقة منها كما سوف
نرى وهي مفيدة أيضاً لأنها تستخدم في تحفيز الليزرات [ توفر الكهرباء
أيضاً الطاقة الضوء المستخدمة في ضخ البصريات ، لكن هنا نتحدث عن
التحفيزات المباشرة لوسط الليزر بالكهرباء ]
ضوء فلورنت هي نقطة مفيدة للبداية لوصف ليزرات الغاز المخضرة يتدفق التيار
الكهربائي خلال الغاز في أنبوب فلوريستن ناقلاً الطاقة إلى الذرات او
الجزئيات في الغاز الذرات او الجزئيات المحفزة تختزل تلك الطاقة الزائدة
مثل المصباح المضئ شبعث ذرات الذرات الزئبق في أنابيب فلورينس المألوفة
حقيقاً تبعث الأشعة فوق البنفسجية التي تحفز طبقة العسنفور داخل الأنبوب
كى تبعث ضوء مرئي .
هي ليزر الغاز النموذجي الصغير ، يتدفق التيار الكهربائي خلال الأنبوب
ناقلاً معه الطافة الى الغاز تلك الطاقة تحفز أنواع الانبعاثات الضوء إلى
مستوى الليزر الأعلى ثم بعد ذلك تنتج انبعاثات محفزة كما في أنبوب فلورينس
، تعمل النبضات الفولتية العالية على تفريغ الغاز من الكهرباء ، ولكن يمكن
لمعظم الفولتان المنخفضة أن تحمل التيار الكهربائي ومن ثم تشغيل الليزر .
لبعض ناتج اليزرات الغاز المسافة كهربائيا اشعاعات ثابتة او موج مستمر مثل
التيار الثابت المار خلال الغاز بعضهما ينتج ضوء بعد ان تمر نبضات
كهربائية مكثفة خلال الغاز ، يتم تحفيز بعض ليزرات الطاقة العالية بواسطة
اشعة الفوتون التي يتم حرقها داخل الغاز .
تحضير ليزرات أشباه الموصلات :-
يختلف تشغيل ليرزات الموصلات :
يختلف تشغيل ليزرات اشباه الموصلات وليزرات التيارات الكهربائية عن تلك
الليزرات التي تضخ كهربائياً التي أشير إليها هنا علاه على التفاصيل
الكثيرة في الفصل الثامن يسر التيار خلال أشباه الموصلات منتجة عكسية
التعداد في طبقة رقيقة تسمى التوصيلة ، حيثما يتغير تركيب شبه الموصل .
مستوى الفولت الذي يحتاج له صغير جداً مقارنة مع ليزرات الغاز تلك .
ميكانيكيات التحول للطاقة الأخرى :
هناك عدة تغيرات في تحويل الطاقة بعضها بمجرد حصولها على الطاقة الكهربائية والبصرية بواسطة نوع واحد الذي يقوم تبقله للآخر .
مثال على ذلك تسبب ذرات الطاقة في ليزر الهليليوم نيون من التفريغ
الكهربائي من الغاز لذرات الهليليوم مستويات طاقة مغلقة أغلاق تام تلك
الذرات للأنبوب التي تمكنها أن تنقل طاقة التحفيز إلى ذرات النيون ثم تسقط
ذرات النيون في متسويات الليزر العليا غير المستقرة منتجة عكسية التعداد
التي تحتاجها لتوليد الضوء .
هناك أيضاً تقنيات اتضح تختلف عن ضخ البصريات والضخ الكهربائي .
مثال على ذلك تولد التفاعلات الكيميائية نوع محفز من كيمياء الليزر يمكن
للذرات والجزئيات ان تنتزع الطاقة المنتجة في التفاعلات النووية لعمل
اليزرات النووية ، يحصل ليزر الالكترون الحر على كافية من شعاع
الالكتروتات المارة بمجموعة إعداد مغنطيسية مرتبة وسوف نتعلم المزيد عن
هذه الأنواع من الليزرات غير الطبيعية في الفصل التاسع .
كفاءة الطاقة
في شرح ليزرات اتضح البصري ، أشرنا إلى ان طول الموجة المضخ دائماً يكون
أقل من الطول الموجي لليزر وهذا يكون صحا صحيحاً عرضاً في كل الليزرات
بإختصار الليرز ليس كقوة ضمنياً يجب عليك منع بعض الطاقة التي تحول من
إدخال طاقتك بشكل منظم اكثر من ضوء الليزر .
من السهل رؤية الطاقة المحدودة الأولى في الرسم البياني ببساطة لمستويات
الطاقة من ثلاثة او أربعة مستويات الليزر ضخ تدفع نوع الليزر من أسفل جدول
الطاقة إلى قمته انتقال الليزر مطلقة جزء من تلك الطاقة في بعض القضايا
المفقودة ضمنياً يكون قليلاً في بناء مستوى الطاقة . مثال الضخ البصرى على
500mm ربما تنتج مخرجات ليزر على 600mm هذا يعني أن 17% من طاقة ضخ
الفوتون لا تظهر في مخرجات الفوتون [ لا يحسب المفقود عند ضخ الشعاع الذي
ربما يكون جوهريا]يكون إنتقال الليزر بصيرا في بعض الأنظمة لمستوى أعلى
كافياً لبعض شعاع الليزر . لذا أكثر الطاقة تستخدم في رفع نوعية الليزر
كما سوف نرى في الفصل السادس ، هذا يؤثر على وضع سقف منخفض منخفض جداً
يساوي تقريباً 501% على كفاءة ليزر الأرجون – نيون .
هناك تحديد جاد آخر هو ان الشارة او التحضير لا تكون كافية 100% لا يمتص وسط الليزر الضوء المضخ او التيار الكهربائي المباشر داخله .
هناك أيضاً تحديدات ثابتة مثال لذلك الليزر الفعال يتطلب عكسية التعداد
لذا توضح بعض الطاقة في مادة الليزر لتوليد العكسية تتاركم الذرات
والجزئيات في المستوي الأدني ، لم تعد العكسية موجودة ولكن تبقي بعض
الذرات والجزئيات في مستوى طاقة عالى وفقدت الطاقة التي ابقتهم هناك .
كل هذه المؤثرات تتخذ لتحدد كفاءة الليزر بعض أشباه الموصلات يمكنها أن
تحول ثلث الطاقة الداخلة إلى ضوء ناتج ، ويمكن لليزر ثاني أكسيد الكربون
أن يحول نسبة الكهرباء الداخلة إلى ضوء على كل حال طبقاً للكفاءة [
أحياناً تسمى لقادة أداة التوصيل الكهربائي عندما يتم قيامها مثل القدرة
في VS مفتاح موحد ايقاف الليزر ] في بعض الليزرات يكون المفقود 1% سوف
ننظر هذه التحديدات مفصلة أكثر في الفصل الرابع .
اختبار الخط والتناغم
حتى الآن تحدثنا القليل عن العوامل التي تعين ما الطوال الموجية لبعض
الليزر كما سوف نرى لا حقاً ان بعض الليزرات تبعث فقط على الانتقال الحادي
، بينما البعض الآخر تنبعث على أثنين أو اكثر البعض في ليزر الهيليوم نيون
يمكنها أن تنبعث على عدة خطوط معتمدة على كيفية تعميمها في الاختبار وتكون
هناك عدة عمليات معقدة والتي
الشكل 3-11 ادخل حاجيات انتقال الليزر
تسيطر فيها الأرساليات او الانتقالات في ليزرات معطاه ، وعده معايير يجب ان يتم تقابلها قبل أن يحدث أي ليزر في أي إرسال .
للذرات والجزئيات بناءات مستوى طاقة معقد عموماص معظم الالكترونات ومعظم
مستويات الطاقة الالكترونية يمكن حدوثها او هي مهيئة يحدث فيها ذلك .
يأخذ شوط الانتقال مع سقوط الخصائص الصحيح لعمل ليزر جيد كما موضح في الشكل [ 3-11 ] هذا الخصائص تضمن في نوعية الليزر :-
1. الانتقال او الارسال مع احتمال عالى للتحفيز يحتاج إلى ضخ الذرات أو الجزئيات إلى طاقة عالية الإرسال .
2. الانتقالية ذات الاحتمال العالى يحتاج لها من تلك الحالة إلى مستوى الليزر طاقة الليزرات العليا لإنتاج عكسية التعداد.
3. حالة غير ثابته مع احتمالية إرسال منخفض للمستويات الدنيا يحتاج إليـها
لـذا سوف تبقي الذرات الجزئات على هذه الحالة ( مثل عكسية التعداد مدة
كافية ليتم تحفيزها كى تبقي ضوء الليزر.
4. [ مثاليا ] الانتقالية ذات الاحتمالية العالية في المستوى الأدني لحالة
منخفضة يكون مرغوب منها لاخلال مستوى الليزر الأدني وهذا يعين عكسية
التعداد .
التقاء هذه المتطلبات الأساسية لم تكن كافية لعمل الليزر ، على كل حال
يشغل الانتقال الأول في تبتابع فقط أذا كان هناك طريقة عملية وفعالة لنقل
طاقة التحفيز يمكن ان يتم نقل الطاقة بواسطة الضوء الالكترونات ،
الاصطدامات مع نوع آخر من الغاز ، او عمليات آخرى ولكن يمكن ان تنقل
بكفاءة تامة لتوليد عكسية التعداد .
تعتمد كفاءة نقل الطاقة واحتمالية الانتقال على عدة عوامل هي مثلاً من
ليزر الغاز تشمل ، ضغط غاز الليزر ، تجميع بعض الغازات الأخرى في مزيج
الليزر ، الحرارة ، حجم الأنبوب الليزر شده تدفق التيار خلال وسط الليزر .
لأن تبادات مستويات الطاقة مقعدة فإن تخفيز وسط الليزر تنتج عكسية
التعداد بطريقتين انتقاليتين أو أكثر شاملة مستوى ثالث أو أكثر هذا يمكن
أن يؤدي إلى انبعاثات محفزة على طولى الموجتين او أكثر وهي لا يكون مرغوب
فيها عادة ولكن يمكن التحكم فيها عادة .
طبيعة تضخيم الليزر تتحكم غي الطوال الموجية الحالية لأنها تسبب معظم
الانتقالات المحتملة تسيطر على الانبعاثات ى تحتاج ان تكون الاختلاف في
الانبعاث ذات الاحتمال القوي ان تكون ضخمه – حتى الاستهانة في اختلاف
الكسب مثل بين o.o4 و o.o5/cm كافية لتؤدي إلى أخلاق تمثيلي في قدرة
الانتقاليات التي تنشأ من نفس المستوى غير المتسقر لفهم كيف يعمل هذا ،
دعنا نلقى نظرة على المثال الرقمي البسيط يكسب انتقالات إلى إرسالات من
نفس المستوى غير الثابت o.o4 و o.o5 سم دعنا نفترض أنها بدأت بنفس القوة ،
ولتبسيط ماراتنا دعنا نستخدم معادلة بسيطة
Power = [ 1+ Galn ]Length
هذا يتجاهل تأثيرات مرنان المرآتين الذي فقد خلال وسط الليزر ويبعث
على كسب ممكن ، لا يمكن تتبع القواعد تماماً لتعطي وحدات القياس ، ولكنها
تعطي تقريبات معتمدة . جدول [ 3-1 ] يوضح كيف تنشئ القوة على خطين مع
مسافة داخل عاز الليزر القوة أو القدرة لاتضخم بمثليها توضحة الموضحة في
الليزر الحقيقي لكن الاختلاف الصغير في الكسب يسبب الخط قوي للسيطرة .
جدول [ 3-1 ] تأثير الكسب على القدرة القريبة .
بصريات التجويف :-
يمكن لبصريات الليزر أن تساعد أيضاً في اختبار طول الموجة التي فيها
يتذبذب لليزر ، كما يبدو لكل من أول وهلة لا تكون هناك مشكلة إذا كان طول
تجويف الليزر اطول من طول الموجة l وهذا يجعل Nl = 2 L يحدث كسب الليزر
سلسلة عريضة التي تلقي بعض الموجة ضمن المجموعة الملتقية ومعايير ذبذبتها .
على كل حال يمكن لبصريات التجويف أن تكتب الانتقالات بواسطة زيادة
الفقد في إرسال أطول الموجة مثال نفترض أن الليزر يبقي على انتقالين 600mm
و 400 لكنك تحتاجها فقط للذبذبة على 400mm لكن انتقال 600mm من الضوء ،
التجويف له فقد عالى لذا يبعث الليزر طول موجي قصير حتى إذا كان وسط
الليزر له نفس الكسب على كلا طولى الموجه .
من المحتمل أيضاً ان يتناغم انبعاث الليزر فوق سلسة اطوال الموجات
بواسطة وضع منشور تحليل الضوء في فجوة الليزر كما موضح في الشكل [3-12 ]
تخرج مختلف الأطوال من المنشور بزوايا مختلفة تنحني موجة واحدة على
الزاوية تماماً لترتد راجعة وصاعدة بين المرآتين في تجويف الليزر تنطلق
أطوال الموجات القصيرة والطويلة على اجناب التجويف وبالتالي يتم فقدها،
النتيجة الكسب الصافي في تجويف الليزر يكون هو الأعلى الطول الموجي الذي
تم اختياره بواسطة المنشور أو الحاجز مخرجات الطول الموجي يمكنها ان
تتناغم وقاطعته سلسلة الأطوال الموجيه [ عاده تكون محددة بواسطة مادة
الليزر ] بواسطة غدارة الحاجز المنشور او المرآة هذه الترتيبات تستخدم في
ليزر قابل للتناغم لعدة أنواع .
الشكل 3-12 ترتيب لطول موجي ليزر تناغم باستمرار
ماذا تعلمنا :-
· إذا تم الانعاكس التعداد يكون الانبعاث المحفز أكثر احتمالية من الامتصاص .
· اشغال المستوى الأعلى وإخلاء المستوى الأدني كلاهما ذات أهمية في صيانة
عكسية التعداد يجب أن تكون فترة بقاء مستوى الليزر العالى طويلة غير
معتادة .
· لكى يتم إنتاج عكسية التعداد يجب أن يحفز حالات خاصة ليس فقط بستخين المادة .
· الضوء والكهرباء هما نوعى من انواع الطاقة التي يستخدم معظهما أحياناص في تحفيز الليزر .
· يكون للنبضات الكهربائية عكسية التعداد يتم انتاجها ب
» موقع اخبارى مميز
» مكتبه الفنان عبده النزاوي
» مكتبه مطرب الكف ياسر رشاد
» مكتبه مطرب الكف - رشاد عبد العال - اسوان
» يلم دراما الزمن الجميل الرائع - أنا بنت مين, فريد شوقي, ليلى فوزي , حسين رياض
» فيلم الحرمان فيروز نيللي
» المسلسل البدوي البريئة
» مسلسل وضحا وابن عجلان