مبدأ توليد الليزر

لماذا نحتاج إلى معرفة مبدأ الليزر؟

معرفة الاختلافات بين ليزر أشباه الموصلات الشائعة والألياف والأقراص وياج ليزريمكن أن يساعد أيضًا في الحصول على فهم أفضل والمشاركة في المزيد من المناقشات أثناء عملية الاختيار.

تركز المقالة بشكل أساسي على العلوم الشعبية: مقدمة موجزة لمبدأ توليد الليزر، والبنية الرئيسية لليزر، والعديد من أنواع الليزر الشائعة.

أولا، مبدأ توليد الليزر

يتم توليد الليزر من خلال التفاعل بين الضوء والمادة، المعروف باسم تضخيم الإشعاع المحفز؛ يتطلب فهم تضخيم الإشعاع المحفز فهم مفاهيم أينشتاين حول الانبعاث التلقائي، والامتصاص المحفز، والإشعاع المحفز، بالإضافة إلى بعض الأسس النظرية الضرورية.

الأساس النظري 1: نموذج بور

يوفر نموذج بور بشكل أساسي البنية الداخلية للذرات، مما يجعل من السهل فهم كيفية حدوث الليزر. تتكون الذرة من نواة وإلكترونات خارج النواة، ومدارات الإلكترونات ليست اعتباطية. تحتوي الإلكترونات على مدارات معينة فقط، ومن بينها المدار الأعمق يسمى الحالة الأرضية؛ إذا كان الإلكترون في الحالة الأرضية، تكون طاقته هي الأدنى. إذا قفز الإلكترون من مدار ما، تسمى الحالة المثارة الأولى، وستكون طاقة الحالة المثارة الأولى أعلى من طاقة الحالة الأرضية؛ مدار آخر يسمى الحالة المثارة الثانية؛

السبب وراء إمكانية ظهور الليزر هو أن الإلكترونات ستتحرك في مدارات مختلفة في هذا النموذج. إذا امتصت الإلكترونات الطاقة، فيمكنها الانتقال من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة؛ إذا عاد الإلكترون من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية، فسوف يطلق طاقة، والتي غالبًا ما يتم إطلاقها على شكل ليزر.

الأساس النظري 2: نظرية الإشعاع المحفز لأينشتاين

في عام 1917، اقترح أينشتاين نظرية الإشعاع المحفز، وهي الأساس النظري لليزر وإنتاج الليزر: امتصاص المادة أو انبعاثها هو في الأساس نتيجة التفاعل بين مجال الإشعاع والجسيمات التي تشكل المادة، وجوهرها. الجوهر هو انتقال الجزيئات بين مستويات الطاقة المختلفة. هناك ثلاث عمليات مختلفة في التفاعل بين الضوء والمادة: الانبعاث التلقائي، والانبعاث المحفز، والامتصاص المحفز. بالنسبة لنظام يحتوي على عدد كبير من الجسيمات، فإن هذه العمليات الثلاث تتعايش دائمًا وترتبط ارتباطًا وثيقًا.

الانبعاث التلقائي:

كما هو موضح في الشكل: ينتقل الإلكترون الموجود على مستوى الطاقة العالية E2 تلقائيًا إلى مستوى الطاقة المنخفضة E1 ويصدر فوتونًا بطاقة hv، وhv=E2-E1؛ وتسمى عملية الانتقال التلقائية وغير المرتبطة بالانتقال التلقائي، وتسمى موجات الضوء المنبعثة من التحولات التلقائية بالإشعاع التلقائي.

خصائص الانبعاث التلقائي: كل فوتون مستقل، وله اتجاهات وأطوار مختلفة، كما أن زمن حدوثه عشوائي أيضًا. إنه ينتمي إلى الضوء غير المتماسك والفوضوي، وهو ليس الضوء الذي يتطلبه الليزر. ولذلك فإن عملية توليد الليزر تحتاج إلى تقليل هذا النوع من الضوء الشارد. وهذا أيضًا أحد الأسباب التي تجعل الطول الموجي لأشعة الليزر المختلفة يحتوي على ضوء شارد. إذا تمت السيطرة عليها بشكل جيد، يمكن تجاهل نسبة الانبعاث التلقائي في الليزر. كلما كان الليزر أنقى، مثل 1060 نانومتر، يكون كله 1060 نانومتر، وهذا النوع من الليزر يتمتع بمعدل امتصاص وقوة ثابتين نسبيًا.

الامتصاص المحفز:

تنتقل الإلكترونات عند مستويات الطاقة المنخفضة (المدارات المنخفضة)، بعد امتصاص الفوتونات، إلى مستويات طاقة أعلى (المدارات العالية)، وتسمى هذه العملية بالامتصاص المحفز. يعد الامتصاص المحفز أمرًا بالغ الأهمية وأحد عمليات الضخ الرئيسية. يوفر مصدر مضخة الليزر طاقة الفوتون لتسبب انتقال الجزيئات الموجودة في وسط الكسب وانتظار الإشعاع المحفز عند مستويات طاقة أعلى، مما يؤدي إلى انبعاث الليزر.

الإشعاع المحفز:

عند تشعيعه بضوء الطاقة الخارجية (hv=E2-E1)، فإن الإلكترون عند مستوى الطاقة المرتفع يثار بواسطة الفوتون الخارجي ويقفز إلى مستوى الطاقة المنخفض (يمتد المدار العالي إلى المدار المنخفض). وفي الوقت نفسه، يصدر فوتونًا مطابقًا تمامًا للفوتون الخارجي. هذه العملية لا تمتص ضوء الإثارة الأصلي، لذلك سيكون هناك فوتونان متطابقان، وهو ما يمكن فهمه على أن الإلكترون يبصق الفوتون الممتص مسبقًا، وتسمى عملية التلألؤ هذه بالإشعاع المحفز، وهي العملية العكسية للامتصاص المحفز.

وبعد أن تتضح النظرية، يصبح بناء الليزر أمرًا بسيطًا للغاية، كما هو موضح في الشكل أعلاه: في ظل الظروف العادية لاستقرار المواد، تكون الغالبية العظمى من الإلكترونات في الحالة الأرضية، والإلكترونات في الحالة الأرضية، ويعتمد الليزر على الإشعاع المحفز. لذلك، فإن هيكل الليزر يسمح بحدوث الامتصاص المحفز أولاً، مما يرفع الإلكترونات إلى مستوى الطاقة العالي، ثم يوفر الإثارة لتسبب عدد كبير من الإلكترونات ذات مستوى الطاقة العالية في الخضوع للإشعاع المحفز، وإطلاق الفوتونات، ومن هذا، يمكن توليد الليزر . بعد ذلك، سوف نقدم هيكل الليزر.

هيكل الليزر:

قم بمطابقة بنية الليزر مع شروط توليد الليزر المذكورة سابقًا واحدًا تلو الآخر:

حالة الحدوث والهيكل المقابل:

1. هناك وسط كسب يوفر تأثير التضخيم كوسط عمل الليزر، ولجزيئاته المنشطة بنية مستوى طاقة مناسبة لتوليد الإشعاع المحفز (قادر بشكل أساسي على ضخ الإلكترونات إلى مدارات عالية الطاقة وتتواجد لفترة زمنية معينة) ، ثم إطلاق الفوتونات في نفس واحد من خلال الإشعاع المحفز)؛

2. يوجد مصدر إثارة خارجي (مصدر المضخة) يمكنه ضخ الإلكترونات من المستوى الأدنى إلى المستوى الأعلى، مما يتسبب في انعكاس عدد الجسيمات بين المستوى العلوي والسفلي لليزر (أي عندما يكون هناك عدد أكبر من الجزيئات ذات الطاقة العالية أكثر من الجسيمات منخفضة الطاقة)، ​​مثل مصباح الزينون في ليزر YAG؛

3. يوجد تجويف رنين يمكنه تحقيق تذبذب الليزر، وزيادة طول عمل مادة العمل بالليزر، وفحص وضع موجة الضوء، والتحكم في اتجاه انتشار الشعاع، وتضخيم تردد الإشعاع المحفز بشكل انتقائي لتحسين أحادية اللون (التأكد من أن يتم إخراج الليزر بطاقة معينة).

يظهر الهيكل المقابل في الشكل أعلاه، وهو هيكل بسيط لليزر YAG. قد تكون الهياكل الأخرى أكثر تعقيدًا، ولكن جوهرها هو هذا. تظهر عملية توليد الليزر في الشكل:

تصنيف الليزر: يتم تصنيفه بشكل عام حسب وسيلة الكسب أو بواسطة شكل طاقة الليزر

كسب تصنيف المتوسطة:

ليزر ثاني أكسيد الكربون: وسيلة كسب ليزر ثاني أكسيد الكربون هي الهيليوم وليزر ثاني أكسيد الكربون,مع طول موجة ليزر يبلغ 10.6 ميكرون، وهو أحد أوائل منتجات الليزر التي تم إطلاقها. اعتمد اللحام بالليزر المبكر بشكل أساسي على ليزر ثاني أكسيد الكربون، والذي يستخدم حاليًا بشكل أساسي في لحام وقطع المواد غير المعدنية (الأقمشة والبلاستيك والخشب وما إلى ذلك). بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدامه أيضًا في آلات الطباعة الحجرية. لا يمكن أن ينتقل ليزر ثاني أكسيد الكربون عبر الألياف الضوئية وينتقل عبر المسارات الضوئية المكانية، وقد تم عمل أول Tongkuai بشكل جيد نسبيًا، وتم استخدام الكثير من معدات القطع؛

ليزر YAG (عقيق ألومنيوم الإيتريوم): يتم استخدام بلورات YAG المطعمة بأيونات معدن النيوديميوم (Nd) أو الإيتريوم (Yb) كوسيط لكسب الليزر، مع طول موجة انبعاث يبلغ 1.06 ميكرون. يمكن لليزر YAG أن ينتج نبضات أعلى، لكن متوسط ​​الطاقة منخفض، ويمكن أن تصل طاقة الذروة إلى 15 ضعف متوسط ​​الطاقة. إذا كان الليزر النبضي أساسًا، فلا يمكن تحقيق الإخراج المستمر؛ ولكن يمكن أن ينتقل عبر الألياف الضوئية، وفي الوقت نفسه يزداد معدل امتصاص المواد المعدنية، وقد بدأ تطبيقه في المواد عالية الانعكاسية، وتم تطبيقه لأول مرة في مجال 3C؛

ليزر الألياف: يستخدم الاتجاه الحالي في السوق ألياف الإيتربيوم المخدرة كوسيلة للكسب، بطول موجة يبلغ 1060 نانومتر. وهي مقسمة أيضًا إلى ألياف ليزر وأقراص بناءً على شكل الوسط؛ تمثل الألياف الضوئية IPG، بينما يمثل القرص Tongkuai.

ليزر أشباه الموصلات: وسيلة الكسب هي وصلة PN لأشباه الموصلات، ويبلغ الطول الموجي لليزر أشباه الموصلات بشكل أساسي 976 نانومتر. في الوقت الحالي، يتم استخدام أشعة الليزر شبه الموصلة بالأشعة تحت الحمراء القريبة بشكل أساسي في الكسوة، مع وجود بقع ضوئية أعلى من 600 ميكرومتر. Laserline هي مؤسسة تمثيلية لليزر أشباه الموصلات.

مصنفة حسب شكل عمل الطاقة: الليزر النبضي (PULSE)، الليزر شبه المستمر (QCW)، الليزر المستمر (CW)

الليزر النبضي: النانو ثانية، البيكو ثانية، الفيمتو ثانية، هذا الليزر النبضي عالي التردد (ns، عرض النبضة) يمكن أن يحقق في كثير من الأحيان طاقة ذروة عالية، معالجة عالية التردد (MHZ)، يستخدم لمعالجة المواد الرقيقة المتباينة من النحاس والألومنيوم، بالإضافة إلى التنظيف في الغالب . من خلال استخدام طاقة الذروة العالية، يمكنها إذابة المادة الأساسية بسرعة، مع وقت عمل منخفض ومنطقة صغيرة متأثرة بالحرارة. لديها مزايا في معالجة المواد الرقيقة جداً (أقل من 0.5 مم)؛

الليزر شبه المستمر (QCW): نظرًا لمعدل التكرار العالي ودورة التشغيل المنخفضة (أقل من 50%)، فإن عرض النبضةليزر كيو سي دبليويصل إلى 50 US-50 مللي ثانية، مما يملأ الفجوة بين ليزر الألياف المستمر بمستوى الكيلووات والليزر النبضي Q-switched؛ يمكن أن تصل الطاقة القصوى لليزر الألياف شبه المستمر إلى 10 أضعاف متوسط ​​الطاقة في ظل التشغيل المستمر. يحتوي ليزر QCW عمومًا على وضعين، أحدهما هو اللحام المستمر بطاقة منخفضة، والآخر هو اللحام بالليزر النبضي بقدرة ذروة تبلغ 10 أضعاف متوسط ​​الطاقة، والذي يمكن أن يحقق مواد أكثر سمكًا ولحامًا حراريًا أكبر، مع التحكم أيضًا في الحرارة داخل نطاق صغير جدًا؛

الليزر المستمر (CW): هذا هو الأكثر استخدامًا، ومعظم أجهزة الليزر الموجودة في السوق هي ليزر CW الذي ينتج الليزر بشكل مستمر لمعالجة اللحام. يتم تقسيم ليزر الألياف إلى ليزر أحادي الوضع ومتعدد الأوضاع وفقًا للأقطار الأساسية المختلفة ونوعية الشعاع، ويمكن تكييفها مع سيناريوهات التطبيق المختلفة.