مبدأ توليد الليزر

لماذا نحتاج إلى معرفة مبدأ عمل الليزر؟

معرفة الاختلافات بين ليزرات أشباه الموصلات الشائعة، والألياف، والأقراص، وليزر YAGكما يمكن أن يساعد ذلك في اكتساب فهم أفضل والمشاركة في المزيد من المناقشات أثناء عملية الاختيار.

يركز المقال بشكل أساسي على العلوم الشعبية: مقدمة موجزة عن مبدأ توليد الليزر، والبنية الرئيسية لأجهزة الليزر، والعديد من الأنواع الشائعة لأجهزة الليزر.

أولاً، مبدأ توليد الليزر

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

الأساس النظري 1: نموذج بور

يُقدّم نموذج بور بشكل أساسي البنية الداخلية للذرات، مما يُسهّل فهم كيفية حدوث الليزر. تتكون الذرة من نواة وإلكترونات حولها، ومدارات الإلكترونات ليست عشوائية. يمتلك الإلكترون مدارات مُحددة فقط، يُسمى المدار الأقرب إلى النواة بالحالة الأرضية؛ إذا كان الإلكترون في الحالة الأرضية، تكون طاقته في أدنى مستوياتها. إذا انتقل الإلكترون من مدار إلى آخر، يُسمى ذلك الحالة المُثارة الأولى، وتكون طاقة هذه الحالة أعلى من طاقة الحالة الأرضية؛ ويُسمى المدار التالي الحالة المُثارة الثانية.

يرجع سبب حدوث الليزر إلى حركة الإلكترونات في مدارات مختلفة ضمن هذا النموذج. فإذا امتصت الإلكترونات طاقة، فإنها تنتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة؛ وإذا عادت الإلكترونات من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية، فإنها تُطلق طاقة، غالباً ما تكون على شكل ليزر.

الأساس النظري الثاني: نظرية الإشعاع المحفز لأينشتاين

في عام ١٩١٧، اقترح أينشتاين نظرية الإشعاع المحفز، التي تُعدّ الأساس النظري لأشعة الليزر وإنتاجها: فامتصاص المادة أو انبعاثها هو في جوهره نتيجة تفاعل مجال الإشعاع مع الجسيمات المكونة للمادة، وجوهره انتقال الجسيمات بين مستويات طاقة مختلفة. توجد ثلاث عمليات مختلفة في تفاعل الضوء مع المادة: الانبعاث التلقائي، والانبعاث المحفز، والامتصاص المحفز. في نظام يحتوي على عدد كبير من الجسيمات، تتعايش هذه العمليات الثلاث دائمًا وترتبط ارتباطًا وثيقًا.

الانبعاث التلقائي:

كما هو موضح في الشكل: ينتقل إلكترون من مستوى الطاقة العالي E2 تلقائيًا إلى مستوى الطاقة المنخفض E1 ويصدر فوتونًا بطاقة hv، و hv=E2-E1؛ تسمى عملية الانتقال التلقائية وغير المرتبطة هذه بالانتقال التلقائي، وتسمى الموجات الضوئية المنبعثة من الانتقالات التلقائية بالإشعاع التلقائي.

خصائص الانبعاث التلقائي: كل فوتون مستقل، وله اتجاهات وأطوار مختلفة، كما أن وقت حدوثه عشوائي. يُصنف هذا النوع من الضوء ضمن الضوء غير المتماسك والفوضوي، وهو ليس الضوء المطلوب لتشغيل الليزر. لذلك، تتطلب عملية توليد الليزر تقليل هذا النوع من الضوء الشارد. وهذا أحد أسباب وجود الضوء الشارد في أطوال موجات الليزر المختلفة. إذا تم التحكم في نسبة الانبعاث التلقائي في الليزر بشكل جيد، يمكن تجاهلها. كلما كان الليزر أنقى، مثل ليزر 1060 نانومتر، يكون طول موجته 1060 نانومتر فقط، ويتميز هذا النوع من الليزر بمعدل امتصاص وقدرة ثابتين نسبيًا.

الامتصاص المحفز:

تنتقل الإلكترونات الموجودة في مستويات طاقة منخفضة (مدارات منخفضة) بعد امتصاصها للفوتونات إلى مستويات طاقة أعلى (مدارات عالية)، وتُعرف هذه العملية بالامتصاص المحفز. يُعدّ الامتصاص المحفز عمليةً أساسيةً وإحدى عمليات الضخ الرئيسية. يوفر مصدر ضخ الليزر طاقة الفوتونات اللازمة لتحفيز انتقال الجسيمات في وسط التضخيم، وانتظار الإشعاع المحفز عند مستويات طاقة أعلى، مما يؤدي إلى انبعاث الليزر.

الإشعاع المحفز:

عند تعرض الإلكترون لضوء ذي طاقة خارجية (hv=E2-E1)، فإنه يُثار بواسطة الفوتون الخارجي في مستوى الطاقة العالي، وينتقل إلى مستوى الطاقة المنخفض (أي ينتقل من المدار العالي إلى المدار المنخفض). وفي الوقت نفسه، يُصدر فوتونًا مطابقًا تمامًا للفوتون الخارجي. لا يمتص الإلكترون في هذه العملية ضوء الإثارة الأصلي، لذا ينتج فوتونان متطابقان، وهو ما يُمكن تفسيره بأن الإلكترون يُطلق الفوتون الذي امتصه سابقًا. تُسمى هذه العملية الإشعاعية بالإشعاع المُحفز، وهي العملية العكسية للامتصاص المُحفز.

بعد توضيح النظرية، يصبح بناء الليزر بسيطًا للغاية، كما هو موضح في الشكل أعلاه: في ظل ظروف استقرار المادة الطبيعية، تكون الغالبية العظمى من الإلكترونات في الحالة الأرضية، ويعتمد الليزر على الإشعاع المحفز. لذلك، تتمثل بنية الليزر في السماح بامتصاص محفز أولًا، مما يؤدي إلى رفع الإلكترونات إلى مستوى طاقة عالٍ، ثم توفير إثارة تجعل عددًا كبيرًا من الإلكترونات ذات مستوى الطاقة العالي تخضع للإشعاع المحفز، مطلقةً فوتونات، ومن ثمّ يُولّد الليزر. سنشرح فيما يلي بنية الليزر.

بنية الليزر:

قم بمطابقة بنية الليزر مع شروط توليد الليزر المذكورة سابقًا واحدة تلو الأخرى:

شروط الحدوث والبنية المقابلة:

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

2. يوجد مصدر إثارة خارجي (مصدر ضخ) يمكنه ضخ الإلكترونات من المستوى الأدنى إلى المستوى الأعلى، مما يتسبب في انعكاس عدد الجسيمات بين المستويين الأعلى والأدنى لليزر (أي عندما يكون هناك عدد أكبر من الجسيمات عالية الطاقة مقارنة بالجسيمات منخفضة الطاقة)، ​​مثل مصباح الزينون في ليزرات YAG؛

3. يوجد تجويف رنين يمكنه تحقيق تذبذب الليزر، وزيادة طول العمل لمادة عمل الليزر، وحجب نمط الموجة الضوئية، والتحكم في اتجاه انتشار الشعاع، وتضخيم تردد الإشعاع المحفز بشكل انتقائي لتحسين أحادية اللون (ضمان إخراج الليزر عند طاقة معينة).

يُظهر الشكل أعلاه البنية المقابلة، وهي بنية بسيطة لليزر YAG. قد تكون البنى الأخرى أكثر تعقيدًا، لكن هذه هي البنية الأساسية. وتُوضح عملية توليد الليزر في الشكل التالي:

تصنيف الليزر: يُصنف عمومًا حسب وسط التضخيم أو حسب شكل طاقة الليزر

تصنيف متوسط:

ليزر ثاني أكسيد الكربونالوسط الفعال في ليزر ثاني أكسيد الكربون هو الهيليوم وليزر ثاني أكسيد الكربون،بطول موجة ليزرية تبلغ 10.6 ميكرومتر، وهو من أوائل منتجات الليزر التي طُرحت في الأسواق. اعتمدت عمليات اللحام بالليزر المبكرة بشكل أساسي على ليزر ثاني أكسيد الكربون، والذي يُستخدم حاليًا بشكل رئيسي في لحام وقطع المواد غير المعدنية (الأقمشة، والبلاستيك، والخشب، وما إلى ذلك). بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم أيضًا في آلات الطباعة الحجرية. لا يمكن نقل ليزر ثاني أكسيد الكربون عبر الألياف الضوئية، بل ينتقل عبر مسارات بصرية مكانية. وقد تم إنجاز تقنية تونغكواي المبكرة بشكل جيد نسبيًا، واستُخدمت فيها العديد من معدات القطع.

ليزر YAG (غارنت الألومنيوم الإيتريوم): تُستخدم بلورات YAG المُطعّمة بأيونات النيوديميوم (Nd) أو الإيتريوم (Yb) كوسيط تضخيم ليزري، بطول موجة انبعاث يبلغ 1.06 ميكرومتر. يُمكن لليزر YAG إخراج نبضات أعلى، لكن متوسط ​​طاقته منخفض، بينما تصل ذروة الطاقة إلى 15 ضعف متوسط ​​الطاقة. إذا كان ليزرًا نبضيًا في الأساس، فلا يُمكن تحقيق إخراج مستمر؛ لكن يُمكن نقله عبر الألياف الضوئية، وفي الوقت نفسه، يزداد معدل امتصاص المواد المعدنية، وبدأ استخدامه في المواد ذات الانعكاسية العالية، وكان أول تطبيق له في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية.

الليزر الليفي: يستخدم النوع السائد حاليًا في السوق أليافًا مشبعة بالإيتربيوم كوسيط تضخيم، بطول موجي يبلغ 1060 نانومتر. وينقسم إلى نوعين رئيسيين: ليزر الألياف وليزر القرص، وذلك بناءً على شكل الوسيط؛ حيث يمثل ليزر الألياف الضوئية شركة IPG، بينما يمثل ليزر القرص شركة Tongkuai.

ليزر أشباه الموصلات: يتكون وسط التضخيم من وصلة PN شبه موصلة، ويبلغ طول موجة ليزر أشباه الموصلات 976 نانومترًا بشكل أساسي. تُستخدم ليزرات أشباه الموصلات القريبة من الأشعة تحت الحمراء حاليًا بشكل رئيسي في التغليف، حيث يبلغ قطر بقع الضوء فيها أكثر من 600 ميكرومتر. وتُعد شركة ليزرلاين من الشركات الرائدة في مجال ليزرات أشباه الموصلات.

يتم تصنيفها حسب شكل عمل الطاقة: ليزر نبضي (PULSE)، ليزر شبه مستمر (QCW)، ليزر مستمر (CW)

الليزر النبضي: يتميز هذا الليزر النبضي عالي التردد (نانو ثانية، بيكوثانية، فيمتوثانية) بقدرته على تحقيق طاقة ذروة عالية وتردد عالٍ (ميجاهرتز)، ويُستخدم في معالجة المواد الرقيقة من النحاس والألومنيوم، بالإضافة إلى التنظيف. وبفضل طاقة الذروة العالية، يُمكنه صهر المادة الأساسية بسرعة، مع زمن تشغيل قصير ومنطقة تأثر حراري صغيرة. كما يتميز بقدرته على معالجة المواد فائقة الرقة (أقل من 0.5 مم).

الليزر شبه المستمر (QCW): نظرًا لمعدل التكرار العالي ودورة التشغيل المنخفضة (أقل من 50٪)، فإن عرض النبضةليزر QCWتصل مدة النبضة إلى 50 ميكروثانية - 50 مللي ثانية، مما يسد الفجوة بين ليزر الألياف المستمر ذي القدرة بالكيلوواط وليزر النبضات ذي التبديل Q؛ ويمكن أن تصل ذروة قدرة ليزر الألياف شبه المستمر إلى 10 أضعاف متوسط ​​القدرة في وضع التشغيل المستمر. تحتوي ليزرات QCW عمومًا على وضعين، أحدهما لحام مستمر بقدرة منخفضة، والآخر لحام ليزر نبضي بقدرة ذروة تبلغ 10 أضعاف متوسط ​​القدرة، مما يتيح لحام مواد أكثر سمكًا وحرارة أكبر، مع التحكم في الحرارة ضمن نطاق ضيق جدًا.

الليزر المستمر (CW): هو الأكثر شيوعًا، ومعظم أنواع الليزر المتوفرة في السوق هي ليزرات CW تُصدر شعاعًا ليزريًا بشكل مستمر لعمليات اللحام. تُقسم ليزرات الألياف إلى ليزرات أحادية النمط وليزرات متعددة الأنماط وفقًا لأقطار النواة المختلفة وجودة الشعاع، ويمكن تكييفها مع سيناريوهات تطبيقية متنوعة.