وضع تشغيل الغاز بالليزر. انظر ما هو "ليزر الغاز" في القواميس الأخرى

ينتج عن هذا إشعاع في جميع الاتجاهات مع انتشار الأطوال الموجية وعدم وجود علاقة بين الفوتونات الفردية. وهذا ما يسمى بالانبعاث التلقائي. تنبأ رسم أينشتاين بأن الذرات المثارة يمكنها أيضًا تحويل الطاقة المخزنة إلى ضوء من خلال عملية تسمى الانبعاث المحفّز. تبدأ هذه العملية عادةً بذرة مثارة ، والتي تخلق أولاً فوتونًا عن طريق الانبعاث التلقائي. عندما يصل هذا الفوتون إلى ذرة مثارة أخرى ، يحفز التفاعل تلك الذرة لإصدار فوتون ثانٍ.

هذه العملية لها خاصيتان مهمتان. أولاً ، هو مضاعف - فوتون واحد يصبح اثنين. إذا تفاعل هذان الفوتونان مع ذرتين مثارتين أخريين ، فإن هذا سيعطي ما مجموعه أربعة فوتونات ، وهكذا. ثانيًا ، والأهم من ذلك ، أن هذين الفوتونين لهما نفس الخصائص: الطول الموجي ، والاتجاه ، والطور ، والاستقطاب. تؤدي هذه القدرة على "تضخيم" الضوء في وجود عدد كافٍ من الذرات المُثارة إلى "التضخيم البصري" الذي يقوم عليه عملية الليزر ويبرر تقليله من الانبعاث المبسط للإشعاع المعزز بالضوء.

تم العثور على عدد كبير من المواد الصلبة والسائلة والغازية التي تظهر مكاسب في ظل ظروف الضخ المناسبة. يوجد تجويف الليزر أو الرنان في مركز النظام. يكفي عبور واحد عبر مجموعة من الذرات أو الجزيئات المثارة لبدء عمل الليزر في بعض الأجهزة عالية الكسب مثل ليزر الإكسيمر ؛ ومع ذلك ، بالنسبة لمعظم أجهزة الليزر ، من الضروري زيادة تعزيز الكسب بتمريرات متعددة عبر وسيط الليزر.

يتم تحقيق ذلك على طول المحور البصري ، المحدد بواسطة مجموعة من المرايا الرنانة التي يتم إنشاؤها ردود الفعل. يتم وضع سطح التوليد على طول المحور البصري للرنان. هذا المحور الفريد ذو الكسب البصري العالي جدًا يصبح أيضًا اتجاه شعاع الليزر. مثال مختلف قليلاً عن محور الكسب الطويل الفريد هو ليزر الألياف.

الشكل يتم تحديد التجويف الأبسط بواسطة مرآتين متقابلتين - عاكس كامل وعاكس جزئي ، يمكن أن يختلف انعكاسهما من 30 إلى 100٪. يرتد الضوء ذهابًا وإيابًا بين هذه المرايا ، ويكتسب شدة مع كل مرور عبر وسط التضخيم. تُفقد الفوتونات المنبعثة تلقائيًا في اتجاهات خارج المحور ولا تساهم في تشغيل الليزر. عندما يتم تضخيم ضوء الليزر ، يخرج بعض الضوء من التجويف أو المذبذب عبر عاكس جزئي ؛ ومع ذلك ، في حالة التوازن ، يتم تعويض هذه "الخسائر البصرية" تمامًا عن طريق الكسب البصري الملحوظ في الهبوط الدائري المتتالي للفوتونات داخل الرنان.

ناتج الليزر هو بالضبط جزء من الشعاع الذي ينتقل بواسطة موصل الخرج. في ليزر مثالي ، تكون جميع الفوتونات في الحزمة الناتجة متطابقة ، مما ينتج عنه اتجاهية مثالية وأحادية اللون. هذا يحدد التماسك الفريد والسطوع لمصدر الليزر.

ينبعث الليزر المثالي من جميع الفوتونات بنفس الطاقة تمامًا وبالتالي نفس الطول الموجي ، وسيكون أحادي اللون تمامًا. تعتمد العديد من التطبيقات على أحادية اللون. على سبيل المثال ، في مجال الاتصالات السلكية واللاسلكية ، يمكن أن ترسل عدة أشعة ليزر ذات أطوال موجية متغيرة قليلاً في تدفقات متوازية من النبضات على نفس الألياف الضوئية دون تداخل. الليزر الحقيقي ليس أحادي اللون تمامًا لأن العديد من آليات التوسيع تعمل على توسيع وتيرة الفوتونات المنبعثة.

منطق. بالإضافة إلى كونها ذات الطول الموجي نفسه ، فإن الفوتونات التي تتكون منها حزمة الليزر تكون في طور ، أو "متماسكة" ، مما يؤدي إلى انتشار مجال كهربائي بواجهة موجة موحدة. التمثيل المثالي هو موجة مستوية تنتشر بواجهة موجة مستوية في اتجاه معين وحيث يواجه كل مستوى عموديًا على هذا الاتجاه نفس السعة والمرحلة للحقول الكهربائية والمغناطيسية في وقت معين.

عندما تتفاعل موجتان بهذه الخصائص ، فإنها تخلق أنماط تداخل ، كما في تجربة يونغ. تنحرف أشعة الليزر الحقيقية إلى حد ما عن هذا السلوك المثالي ، لكنها لا تزال المصادر التي تقترب بشكل أفضل من موجة مستوية متماسكة مثالية ، وتمكّن العديد من التطبيقات التي تعتمد على التداخل البصري. على سبيل المثال ، يتم قياس سطح العدسات والمرايا الدقيقة باستخدام مقاييس التداخل بالليزر ، بالإضافة إلى التغييرات الصغيرة في أنماط التداخل لمقاييس التداخل ذات المليمترات الطويلة المستخدمة في مطاردة واكتشاف موجات الجاذبية.

سطوع. يتمثل الاختلاف الأكثر وضوحًا بين أشعة الليزر ومصادر الضوء التقليدية في أن كل الضوء المنبعث ينتشر في نفس اتجاه الحزمة الشديدة. يُعرَّف الإشعاع بأنه مقدار الضوء المنبعث من المصدر لكل وحدة مساحة السطح والزاوية الصلبة للوحدة. يشع نجم مثل الشمس كمية كبيرة من الإشعاع لكل وحدة مساحة سطحية ، لكن هذا يشع في العديد من الاتجاهات المختلفة. على العكس من ذلك ، يتم توجيه شعاع الليزر بقوة ، مما يؤدي إلى سطوعه أكثر كثافة من الشمس ، كما هو الحال على سطح الأرض.

لهذا السبب ، فإن 5 ميجاوات فقط من الطاقة من مؤشر الليزر هي أكثر "إبهارًا" للعين من ضوء الشمس المباشر. نظرًا للسطوع العالي ، يمكن عرض شعاع الليزر على مسافات طويلة أو التركيز على منطقة صغيرة جدًا. ينتج الليزر المصمم جيدًا شعاعًا من الضوء يتمدد فقط بالحد الأدنى المطلوب بموجب قوانين الانعراج. على سبيل المثال ، يفرض الانعراج أن الحد الأدنى من البقعة التي يمكن الحصول عليها بواسطة شعاع الليزر يساوي تقريبًا الطول الموجي.

يمكن تقسيم الليزر إلى ثلاث فئات رئيسية: الموجة المستمرة والنبضية والفائقة السرعة. كما يوحي اسمها ، تنتج ليزرات الموجة المستمرة شعاعًا مستمرًا من الضوء ، بشكل مثالي مع طاقة خرج ثابتة للغاية. يتم تحديد الطول الموجي الدقيق أو الخط الذي يحدث عنده هذا من خلال خصائص وسيط الليزر. يرتبط كل طول موجة ليزر بعرض خط ، والذي يعتمد على عدة عوامل: عرض نطاق الكسب لوسط التوليد وتصميم التجويف البصري ، والذي قد يتضمن عناصر مصممة لتضييق عرض الخط عن قصد ، مثل المرشحات أو etalons.

إذا كان الليزر قادرًا على إنتاج خطوط مختلفة في نفس الوقت ، فإن الخطوة الأولى في تحديد الطول الموجي التشغيلي هي استخدام المرايا الرنانة التي تكون عاكسة للغاية فقط عند الطول الموجي المطلوب. ستمنع الانعكاسية المنخفضة للمرايا على جميع الخطوط الأخرى الوصول إلى عتبة التعرض لليزر. ومع ذلك ، حتى خط ليزر واحد يغطي في الواقع نطاقًا من الأطوال الموجية. على سبيل المثال ، تنتج ثنائيات الليزر ضوءًا في نطاق الطول الموجي لبضعة نانومترات ، وهو ما يتوافق مع "نطاق كسبها".

يتم تحديد الأطوال الموجية المحددة لحزمة الإخراج في نطاق الكسب هذا بواسطة الأنماط الطولية للرنان. يوضح الشكل 4 سلوك تجويف بمرآتين ، وهو التصميم الأساسي. للحفاظ على الكسب أثناء انتقال الضوء ذهابًا وإيابًا بين المرايا ، يجب أن تبقى الموجات في الطور و "تنسخ" نمط الموجة الخاص بها ، مما يعني أن المسافة بين ممرات التجويف يجب أن تكون بالضبط مضاعف الطول الموجي.

عادة ما يكون هذا عددًا صحيحًا كبيرًا جدًا نظرًا لأن الطول الموجي للضوء أصغر بكثير من طول التجويف النموذجي. تسمى الأطوال الموجية التي تحقق معادلة الرنين هذه بأنماط التجويف الطولي. سوف تتوافق أطوال موجات خرج الليزر الفعلية مع أوضاع التجويف التي تقع ضمن نطاق الكسب كما هو موضح في الشكل 4. ويسمى هذا الوضع عملية متعددة النطاقات.

باستخدام المثال القوي الصمام الثنائي بالليزر، المسافة بين الأنماط الطولية المجاورة متساوية. صورة. يتحكم تصميم الرنان أيضًا في ما يسمى بالأوضاع العرضية ، المسؤولة عن توزيع الكثافة على مستوى عمودي على اتجاه الحزمة. يحتوي شعاع الليزر المثالي على مقطع عرضي متماثل شعاعيًا: تكون الشدة أكبر في المركز ويكون الذيل عند الحواف ، بعد المظهر الجانبي الغوسي. عادةً ما يتم استخدام فتحة دائرية موجودة داخل التجويف لإجبار الليزر على العمل في وضعه الأساسي.

في المعالجة المتعددة ، توجد العديد من الأوضاع في نفس الوقت ، مما يؤدي غالبًا إلى ملف تعريف يبدو أنه غاوسي ولكنه في الواقع له خصائص متدهورة. تحتوي الأوضاع المستعرضة المختلفة أيضًا على ترددات مختلفة قليلاً ؛ ومع ذلك ، فإن هذا الاختلاف أصغر بكثير من الفرق بين الأنماط الطولية المجاورة. تستفيد التطبيقات مثل التصوير المجسم الذي يتطلب اتساقًا ممتازًا من استخدام الليزر بشريط طولي واحد. بالنسبة لبعض أنواع الليزر ضيق النطاق ، يتم تحقيق خرج أحادي النمط بتجويف طنين قصير جدًا ؛ هذا يجعل التباعد بين الأوضاع أكبر من عرض النطاق الترددي للكسب ، ووضع ليزر واحد فقط.

بشكل عام ، ومع ذلك ، يتم إدخال عنصر مرشح ، ويفضل أن يسمح فقط بأسلوب واحد ، في التجويف. يُطلق على النوع الأكثر شيوعًا من المرشحات اسم المرجع. باستخدام عدد من تحسينات التصميم المتطورة ، من الممكن قصر عرض خط الليزر على أقل من 1 كيلو هرتز ، وهو أمر مفيد للتطبيقات العلمية لقياس التداخل.

بعض ليزر الحالة الصلبةلها نطاق ترددي عريض للغاية يمتد إلى مئات النانومتر. بدلاً من أن يكون عيبًا ، يسمح هذا النطاق الترددي العريض بأشعة الليزر القابلة للضبط وفائقة السرعة. يحتوي مرشح الانكسار على وظيفتين: يضيق النطاق الترددي ويدور المرشح لتوفير ضبط سلس. يستخدم هذا المرشح من نفس النوع أيضًا كأداة مثبتة في المصنع لقفل الطول الموجي بقيمة دقيقة عندما تحتاج ليزر النطاق العريض إلى الضبط المسبق لطول موجي معين يعتمد على تطبيق معين.