كيف يتم إنتاج الليزر ؟

ليزرهو اختراع عظيم في القرن العشرين ، ويطلق عليه أسرع سكين ، المسطرة الأكثر دقة وألمع ضوء. الليزر (تضخيم الضوء بواسطة انبعاث الإشعاع المحفز) ، وهو ما يعني تضخيم الضوء الإشعاعي المحفز ، يصف مبدأتوليد الليزر. بعد ذلك ، دعونا نلقي نظرة على كيفية إنتاج الليزر.

الأساس النظري لليزر

نظرية تحفيز الإشعاع هي أساس توليد الليزر ، التي طرحها اينشتاين في. هناك مستويين للطاقة S1 و S2 في وسط اكتساب الليزر ، والذي يتوافق مع حالة الطاقة المنخفضة وحالة الطاقة العليامن انتقال الليزر على التوالي. فرق الطاقة بينهما يساوي hν. عندما يكون النظام عند مستوى الطاقة S1 ومشععًا بالفوتونات مع الطاقة hν ، يكون لديه احتمال معين لامتصاص الفوتونات والانتقال إلى مستوى الطاقة s2 وتسمى هذه العملية بالامتصاص المحفز. عندما يكون النظام عند مستوى الطاقة S2 ، هناك احتمال معين للقفز إلى مستوى الطاقة S1 وإطلاق فوتون الفلورسنت hν. وتسمى هذه العملية بالانبعاث التلقائي. إذا كان النظام عند مستوى الطاقة S2 وتم تشعيعه بواسطة hν ، فإنه يكون لديه احتمال معين لإطلاق فوتون بنفس التردد والمرحلة 1 واتجاه الانتشار مثل الفوتون الساقط. وتسمى هذه العملية الإشعاع المحفز. إذا تم وضع وسيط الكسب هذا الذي يحتوي على عدد كبير من الجزيئات عند مستوى الطاقة S2 بين مرايا متوازية متعاكسة ، يمكن تضخيم بعض الفوتونات الفلورية العمودية على المرايا بواسطة الإشعاع المحفز لتشكيل تذبذب ذاتي الإثارة ، وبالتالي ينبعث ضوء الليزر. يسمى العنصر البصري في الطرف الأيسر من تجويف الرنين مقرنة الإخراج ، وهو ما يعادل سطح عاكس مع نفاذية معينة ، وهو منفذ الليزر في تجويف الرنين.

مفتاح توليد الليزر

بشكل عام ، يكون الإشعاع المحفز ضعيفًا جدًا بحيث يصعب مراقبته ، ناهيك عن استخدامه لتوليد الليزر. عندما تكون المادة في حالة توازن حراري ، فإن توزيع الجزيئات في مستويات الطاقة يطيع توزيع بولتزمان. عدد الجسيمات N1 في حالة الطاقة المنخفضة S1 أكبر بكثير من عدد الجسيمات N2 في حالة الطاقة العليا S2 ، كما أن امتصاص فوتونات hν أكبر بكثير من امتصاص الإشعاع المحفز ، لذلك من المستحيل تحقيق الإشارات البصرية مجهرية. يكمن مفتاح توليد الليزر في انعكاس رقم الجسيمات ، بحيث يكون N2> n1 في الوقت الحالي ، عندما يعمل الليزر ، من الضروري اعتماد طريقة الإثارة (الضخ) المناسبة لتحقيق انعكاس رقم الجسيمات عند مستوى طاقة معين.

مع أخذ ليزر الصبغة كمثال ، تقدم هذه الورقة كيفية تحقيق انعكاس رقم الجسيمات. وسط الكسب من الليزر هو محلول صبغ عضوي. تشمل الأصباغ المستخدمة بشكل شائع الكومارين في الأشرطة الزرقاء والبنفسجية ، ورودامين في الأشرطة الحمراء والصفراء ، وما إلى ذلك. يحدث انتقال الليزر للأصباغ العضوية بشكل رئيسي في نطاقات الطاقة في حالتي S0 و S1. هذه الطاقة اثنينتتكون الأشرطة من العديد من مستويات الطاقة الدورانية والاهتزازية ، والتي يمكن اعتبارها مستمرة بسبب توسيع التصادم في المحلول. في عملية توليد الليزر ، يتم تشعيع جزيئات الصبغة بواسطة ضوء المضخة للانتقال من مستوى الطاقة السفلي للنطاق S0 إلى النطاق S1 ، ثم الانتقال بسرعة إلى مستوى الطاقة السفلي لـ S1 من خلال عدم الإشعاع ، أي حالة الطاقة العليا لانتقال الليزر. في انتقال الليزر ، تنتقل الجزيئات إلى مستوى الطاقة المحدد في نطاق الطاقة S0 وتطلق الفوتونات ، ثم تنتقل بسرعة إلى مستوى الطاقة السفلي لحزمة الطاقة S0. لأن حالة الطاقة العليا S2 من انتقال الليزر لها عمر طويل ، في حين أن عمر S1 قصير جدًا ، وتحت تأثير ضوء المضخة ، عدد كبير من الجزيئات متحمس لحالة الطاقة العليا S2 ، لذلك يمكن تحقيق انعكاس السكان. في نفس الوقت من توليد الليزر ، تتقاطع جزيئات الصبغة بين أنظمة توليد الفرقة S1 ، وتدخل النظام الثلاثي بعمر طويل في T1 ، وتترك دورة انتقال الليزر ، مما يؤثر على كفاءة الليزر. لذلك ، عندما يعمل ليزر الصبغة ، يكون كذلكمن الضروري إعادة تدوير محلول الصبغة.

الطول الموجي لليزر

العديد من الليزر لديها أحادية اللون جيدة ، وهذا هو ، عرض النطاق الترددي الطيفي للضوء الناتج ضيق. سواء كان طيف خرج الليزر ضيقًا أم لا يرتبط بالعوامل التالية. أولاً وقبل كل شيء ، يحدد وضع الضخ ومتوسط الليزر الذي يمكن تضخيمه في نطاق فوتونات الطول الموجي. وسائط كسب مثل ليزر الغاز ، ليزر إكسيمر و Nd: ليزر ياغ ، التي لديها مستويات طاقة متفرقة وتوزيع طاقة ضيق ، تنتج بشكل طبيعي ليزر مع عرض خط ضيق. ثانياً ، يمكن ضبط أحادي اللونية بالليزر بواسطة تجويف الرنين. إذا كان من الضروري إنتاج ليزر أحادي اللون جيد ، فمن الضروري ضبط تخفيف المكونات الطيفية المختلفة في تجويف الرنين لتضخيم مكونات طيفية محددة.