الخصائص الرئيسية لإشعاع الليزر هي: أحادية اللون، والتماسك المكاني والزماني، والاتجاهية، والطاقة العالية والسطوع.

أحادية اللون والاستقطاب .

تميز أحادية اللون درجة تركيز الإشعاع عبر الطيف. السمة الكمية لدرجة أحادية اللون هي عرض الخط الطيفي عند مستوى 0.5 من الحد الأقصى أو النطاق الطيفي الذي تشغله مجموعة الخطوط.

السمة الأكثر موضوعية هي العرض النسبي للطيف
، أين ,- التردد الزاوي والطول الموجي المطابق للحد الأقصى للطيف.

يتم تحديد عرض الوضع الطيفي المنبعث من الرنان من خلال عامل الجودة الخاص به
. بدورها القيمة تحددها الخسائر في الرنان.

يتم تحديد الحد النظري لعرض الخط الطيفي لإشعاع الليزر بواسطة عاملين: 1) الضوضاء الناجمة عن الإشعاع الحراري في الرنان؛ 2) الضوضاء المرتبطة بالانبعاث التلقائي للمادة الفعالة. في النطاق البصري، تسود الضوضاء الناتجة عن الانبعاث التلقائي على الضوضاء الحرارية. إذا أخذنا في الاعتبار فقط الضوضاء الناتجة عن التحولات التلقائية، يتبين أن الخط الطيفي لإشعاع الليزر الناتج له صيغة لورنتز (انظر القسم 1.7) بنصف العرض
، أين ر- الطاقة الناتجة من إشعاع الليزر.

لقوة انتاج الليزر ر= 1 ميجاوات، تنبعث في المنطقة الحمراء من الطيف ( λ 0 = 0.63 ميكرومتر) وبوجود عامل جودة مرنان قدره 10 8، نحصل عليه
≈ 5∙10 -16.
لأن ، فيل
=1m الانحراف المسموح به لطول الرنان هو

= 5∙10 -7 نانومتر. من الواضح أن تثبيت طول الرنان ضمن هذه الحدود يمثل مشكلة كبيرة. في الظروف الحقيقية، يتم تحديد إشعاع الليزر أحادي اللون من خلال التغيرات في طول التجويف الناتج عن التأثيرات الحرارية والاهتزازات وما إلى ذلك. دعونا نفكر في مسألة الاستقطاب إشعاع الليزر.الضوء الذي يوجد له اتجاه منظم لنواقل الشدةهوح، ويسمى الاستقطاب الضوء المستقطب المستوي هو الضوء الذي يكون اتجاه نواقل التذبذب فيهالضوء الذي يوجد له اتجاه منظم لنواقل الشدةهوفي أي نقطة في الفضاء تبقى دون تغيير في الزمن. في ليزر الحالة الصلبة، يتم استخدام تباين الخواص البصرية للمادة الفعالة لهذا الغرض. على سبيل المثال، عادةً ما يكون إشعاع الليزر الياقوتي مستقطبًا بسبب انكساره وعدم تطابق المحور البصري للبلورة مع محور الرنان.

التماسك يميز الحدوث المنسق في الزمان والمكان لاثنين أو أكثر من عمليات الموجات التذبذبية التي تظهر عند إضافتها معًا.

في أبسط صوره في البصريات يرتبط التماسك بثبات فرق الطور بين إشعاعين مختلفين أو جزأين من إشعاع واحد. لا يمكن ملاحظة تداخل إشعاعين عند إضافتهما إلا إذا كانا متماسكين بشكل متبادل.

بالنسبة للموجة الكهرومغناطيسية، يمكن تعريف مفهومين مستقلين - الفضاء وزمن التماسك.

يشير التماسك المكاني إلى الارتباط بين مراحل الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من نقطتي مصدر مختلفتين في نفس اللحظات من الزمن.

يشير التماسك الزمني إلى ترابط أطوار الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من نفس النقطة.

يعد التماسك المكاني والزماني معلمات مستقلة: يمكن أن يوجد نوع واحد من التماسك في غياب الآخر. يعتمد التماسك المكاني على وضع الإخراج العرضي لليزر. يتمتع ليزر الموجة المستمرة الذي يعمل على وضع عرضي واحد بتماسك مكاني مثالي تقريبًا. الليزر النبضي في الوضع المتعدد له تماسك مكاني محدود.

يرتبط التماسك الزمني ارتباطًا مباشرًا بأحادية اللون. تتمتع أشعة الليزر ذات الموجة المستمرة أحادية التردد (أحادية الوضع) بدرجة عالية من التماسك الزمني.

يمكن تحديد درجة التماسك المتبادل بين الباعثين بشكل تجريبي من خلال تباين نمط التداخل

, (1)

و
- الشدة عند الحد الأقصى والأدنى لأهداب التداخل.

عن طريق قياس الشدة
و
بالقرب من النقاط المحددة على الشاشة، يمكنك تحديد الوظيفة ، يصف درجة التماسك المتبادل من الدرجة الأولى.

. (2)

لمراقبة التماسك المكاني فقط في النقاط X 1 و X 2
، أي. قم بإجراء قياسات بالقرب من النقطة 0 (انظر الشكل 2.10). لمراقبة التماسك الزمني للثقب فقط X 1 و X 2 يجب أن تكون قريبة بالقدر المطلوب (متزامنة)، ولكن بالنسبة لموجتين متداخلتين، يجب توفير تأخير زمني على سبيل المثال، عن طريق فصل الموجة عن الحفرة X 1 إلى جزأين باستخدام مرآة شفافة إضافية، كما هو الحال في مقياس تداخل ميشيلسون.

أرز. 2.10. قياس درجة تماسك الموجة الكهرومغناطيسية باستخدام مقياس تداخل يونغ.

وقت التماسك هو 1/∆ ω ، أين ∆ ω - عرض الخط بالهرتز. زمن التماسك مضروبا في سرعة الضوء هو طول التماسك. ويصف الأخير عمق المجال في التصوير المجسم والمسافات القصوى التي يمكن عندها إجراء قياسات التداخل.

يعد تماسك الإشعاع أمرًا مهمًا في تطبيقات الليزر حيث يحدث الانقسام والدمج اللاحق لمكونات شعاع الليزر. وتشمل هذه التطبيقات تحديد المدى بالليزر والتصوير المجسم.

إذا قمنا بترتيب مصادر الإشعاع البصري حسب درجة تماسك توليدها الإشعاعي المتناقص، فسيكون لدينا: ليزر الغاز - السائل - ليزر الحالة الصلبة العازل - ليزر أشباه الموصلات - مصابيح تفريغ الغاز - مصابيح LED - المصابيح المتوهجة.

الاتجاه والسطوع.

اتجاه الإشعاع هو توطين الإشعاع بالقرب من اتجاه واحد وهو محور انتشار الإشعاع.

إشعاع الليزر بطبيعته اتجاهي للغاية. بالنسبة لإشعاع الليزر، يمكن أن يصل معامل الاتجاه إلى 2000. إن انحراف إشعاع الليزر محدود بظاهرة الحيود..

تتميز اتجاهية إشعاع الليزر بانحرافه، والذي يتم تحديده من خلال نسبة الطول الموجي للإشعاع المتولد إلى الحجم الخطي للمرنان  يكون إشعاع الليزر متماسكًا، وبالتالي تكون مقدمة الموجة، كقاعدة عامة، تقريبًا مستوى أو كرة ذات نصف قطر كبير جدًا. وبالتالي، يمكن اعتبار الليزر مصدرًا لأشعة متوازية تقريبًا ذات تباعد منخفض جدًا. من حيث المبدأ، يتم تحديد هذا الاختلاف من خلال حيود الأشعة عند فتحة الخرج. التباعد الزاوي izl
، أين ، يحددها الحيود، ويقدر بالتعبيرد

– قطر الثقب أو قطر الجزمة في أضيق جزء منها.

تحدد الاتجاهية العالية لإشعاع الليزر أيضًا سطوعه العالي. سطوع مصدر الموجات الكهرومغناطيسية هو قوة الإشعاع المنبعث من سطح وحدة في زاوية وحدة مصمتة في اتجاه عمودي على السطح المشع.

بالإضافة إلى السطوع النشط، تم تقديم مفهوم السطوع الضوئي. إنه يعمل على تقييم فعالية التعرض للضوء على العين البشرية. يتم الانتقال من كميات الطاقة إلى الكميات الضوئية من خلال المعامل
، اعتمادا على الطول الموجي.

هذا المعامل هو المعادل الضوئي لتدفق الإشعاع ويسمى الكفاءة المضيئة الطيفية للإشعاع أحادي اللونأو الرؤية. بالنسبة للرؤية النهارية العادية، فإن الحد الأقصى لوظيفة الرؤية يحدث عند الطول الموجي = 555 نانومتر (ضوء المرآة). في = 380 و 780 نانومتر تنخفض الرؤية إلى الصفر تقريبًا.

الليزر

درس شرح المادة الجديدة ساعتان الصف الحادي عشر

المادة مصممة لدرسين، درس منزلي ودرس ثالث، يتم خلاله سماع رسائل معدة حول استخدام الليزر. يجب ألا يعمل هيكل الدرس ومحتواه على توسيع آفاق الفرد بناءً على المعرفة المكتسبة في البصريات الكمومية فحسب، بل يجب أيضًا تطوير القدرة على التفكير والمقارنة والتعميم والتحليل.

تقدم الدرس

أنا.عنوان موضوع درس اليوم مكتوب باللغة الإنجليزية. ماذا يعني هذا باللغة الروسية؟ ( إجابة.الليزر هو الاختصار الإنجليزي للاسم.) اختر الأسماء المناسبة لكلمة "ليزر". (الإجابة: عرض، سلاح، طابعة، مؤشر، قرص...) تظهر الإجابات أنك على دراية باستخدام اختراع مذهل من القرن العشرين. - الليزر. والتأكيد على أهميتها هو منح جائزة نوبل في عام 1964 إلى N.G. Basov وA.M. Prokhorov وC. Townes "للعمل الأساسي في مجال الإلكترونيات الكمومية، مما أدى إلى إنشاء مولدات ومكبرات صوت تعتمد على مبدأ الليزر الليزري". ".

أمامك ليزر مختبري ومؤشرات ليزر. وأتساءل ما الذي يميز مصادر الضوء هذه، وكيف تم تصميمها، لأن مثل هذا التقييم العالي لاختراع الليزر ربما يستحق؟

ثانيا.يعتمد التضخيم الكمي للموجات الكهرومغناطيسية (EMW) على عمليتين: إثارة الإشعاع المحفز وتراكم الإثارة.

يرتبط الإشعاع عمومًا بانتقال الذرات (الجزيئات) من الحالة المثارة إلى طاقة ه مإلى حالة مستقرة ذات طاقة أقل ه ن. تردد الإشعاع في هذه الحالة هو . في مصادر الضوء التقليدية، عدد التحولات ه م ه نيساوي عدد التحولات ه ن ه ميحدث الإشعاع في نطاق واسع من الترددات، وتكون مراحل الموجات المنبعثة من الذرات الفردية عشوائية. ويسمى هذا النوع من الإشعاع تلقائي، أو تلقائي.

إذا قمنا بشكل مصطنع بإنشاء اكتظاظ سكاني لمستويات الطاقة العليا ه م، إذن، وفقًا لتخمين V.A. Fabrikant، الإشعاع الخارجي ذو التردد مليونيمكن تعزيز المرور عبر مثل هذا الوسط النشط بسبب التحولات في الوسط "المستفز" به ه م ه ن. هذا القسري، أو المستحثيختلف الإشعاع عن الإشعاع التلقائي: اتجاه الانتشار والاستقطاب والتردد ومرحلة الموجات المنبعثة من الذرات الفردية متطابقة تمامًا مع الموجة الخارجية.

لم يكن من الممكن لفترة طويلة خلق اكتظاظ مستقر للمستويات في نظام من مستويين، لأنه حدثت التحولات إلى المستوى الأدنى بسرعة كبيرة جدًا، بعد 10-8 ثوانٍ. تبين أن النظام ثلاثي المستويات أكثر استقرارًا، عندما انتقلت الإلكترونات لأول مرة من المستوى الأعلى إلى المستوى الأوسط (المستوى الفرعي)، ولم يكن هذا الانتقال مصحوبًا بالإشعاع، وبقي هناك لمدة تصل إلى 10 –3 ثوانٍ، ثم "سقط "إلى المستوى الأدنى بالإشعاع. في ليزر الياقوت، يتم إنشاء مستوى فرعي عن طريق إدخال شوائب الكروم في بلورة أكسيد الألومنيوم (الياقوت). هناك أيضًا أنظمة من أربعة مستويات.

مستوى م _____________
________________ المستوى الفرعي

مستوى ن _____________

في المولدات الكمومية بين المرايا تشكل ما يسمى مرنان فابري-بيرو، ضع الوسيط النشط. تمر الموجة عدة مرات من مرآة إلى أخرى، وتتكثف وتخرج جزئيًا من خلال المرآة الشفافة إلى الخارج. هل تعتقد أن طول الرنان - المسار بين المرايا - يمكن أن يكون موجودًا؟ اتضح أنه لا، يجب استيفاء شرط الرنين: يجب أن يحتوي طول المرنان على عدد صحيح من الأطوال الموجية للموجة المنتشرة في المرنان: 2 ، في = ن، أين ، في- المسافة بين المرايا، - الطول الموجي، ن- عدد صحيح.

هذا الشرط هو الأهم لتوليد الموجات، فهو يضمن أحادية اللون للإشعاع. لا يمكن أن تنشأ موجات من الترددات العشوائية في الليزر (مولد الكم). يتم إنشاء الموجات فقط مع مجموعة منفصلة من الترددات:

الليزر هو في الأساس نظام ذاتي التذبذب يتم فيه إثارة التذبذبات غير المخمدة عند أحد الترددات الطبيعية للرنان.

ثالثا.دعونا نتحقق من مدى فهمك لما قيل، وما هي الأفكار والأسئلة التي نشأت في ذهنك.

– لماذا سمي الليزر المصادر الكموميةهل ينشأ الإشعاع في المصادر التقليدية أيضًا نتيجة لانتقال الإلكترون من مستويات الطاقة العليا إلى المستويات الأدنى؟ ( إجابة. الليزر هو مصدر اصطناعي للإشعاع، وخصائصه الرئيسية، التي تميزه عن المصادر الطبيعية، هي أحادية اللون وتماسك الإشعاع.)

– ما خصائص موجة البداية الساقطة على تغير الوسط النشط في الليزر؟ ( إجابة. شدة.)

- تسمية العملية العكسية بعملية الانبعاث المحفز. ( إجابة. عملية الإثارة، والتي تتوافق مع انتقال الإلكترونات من مستويات الطاقة المنخفضة إلى المستويات العليا.)

– تسمية عناصر الليزر كنظام ذاتي التذبذب. ( إجابة. الرنانات، المتوسطة النشطة.)

– ما الذي يحدد في تصميم الليزر أحادية اللون للموجة المنبعثة؟ ( إجابة. المسافة بين المرايا.)

- ما هي فيزياء الانبعاث المحفز؟ ( إجابة. ظاهرة الرنين.)

رابعا.بناءً على الأدبيات التي تم تلقيها، في 3 دقائق، قم بإعداد تقارير في مجموعات حول تشغيل ليزر الياقوت وأشباه الموصلات والغاز والليزر الكيميائي. عند التقديم، التزم بالخطة: طريقة الحصول على أنظمة ثلاثية المستويات، وطريقة الإثارة، وميزات الجهاز ونطاق التطبيق. ارسم مخططًا مبسطًا على قطعة من ورق Whatman.

V.لقد سمعت الرسائل. تحقق من فهمك من خلال الإجابة على الأسئلة التالية:

– ما هو القاسم المشترك بين أنواع الليزر المختلفة؟ ( إجابة. يتم تحويل أنواع مختلفة من الطاقة إلى طاقة إشعاعية بصرية.)

- تسمية أوضاع تشغيل الليزر. ما الذي يحدد وضع التشغيل؟ ( إجابة. نبض مستمر. تحددها طريقة الإثارة ونوع الوسط النشط.)

- تسمية نطاقات الموجات المنبعثة من المولدات الكمومية. ما الذي يرجعون إليه؟ ( إجابة. نطاق الراديو – الماسرز؛ الأشعة السينية والبصرية بما في ذلك الأشعة تحت الحمراء والليزر.)

– هل هناك حد لتضخيم الإشعاع؟ ( إجابة. نعم. وإلا فإن النظام نفسه سوف يدمر نفسه. لكن استخدام التركيبات متعددة القنوات يزيد من هذا الحد بشكل كبير.)

سادسا.تظهر ملاحظة على الورقة: "لا تنظر إلى الليزر بعينك المتبقية".

لا يستحق النظر مباشرة إلى الليزر، حتى لو كان منخفض الطاقة - يمكن أن تكون شدة الضوء على شبكية العين أعلى بمقدار 10 4 مرات من الحد الأقصى لكثافة الأشعة الشمسية. إذا قام الشعاع بطريق الخطأ "بتشويه" العيون التي تركز على كائن آخر، فيمكنك أن تصاب بالعمى مؤقتًا فقط، دون حدوث ضرر لا يمكن إصلاحه للعين. لكن لا فائدة من البحث عن الحدود بين هذين النقيضين!

سابعا. دراسة تجريبية لخصائص إشعاع الليزر

1. أحادية اللون- الإشعاع الكهرومغناطيسي له تردد واحد محدد وثابت تمامًا. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن الموجات التي تستوفي شرط الرنين فقط هي التي يتم تضخيمها. ومع ذلك، فإن نسبة عدم اليقين الضوء الذي يوجد له اتجاه منظم لنواقل الشدة رحيؤدي إلى حقيقة أن طاقة الحالة المثارة على المستوى ميمكن أن يكون لها معاني بين ه م – الضوء الذي يوجد له اتجاه منظم لنواقل الشدةو ه م + الضوء الذي يوجد له اتجاه منظم لنواقل الشدةوبالتالي فإن الترددات المنبعثة من الليزر سوف تختلف باختلاف و.

أين ، يحددها الحيود، ويقدر بالتعبير= 1 مم - المسافة بين الخطوط، +3 و -3 - الزوايا التي يتم عندها ملاحظة الحد الأقصى للطلبات +3 و-3، ، في= 1 م. وبعد إجراء التحويلات نجد:

أين ح+3 و ح–3 – ارتفاعات الحد الأقصى المقابل. وقد قياس ح-3 = 10 سم و ح+3 = 14 سم وبالتعويض عن جميع القيم العددية نحصل على: = 730 نانومتر. - أحمر.]

يستعد تلاميذ المدارس لقياس الطول الموجي لإشعاع الليزر باستخدام الفرجار

للتحقق، سنقوم بإجراء قياسات باستخدام محزوز الحيود القياسي ن= 600 خط/مم. وبتوجيه الشعاع نحوه بشكل عمودي نحصل على:

وفقا للقياسات، ، في= 1 م، ك= ±1، ح+1 = 43.5 سم = 0.435 م، ح-1 = 45 سم = 0.45 م ثم:

قياس الطول الموجي لإشعاع الليزر باستخدام محزوز الحيود التقليدي

2. التماسك- الاتساق الزماني والمكاني للعديد من العمليات التذبذبية أو الموجية، مما يجعل من الممكن الحصول على نمط تداخل واضح عند إضافتها معًا.

التماسك الزمني هو المسؤول عن تكوين نمط التداخل عندما تنقسم الحزمة إلى قسمين. كلما اتسع طيف الإشعاع، قل تماسكه: وبالتالي، ترتبط أحادية اللون بالتماسك.

إذا قمنا بتوجيه شعاع الليزر نحو شاشة أو ورق نسخ أسود، فسنرى أنه ليس نقطة مستوية، مثل شعاع المصباح الكهربائي، ولكنه نمط من الحبوب الفردية، كما لو كانت ترقص. ويسمى هذا الهيكل - محبب، أو محبب، أو رقطة. يتم إنشاؤه بواسطة شعاع متوازي من الضوء المتماسك مكانيًا، والذي ينتشر بشكل منتشر على البنية الرقيقة لورقة من الورق ويتم تفسيره من خلال تداخل الضوء المبعثر بواسطة الخشونة الفردية، والتي يمكن مقارنة أبعادها بالطول الموجي للضوء. ويعني التماسك المكاني تطابق أطوار الموجات الضوئية المنبعثة من أي جزء من الليزر، مما يضمن استقرار نمط التداخل.

يتم تحديد وضوح نمط التداخل حسب حجم منطقة التماسك المكاني. ويمكن التحقق من ذلك تجريبيا من خلال ملاحظة تداخل الأشعة المارة عبر فتحتين صغيرتين، كما في تجربة يونج. وللقيام بذلك، وضعنا إبرتين بأذنين صغيرتين فوق بعضهما البعض، وعند إضاءتهما بمؤشر ليزر، حصلنا على نمط تداخل واضح، وهو دليل على التماسك المكاني لشعاع الليزر.

3. انحراف الشعاع المنخفض.ونظرًا للتباعد الضعيف، يكون شعاع الليزر مرئيًا كنقطة على عائق، حتى على مسافة كبيرة. دعونا نتحقق من ذلك من خلال التجربة. ضرب شعاع الليزر، المنعكس في المرآة، الشاشة.

في ، في= 10 م (طول الخزانة) وقطر الشعاع (= 740 نانومتر) عند الخروج من المؤشر د= كان قطر العارضة 3 مم عند سقوطها على المرآة د 1 = 6 ملم وعند سقوطها على الشاشة د 2 = 8 ملم. وكانت النتيجة انحراف شعاع يبلغ حوالي 2 مم على مسافة 10 أمتار.

في الواقع، من الناحية النظرية، يتم تحديد زاوية التباعد a فقط من خلال قطر الحزمة دوالطول الموجي:

بطول 10 م، يجب أن يزيد حجم الحزمة إلى 10 م 0.25 10 –3 = 2.5 10 –3 م = 2.5 مم. يتباعد شعاع المصباح بشكل ملحوظ.

4. الطاقة الإشعاعية.يعد الليزر أقوى مصادر الإشعاع: حيث تصل قوته إلى 1014 وات/سم2، بينما تبلغ قوة إشعاع الشمس 7103 وات/سم2. تبلغ قدرة الإشعاع الطيفية (التي تعزى إلى فترة طول موجية ضيقة = 10 –6 سم) 0.2 وات/سم2 للشمس و عند مؤشر الليزر.

دعونا نقيس قوة إشعاع مؤشر الليزر باستخدام التركيب الخاص بنا ونقارنها بقوة إشعاع المصباح الكهربائي.

التيار الذي يستهلكه المصباح هو 0.15 أمبير بجهد 3.6 فولت. قوة المصباح ص 1 = 0.15 أمبير 3.6 فولت = 0.54 واط. يتم الحصول على التيار الكهروضوئي عن طريق تشعيع خلية ضوئية باستخدام هذا المصباح الموجود على مسافة ، في= 10 سم، بلغت 25 ميكرو أمبير.

قوة التدفق الضوئي للمصباح، مع الأخذ في الاعتبار كفاءة الإضاءة للمصباح (5٪) وقطر الخلية الكهروضوئية (3 سم)، هي فقط:

تيار ضوئي من مؤشر ليزر يقع على نفس المسافة ، في= 10 سم، بلغت 300 ميكرو أمبير.

إذا كان خرج الضوء لمؤشر الليزر 0.6، فإن نسبة التيارات الضوئية هي:

وبالتالي فإن قوة إشعاع مؤشر الليزر

ثامنا.اليوم في الصف تعلمت ( يقول الطلاب): كيف ولماذا يختلف إشعاع الليزر عن الإشعاع من المصادر الأخرى؛ كيف يتم إنتاج هذا الإشعاع؟ ويبقى معرفة كيفية استخدام هذه الخصائص في الأجهزة التقنية: تكنولوجيا الوسائط، والأجهزة الطبية، والوسائل الثلاثية الأبعاد لتسجيل وإعادة إنتاج الصور، والأسلحة، والمفاعلات النووية الحرارية. تقوم كل مجموعة في المنزل بإعداد سؤال واحد وحل المشكلة.

أصبح الليزر أدوات بحثية ذات أهمية متزايدة في الطب والفيزياء والكيمياء والجيولوجيا والبيولوجيا والهندسة. إذا تم استخدامها بشكل غير صحيح، فإنها يمكن أن تسبب العمى والإصابة (بما في ذلك الحروق والصدمات الكهربائية) للمشغلين وغيرهم من الموظفين، بما في ذلك المارة في المختبر، فضلا عن أضرار كبيرة في الممتلكات. يجب على مستخدمي هذه الأجهزة فهم احتياطات السلامة اللازمة وتطبيقها بشكل كامل عند التعامل معها.

ما هو الليزر؟

كلمة "ليزر" (LASER، تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع) هي اختصار يعني "تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع". تردد الإشعاع الناتج عن الليزر يقع ضمن أو بالقرب من الجزء المرئي من الطيف الكهرومغناطيسي. يتم تضخيم الطاقة إلى كثافة عالية للغاية من خلال عملية تسمى الانبعاث المستحث بالليزر.

غالبًا ما يساء فهم مصطلح الإشعاع لأنه يستخدم أيضًا للوصف في هذا السياق، فهو يعني نقل الطاقة. تنتقل الطاقة من مكان إلى آخر عن طريق التوصيل والحمل الحراري والإشعاع.

هناك العديد من أنواع الليزر المختلفة التي تعمل في بيئات مختلفة. وسيلة العمل المستخدمة هي الغازات (على سبيل المثال، الأرجون أو خليط من الهيليوم والنيون)، والبلورات الصلبة (على سبيل المثال، روبي) أو الأصباغ السائلة. عندما يتم توفير الطاقة إلى وسط العمل، يصبح متحمسًا ويطلق طاقة على شكل جسيمات ضوئية (فوتونات).

زوج من المرايا على طرفي أنبوب مغلق إما يعكس أو ينقل الضوء في تيار مركز يسمى شعاع الليزر. تنتج كل بيئة تشغيل شعاعًا ذو طول موجي ولون فريد.

عادة ما يتم التعبير عن لون ضوء الليزر بالطول الموجي. وهو غير مؤين ويتضمن أجزاء من الطيف فوق البنفسجية (100-400 نانومتر) والمرئية (400-700 نانومتر) والأشعة تحت الحمراء (700 نانومتر - 1 مم).

الطيف الكهرومغناطيسي

كل موجة كهرومغناطيسية لها تردد وطول فريد مرتبط بهذه المعلمة. مثلما أن الضوء الأحمر له تردده وطوله الموجي الخاص، فإن جميع الألوان الأخرى - البرتقالي والأصفر والأخضر والأزرق - لها ترددات وأطوال موجية فريدة. يستطيع البشر إدراك هذه الموجات الكهرومغناطيسية، لكنهم غير قادرين على رؤية بقية الطيف.

الأشعة فوق البنفسجية لديها أيضا أعلى تردد. الأشعة تحت الحمراء وإشعاع الميكروويف وموجات الراديو تحتل الترددات المنخفضة من الطيف. يقع الضوء المرئي في نطاق ضيق جدًا بينهما.

تأثير على البشر

ينتج الليزر شعاعًا مكثفًا وموجهًا من الضوء. إذا تم توجيه الشعاع أو عكسه أو تركيزه على جسم ما، فسيتم امتصاصه جزئيًا، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة السطح والداخل للجسم، مما قد يتسبب في تغيير المادة أو تشوهها. هذه الصفات المستخدمة في الجراحة بالليزر ومعالجة المواد يمكن أن تشكل خطورة على الأنسجة البشرية.

بالإضافة إلى الإشعاع الذي له تأثير حراري على الأنسجة، فإن إشعاع الليزر الذي ينتج تأثيرًا كيميائيًا ضوئيًا يعد خطيرًا. حالتها قصيرة بما فيه الكفاية، أي الجزء فوق البنفسجي أو الأزرق من الطيف. تنتج الأجهزة الحديثة إشعاعات ليزر يتم تقليل تأثيرها على البشر. لا تحتوي أجهزة الليزر منخفضة الطاقة على طاقة كافية لإحداث الضرر، كما أنها لا تشكل خطراً.

الأنسجة البشرية حساسة للطاقة، وفي ظل ظروف معينة، يمكن أن يسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك إشعاع الليزر، ضررًا للعينين والجلد. وقد أجريت دراسات على مستويات عتبة الإشعاع المؤلم.

خطر العين

العين البشرية أكثر عرضة للإصابة من الجلد. القرنية (السطح الأمامي الخارجي الشفاف للعين)، على عكس الأدمة، لا تحتوي على طبقة خارجية من الخلايا الميتة لحمايتها من التأثيرات البيئية. يتم امتصاص الليزر من قبل قرنية العين مما قد يسبب لها الضرر. ويصاحب الإصابة تورم الظهارة وتآكلها، وفي حالة الإصابات الشديدة - غشاوة في الغرفة الأمامية.

يمكن أن تكون عدسة العين أيضًا عرضة للإصابة عند تعرضها لأشعة الليزر المختلفة - الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.

لكن الخطر الأكبر هو تأثير الليزر على شبكية العين في الجزء المرئي من الطيف البصري - من 400 نانومتر (البنفسجي) إلى 1400 نانومتر (بالقرب من الأشعة تحت الحمراء). داخل هذه المنطقة من الطيف، تركز الحزم المتوازية على مناطق صغيرة جدًا من شبكية العين. يحدث التأثير الأكثر سلبية عندما تنظر العين إلى مسافة بعيدة وتتعرض لشعاع مباشر أو منعكس. وفي هذه الحالة يصل تركيزه على الشبكية إلى 100 ألف مرة.

وبالتالي فإن شعاعًا مرئيًا بقوة 10 ميجاوات/سم2 يؤثر على شبكية العين بقوة 1000 وات/سم2. وهذا أكثر من كافٍ للتسبب في الضرر. إذا كانت العين لا تنظر إلى مسافة بعيدة، أو إذا كان الشعاع ينعكس من سطح منتشر غير مرآة، فإن الإشعاع الأكثر قوة يؤدي إلى الإصابة. إن التعرض لليزر على الجلد ليس له تأثير تركيز، لذا فهو أقل عرضة للإصابة بهذه الأطوال الموجية.

الأشعة السينية

يمكن لبعض أنظمة الجهد العالي ذات الفولتية الأكبر من 15 كيلو فولت توليد أشعة سينية ذات طاقة كبيرة: إشعاع الليزر، الذي تكون مصادره قوية يتم ضخها إلكترونيًا، وكذلك أنظمة البلازما ومصادر الأيونات. ويجب اختبار هذه الأجهزة لضمان الحماية المناسبة، من بين أمور أخرى.

تصنيف

اعتمادا على قوة أو طاقة الشعاع والطول الموجي للإشعاع، ينقسم الليزر إلى عدة فئات. يعتمد التصنيف على قدرة الجهاز على التسبب في إصابة فورية للعينين أو الجلد أو الحريق عند تعرضه مباشرة للشعاع أو عند انعكاسه من الأسطح العاكسة المنتشرة. يجب تحديد جميع أجهزة الليزر التجارية من خلال العلامات المطبقة عليها. إذا كان الجهاز مصنوعًا محليًا أو لم يتم وضع علامة عليه، فيجب الحصول على المشورة بشأن التصنيف المناسب له ووضع العلامات عليه. يتميز الليزر بالقوة والطول الموجي ومدة التعرض.

الأجهزة الآمنة

تولد أجهزة الدرجة الأولى إشعاع ليزر منخفض الكثافة. ولا يمكن أن يصل إلى مستويات خطيرة، لذا فإن المصادر معفاة من معظم الضوابط أو أشكال المراقبة الأخرى. على سبيل المثال: طابعات الليزر ومشغلات الأقراص المضغوطة.

أجهزة آمنة مشروطة

ينبعث ليزر من الدرجة الثانية في الجزء المرئي من الطيف. هذا هو إشعاع الليزر، الذي تسبب مصادره رد فعل طبيعي للنفور من الضوء الساطع للغاية (منعكس وميض). عند التعرض للشعاع، تومض العين البشرية خلال 0.25 ثانية، مما يوفر حماية كافية. ومع ذلك، فإن إشعاع الليزر في النطاق المرئي يمكن أن يلحق الضرر بالعين عند التعرض المستمر له. أمثلة: مؤشرات الليزر، والليزر الجيوديسي.

الليزر من الفئة 2a عبارة عن أجهزة ذات أغراض خاصة ذات طاقة خرج أقل من 1 ميجاوات. لا تسبب هذه الأجهزة ضررًا إلا عند تعرضها مباشرة لأكثر من 1000 ثانية خلال يوم عمل مدته 8 ساعات. على سبيل المثال: قارئات الباركود.

الليزر الخطير

تتضمن الفئة 3أ الأجهزة التي لا تسبب إصابة أثناء التعرض قصير المدى للعين غير المحمية. قد يشكل خطرًا عند استخدام بصريات التركيز مثل التلسكوبات أو المجاهر أو المناظير. أمثلة: ليزر هيليوم نيون بقدرة 1-5 ميجاوات وبعض مؤشرات الليزر ومستويات البناء.

يمكن أن يتسبب شعاع الليزر من الفئة 3ب في حدوث إصابة من خلال التعرض المباشر أو الانعكاس المرآوي. مثال: ليزر هيليوم نيون 5-500 ميجاوات، العديد من الليزرات البحثية والعلاجية.

تتضمن الفئة 4 الأجهزة ذات مستويات الطاقة التي تزيد عن 500 ميجاوات. فهي تشكل خطرا على العيون والجلد، كما أنها تشكل خطرا على الحريق. التعرض للشعاع وانعكاساته المرآوية أو المنتشرة يمكن أن يسبب إصابات في العين والجلد. ويجب اتخاذ جميع تدابير السلامة. على سبيل المثال: ليزر Nd:YAG، وشاشات العرض، والجراحة، وقطع المعادن.

إشعاع الليزر: الحماية

يجب على كل مختبر توفير الحماية الكافية للأشخاص الذين يعملون بالليزر. يجب تغطية نوافذ الغرف التي قد يمر من خلالها الإشعاع الصادر عن جهاز من الفئة 2 أو 3 أو 4 مسببًا ضررًا في المناطق غير الخاضعة للرقابة أو حمايتها أثناء تشغيل هذا الجهاز. لضمان أقصى حماية للعين، يوصى بما يلي.

• يجب أن تكون الحزمة محاطة بغلاف وقائي غير عاكس وغير قابل للاشتعال لتقليل مخاطر التعرض العرضي أو الحريق. لمحاذاة الشعاع، استخدم شاشات الفلورسنت أو المشاهد الثانوية؛ تجنب ملامسة العينين مباشرة.
• استخدم أقل طاقة لإجراء محاذاة الشعاع. إذا كان ذلك ممكنا، استخدم الأجهزة ذات الدرجة المنخفضة لإجراءات المحاذاة الأولية. تجنب وجود أجسام عاكسة غير ضرورية في منطقة تشغيل الليزر.
• الحد من مرور الشعاع إلى منطقة الخطر في غير ساعات العمل باستخدام المصاريع والحواجز الأخرى. لا تستخدم جدران الغرفة لمحاذاة شعاع الليزر من الفئة 3ب و4.
• استخدم أدوات غير عاكسة. بعض المعدات التي لا تعكس الضوء المرئي تصبح معكوسة في المنطقة غير المرئية من الطيف.
• لا ترتدي المجوهرات العاكسة. المجوهرات المعدنية تزيد أيضًا من خطر التعرض لصدمة كهربائية.

نظارات السلامة

يجب ارتداء نظارات السلامة عند العمل باستخدام أشعة الليزر من الفئة 4 في منطقة خطرة مفتوحة أو حيث يوجد خطر الانعكاس. نوعها يعتمد على نوع الإشعاع. يجب اختيار النظارات للحماية من الانعكاسات، وخاصة الانعكاسات المنتشرة، ولتوفير الحماية إلى مستوى يمكن أن يمنع فيه المنعكس الوقائي الطبيعي إصابة العين. ستحافظ هذه الأجهزة البصرية على بعض وضوح الشعاع، وتمنع حروق الجلد، وتقلل من احتمال وقوع حوادث أخرى.

العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار نظارات السلامة:

• الطول الموجي أو منطقة طيف الإشعاع؛
• الكثافة الضوئية عند طول موجي معين؛
• الحد الأقصى للإضاءة (W/cm2) أو قوة الشعاع (W)؛
• نوع نظام الليزر
• وضع الطاقة - إشعاع الليزر النبضي أو الوضع المستمر؛
• إمكانيات الانعكاس - مرآوية ومنتشرة؛
• مجال الرؤية
• وجود عدسات تصحيحية أو حجم كافٍ يسمح بارتداء النظارات لتصحيح الرؤية؛
• راحة؛
• وجود فتحات تهوية لمنع الضباب.
• التأثير على رؤية الألوان.
• مقاومة التأثير
• القدرة على أداء المهام الضرورية.

ونظرًا لأن نظارات الأمان عرضة للتلف والتآكل، فيجب أن يتضمن برنامج السلامة في المختبر فحصًا دوريًا لميزات السلامة هذه.

في الشعاع الضيق، عادة ما يتم استخدام عدسة ميزاء محدبة ثنائية. ومع ذلك، مع التركيز عالي الجودة للحزمة (والتي يمكن إجراؤها بشكل مستقل عن طريق تشديد صامولة تثبيت العدسة)، يمكن استخدام المؤشر لإجراء تجارب باستخدام شعاع الليزر (على سبيل المثال، لدراسة التداخل). تتراوح قوة مؤشرات الليزر الأكثر شيوعًا بين 0.1 و50 ميجاوات؛ وتتوفر أيضًا للبيع مؤشرات أقوى تصل إلى 2000 ميجاوات. في معظمها، لا يتم إغلاق الصمام الثنائي الليزري، لذلك يجب تفكيكها بحذر شديد. مع مرور الوقت، "يحترق" صمام الليزر الثنائي المفتوح، مما يؤدي إلى انخفاض قوته. بمرور الوقت، سيتوقف هذا المؤشر عمليا عن السطوع، بغض النظر عن مستوى البطارية. مؤشرات الليزر الخضراء لها بنية معقدة وتذكرنا أكثر بالليزر الحقيقي في التصميم.

مؤشر الليزر

أنواع مؤشرات الليزر

استخدمت النماذج المبكرة لمؤشرات الليزر ليزر غاز الهيليوم النيون (HeNe) والإشعاع المنبعث في نطاق 633 نانومتر. كانت قوتهم لا تزيد عن 1 ميجاوات وكانت باهظة الثمن. في الوقت الحاضر، تستخدم مؤشرات الليزر عادةً صمامات ثنائية حمراء أقل تكلفة بطول موجة يتراوح بين 650-670 نانومتر. تستخدم المؤشرات الأكثر تكلفة قليلاً الثنائيات البرتقالية والحمراء ذات π = 635 نانومتر، مما يجعلها أكثر سطوعًا للعين، لأن العين البشرية ترى الضوء عند π = 635 نانومتر أفضل من الضوء الذي يكون π = 670 نانومتر. يتم أيضًا إنتاج مؤشرات ليزر بألوان أخرى؛ على سبيل المثال، يعد المؤشر الأخضر الذي يبلغ 532 نانومتر بديلاً جيدًا للمؤشر الأحمر الذي يبلغ 635 نانومتر، حيث أن العين البشرية أكثر حساسية للضوء الأخضر بمقدار 6 مرات تقريبًا مقارنة باللون الأحمر. في الآونة الأخيرة، اكتسبت مؤشرات الليزر الصفراء والبرتقالية ذات 593.5 نانومتر ومؤشرات الليزر الزرقاء ذات 473 نانومتر شعبية كبيرة.

مؤشرات الليزر الحمراء

النوع الأكثر شيوعا من مؤشر الليزر. تستخدم هذه المؤشرات ثنائيات ليزر مع ميزاء. وتتراوح الطاقة من حوالي واحد ملي واط إلى واط. يتم تشغيل المؤشرات منخفضة الطاقة في شكل سلسلة مفاتيح بواسطة بطاريات "كمبيوتر لوحي" صغيرة وتكلف اليوم (أبريل 2012) حوالي دولار واحد. تعد المؤشرات الحمراء القوية من بين أرخص المؤشرات من حيث نسبة السعر إلى القوة. وبالتالي، فإن مؤشر الليزر القابل للتركيز بقوة 200 ميجاوات، والقادر على إشعال المواد التي تمتص الإشعاع جيدًا (أعواد الثقاب، والشريط الكهربائي، والبلاستيك الداكن، وما إلى ذلك)، يكلف حوالي 20-30 دولارًا. الطول الموجي حوالي 650 نانومتر.

تستخدم مؤشرات الليزر الحمراء النادرة ليزر الحالة الصلبة (DPSS) المضخ بالديود وتعمل بطول موجة يبلغ 671 نانومتر.

مؤشرات الليزر الخضراء

جهاز مؤشر ليزر أخضر، نوع DPSS، الطول الموجي 532 نانومتر.

شعاع مؤشر ليزر بقوة 100 ميجاوات موجه إلى سماء الليل.

بدأ بيع مؤشرات الليزر الخضراء في عام 2000. النوع الأكثر شيوعًا من ليزر الحالة الصلبة الذي يتم ضخه بواسطة الصمام الثنائي (DPSS). لا يتم إنتاج ثنائيات الليزر الخضراء، لذلك يتم استخدام دائرة مختلفة. يعد الجهاز أكثر تعقيدًا من المؤشرات الحمراء التقليدية، ويتم الحصول على الضوء الأخضر بطريقة مرهقة إلى حد ما.

أولاً، يتم ضخ بلورة الإيتريوم أورثوفانادات المشبعة بالنيوديميوم (Nd:YVO 4) بواسطة صمام ثنائي ليزر قوي يعمل بالأشعة تحت الحمراء (عادةً > 100 ميجاوات) مع 808 = 808 نانومتر، حيث يتم تحويل الإشعاع إلى 1064 نانومتر. بعد ذلك، يمر عبر بلورة من فوسفات تيتانيل البوتاسيوم (KTiOPO 4، يختصر KTP)، ويتضاعف تردد الإشعاع (1064 نانومتر → 532 نانومتر) ويتم الحصول على الضوء الأخضر المرئي. تبلغ كفاءة الدائرة حوالي 20%، ويأتي معظمها من مزيج من 808 و1064 نانومتر من الأشعة تحت الحمراء. في المؤشرات القوية التي تزيد عن 50 ميجاوات، يجب تركيب مرشح للأشعة تحت الحمراء (مرشح الأشعة تحت الحمراء) لإزالة الأشعة تحت الحمراء المتبقية وتجنب الإضرار بالرؤية. ومن الجدير بالذكر أيضًا استهلاك الطاقة العالي لأشعة الليزر الخضراء - حيث يستخدم معظمها بطاريتين AA/AAA/CR123.

473 نانومتر (اللون الفيروزي)

ظهرت مؤشرات الليزر هذه في عام 2006 ولها مبدأ تشغيل مماثل لمؤشرات الليزر الخضراء. يتم إنتاج ضوء 473 نانومتر عادةً عن طريق مضاعفة تردد ضوء الليزر 946 نانومتر. للحصول على 946 نانومتر، يتم استخدام بلورة من عقيق ألومنيوم الإيتريوم مع إضافات النيوديميوم (Nd:YAG).

445 نانومتر (أزرق)

في مؤشرات الليزر هذه، ينبعث الضوء من صمام ثنائي ليزر أزرق قوي. تنتمي معظم هذه المؤشرات إلى فئة خطر الليزر 4 وتشكل خطراً جسيماً على العينين والجلد. لقد بدأوا في الانتشار بنشاط فيما يتعلق بإصدار Casio لأجهزة العرض باستخدام ثنائيات ليزر قوية بدلاً من المصابيح التقليدية.

مؤشرات الليزر الأرجواني

يتم إنشاء الضوء الموجود في المؤشرات الأرجوانية بواسطة صمام ثنائي ليزر ينبعث منه شعاع بطول موجة 405 نانومتر. يقع الطول الموجي 405 نانومتر في حدود النطاق الذي تدركه الرؤية البشرية، وبالتالي يبدو إشعاع الليزر الصادر عن هذه المؤشرات خافتًا. ومع ذلك، فإن الضوء الصادر عن المؤشر يتسبب في تألق بعض الأشياء التي يستهدفها، وهو أكثر سطوعًا للعين من سطوع الليزر نفسه.

ظهرت مؤشرات الليزر الأرجوانية مباشرة بعد ظهور محركات أقراص Blu-ray، وذلك بالتزامن مع بدء الإنتاج الضخم لثنائيات الليزر بطول 405 نانومتر.

مؤشرات الليزر الصفراء

تستخدم مؤشرات الليزر الصفراء ليزر DPSS الذي ينبعث خطين في وقت واحد: 1064 نانومتر و1342 نانومتر. يدخل هذا الإشعاع إلى بلورة غير خطية، تمتص الفوتونات من هذين الخطين وتبعث فوتونات طولها 593.5 نانومتر (الطاقة الإجمالية للفوتونات 1064 و1342 نانومتر تساوي طاقة الفوتون 593.5 نانومتر). تبلغ كفاءة هذا النوع من الليزر الأصفر حوالي 1%.

باستخدام مؤشرات الليزر

أمان

يعد إشعاع الليزر خطيرًا إذا لامس العينين.

تتمتع مؤشرات الليزر التقليدية بقدرة تتراوح من 1 إلى 5 ميجاوات وتنتمي إلى فئة الخطر 2 - 3A ويمكن أن تشكل خطراً إذا تم توجيه الشعاع إلى العين البشرية لفترة طويلة بما فيه الكفاية أو من خلال الأجهزة البصرية. تنتمي مؤشرات الليزر بقوة 50-300 ميجاوات إلى الفئة 3B وتكون قادرة على التسبب في أضرار جسيمة لشبكية العين حتى عندما تتعرض لفترة وجيزة لشعاع ليزر مباشر، بالإضافة إلى شعاع ليزر براق أو منعكس بشكل منتشر.

في أحسن الأحوال، تكون مؤشرات الليزر مزعجة فقط. لكن العواقب ستكون خطيرة إذا أصاب الشعاع عين شخص ما أو كان موجهاً نحو السائق أو الطيار ويمكن أن يصرف انتباهه أو حتى يعميه. وإذا أدى ذلك إلى وقوع حادث، فسوف يترتب عليه مسؤولية جنائية.

تتسبب "حوادث الليزر" العديدة بشكل متزايد في مطالبة روسيا وكندا والولايات المتحدة والمملكة المتحدة بالحد من مؤشرات الليزر أو حظرها. توجد بالفعل في نيو ساوث ويلز غرامة على حيازة مؤشر ليزر، وعلى "الهجوم بالليزر" - عقوبة السجن لمدة تصل إلى 14 عامًا.

من المهم أيضًا مراعاة أن معظم أجهزة الليزر الصينية الرخيصة التي تعمل على مبدأ المضخة (أي الأخضر والأصفر والبرتقالي) لا تحتوي على مرشح للأشعة تحت الحمراء لأسباب اقتصادية، وتشكل أجهزة الليزر هذه في الواقع خطرًا أكبر على العيون من ذلك. ذكرت من قبل الشركات المصنعة.

ملحوظات

روابط

• موقع سلامة مؤشر الليزر يتضمن بيانات السلامة

مدة إشعاع الليزر

يتم تحديد المدة حسب تصميم الليزر. يمكن تمييز الأنماط النموذجية التالية لتوزيع الإشعاع مع مرور الوقت:

الوضع المستمر.

وضع النبض، يتم تحديد مدة النبض من خلال مدة فلاش مصباح المضخة، المدة النموذجية Dfl ~ 10-3 s؛

وضع تبديل Q للمرنان (يتم تحديد مدة نبضة الإشعاع من خلال زيادة الضخ فوق عتبة الليزر وسرعة وسرعة التبديل على عامل Q، وتقع المدة النموذجية في نطاق 10-9 - 10 -8 ثانية، وهذا هو ما يسمى نطاق النانو ثانية من فترات الإشعاع)؛

وضع التزامن والأوضاع الطولية في الرنان (مدة نبضة الإشعاع Dfl ~ 10-11 ثانية - نطاق البيكو ثانية من فترات الإشعاع)؛

أوضاع مختلفة للتقصير القسري لنبضات الإشعاع (Dfl ~ 10-12 ثانية).

كثافة الطاقة الإشعاعية

يمكن تركيز إشعاع الليزر في شعاع ضيق ذو كثافة طاقة عالية.

يتم تحديد كثافة قدرة الإشعاع Ps بواسطة نسبة قدرة الإشعاع التي تمر عبر المقطع العرضي لشعاع الليزر إلى مساحة المقطع العرضي ولها البعد W cm-2.

وبناء على ذلك، يتم تحديد كثافة الطاقة الإشعاعية Ws بنسبة الطاقة المارة عبر المقطع العرضي لشعاع الليزر إلى مساحة المقطع العرضي ولها البعد J cm-2

تصل كثافة الطاقة في شعاع الليزر إلى قيم كبيرة بسبب إضافة طاقة عدد كبير من الإشعاعات المتماسكة للذرات الفردية التي تصل إلى نقطة مختارة في الفضاء في نفس الطور.

باستخدام نظام العدسات البصرية، يمكن تركيز إشعاع الليزر المتماسك على مساحة صغيرة مماثلة للطول الموجي على سطح الجسم.

تصل كثافة طاقة إشعاع الليزر في هذا الموقع إلى قيم هائلة. في وسط الموقع كثافة الطاقة هي:

حيث P هي طاقة خرج إشعاع الليزر؛

D هو قطر عدسة النظام البصري؛

ل - الطول الموجي.

f هو البعد البؤري للنظام البصري.

إشعاع الليزر ذو كثافة الطاقة الهائلة، الذي يؤثر على المواد المختلفة، يدمرها بل ويتبخرها في منطقة الإشعاع الذي يركز على الحادث. في الوقت نفسه، في منطقة حدوث إشعاع الليزر على سطح المادة، يتم إنشاء ضغط خفيف بمئات الآلاف من ميغاباسكال.

ونتيجة لذلك نلاحظ أنه من خلال تركيز إشعاع الليزر على بقعة قطرها يساوي تقريبا الطول الموجي للإشعاع، يمكن الحصول على ضغط خفيف قدره 106 ميجاباسكال، فضلا عن كثافات طاقة إشعاعية هائلة تصل إلى قيم 1014- 1016 واط.سم-2، بينما تصل درجات الحرارة إلى عدة ملايين كلفن.

رسم تخطيطي لمرنان الكم البصري

يتكون الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية: الوسط النشط وجهاز المضخة والتجويف البصري. في بعض الأحيان يتم أيضًا إضافة جهاز التثبيت الحراري.

الشكل 3 - مخطط كتلة الليزر

1) وسط نشط.

من أجل امتصاص الرنين وتضخيمه بسبب الانبعاث المحفز، من الضروري أن تمر الموجة عبر مادة يتم "ضبط" ذراتها أو أنظمة ذراتها على التردد المطلوب. بمعنى آخر، فإن الفرق في مستويات الطاقة E2 - E1 لذرات المادة يجب أن يكون مساوياً لتردد الموجة الكهرومغناطيسية مضروباً في ثابت بلانك: E2 - E1 = hn. علاوة على ذلك، لكي يتغلب الانبعاث المحفز على الامتصاص، يجب أن يكون هناك عدد أكبر من الذرات عند مستوى الطاقة العلوي مقارنة بالمستوى الأدنى. هذا عادة لا يحدث. علاوة على ذلك، فإن أي نظام من الذرات، متروك لنفسه لفترة طويلة بما فيه الكفاية، يأتي إلى التوازن مع بيئته عند درجة حرارة منخفضة، أي. يصل إلى حالة من أدنى مستويات الطاقة. عند درجات الحرارة المرتفعة، يتم إثارة بعض ذرات النظام عن طريق الحركة الحرارية. عند درجة حرارة عالية لا متناهية، ستمتلئ جميع الحالات الكمومية بالتساوي. ولكن بما أن درجة الحرارة دائمًا محدودة، فإن النسبة الغالبة من الذرات تكون في الحالة الأدنى، وكلما ارتفعت الحالات، قل امتلاءها. إذا كان هناك n0 ذرات في الحالة الأدنى عند درجة الحرارة المطلقة T، فإن عدد الذرات في الحالة المثارة، التي تتجاوز طاقتها طاقة الحالة الأدنى بكمية E، يُعطى بواسطة توزيع بولتزمان: n=n0e -E/kT، حيث k هو ثابت بولتزمان. نظرًا لوجود عدد أكبر دائمًا من الذرات في الحالات الأدنى في ظل ظروف التوازن مقارنةً بالذرات الأعلى، ففي مثل هذه الظروف يكون الامتصاص هو السائد دائمًا بدلاً من التضخيم بسبب الانبعاث المحفز. لا يمكن إنشاء فائض من الذرات في حالة مثارة معينة والحفاظ عليها إلا عن طريق نقلها بشكل مصطنع إلى هذه الحالة، وبشكل أسرع من عودتها إلى التوازن الحراري. النظام الذي يوجد فيه فائض من الذرات المثارة يميل إلى التوازن الحراري، ويجب الحفاظ عليه في حالة عدم التوازن عن طريق خلق مثل هذه الذرات فيه.

2) الرنان.

المرنان البصري عبارة عن نظام من مرآتين متطابقتين بشكل خاص، يتم اختيارهما بطريقة يتم فيها تضخيم الانبعاث المحفز الضعيف الناشئ في المرنان بسبب التحولات التلقائية عدة مرات، مروراً عبر وسط نشط موضوع بين المرايا. بسبب انعكاسات الإشعاع المتعددة بين المرايا، يحدث استطالة للوسط النشط في اتجاه محور الرنان، مما يحدد الاتجاهية العالية لإشعاع الليزر. تستخدم أشعة الليزر الأكثر تعقيدًا أربع مرايا أو أكثر لتشكيل تجويف. تعتبر جودة تصنيع وتركيب هذه المرايا أمرًا بالغ الأهمية لجودة نظام الليزر الناتج. كما يمكن تركيب أجهزة إضافية في نظام الليزر لتحقيق تأثيرات مختلفة، مثل المرايا الدوارة والمعدلات والمرشحات والممتصات. يتيح لك استخدامها تغيير معلمات إشعاع الليزر، على سبيل المثال، الطول الموجي، ومدة النبض، وما إلى ذلك.

الرنان هو العامل المحدد الرئيسي لطول موجة التشغيل، بالإضافة إلى خصائص الليزر الأخرى. هناك المئات أو حتى الآلاف من سوائل العمل المختلفة التي يمكن بناء الليزر عليها. يتم "ضخ" مائع العمل للحصول على تأثير انقلاب مجموعة الإلكترونات، والذي يسبب انبعاث محفز للفوتونات وتأثير التضخيم البصري. تستخدم سوائل العمل التالية في الليزر.

يتكون السائل، على سبيل المثال في ليزر الصبغة، من مذيب عضوي مثل الميثانول أو الإيثانول أو جلايكول الإيثيلين حيث تذوب فيه الأصباغ الكيميائية مثل الكومارين أو الرودامين. يحدد تكوين جزيئات الصبغة الطول الموجي العامل.

غازات مثل ثاني أكسيد الكربون أو الأرجون أو الكريبتون أو مخاليط مثل ليزر الهيليوم والنيون. غالبًا ما يتم ضخ مثل هذا الليزر عن طريق التفريغ الكهربائي.

المواد الصلبة مثل البلورات والزجاج. عادة ما يتم تخدير (تنشيط) المادة الصلبة بإضافة كميات صغيرة من أيونات الكروم أو النيوديميوم أو الإربيوم أو التيتانيوم. البلورات النموذجية المستخدمة هي عقيق الألومنيوم (YAG)، فلوريد الليثيوم الإيتريوم (YLF)، الياقوت (أكسيد الألومنيوم)، وزجاج السيليكات. الخيارات الأكثر شيوعًا هي Nd:YAG، وياقوت التيتانيوم، وياقوت الكروم (المعروف أيضًا باسم روبي)، وفلوريد ألومنيوم الليثيوم السترونتيوم المغطى بالكروم (Cr:LiSAF)، وEr:YLF، وNd:glass (زجاج النيوديميوم). عادةً ما يتم ضخ ليزر الحالة الصلبة بواسطة مصباح فلاش أو ليزر آخر.

أشباه الموصلات. مادة يمكن أن يكون فيها انتقال الإلكترونات بين مستويات الطاقة مصحوبًا بالإشعاع. تتميز أشعة الليزر شبه الموصلة بأنها مدمجة للغاية ويتم ضخها بالتيار الكهربائي، مما يسمح باستخدامها في الأجهزة الاستهلاكية مثل مشغلات الأقراص المضغوطة.

3) جهاز الضخ.

مصدر المضخة يوفر الطاقة للنظام. يمكن أن يكون ذلك فجوة شرارة كهربائية، أو مصباح فلاش، أو مصباح قوسي، أو ليزر آخر، أو تفاعل كيميائي، أو حتى مادة متفجرة. يعتمد نوع جهاز الضخ المستخدم بشكل مباشر على سائل العمل المستخدم، ويحدد أيضًا طريقة إمداد النظام بالطاقة. على سبيل المثال، يستخدم ليزر الهيليوم-نيون التفريغ الكهربائي في خليط غاز الهيليوم-نيون، ويستخدم الليزر المعتمد على عقيق الألومنيوم الإيتريوم المغطى بالنيوديميوم (ليزر Nd:YAG) الضوء المركّز من مصباح فلاش زينون، ويستخدم ليزر الإكسيمر طاقة التفاعلات الكيميائية.