المحتوى
- تعريف الليزر
- كيف تصنع أشعة الليزر
- انقلاب السكان
- مبدأ الليزر
- تصنيف أنواع الليزر
- مكونات الليزر
- ليزر الهيليوم النيون
- أرغون ، كريبتون وزينون أيون ليزر
- ليزر ثاني أكسيد الكربون
- الليزر Excimer
من خلال تسخير قوة الضوء من خلال الليزر ، يمكنك استخدام الليزر لمجموعة متنوعة من الأغراض وفهمها بشكل أفضل من خلال دراسة الفيزياء والكيمياء الأساسية التي تجعلها تعمل.
بشكل عام ، يتم إنتاج الليزر بواسطة مادة ليزر ، سواء كانت صلبة أو سائلة أو غازية ، والتي تصدر الإشعاع في شكل ضوء. باعتبارها اختصارًا لـ "تضخيم الضوء بواسطة انبعاث الإشعاع المحفز" ، تُظهر طريقة الانبعاثات المنبثقة كيف يختلف الليزر عن مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي الأخرى. معرفة كيفية ظهور هذه الترددات من الضوء يمكن أن تتيح لك الاستفادة من إمكاناتها لاستخدامات مختلفة.
تعريف الليزر
يمكن تعريف الليزر بأنه جهاز ينشط الإلكترونات لإصدار الإشعاع الكهرومغناطيسي. هذا التعريف بالليزر يعني أن الإشعاع يمكن أن يتخذ شكلًا من أي نوع على الطيف الكهرومغناطيسي ، من الموجات الراديوية إلى أشعة جاما.
بشكل عام ، ينتقل ضوء الليزر على طول مسار ضيق ، لكن الليزر مع مجموعة واسعة من الموجات المنبعثة من الممكن أيضًا. من خلال مفاهيم الليزر هذه ، يمكنك أن تفكر فيها على أنها أمواج تمامًا مثل أمواج المحيط على شاطئ البحر.
وصف العلماء أشعة الليزر من حيث تماسكها ، وهي ميزة تصف ما إذا كان فرق الطور بين إشارتين في خطوة ولهما نفس التردد والموجة. إذا كنت تتخيل أن الليزر هو موجات ذات قمم ووديان وحوض صغير ، فإن فرق الطور سيكون كم تزامن موجة واحدة مع أخرى أو مدى تباين الأمواج عن التداخل.
تردد الضوء هو عدد قمم الموجة التي تمر عبر نقطة معينة في الثانية ، وطول الموجة هو طول الموجة الواحدة من الحوض الصغير إلى الحوض الصغير أو من الذروة إلى الذروة.
الفوتونات ، أفراد جزيئات الكم الطاقة ، تشكل الإشعاع الكهرومغناطيسي لليزر. هذه الحزم الكمية تعني أن ضوء الليزر يتمتع دائمًا بالطاقة كمضاعف من طاقة فوتون واحد وأنه يأتي في هذه "الحزم" الكمومية. هذا هو ما يجعل الموجات الكهرومغناطيسية تشبه الجسيمات.
كيف تصنع أشعة الليزر
العديد من أنواع الأجهزة تنبعث منها أشعة الليزر ، مثل التجاويف البصرية. هذه هي الغرف التي تعكس الضوء من المواد التي تنبعث منها الإشعاع الكهرومغناطيسي مرة أخرى إلى نفسها. إنها مصنوعة بشكل عام من مرآتين ، واحدة في كل نهاية المادة بحيث ، عندما تعكس الضوء ، تصبح أشعة الضوء أقوى. تخرج هذه الإشارات المضخمة من خلال عدسة شفافة في نهاية تجويف الليزر.
عندما تكون في وجود مصدر للطاقة ، مثل البطارية الخارجية التي توفر التيار ، فإن المادة التي تصدر الإشعاع الكهرومغناطيسي تنبعث منها ضوء الليزر في حالات الطاقة المختلفة. تعتمد مستويات الطاقة هذه ، أو مستويات الكم ، على المادة المصدر نفسها. من المرجح أن تكون حالات الطاقة الأعلى للإلكترونات الموجودة في المادة غير مستقرة ، أو في حالات متحمسة ، وسوف ينبعث منها الليزر من خلال ضوءه.
على عكس المصابيح الأخرى ، مثل الضوء من مصباح يدوي ، تنبعث الليزر من الضوء بخطوات دورية مع نفسها. وهذا يعني أن قمة وحوض كل موجة من خط الليزر يصطف مع الموجات التي تأتي قبل وبعد ، مما يجعل ضوءها متماسكًا.
تم تصميم الليزر بهذه الطريقة بحيث تعطي ضوء ترددات محددة من الطيف الكهرومغناطيسي. في العديد من الحالات ، يتخذ هذا الضوء شكل حزم ضيقة منفصلة تنبعث منها أشعة الليزر بترددات دقيقة ، لكن بعض أجهزة الليزر تعطي نطاقات واسعة ومستمرة من الضوء.
انقلاب السكان
ميزة واحدة من الليزر مدعوم من مصدر طاقة خارجي قد يحدث هو انعكاس السكان. هذا شكل من أشكال الانبعاث المحفّز ، ويحدث عندما يفوق عدد الجسيمات في حالة الإثارة عدد الجسيمات الموجودة في حالة طاقة منخفضة المستوى.
عندما يحقق الليزر الانعكاس السكاني ، فإن كمية الانبعاث المحفزة التي يمكن أن يخلقها الضوء ستكون أكبر من كمية الامتصاص من المرايا. يؤدي هذا إلى إنشاء مكبر صوت ضوئي ، وإذا وضعت واحدة داخل تجويف بصري رنان ، فقد قمت بإنشاء مذبذب ليزر.
مبدأ الليزر
تشكل هذه الأساليب للإلكترونات المثيرة والباعثة للضوء الأساس لكون الليزر مصدرًا للطاقة ، وهو مبدأ الليزر الموجود في العديد من الاستخدامات. تتراوح المستويات الكمية التي يمكن أن تشغلها الإلكترونات من تلك منخفضة الطاقة التي لا تتطلب الكثير من الطاقة لإطلاقها وجزيئات الطاقة العالية التي تبقى قريبة من النواة. عندما ينطلق الإلكترون بسبب تصادم الذرات مع بعضها البعض في الاتجاه الصحيح ومستوى الطاقة ، فإن هذا هو انبعاث تلقائي.
عند حدوث انبعاث تلقائي ، يكون للفوتون المنبعث من الذرة مرحلة واتجاه عشوائي. وذلك لأن مبدأ عدم اليقين يمنع العلماء من معرفة كل من موقع وزخم الجسيم بدقة فائقة. كلما عرفت موقف الجسيمات ، قلت قدرتك على معرفة الزخم والعكس صحيح.
يمكنك حساب طاقة هذه الانبعاثات باستخدام معادلة بلانك E = hν للحصول على الطاقة E في جول ، تردد ν من الإلكترون في ق-1 و Plancks ثابت هيدروجين = 6.63 × 10-34 م2 كجم / ثانية. يمكن أيضًا احتساب الطاقة التي يمتلكها الفوتون عند إطلاقه من الذرة كتغيير في الطاقة. للعثور على التردد المرتبط بهذا التغيير في الطاقة ، احسب ν باستخدام قيم الطاقة لهذا الانبعاثات.
تصنيف أنواع الليزر
بالنظر إلى المجموعة الواسعة من استخدامات الليزر ، يمكن تصنيف الليزر على أساس الغرض أو نوع الضوء أو حتى مواد الليزر نفسها. إن الوصول إلى طريقة لتصنيفها يحتاج إلى حساب جميع أبعاد الليزر هذه. إحدى طرق تجميعها هي طول موجة الضوء التي يستخدمونها.
يحدد طول موجة الليزر الإشعاعي الكهرومغناطيسي تردد وقوة الطاقة التي يستخدمونها. يرتبط الطول الموجي الأكبر بكمية أقل من الطاقة وتردد أصغر. في المقابل ، تردد أكبر من شعاع الضوء يعني أنه لديه المزيد من الطاقة.
يمكنك أيضًا تجميع الليزر حسب طبيعة مادة الليزر. تستخدم أشعة الليزر ذات الحالة الصلبة مصفوفة صلبة من الذرات مثل النيوديميوم المستخدم في بلورة الإيتريوم الألومنيوم Garnet التي تحتوي على أيونات النيوديميوم لهذه الأنواع من الليزر. تستخدم أشعة الليزر الغازية مزيجًا من الغازات في أنبوب مثل الهيليوم والنيون الذي يخلق لونًا أحمر. يتم إنشاء ليزر الصبغة بواسطة مواد صبغة عضوية في المحاليل السائلة أو المعلقات
تستخدم ليزر الصباغة وسط ليزر عادة ما يكون صبغة عضوية معقدة في محلول سائل أو معلق. تستخدم أشباه الموصلات الليزرية طبقتين من مواد أشباه الموصلات التي يمكن بناؤها في صفائف أكبر. أشباه الموصلات هي المواد التي توصل الكهرباء باستخدام القوة بين تلك العازلة والموصلات التي تستخدم كميات صغيرة من الشوائب ، أو المواد الكيميائية التي أدخلت ، بسبب المواد الكيميائية المدخلة أو التغيرات في درجة الحرارة.
مكونات الليزر
لجميع الاستخدامات المختلفة ، تستخدم جميع أجهزة الليزر هذين المكونين من مصدر للضوء في شكل صلب أو سائل أو غاز يعطي إلكترونات وشيءًا لتنشيط هذا المصدر. يمكن أن يكون هذا ليزرًا آخر أو انبعاث تلقائي لمادة الليزر نفسها.
تستخدم بعض أجهزة الليزر أنظمة الضخ ، وهي طرق لزيادة طاقة الجسيمات في وسط الليزر والتي تتيح لها الوصول إلى حالاتها المثيرة لإحداث انقلاب سكاني. يمكن استخدام مصباح الفلاش الغازي في الضخ البصري الذي ينقل الطاقة إلى مادة الليزر. في الحالات التي تعتمد فيها طاقة مواد الليزر على تصادمات الذرات داخل المادة ، يشار إلى النظام باسم ضخ التصادم.
تختلف مكونات شعاع الليزر أيضًا في المدة التي يستغرقها توفير الطاقة. تستخدم أشعة الليزر المستمرة موجة مستقرة من قوة الحزمة. مع أنظمة الطاقة الأعلى ، يمكنك ضبط الطاقة بشكل عام ، ولكن مع الليزر الأقل طاقة للغاز مثل ليزر الهيليوم النيون ، يكون مستوى الطاقة ثابتًا استنادًا إلى محتوى الغاز.
ليزر الهيليوم النيون
كان ليزر الهليوم نيون أول نظام موجي مستمر ومن المعروف أنه يطلق الضوء الأحمر. تاريخيا ، استخدموا إشارات تردد الراديو لإثارة المواد الخاصة بهم ، لكن في الوقت الحاضر يستخدمون تفريغ تيار مباشر صغير بين الأقطاب الكهربائية في أنبوب الليزر.
عندما يتم تحفيز الإلكترونات الموجودة في الهيليوم ، فإنها تعطي الطاقة لذرات النيون من خلال تصادمات تخلق انقلابًا سكانيًا بين ذرات النيون. يمكن أن يعمل ليزر الهيليوم النيون بطريقة مستقرة على ترددات عالية. استخدامه في محاذاة خطوط الأنابيب والمسح والأشعة السينية.
أرغون ، كريبتون وزينون أيون ليزر
أظهرت ثلاث غازات نبيلة ، الأرجون والكريبتون وزينون ، استخدامًا في تطبيقات الليزر عبر عشرات الترددات الليزرية التي تمتد فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء. يمكنك أيضًا خلط هذه الغازات الثلاثة مع بعضها البعض لإنتاج ترددات وانبعاثات محددة. تسمح هذه الغازات بأشكالها الأيونية بإثارة إلكتروناتها بالتصادم ضد بعضها البعض حتى تحقق الانعكاس السكاني.
تتيح لك العديد من تصميمات هذه الأنواع من الليزر تحديد طول موجي معين حتى ينبعث التجويف لتحقيق الترددات المطلوبة. يمكن أن يتيح لك التعامل مع زوج المرايا داخل التجويف أيضًا عزل ترددات الضوء المفردة. تسمح لك الغازات الثلاثة ، الأرجون والكريبتون وزينون ، بالاختيار من بين العديد من مجموعات الترددات الضوئية.
هذه الليزر تنتج مخرجات مستقرة للغاية ولا تولد الكثير من الحرارة. تُظهر هذه الليزر نفس المبادئ الكيميائية والفيزيائية المستخدمة في المنارات وكذلك المصابيح الكهربائية الساطعة مثل الستروبوسكوب.
ليزر ثاني أكسيد الكربون
أشعة الليزر ثاني أكسيد الكربون هي الأكثر كفاءة وفعالية من أشعة الليزر المستمرة. أنها تعمل باستخدام التيار الكهربائي في أنبوب البلازما التي تحتوي على غاز ثاني أكسيد الكربون. تثير تصادمات الإلكترون هذه الجزيئات الغازية التي تنطلق الطاقة. يمكنك أيضًا إضافة النيتروجين والهيليوم وزينون وثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج ترددات الليزر المختلفة.
عند النظر في أنواع الليزر التي يمكن استخدامها في آريس مختلفة ، يمكنك تحديد أي منها يمكن أن تخلق كميات كبيرة من الطاقة لأن لديها معدل كفاءة عالية بحيث يستخدمون نسبة كبيرة من الطاقة الممنوحة لهم دون ترك الكثير اذهب الى القمامة. في حين أن الليزر الهيليوم نيون لديه معدل كفاءة أقل من 0.1 ٪ ، فإن معدل الليزر ثاني أكسيد الكربون حوالي 30 في المئة ، 300 مرة من الليزر الهليوم نيون. على الرغم من ذلك ، تحتاج ليزر ثاني أكسيد الكربون إلى طلاء خاص ، على عكس ليزر الهليوم النيون ، لعكس أو نقل تردداتها المناسبة.
الليزر Excimer
تستخدم أجهزة ليزر Excimer ضوء الأشعة فوق البنفسجية (UV) الذي ، عندما تم اختراعه لأول مرة في عام 1975 ، حاول إنشاء حزمة مركّزة من الليزر للتأكد من دقتها في الجراحة المجهرية والميثولوجيا الدقيقة الصناعية. يأتي اسمها من مصطلح "dimer dimer" الذي يكون فيه dimer هو نتاج توليفات الغاز التي يتم تحفيزها كهربائيًا بتكوين مستوى الطاقة الذي يخلق ترددات محددة من الضوء في نطاق الأشعة فوق البنفسجية للطيف الكهرومغناطيسي.
تستخدم هذه الليزر غازات تفاعلية مثل الكلور والفلور بجانب كميات من الغازات النبيلة الأرجون والكريبتون وزينون. لا يزال الأطباء والباحثون يستكشفون استخداماتهم في التطبيقات الجراحية بالنظر إلى مدى قوتها وفعاليتها في تطبيقات الليزر لجراحة العيون. لا تنتج أشعة الليزر Excimer الحرارة في القرنية ، لكن طاقتها يمكن أن تكسر الروابط بين الجزيئات في أنسجة القرنية في عملية تسمى "التحلل الضوئي" دون التسبب في أضرار غير ضرورية للعين.