محتوى المقال

الليزر(المولد الكمومي البصري) هو جهاز يولد موجات كهرومغناطيسية متماسكة وأحادية اللون في النطاق المرئي بسبب الانبعاث المحفز أو تشتت الضوء بواسطة الذرات (الأيونات ، الجزيئات) للوسط النشط. كلمة "ليزر" هي اختصار للكلمات الإنجليزية "تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع" - تضخيم الضوء بواسطة الإشعاع المحفز. دعونا نفكر في هذه المفاهيم بمزيد من التفصيل.

اساسيات نظرية الاشعاع.

من قوانين ميكانيكا الكم ( سم... ميكانيكا الكم) ويترتب على ذلك أن طاقة الذرة يمكن أن تأخذ فقط قيمًا محددة تمامًا ه 0 , ه 1 , ه 2 ,...هن ... ، والتي تسمى مستويات الطاقة. أدنى مستوى ه 0 ، حيث تكون طاقة الذرة ضئيلة ، تسمى الطاقة الرئيسية. باقي المستويات تبدأ من ه 1 تسمى متحمس وتتوافق مع الطاقة الأعلى للذرة. تنتقل الذرة من أحد المستويات المنخفضة إلى المستويات الأعلى عن طريق امتصاص الطاقة ، على سبيل المثال ، عند التفاعل مع فوتون - كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي. وعند الانتقال من مستوى مرتفع إلى مستوى منخفض ، تتخلى الذرة عن الطاقة على شكل فوتون. في كلتا الحالتين ، طاقة الفوتون ه = ح n يساوي الفرق بين المستويات الأولية والنهائية:

حن مليون = هم - هن (1)

أين ح= 6.626176 · 10 –34 J · s هو ثابت بلانك ، n هو تردد الإشعاع.

الذرة في حالة الإثارة غير مستقرة. عاجلاً أم آجلاً (في المتوسط ​​من 10 إلى 8 ثوانٍ) ، في لحظة زمنية عشوائية ، سيعود (تلقائيًا) إلى الحالة الأرضية ، مُصدرًا موجة كهرومغناطيسية - فوتون. تؤدي الطبيعة العشوائية للتحولات إلى حقيقة أن جميع ذرات مادة ما تنبعث بشكل غير متزامن ومستقل ، ولا يتم تنسيق مراحل واتجاه حركة الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة منها. هذه هي الطريقة التي تعمل بها مصادر الضوء العادية - المصابيح المتوهجة ، وأنابيب تفريغ الغاز ، ومصدر الضوء نفسه هو الشمس ، وما إلى ذلك. انبعاثها التلقائي غير متماسك.

لكن يمكن للذرة أيضًا أن تصدر فوتونًا ليس تلقائيًا ، ولكن تحت تأثير موجة كهرومغناطيسية ، يكون ترددها قريبًا من تردد انتقال الذرة ، المحدد بواسطة الصيغة (1):

ن 21 = (ه 2 – ه 1)/ح. (2)

مثل هذه الموجة الرنانة "تهز" الذرة و "تهزها" من مستوى الطاقة الأعلى إلى المستوى السفلي. يحدث الانتقال القسري ، حيث يكون للموجة المنبعثة من الذرة نفس التردد والمرحلة واتجاه الانتشار مثل الموجة الأولية. هذه الموجات متماسكة ، وعند إضافتها ، تزداد شدة الإشعاع الكلي ، أو عدد الفوتونات.

تم تقديم مفهوم الإشعاع المحفز ، وتم التنبؤ نظريًا بخصائصه الخاصة - التماسك - من قبل أ. أينشتاين في عام 1916 وأثبتها بصرامة ب. ديراك من وجهة نظر ميكانيكا الكم في 1927-1930.

عادة ما يكون عدد الذرات في الحالة الأرضية في مادة ما أكبر بكثير من عدد الذرات المثارة. لذلك ، فإن الموجة الضوئية ، التي تمر عبر مادة ما ، تنفق طاقتها على إثارة الذرات. في هذه الحالة ، تنخفض شدة الإشعاع وفقًا لقانون بوجير:

أنال = أنا 0 هـ - كوالا لمبور , (3)

أين أنا 0 - الشدة الأولية ، أنا l هي شدة الإشعاع الذي تجاوز المسافة لفي مادة ذات معامل امتصاص ك... يمكن أن نرى من المعادلة أن الوسط يمتص الضوء بقوة - وفقًا للقانون الأسي.

المادة التي يوجد بها ذرات أكثر إثارة من الذرات الموجودة في الحالة الأرضية تسمى نشطة. عدد الذرات عند مستوى معين هن يسمى السكان من هذا المستوى ، والوضع عندما ه 2 > ه 1 - عكس السكان. دع موجة كهرومغناطيسية تمر عبر المادة الفعالة ، ترددها n = n 21. ثم ، بسبب الإشعاع أثناء التحولات القسرية ه 2 ® ه 1 (وهو أكثر بكثير من مجرد عمليات استيلاء ه 1 ® ه 2) سيحدث تقويتها. ومن وجهة نظر ميكانيكا الكم ، فإن هذا يعني أن كل فوتون يطير عبر المادة يتسبب في ظهور نفس الفوتون بالضبط. يولدان معًا فوتونين آخرين ، هذه الأربعة - ثمانية ، وهكذا - يظهر انهيار فوتون في المادة الفعالة. تؤدي هذه الظاهرة إلى قانون أسي لنمو كثافة الإشعاع ، والذي تمت كتابته على نحو مشابه لقانون بوجوير (3) ، ولكن مع الكسب الكمي أبدلا من - ك:

أنال = أنا 0 هـ ل(4)

لكن من الناحية العملية ، لا تحدث مثل هذه الزيادة السريعة في عدد الفوتونات. في المواد الحقيقية ، هناك دائمًا العديد من العوامل التي تسبب فقدان طاقة الموجة الكهرومغناطيسية (التشتت بسبب عدم تجانس الوسط ، الامتصاص بواسطة الشوائب ، إلخ). نتيجة لذلك ، من الممكن تحقيق تضخيم لموجة ما لا يقل عن عشرات المرات ، فقط عن طريق زيادة طول مسارها في وسط نشط إلى عدة أمتار ، وهو أمر ليس من السهل تنفيذه. لكن هناك طريقة أخرى: وضع المادة الفعالة بين مرآتين متوازيتين (في الرنان). الموجة ، التي تنعكس فيها بشكل متكرر ، ستقطع مسافة كافية لتضخيم كبير ، إذا ، بالطبع ، ظل عدد الذرات المثارة كبيرًا ، أي سيبقى السكان المقلوبون.

يمكن إجراء السكان المعكوس والحفاظ عليه بمساعدة مصدر طاقة منفصل ، والذي ، كما كان ، "يضخ" المادة الفعالة به. يمكن أن يكون هذا المصدر مصباحًا قويًا ، أو تفريغًا كهربائيًا ، أو تفاعلًا كيميائيًا ، إلخ. بالإضافة إلى ذلك ، من الضروري أن تظل الذرات عند أحد مستويات الطاقة العليا طويلة بما يكفي (على مقياس العمليات الكمية بالطبع) بحيث تتراكم هناك حوالي 50٪ من إجمالي عدد الذرات في المادة. ولهذا من الضروري أن يكون لديك على الأقل ثلاثة مستويات طاقة للجسيمات العاملة (ذرات أو أيونات).

يعمل مخطط ثلاثي المستويات لتوليد الإشعاع على النحو التالي. ينقل الضخ الذرات من مستوى الطاقة المنخفض ه 0 إلى الأعلى ه 3. من هناك ينزلون إلى المستوى ه 2 ، حيث يمكنهم البقاء لفترة طويلة دون انبعاث تلقائي للفوتونات (يسمى هذا المستوى غير المستقر). وفقط تحت تأثير الموجة الكهرومغناطيسية العابرة ، تعود الذرة إلى المستوى الرئيسي ه 0 ، ينبعث منها إشعاع محفز بتردد ن = (ه 2 – ه 0)/حمتماسكة مع الموجة الأصلية.

صاغ الفيزيائي الألماني R. Landenburg في عام 1928 شروط تكوين مجتمع مقلوب والكشف التجريبي للإشعاع المحفز بواسطة الفيزيائي الروسي VA Fabrikant في عام 1939. وقد لوحظ لأول مرة من قبل الأمريكي قام الفيزيائيان إي بارسيل و ر. باوند في عام 1950 في عام 1951 ، في أيه فابريكانت وزملاؤه بتقديم طلب مؤلف لـ "طريقة لتضخيم الإشعاع الكهرومغناطيسي (نطاقات الموجات فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء والراديو) عن طريق تمرير الإشعاع المتضخم عبر وسط سكان مقلوب ". ومع ذلك ، تم نشر هذا التطبيق فقط في عام 1959 ، ولم يكن له أي تأثير على تقدم العمل في إنشاء مولدات الكم. لأن الإمكانية الأساسية لبناءها بدأت بالفعل في المناقشة في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي بشكل مستقل عن بعضها البعض في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية N.G. Basov و A.M. Prokhorov ، وفي الولايات المتحدة الأمريكية C. Towns و J. Weber. وفي 1954-1956 تم تطوير وإنشاء أول مولد كمي للمجال اللاسلكي ( ل= 1.25 سم) ، في عام 1960 - ليزر روبي وليزر غاز ، وبعد ذلك بعامين - ليزر أشباه الموصلات.

جهاز الليزر.

على الرغم من التنوع الكبير في أنواع الوسائط النشطة وطرق الحصول على السكان العكسيين ، فإن جميع أنواع الليزر تتكون من ثلاثة أجزاء رئيسية: وسيط نشط ونظام ضخ وتجويف.

يمكن أن يكون الوسط النشط - مادة يتم فيها تكوين مجموعة عكسية - صلبًا (بلورات من الياقوت الأحمر أو عقيق الألومنيوم - الإيتريوم ، والزجاج مع شوائب من النيوديميوم على شكل قضبان بأحجام وأشكال مختلفة) ، سائل (محاليل) من أصباغ الأنيلين أو محاليل أملاح النيوديميوم في الكوفيتات) والغازية (خليط من الهيليوم مع النيون والأرجون وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء منخفض الضغط في أنابيب زجاجية). كما تنتج مواد أشباه الموصلات والبلازما الباردة ومنتجات التفاعل الكيميائي إشعاع الليزر. اعتمادًا على نوع الوسيط النشط ، يُطلق على الليزر اسم روبي ، وهليوم نيون ، وصبغ ، وما إلى ذلك.

الرنان هو زوج من المرايا المتوازية مع بعضها البعض ، يتم وضع وسيط نشط بينهما. مرآة واحدة ("باهتة") تعكس كل الضوء الساقط عليها ؛ الجزء الثاني ، شبه الشفاف ، يعود الجزء من الإشعاع إلى البيئة من أجل تنفيذ الإشعاع المحفز ، والجزء الخارجي هو الإخراج في شكل شعاع ليزر. كمرآة "صماء" ، غالبًا ما يتم استخدام منظور الانعكاس الداخلي الكلي ( سم... البصريات) ، شفافة - كومة من الألواح الزجاجية. بالإضافة إلى ذلك ، من خلال اختيار المسافة بين المرايا ، يمكن ضبط الرنان بحيث يولد الليزر إشعاعًا من نوع واحد محدد بدقة (ما يسمى بالوضع).

يؤدي الضخ إلى تكوين مجتمع مقلوب في وسط نشط ، ويتم اختيار طريقة الضخ الأكثر ملاءمة وكفاءة لكل وسيط. في الحالة الصلبة والسائلة ، يتم استخدام مصابيح الفلاش أو الليزر ، ويتم إثارة الوسائط الغازية بتفريغ كهربائي ، وأشباه الموصلات بتيار كهربائي.

بعد الوصول إلى حالة الانعكاس في العنصر النشط الموضوع داخل الرنان بسبب الضخ ، تبدأ ذراته من وقت لآخر في النزول تلقائيًا إلى مستوى الأرض ، مما يؤدي إلى إصدار فوتونات. تتسبب الفوتونات المنبعثة بزاوية على محور الرنان في سلسلة قصيرة من الانبعاثات المحفزة في هذه الاتجاهات وتترك الوسط النشط بسرعة. والفوتونات التي تتحرك على طول محور الرنان ، تنعكس بشكل متكرر في المرايا ، تولد سيلًا من الإشعاع المتماسك. في هذه الحالة ، تكون الترددات (أنماط الإشعاع) في وضع مفيد ، حيث يتناسب عدد صحيح من نصف الموجات مع عدد صحيح من المرات على طول مرنان.

أنواع الليزر.

ليزر الحالة الصلبة. كان أول وسيط نشط صلب هو الياقوت - بلورة اكسيد الالمونيوم Al 2 O 3 مع خليط صغير من أيونات الكروم Cr +++. تم تصميمه بواسطة T.Memiman (الولايات المتحدة الأمريكية) في عام 1960. كما يستخدم على نطاق واسع الزجاج بمزيج من النيوديميوم Nd وعقيق الإيتريوم الألومنيوم Y 2 Al 5 O 12 مع مزيج من الكروم والنيوديميوم وعناصر أرضية نادرة على شكل قضبان . عادةً ما يتم ضخ ليزر الحالة الصلبة بواسطة مصباح وامض يومض لمدة تتراوح من 10 إلى 3 ثوانٍ ، ويتضح أن نبضة الليزر تبلغ نصف طولها. يتم إنفاق جزء من الوقت على تكوين مجتمع معكوس ، وفي نهاية الفلاش ، تصبح شدة الضوء غير كافية لإثارة الذرات ويتوقف التوليد. نبضة الليزر لها بنية معقدة ، وتتكون من عدة قمم منفصلة مدتها حوالي 10-6 ثوان ، مفصولة بفواصل من حوالي 10-5 ثوان. في ما يسمى بوضع التوليد الحر ، يمكن أن تصل قوة النبض إلى عشرات الكيلوواط. من المستحيل تقنيًا زيادة الطاقة ببساطة عن طريق تضخيم ضوء المضخة وزيادة حجم قضيب الليزر. لذلك ، تزداد قوة نبضات الليزر بتقليل مدتها. لهذا الغرض ، يتم وضع مصراع أمام إحدى مرايا الرنان ، مما يمنع الليزر من البدء حتى يتم نقل جميع ذرات المادة الفعالة تقريبًا إلى المستوى العلوي. ثم يتم فتح المصراع لفترة قصيرة ويتم عرض كل الطاقة المتراكمة على شكل ما يسمى بالنبضة العملاقة. اعتمادًا على احتياطي الطاقة ومدة الفلاش ، يمكن أن تتراوح طاقة النبض من عدة ميغاوات إلى عشرات تيراواط (10 12 واط).

ليزر الغاز. الوسيط النشط لليزر الغازي هو غازات الضغط المنخفض (من المئات إلى عدة مليمترات من الزئبق) أو مخاليطها التي تملأ أنبوبًا زجاجيًا بأقطاب كهربائية ملحومة. تم إنشاء أول ليزر غازي يعتمد على مزيج من الهيليوم والنيون بعد فترة وجيزة من الليزر الياقوتي في عام 1960 بواسطة A. Javan و W. Bennett و D. Erriot (الولايات المتحدة الأمريكية). يتم ضخ ليزر الغاز بواسطة تفريغ كهربائي يتم توفيره بواسطة مولد عالي التردد. إنها تولد الإشعاع بنفس الطريقة كما في ليزر الحالة الصلبة ، لكن ليزر الغاز يعطي ، كقاعدة عامة ، إشعاعًا مستمرًا. نظرًا لأن كثافة الغازات صغيرة جدًا ، يجب أن يكون طول الأنبوب الذي يحتوي على الوسيط النشط كبيرًا بما يكفي حتى تكون كتلة المادة الفعالة كافية للحصول على كثافة إشعاع عالية.

يشتمل ليزر الغاز أيضًا على ليزر ديناميكي للغاز وكيميائي وليزر إكسيمر (ليزر يعمل على التحولات الإلكترونية للجزيئات التي لا توجد إلا في حالة الإثارة).

يشبه الليزر الديناميكي الغازي المحرك النفاث ، حيث يتم حرق الوقود مع إضافة جزيئات من الغازات المتوسطة النشطة. في غرفة الاحتراق ، تكون جزيئات الغاز متحمسة ، وعند تبريدها بتدفق أسرع من الصوت ، تنبعث طاقة على شكل إشعاع متماسك عالي الطاقة في منطقة الأشعة تحت الحمراء ، والذي يخرج عبر تدفق الغاز.

في الليزر الكيميائي (نوع من الليزر الديناميكي الغازي) ، يتشكل انعكاس السكان بسبب التفاعلات الكيميائية. يتم تطوير أعلى قوة بواسطة الليزر بناءً على تفاعل الفلور الذري مع الهيدروجين:

الليزر السائل. الوسط النشط لهذه الليزرات (وتسمى أيضًا ليزر الصبغ) عبارة عن مركبات عضوية متنوعة في شكل محاليل. ظهر أول ليزر صبغ في أواخر الستينيات. تحتل كثافة مادة العمل الخاصة بهم مكانًا وسيطًا بين مادة صلبة وغاز ، وبالتالي يولدون إشعاعًا قويًا جدًا (حتى 20 واط) بحجم صغير من الخلية التي تحتوي على المادة الفعالة. وهي تعمل في كلا الوضعين النبضي والمستمر ، ويتم ضخها بواسطة المصابيح النبضية والليزر. المستويات المثارة لجزيئات الصبغة واسعة ؛ لذلك ، تصدر أشعة الليزر السائلة عدة ترددات في وقت واحد. ومن خلال تغيير الأكواخ باستخدام محاليل الصبغة ، يمكن ضبط إشعاع الليزر في نطاق واسع جدًا. يتم تنفيذ الضبط السلس لتردد الإشعاع عن طريق ضبط الرنان.

ليزر أشباه الموصلات. تم إنشاء هذا النوع من المولدات الكمومية الضوئية في عام 1962 من قبل عدة مجموعات من الباحثين الأمريكيين (R. Hall و MI Neuthen و T. Kvist وغيرهم) ، على الرغم من أن الدليل النظري لعمله قد تم بواسطة NG Basov وزملاؤه في عام 1958. مادة أشباه موصلات الليزر الأكثر شيوعًا - زرنيخيد الغاليوم GaAr.

حسب قوانين ميكانيكا الكم تشغل الإلكترونات الموجودة في مادة صلبة نطاقات طاقة واسعة ، تتكون من العديد من المستويات المتواجدة باستمرار. يتم فصل النطاق السفلي ، المسمى شريط التكافؤ ، عن النطاق العلوي (نطاق التوصيل) عن طريق ما يسمى بالنطاق المحظور ، حيث لا توجد مستويات طاقة. في أشباه الموصلات ، يوجد عدد قليل من إلكترونات التوصيل ، حركتها محدودة ، ولكن تحت تأثير الحركة الحرارية ، يمكن للإلكترونات الفردية القفز من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، تاركًا فراغًا فيه - "ثقب". وإذا كان الإلكترون مع الطاقة هيعود تلقائيًا إلى نطاق التوصيل ، و "يتحد" مع فتحة بها الطاقة هد ، مصحوبًا بإشعاع من المنطقة المحظورة للفوتون بتردد ن = هأوه - ههـ - يُضخ ليزر أشباه الموصلات بتيار كهربائي ثابت (في هذه الحالة ، يتم تحويل من 50 إلى 100٪ تقريبًا من طاقته إلى إشعاع) ؛ عادة ما يكون الرنان هو الوجوه المصقولة لبلورة أشباه الموصلات.

الليزر في الطبيعة. تم اكتشاف الليزر من أصل طبيعي في الكون. يحدث الانقلاب السكاني في سحب ضخمة من الغازات المكثفة بين النجوم. يتم ضخ الإشعاع الكوني والضوء من النجوم القريبة وما إلى ذلك. نظرًا للطول الهائل للوسط النشط (السحب الغازية) - مئات الملايين من الكيلومترات - لا تحتاج مثل هذه الليزرات الفيزيائية الفلكية إلى رنانات: الإشعاع الكهرومغناطيسي المحفّز في نطاق الطول الموجي من عدة تظهر فيها سنتيمترات (سديم السرطان) إلى ميكرون (بالقرب من النجم إيتا كارينا) مع مرور واحد للموجة.

خواص إشعاع الليزر.

على عكس مصادر الإشعاع الحراري التقليدية ، ينتج الليزر ضوءًا له عدد من الخصائص الخاصة والقيمة للغاية.

1. إشعاع الليزر متماسك وأحادي اللون عمليًا. قبل ظهور الليزر ، كانت الموجات الراديوية فقط المنبعثة من جهاز إرسال مثبت جيدًا هي التي تمتلك هذه الخاصية. وهذا جعل من الممكن السيطرة على نطاق الضوء المرئي لتنفيذ نقل المعلومات والاتصال ، وبالتالي زيادة كبيرة في كمية المعلومات المرسلة لكل وحدة زمنية.

نظرًا لحقيقة أن الإشعاع المحفز ينتشر بشكل صارم على طول محور الرنان ، فإن شعاع الليزر يتمدد بشكل ضعيف: ويكون تباعده عدة ثوان قوسية.

كل هذه الصفات تسمح بتركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة للغاية ، والحصول على كثافة طاقة هائلة في النقطة المحورية.

2. إشعاع الليزر ذو الطاقة العالية له درجة حرارة هائلة.

العلاقة بين طاقة إشعاع التوازن ههذا التردد نودرجة حرارتها تييحدد قانون بلانك للإشعاع. العلاقة بين هذه الكميات لها شكل عائلة منحنيات في إحداثيات التردد (الإحداثيّة) - الطاقة (الإحداثي). يعطي كل منحنى توزيع الطاقة في طيف الانبعاث عند درجة حرارة معينة. إشعاع الليزر غير متوازن ، ولكن ، مع ذلك ، يستبدل قيم طاقته في صيغة بلانك هلكل وحدة حجم وتردد ن(أو برسم قيمها على الرسم البياني) ، نحصل على درجة حرارة الإشعاع. نظرًا لأن إشعاع الليزر أحادي اللون عمليًا ، ويمكن أن تكون كثافة الطاقة (مقدارها لكل وحدة حجم) عالية للغاية ، يمكن أن تصل درجة حرارة الإشعاع إلى قيم هائلة. على سبيل المثال ، الليزر النبضي بقوة بيتاواط (10 15 وات) تبلغ درجة حرارة إشعاعه حوالي 100 مليون درجة.

استخدام الليزر.

جعلت الخصائص الفريدة لإشعاع الليزر من المولدات الكمية أداة لا غنى عنها في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا.

1. الليزر التكنولوجي. تُستخدم أشعة الليزر المستمرة القوية لقطع ولحام ولحام الأجزاء المصنوعة من مواد مختلفة. تجعل درجة حرارة الإشعاع العالية من الممكن لحام المواد التي لا يمكن ربطها بطرق أخرى (على سبيل المثال ، المعدن بالسيراميك). تجعل أحادية اللون العالية للإشعاع من الممكن تركيز الشعاع على نقطة بقطر يصل إلى ميكرون (بسبب عدم وجود تشتت ، سم... الاهتزازات والأمواج) واستخدامها لتصنيع الدوائر الدقيقة (ما يسمى طريقة الكشط بالليزر - إزالة طبقة رقيقة). لمعالجة الأجزاء في فراغ أو في جو غاز خامل ، يمكن إدخال شعاع الليزر في غرفة العملية من خلال نافذة شفافة.

يعمل شعاع الليزر المستقيم تمامًا بمثابة "مسطرة" يدوية. في الجيوديسيا والبناء ، يتم استخدام الليزر النبضي لقياس المسافات على الأرض ، وحسابها في الوقت الذي تتحرك فيه نبضات الضوء بين نقطتين. يتم إجراء قياسات دقيقة في الصناعة باستخدام تداخل أشعة الليزر المنعكسة من الأسطح النهائية للمنتج.

2. الاتصال بالليزر: أحدث ظهور الليزر ثورة في تكنولوجيا الاتصالات وتسجيل المعلومات. هناك قاعدة بسيطة: كلما زاد تردد الموجة الحاملة (طول موجي أقصر) لقناة الاتصال ، زاد عرض النطاق الترددي لها. هذا هو السبب في أن الاتصالات الراديوية ، التي أتقنت في البداية نطاق الموجات الطويلة ، تحولت تدريجياً إلى أطوال موجية أقصر بشكل متزايد. لكن الضوء هو نفس الموجة الكهرومغناطيسية مثل موجات الراديو ، فقط أقصر بعشرات الآلاف من المرات ، لذلك يمكن لشعاع الليزر أن ينقل عشرات الآلاف من المعلومات أكثر من قناة الراديو عالية التردد. يتم إجراء الاتصال بالليزر عبر الألياف الضوئية - خيوط زجاجية رفيعة ، حيث ينتشر الضوء ، بسبب الانعكاس الداخلي الكلي ، عمليا دون فقدان لمئات الكيلومترات. يستخدم شعاع الليزر لتسجيل وإعادة إنتاج الصور (بما في ذلك الصور المتحركة) والصوت على الأقراص المدمجة.

3. الليزر في الطب . تستخدم تقنية الليزر على نطاق واسع في كل من الجراحة والعلاج. يتم "لحام" انفصال الشبكية بإدخال شعاع ليزر من خلال بؤبؤ العين ويتم تصحيح عيوب قاع العين. تعتبر العمليات الجراحية التي يتم إجراؤها باستخدام "مشرط الليزر" أقل ضررًا للأنسجة الحية. ويسرع إشعاع الليزر منخفض الطاقة من التئام الجروح وله تأثير مشابه للوخز بالإبر الذي يمارسه الطب الشرقي (الوخز بالإبر بالليزر).

4. الليزر في البحث العلمي . تجعل درجة الحرارة العالية للغاية للإشعاع والكثافة العالية لطاقته من الممكن دراسة المادة في حالة قصوى لا توجد إلا في أحشاء النجوم الساخنة. تُبذل محاولات لإجراء تفاعل نووي حراري عن طريق ضغط أمبولة بمزيج من الديوتيريوم والتريتيوم بنظام أشعة الليزر (ما يسمى الاندماج النووي الحراري بالقصور الذاتي). في الهندسة الوراثية وتكنولوجيا النانو (التكنولوجيا التي تتعامل مع كائنات ذات حجم مميز من 10-9 م) ، تقطع أشعة الليزر وتحرك وتوصل أجزاء من الجينات والجزيئات البيولوجية وأجزاء من جزء من المليون من المليمتر (10-9 م) ). تستخدم محددات الليزر (ليدار) لدراسة الغلاف الجوي.

5. الليزر العسكري. تشمل التطبيقات العسكرية لليزر كلا من استخدامها للكشف عن الأهداف والاتصال ، واستخدامها كأسلحة. من المخطط تدمير أو تعطيل الأقمار الصناعية القتالية للعدو والطائرات المزودة بأشعة ليزر كيميائي قوي وليزر إكسيمر ، أرضي أو مداري. تم إنشاء عينات من مسدسات الليزر لتسليح أطقم المحطات المدارية العسكرية.

يمكن القول دون مبالغة أن الليزر ، الذي ظهر في منتصف القرن العشرين ، لعب نفس الدور في حياة البشرية مثل الكهرباء والراديو قبل نصف قرن.

سيرجي ترانكوفسكي

"أشعة الليزر"

مقدمة

يعد إشعاع الليزر أحد أكثر الإنجازات العلمية والتقنية إثارة للاهتمام في القرن العشرين. أدى إنشاء الليزر إلى ولادة البصريات العلمية والتقنية من جديد وتطوير صناعات جديدة تمامًا. على عكس مصادر الإشعاع الحراري التقليدية ، ينتج الليزر ضوءًا له عدد من الخصائص الخاصة والقيمة للغاية.
من المهم أن يكون إشعاع الليزر متماسكًا وأحادي اللون عمليًا. قبل ظهور الليزر ، كانت الموجات الراديوية فقط المنبعثة من جهاز إرسال مثبت جيدًا هي التي تمتلك هذه الخاصية. وهذا جعل من الممكن السيطرة على نطاق الضوء المرئي لتنفيذ نقل المعلومات والاتصال ، وبالتالي زيادة كبيرة في كمية المعلومات المرسلة لكل وحدة زمنية.
نظرًا لحقيقة أن الإشعاع المحفز ينتشر بشكل صارم على طول محور الرنان ، فإن شعاع الليزر يتمدد بشكل ضعيف: ويكون تباعده عدة ثوان قوسية. واحد
تسمح هذه الصفات المدرجة بتركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة للغاية ، والحصول على كثافة طاقة هائلة في النقطة المحورية. إشعاع الليزر عالي الطاقة له درجة حرارة هائلة. على سبيل المثال ، تبلغ درجة حرارة إشعاع الليزر النبضي 1015 وات حوالي 100 مليون درجة. بسبب هذه الخصائص ، وجد الليزر تطبيقًا في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا والطب. يعد استخدام إشعاع الليزر في الاتصالات الفضائية أمرًا واعدًا للغاية ، في الرادارات الضوئية التي تقيس مسافات طويلة بدقة تبلغ مليمترات ، لنقل إشارات التلفزيون والكمبيوتر عبر الألياف الضوئية. يتم استخدام الليزر لقراءة المعلومات من الأقراص المضغوطة والرموز الشريطية للمنتج. بمساعدة شعاع من الليزر منخفض الكثافة ، من الممكن إجراء عمليات جراحية ، على سبيل المثال ، "لحام" الشبكية المنفصلة عن قاع العين ، لإجراء عمليات الأوعية الدموية. في معالجة المواد باستخدام الليزر ، يتم إجراء اللحام والقطع والحفر في ثقوب صغيرة جدًا بدقة عالية.يعد استخدام إشعاع الليزر عالي الطاقة لتنفيذ تفاعل نووي حراري متحكم فيه أمرًا واعدًا. يستخدم الليزر أيضًا في المسوحات الطبوغرافية لأن شعاع الليزر يخلق خطًا مستقيمًا مثاليًا. تم تحديد اتجاه النفق أسفل القناة الإنجليزية بواسطة شعاع الليزر. بمساعدة أشعة الليزر ، يتم الحصول على صور ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد. في علم القياس ، يستخدم الليزر لقياس الطول والسرعة والضغط. إن ابتكار الليزر هو نتيجة استخدام القوانين الفيزيائية الأساسية في البحث التطبيقي. أدى إلى تقدم هائل في مختلف مجالات التكنولوجيا والتكنولوجيا. أصبح إنشاء الليزر عاملاً محددًا في تطوير أنظمة النقل الضوئية. ما سبق يحدد أهمية الدراسة في هذا العمل.
الغرض من هذا العمل هو دراسة إشعاع الليزر. أهداف هذا العمل هي النظر في:
- خصائص إشعاع الليزر.
- تاريخ موجز لظهور الليزر وتحسينه.
- مصادر وخصائص وأنواع الليزر ؛
- التأثير الضار لإشعاع الليزر ؛
- فصول أمان الليزر ومعدات الحماية.

1. تقنية الليزر

لا تزال تقنية الليزر صغيرة جدًا - ولم يتجاوز عمرها نصف قرن. ومع ذلك ، في هذا الوقت القصير للغاية ، تحول الليزر من جهاز معمل فضولي إلى وسيلة للبحث العلمي ، إلى أداة تستخدم في الصناعة. من الصعب العثور على مثل هذا المجال من التكنولوجيا الحديثة حيث لا يعمل الليزر. يتم استخدام إشعاعها في الاتصال والتسجيل وقراءة المعلومات ، من أجل قياسات دقيقة ؛ لا غنى عنها في الطب والجراحة والعلاج. يعتقد العديد من العلماء أن التغييرات الدراماتيكية التي أحدثها الليزر في حياة الإنسان مشابهة لعواقب الاستخدام الصناعي للكهرباء في نهاية القرن التاسع عشر.
يتم شرح الإمكانات العظيمة لتقنية الليزر من خلال الخصائص الخاصة لإشعاع الليزر. تدرس طبيعتها ميكانيكا الكم. إن قوانينه هي التي تصف العمليات التي تحدث في الليزر ، لذلك يطلق عليه أيضًا مولد الكم البصري.
وبالتالي ، فإن الضوء عبارة عن تيار من الجسيمات الخاصة المنبعثة من الذرات - الفوتونات أو كوانتا الإشعاع الكهرومغناطيسي. يجب اعتبارها مقاطع موجية ، وليس كجزيئات من المادة. يحمل كل فوتون جزءًا محددًا بدقة من الطاقة المنبعثة من الذرة. 2
الفوتونات المنبعثة متطابقة تمامًا وتردداتها متساوية والمراحل واحدة. عندما يلتقيان بذرتين مثارتين ، سيكون هناك 4 فوتونات ، ثم 8 ، 16 ، إلخ. سيظهر سيل من الفوتونات التي لا يمكن تمييزها ، مكونة ما يسمى بالإشعاع المتماسك أحادي اللون (أحادي اللون). هذا الانبعاث المحفز له عدد من الخصائص المثيرة للاهتمام.
إشعاع الليزر حار جدا. تعتمد قيمته على قوة الإشعاع وأحيانًا تصل إلى ملايين الدرجات.
في هذه الحالة ، يصدر الليزر طاقة بتردد واحد بطول موجة واحد. في السابق ، كان يتم تلقي هذا الإشعاع أحادي اللون فقط في نطاق الموجات الراديوية. يتكون الضوء المنبعث من قطعة صغيرة جدًا من المادة المتوهجة دائمًا من موجات ذات ترددات مختلفة جدًا. لهذا السبب ، لم يكن من الممكن في مجال البصريات ، على سبيل المثال ، إنشاء حزم إشعاعية ضيقة التوجيه ومركزة ، والتي استخدمها مهندسو الراديو لأكثر من اثني عشر عامًا.
أيضا ، ضوء الليزر مستقر للغاية. تنتشر الموجة الكهرومغناطيسية الناتجة عن الليزر لعدة كيلومترات دون تغيير. يمكن أن يظل اتساعها وترددها ومرورها ثابتًا لفترة طويلة جدًا. تسمى هذه النوعية بالتماسك المكاني والزماني العالي.
وجدت هذه الميزات الثلاث لإشعاع الليزر تطبيقًا في مختلف فروع التكنولوجيا ، في حل المشكلات التكنولوجية المختلفة. لكل حالة ، يمكنك اختيار النوع المناسب من الليزر والطاقة المطلوبة. 3

2. خصائص الليزر

2.1 ولادة عائلة الليزر

تم تحديد كيفية الحصول على إشعاع متماسك في عام 1918 عندما تنبأ ألبرت أينشتاين بظاهرة الانبعاث المستحث. إذا قمت بإنشاء بيئة تكون فيها الذرات في حالة إثارة ، و "أرسلت تيارًا ضعيفًا من الفوتونات المتماسكة إليها ، فستزداد شدتها. في أوائل الخمسينيات. ابتكر الباحثون الروس نيكولاي جيناديفيتش باسوف ، وألكسندر ميخائيلوفيتش بروخوروف ، والفيزيائي الأمريكي تشارلز هارد تاونز ، بشكل مستقل عنهم ، مكبر للصوت لموجات الراديو عالية التردد على أساس جزيئات الأمونيا. تم أخذ الجزيئات المثارة اللازمة للعمل من تدفق الغاز بواسطة مجال كهربائي بتكوين معقد. تم تسمية جهاز الوليد باسم مازر.
في عام 1960 ، صمم الفيزيائي الأمريكي ثيودور هارولد ميمان أول مولد كمي في النطاق البصري ، وهو ليزر. حدث تضخيم الضوء في بلورة الياقوت لمجموعة متنوعة شفافة من أكسيد الألومنيوم مع خليط صغير من الكروم (تمت الإشارة إلى هذه المادة قبل عام ثالث ، N.G. Basov و A.M. Prokhorov). استخدم الليزر قضيب روبي مبرد بالنيتروجين السائل بطول 4 سم وقطر 5 مم. كانت الأطراف الفضية للقضيب بمثابة مرايا ، كانت إحداها شفافة. تم ضخ الطاقة في البلورة بواسطة مصباح فلاش قوي. نقل تيار من الفوتونات عالية الطاقة ذرات الكروم إلى حالة الإثارة. في أحد مستويات الطاقة العالية ، تتأخر الذرات بمعدل 0.003 ثانية ، والوقت على النطاق الذري هائل. خلال هذه الفترة ، تمتلك بعض الذرات وقتًا لإصدار فوتونات تلقائيًا. إن تدفقها ، الذي يتكرر بشكل متكرر بين المرآتين ، يجعل كل الذرات المتحمسة تبعث كوانتا ضوئية. نتيجة لذلك ، يولد وميض ضوئي - نبضة ليزر بقوة عشرات الآلاف من واط. اليوم ، تُصنع قضبان الليزر من مواد مختلفة ، ولكن غالبًا من الياقوت والعقيق والزجاج مع مزيج من معدن نادر - النيوديميوم. بعض أنواع ليزر الحالة الصلبة (على سبيل المثال ، على العقيق) تولد مئات وآلاف النبضات في الثانية. 4
وفي نفس عام 1960 ، ابتكر الفيزيائيون الأمريكيون أ جافان وبي بيبنت ودي. هيريوت ليزر غاز يعمل على مزيج من الهيليوم والنيون. لم يعد هذا الليزر يبعث ضوءًا أحمر على شكل نبضات ، ولكن بشكل مستمر. اتضح أن مزيج الغازات تم اختياره جيدًا لدرجة أن ليزر الهيليوم-نيون لا يزال أكثر المصادر شيوعًا للضوء المتماسك ، على الرغم من أنها تمكنت من تحقيق الإشعاع من العديد من الغازات والأبخرة الأخرى. يتم ضخ الطاقة في خليط الغاز بواسطة تفريغ كهربائي متوهج. يعتمد لون الحزمة على تكوين الغاز أو البخار الذي يعمل عليه الليزر. الأرجون ، على سبيل المثال ، يعطي ضوء أزرق ، أصفر كريبتون ، زينون وأخضر بخار نحاسي. اختبار الأشعة غير المرئية لثاني أكسيد الكربون وبخار الماء (الأشعة تحت الحمراء).
تشتمل عائلة ليزر الغاز أيضًا على مولدات كمومية ، حيث لا يتم تحضير الجزيئات المُثارة مسبقًا ، ولكنها تظهر فور حدوث الإشعاع. هذه هي ما يسمى بالليزر الديناميكي الغازي والكيميائي ، وتنتج طاقة هائلة تصل إلى مئات الكيلوات وحتى عشرات الميجاوات في وضع مستمر.
الليزر الديناميكي الغازي يشبه المحرك النفاث. تصدر جزيئات غاز شديد الحرارة المتسربة منه طاقة على شكل إشعاع ضوئي. في الليزر الكيميائي ، يتم إنتاج الجزيئات المُثارة عن طريق تفاعل كيميائي. أكثرها نشاطا هو مزيج الفلور الذري مع الهيدروجين.
ينتج الإشعاع المستمر أيضًا عن طريق الليزر السائل. مادة العمل بالنسبة لهم ، على سبيل المثال ، محاليل أملاح النيوديميوم ومركبات الأنيلين. نظرًا لاستخدام مركبات الأنيلين في صبغ الأقمشة ، فإن المولدات القائمة عليها تسمى ليزر الصبغ. للحصول على عملية ليزر أكثر ثباتًا ، يمكن تمرير السائل عبر الثلاجة.
أصغر أنواع الليزر هي أشباه الموصلات: يمكن وضع عدة عشرات منها في علبة أعواد ثقاب ، ولا يتجاوز حجم المادة التي يحدث فيها الانبعاث المحفّز جزءًا من ألف من المليمتر المكعب. يتم ضخ الطاقة في أشباه الموصلات بواسطة تيار كهربائي. أكثر من نصفه "يتحول" إلى ضوء ، أي أن كفاءة هذه الليزرات يمكن أن تصل إلى أكثر من 50٪.

2.2 أنواع الليزر

1) ليزر الحالة الصلبة.
كان أول وسيط نشط صلب هو الياقوت - بلورة اكسيد الألمونيوم Al2O3 مع خليط صغير من أيونات الكروم Cr +++. تم تصميمه بواسطة T.Memiman (الولايات المتحدة الأمريكية) في عام 1960. كما يستخدم على نطاق واسع الزجاج بمزيج من النيوديميوم Nd وعقيق الإيتريوم الألومنيوم Y 2 Al 5 O 12 مع مزيج من الكروم والنيوديميوم وعناصر أرضية نادرة على شكل قضبان . عادةً ما يتم ضخ ليزر الحالة الصلبة بواسطة مصباح وامض يومض لمدة تتراوح من 10 إلى 3 ثوانٍ ، ويتضح أن طول نبضة الليزر يبلغ نصف طولها. يتم إنفاق جزء من الوقت على تكوين مجتمع معكوس ، وفي نهاية الفلاش ، تصبح شدة الضوء غير كافية لإثارة الذرات ويتوقف التوليد. نبضة الليزر لها بنية معقدة ، وتتكون من عدة قمم فردية مدتها حوالي 10-6 ثوان ، مفصولة بفواصل من حوالي 10-5 ثوان. في ما يسمى بوضع التوليد الحر ، يمكن أن تصل قوة النبض إلى عشرات الكيلوواط. من المستحيل تقنيًا زيادة الطاقة ببساطة عن طريق تضخيم ضوء المضخة وزيادة حجم قضيب الليزر. لذلك ، تزداد قوة نبضات الليزر بتقليل مدتها. لهذا الغرض ، يتم وضع مصراع أمام إحدى مرايا الرنان ، مما يمنع الليزر من البدء حتى يتم نقل جميع ذرات المادة الفعالة تقريبًا إلى المستوى العلوي. ثم يتم فتح المصراع لفترة قصيرة ويتم عرض كل الطاقة المتراكمة على شكل ما يسمى بالنبضة العملاقة. اعتمادًا على احتياطي الطاقة ومدة الفلاش ، يمكن أن تتراوح طاقة النبض من عدة ميغاوات إلى عشرات تيراواط (1012 واط). 5
2) ليزر الغاز.
الوسيط النشط لليزر الغازي هو غازات الضغط المنخفض (من المئات إلى عدة مليمترات من الزئبق) أو مخاليطها التي تملأ أنبوبًا زجاجيًا بأقطاب كهربائية ملحومة. تم إنشاء أول ليزر غازي يعتمد على مزيج من الهيليوم والنيون بعد فترة وجيزة من الليزر الياقوتي في عام 1960 بواسطة A. Javan و W. Bennett و D. Herriot (الولايات المتحدة الأمريكية). يتم ضخ ليزر الغاز بواسطة تفريغ كهربائي يتم توفيره بواسطة مولد عالي التردد. إنها تولد الإشعاع بنفس الطريقة كما في ليزر الحالة الصلبة ، لكن ليزر الغاز يعطي ، كقاعدة عامة ، إشعاعًا مستمرًا. نظرًا لأن كثافة الغازات صغيرة جدًا ، يجب أن يكون طول الأنبوب الذي يحتوي على الوسيط النشط كبيرًا بما يكفي حتى تكون كتلة المادة الفعالة كافية للحصول على كثافة إشعاع عالية.
يشتمل ليزر الغاز أيضًا على ليزر ديناميكي للغاز وكيميائي وليزر إكسيمر (ليزر يعمل على التحولات الإلكترونية للجزيئات التي لا توجد إلا في حالة الإثارة).
يشبه الليزر الديناميكي الغازي المحرك النفاث ، حيث يتم حرق الوقود مع إضافة جزيئات من الغازات المتوسطة النشطة. في غرفة الاحتراق ، تكون جزيئات الغاز متحمسة ، وعند تبريدها بتدفق أسرع من الصوت ، تنبعث طاقة على شكل إشعاع متماسك عالي الطاقة في منطقة الأشعة تحت الحمراء ، والذي يخرج عبر تدفق الغاز.
3) الليزر الكيميائي.
في الليزر الكيميائي (نوع من الليزر الديناميكي الغازي) ، يتشكل انعكاس السكان بسبب التفاعلات الكيميائية. يتم تطوير أعلى قوة بواسطة الليزر بناءً على تفاعل الفلور الذري مع الهيدروجين.
4) الليزر السائل.
الوسط النشط لهذه الليزرات (وتسمى أيضًا ليزر الصبغ) عبارة عن مركبات عضوية متنوعة في شكل محاليل. ظهر أول ليزر صبغ في أواخر الستينيات. تحتل كثافة مادة العمل الخاصة بهم مكانًا وسيطًا بين مادة صلبة وغاز ، وبالتالي يولدون إشعاعًا قويًا جدًا (حتى 20 واط) بحجم صغير من الخلية التي تحتوي على المادة الفعالة. وهي تعمل في كلا الوضعين النبضي والمستمر ، ويتم ضخها بواسطة المصابيح النبضية والليزر. المستويات المثارة لجزيئات الصبغة واسعة ؛ لذلك ، تصدر أشعة الليزر السائلة عدة ترددات في وقت واحد. ومن خلال تغيير الأكواخ باستخدام محاليل الصبغة ، يمكن ضبط إشعاع الليزر في نطاق واسع جدًا. يتم تنفيذ الضبط السلس لتردد الإشعاع عن طريق ضبط الرنان.
5) ليزر أشباه الموصلات.
تم إنشاء هذا النوع من المولدات الكمومية الضوئية في عام 1962 في وقت واحد من قبل عدة مجموعات من الباحثين الأمريكيين (R. Hall ، M.I. مادة أشباه موصلات الليزر الشائعة - زرنيخيد الغاليوم GaAr. 6
وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم ، تشغل الإلكترونات الموجودة في المادة الصلبة نطاقات طاقة واسعة ، تتكون من العديد من المستويات الموجودة باستمرار. يتم فصل النطاق السفلي ، المسمى شريط التكافؤ ، عن النطاق العلوي (نطاق التوصيل) عن طريق ما يسمى بالنطاق المحظور ، حيث لا توجد مستويات طاقة. في أشباه الموصلات ، يوجد عدد قليل من إلكترونات التوصيل ، حركتها محدودة ، ولكن تحت تأثير الحركة الحرارية ، يمكن للإلكترونات الفردية القفز من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، تاركًا فراغًا فيه - "ثقب". وإذا عاد إلكترون مع طاقة Ee بشكل تلقائي إلى نطاق التوصيل ، فإنه "يتحد" بفتحة مع طاقة Ed ، والتي تكون مصحوبة بإشعاع من المنطقة المحظورة للفوتون بتردد n = Ee - Ed. يتم ضخ ليزر أشباه الموصلات بتيار كهربائي ثابت (في هذه الحالة ، يتم تحويل من 50 إلى 100٪ تقريبًا من طاقته إلى إشعاع) ؛ عادة ما يكون الرنان هو الوجوه المصقولة لبلورة أشباه الموصلات.
6) الليزر في الطبيعة.
تم اكتشاف الليزر من أصل طبيعي في الكون. يحدث الانقلاب السكاني في سحب ضخمة من الغازات المكثفة بين النجوم. يتم ضخ الإشعاع الكوني والضوء من النجوم القريبة وما إلى ذلك. نظرًا للطول الهائل للوسط النشط (السحب الغازية) - مئات الملايين من الكيلومترات - لا تحتاج مثل هذه الليزرات الفيزيائية الفلكية إلى رنانات: الإشعاع الكهرومغناطيسي المحفّز في نطاق الطول الموجي من عدة تظهر فيها سنتيمترات (سديم السرطان) إلى ميكرون (بالقرب من النجم إيتا كارينا) مع مرور واحد للموجة.

2.3 خصائص إشعاع الليزر

على عكس مصادر الإشعاع الحراري التقليدية ، ينتج الليزر ضوءًا له عدد من الخصائص الخاصة والقيمة للغاية. 7
1. إشعاع الليزر متماسك وأحادي اللون عمليًا. قبل ظهور الليزر ، كانت الموجات الراديوية فقط المنبعثة من جهاز إرسال مثبت جيدًا هي التي تمتلك هذه الخاصية. نظرًا لحقيقة أن الإشعاع المحفز ينتشر بشكل صارم على طول محور الرنان ، فإن شعاع الليزر يتمدد بشكل ضعيف: ويكون تباعده عدة ثوان قوسية.
تسمح هذه الصفات المدرجة بتركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة للغاية ، والحصول على كثافة طاقة هائلة في النقطة المحورية.
2. إشعاع الليزر ذو الطاقة العالية له درجة حرارة هائلة. على سبيل المثال ، الليزر النبضي بقوة تصل إلى بيتاوات (1015 وات) تبلغ درجة حرارة الإشعاع فيه حوالي 100 مليون درجة.
جعلت هذه الخصائص الفريدة لإشعاع الليزر من المولدات الكمية أداة لا غنى عنها في مختلف مجالات العلوم والتكنولوجيا.
1. الليزر التكنولوجي. تُستخدم أشعة الليزر المستمرة القوية لقطع ولحام ولحام الأجزاء المصنوعة من مواد مختلفة. تجعل درجة حرارة الإشعاع العالية من الممكن لحام المواد التي لا يمكن ربطها بطرق أخرى (على سبيل المثال ، المعدن بالسيراميك). تجعل أحادية اللون العالية للإشعاع من الممكن تركيز الحزمة على نقطة بقطر من الميكرون واستخدامها لتصنيع الدوائر الدقيقة (ما يسمى طريقة الكشط بالليزر - إزالة طبقة رقيقة). لمعالجة الأجزاء في فراغ أو في جو غاز خامل ، يمكن إدخال شعاع الليزر في غرفة العملية من خلال نافذة شفافة.
2. الاتصال بالليزر. أحدث ظهور الليزر ثورة في تكنولوجيا الاتصالات وتسجيل المعلومات. هناك قاعدة بسيطة: كلما زاد تردد الموجة الحاملة (طول موجي أقصر) لقناة الاتصال ، زاد عرض النطاق الترددي لها. هذا هو السبب في أن الاتصالات الراديوية ، التي أتقنت في البداية نطاق الموجات الطويلة ، تحولت تدريجياً إلى أطوال موجية أقصر بشكل متزايد. لكن الضوء هو نفس الموجة الكهرومغناطيسية مثل موجات الراديو ، فقط أقصر بعشرات الآلاف من المرات ، لذلك يمكن لشعاع الليزر أن ينقل عشرات الآلاف من المعلومات أكثر من قناة الراديو عالية التردد. يتم إجراء الاتصال بالليزر عبر الألياف الضوئية - خيوط زجاجية رفيعة ، حيث ينتشر الضوء ، بسبب الانعكاس الداخلي الكلي ، عمليا دون فقدان لمئات الكيلومترات. يستخدم شعاع الليزر لتسجيل وإعادة إنتاج الصور (بما في ذلك الصور المتحركة) والصوت على الأقراص المدمجة.
3. الليزر في الطب. تستخدم تقنية الليزر على نطاق واسع في كل من الجراحة والعلاج. يتم "لحام" انفصال الشبكية بإدخال شعاع ليزر من خلال بؤبؤ العين ويتم تصحيح عيوب قاع العين. تعتبر العمليات الجراحية التي يتم إجراؤها باستخدام "مشرط الليزر" أقل ضررًا للأنسجة الحية. ويسرع إشعاع الليزر منخفض الطاقة من التئام الجروح وله تأثير مشابه للوخز بالإبر الذي يمارسه الطب الشرقي (الوخز بالإبر بالليزر).
4. الليزر في البحث العلمي. تجعل درجة الحرارة العالية للغاية للإشعاع والكثافة العالية لطاقته من الممكن دراسة المادة في حالة قصوى لا توجد إلا في أحشاء النجوم الساخنة. تُبذل محاولات لإجراء تفاعل نووي حراري عن طريق ضغط أمبولة بمزيج من الديوتيريوم والتريتيوم بنظام أشعة الليزر (ما يسمى الاندماج النووي الحراري بالقصور الذاتي). في الهندسة الوراثية وتكنولوجيا النانو (التكنولوجيا التي تتعامل مع كائنات ذات حجم مميز من 10-9 م) ، تقطع أشعة الليزر وتحرك وتوصل أجزاء من الجينات والجزيئات البيولوجية وأجزاء من جزء من المليون من المليمتر (10-9 م) ). تستخدم محددات الليزر (ليدار) لدراسة الغلاف الجوي.
5. الليزر العسكري. تشمل التطبيقات العسكرية لليزر كلا من استخدامها للكشف عن الأهداف والاتصال ، واستخدامها كأسلحة. من المخطط تدمير أو تعطيل الأقمار الصناعية القتالية للعدو والطائرات المزودة بأشعة ليزر كيميائي قوي وليزر إكسيمر ، أرضي أو مداري. تم إنشاء عينات من مسدسات الليزر لتسليح أطقم المحطات المدارية العسكرية.

3. آليات الآثار الضارة لأشعة الليزر

الأنسجة والأعضاء التي تتعرض عادةً لإشعاع الليزر هي العيون والجلد. هناك ثلاثة أنواع رئيسية من تلف الأنسجة الناتج عن إشعاع الليزر. هذه هي التأثيرات الحرارية والتأثيرات الكيميائية الضوئية والتأثيرات الصوتية العابرة (تتأثر العيون فقط). يمكن أن تحدث التأثيرات الحرارية عند أي طول موجي وتكون نتيجة للإشعاع أو التعرض للضوء لإمكانية التبريد لتدفق الدم في الأنسجة.
في الهواء ، تحدث التأثيرات الكيميائية الضوئية بين 200 و 400 نانومتر والأشعة فوق البنفسجية ، وبين 400 و 470 نانومتر عند الأطوال الموجية البنفسجية. ترتبط التأثيرات الكيميائية الضوئية بمدة الإشعاع وكذلك معدل تكراره.
يمكن أن تحدث التأثيرات الصوتية العابرة المرتبطة بمدة النبض في فترات نبضة قصيرة (تصل إلى 1 مللي ثانية) اعتمادًا على الطول الموجي لليزر المحدد. إن التعرض الصوتي للتأثيرات العابرة غير مفهوم جيدًا ، ولكنه يمكن أن يتسبب في تلف شبكية العين يختلف عن الضرر الحراري لشبكية العين.
يرتبط الضرر المحتمل للعين ارتباطًا مباشرًا بطول موجة الليزر. تؤثر الأطوال الموجية الأقصر من 300 نانومتر أو أكثر من 1400 نانومتر على القرنية. تؤثر الأطوال الموجية بين 300 و 400 نانومتر على الخلط المائي والقزحية والعدسة والفكاهة الزجاجية. يتم توجيه الأطوال الموجية بين 400 نانومتر و 1400 نانومتر نحو الشبكية. ثمانية
يمكن أن يكون الضرر الذي يلحق بشبكية العين بالليزر كبيرًا جدًا بسبب الكسب البؤري (الكسب البصري) من العين ، والذي يبلغ حوالي 105. وهذا يعني أن الإشعاع من 1 ميجاوات / سم 2 عبر العين سيزداد بشكل فعال إلى 100 ميجاوات / سم 2 عند تصل إلى شبكية العين.
مع الحروق الحرارية للعين ، تتعطل وظيفة تبريد أوعية الشبكية. نتيجة للتأثير الضار للعامل الحراري ، يمكن أن يحدث نزيف في الجسم الزجاجي نتيجة لتلف الأوعية الدموية.
نظرًا لأن الشبكية يمكن أن تتعافى من أضرار طفيفة ، فإن الإصابة الكامنة في الشبكية البقعية يمكن أن تؤدي إلى فقدان مؤقت أو دائم في حدة البصر أو العمى الكامل. يمكن أن تؤدي الإصابة الكيميائية الضوئية للقرنية عن طريق الإشعاع فوق البنفسجي إلى التهاب الملتحمة الضوئي (يشار إليه غالبًا باسم مرض اللحام أو العمى الثلجي). يمكن أن تستمر هذه الحالات المؤلمة لعدة أيام مصحوبة بألم منهك للغاية. يمكن أن يؤدي التعرض للإشعاع على المدى الطويل إلى تكوين إعتام عدسة العين.
تؤثر المدة الإجمالية للتعرض أيضًا على صدمة العين. على سبيل المثال ، إذا كان الليزر ذو الأطوال الموجية المرئية (400 إلى 700 نانومتر) لديه قوة شعاع أقل من 1.0 ميغاواط ووقت تعريض أقل من 0.25 ثانية (الوقت الذي يستغرقه الشخص لإغلاق عينيه) ، سيكون هناك لا ضرر لشبكية العين. تندرج أشعة الليزر من الفئة 1 و 2 A و 2 في هذه الفئة ولا يمكنها عمومًا الإضرار بشبكية العين. لسوء الحظ ، فإن الضربات المباشرة أو غير المباشرة من فئة 3A أو 3B أو 4 ليزر وانعكاسات منتشرة من ليزر أعلى من الفئة 4 يمكن أن تسبب ضررًا قبل أن يتمكن الشخص من إغلاق عينيه بشكل انعكاسي.
بالنسبة لليزر النبضي ، تؤثر مدة النبض أيضًا على احتمالية إلحاق الضرر بالعينين. يمكن أن تسبب النبضات التي تقل عن 1 مللي ثانية عند الاصطدام بالشبكية تأثيرات صوتية عابرة ، مما يؤدي إلى تلف كبير ونزيف بالإضافة إلى الضرر الحراري المتوقع. تمتلك العديد من أجهزة الليزر النبضية حاليًا أوقات نبض أقل من 1 بيكو ثانية.
يحدد معيار ANSI الحد الأقصى من الطاقة المسموح بها للتعرض بالليزر للعين دون أي عواقب (في ظل ظروف معينة).
تنقسم إصابات الجلد من الليزر في المقام الأول إلى فئتين: الإصابات الحرارية (الحروق) من التعرض الحاد لأشعة الليزر عالية الطاقة والإصابة الناتجة عن التعرض الكيميائي الضوئي من التعرض المزمن لأشعة الليزر فوق البنفسجية المتناثرة. يمكن أن تنتج الإصابة الحرارية عن التلامس المباشر مع الحزمة أو انعكاسها المرآوي. على الرغم من كونها مؤلمة ، إلا أن هذه الإصابات ليست خطيرة وعادة ما يمكن الوقاية منها بسهولة من خلال التحكم المناسب في شعاع الليزر. يمكن أن يحدث الضرر الكيميائي الضوئي بمرور الوقت من التعرض للضوء المباشر أو الانعكاسات المرآوية أو حتى الانعكاسات المنتشرة. قد يكون التأثير طفيفًا ، ولكن قد يكون هناك حروق شديدة ، وقد يساهم التعرض المطول في تكوين سرطان الجلد. قد تكون هناك حاجة إلى نظارات وملابس سلامة جيدة لحماية الجلد والعينين. عند العمل باستخدام الليزر ، يجب أن يكون لديك نظارات واقية من أشعة الليزر. هناك حاجة إلى نظارات واقية حتى مع الليزر بقدرة 15 ميجاوات ، فبدونها تتعب العيون بشدة.
يتم قياس درجة حماية النظارات بالليزر في OD (الكثافة البصرية). تُظهر الكثافة البصرية عدد المرات التي يخفف فيها الزجاج الضوء. واحد يعني "10 مرات". وعليه فإن "الكثافة الضوئية 3" تعني التوهين 1000 مرة ، و 6 - في المليون. الكثافة الضوئية الصحيحة لليزر المرئي هي أن طاقة الفئة الثانية تبقى بعد النظارات من ضربة ليزر مباشرة (بحد أقصى حوالي 1 ميجاوات).
النظارات المنزلية ZN-22 C3-C22 تحمي من الأحمر وبعض أشعة الليزر تحت الحمراء. إنها تشبه نظارات اللحام ، لكن لديها نظارات زرقاء. فيما يتعلق بالاستخدام الواسع النطاق لمصادر إشعاع الليزر في البحث العلمي ، والصناعة ، والاتصالات الطبية ، وما إلى ذلك ، هناك حاجة للحفاظ على صحة الأشخاص الذين يقومون بتشغيل تركيبات الليزر المختلفة. 9
الليزر هو مصدر إشعاع متماسك ، أي حركة الفوتونات المنسقة في الزمان والمكان في شكل حزمة مختارة. تعتمد طبيعة التأثير على الجهاز البصري ودرجة التأثير الضار لليزر على كثافة طاقة الإشعاع وطول موجة الإشعاع (نبضي أو مستمر). تعتمد طبيعة تلف الجلد على لون الجلد ، على سبيل المثال ، تمتص البشرة المصطبغة أشعة الليزر بقوة أكبر بكثير من الجلد غير المصطبغ. يعكس الجلد الفاتح ما يصل إلى 40٪ من الإشعاع الساقط. تحت تأثير أشعة الليزر ، تم الكشف عن عدد من التغييرات غير المرغوب فيها في الجهاز التنفسي والجهاز الهضمي والقلب والأوعية الدموية والغدد الصماء. في بعض الحالات ، تكون هذه الأعراض السريرية العامة مستمرة تمامًا نتيجة لتأثيرها على الجهاز العصبي.
دعونا نصف تأثير النطاقات الطيفية الأكثر خطورة من الناحية البيولوجية لتشعيع الليزر. في منطقة الأشعة تحت الحمراء ، يمكن أن تخترق طاقة الموجات "الأقصر" (0.7-1.3 ميكرون) إلى عمق كبير نسبيًا في الجلد والوسائط الشفافة للعين. عمق الاختراق يعتمد على الطول الموجي للإشعاع الحادث. منطقة الشفافية العالية بأطوال موجية من 0.75 إلى 1.3 ميكرومتر لها أقصى شفافية في منطقة 1.1 ميكرومتر. عند هذا الطول الموجي ، تخترق 20٪ من الطاقة المتساقطة على الطبقة السطحية من الجلد الجلد إلى عمق 5 مم. علاوة على ذلك ، في البشرة شديدة التصبغ ، يمكن أن يكون عمق الاختراق أكبر. ومع ذلك ، فإن جلد الإنسان يقاوم الأشعة تحت الحمراء بشكل جيد ، لأنه قادر على تبديد الحرارة بسبب الدورة الدموية وخفض درجة حرارة الأنسجة بسبب تبخر الرطوبة من السطح.
لكن حماية العينين من الأشعة تحت الحمراء أكثر صعوبة ، فالحرارة لا تشتت فيها عمليًا ، كما أن العدسة التي تركز الإشعاع على شبكية العين تعزز تأثير التأثير البيولوجي. كل هذا يدفعنا إلى إيلاء اهتمام خاص لحماية العين عند العمل باستخدام الليزر. القرنية شفافة للإشعاع في نطاق الطول الموجي من 0.75-1.3 ميكرون وتصبح معتمًا عمليًا فقط للأطوال الموجية التي تزيد عن 2 ميكرون.
تعتمد درجة الضرر الحراري للقرنية على جرعة الإشعاع الممتصة ، وهي الطبقة السطحية الرقيقة المصابة بشكل أساسي. إذا تجاوزت قيمة الطاقة الإشعاعية الحد الأدنى لجرعة الإشعاع في نطاق الطول الموجي البالغ 1.2-1.7 ميكرون ، فقد يحدث تدمير كامل للطبقة الظهارية الواقية. من الواضح أن مثل هذا التنكس في الأنسجة في المنطقة الواقعة خلف التلميذ مباشرة يؤثر بشكل خطير على حالة جهاز الرؤية.
يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن القزحية شديدة الصباغ تمتص تقريبًا نطاق الأشعة تحت الحمراء بأكمله. إنه شديد التأثر بشكل خاص بعمل الإشعاع بطول موجة يبلغ 0.8-1.3 ميكرون ، حيث لا يتم الاحتفاظ بالإشعاع تقريبًا بواسطة القرنية والسائل المائي للغرفة الأمامية للعين.
الحد الأدنى لقيمة كثافة الطاقة الإشعاعية في نطاق الطول الموجي البالغ 0.8-1.1 ميكرون ، القادرة على إحداث ضرر للقزحية ، هي 4.2 جول / سم 2. دائمًا ما يكون الضرر المتزامن للقرنية والقزحية حادًا ، وبالتالي فهو الأكثر خطورة. 10
يزداد امتصاص العين للطاقة الإشعاعية في منطقة الأشعة تحت الحمراء الواقعة على القرنية مع زيادة الطول الموجي. في الأطوال الموجية 1.4-1.9 ميكرومتر ، تمتص القرنية والحجرة الأمامية للعين جميع الإشعاع الساقط تقريبًا ، وعند أطوال موجية أعلى من 1.9 ميكرومتر ، تصبح القرنية هي الامتصاص الوحيد للطاقة الإشعاعية.
عند تقييم المستويات المسموح بها من طاقة الليزر ، من الضروري مراعاة التأثير الكلي الناتج على الوسائط الشفافة للعين وشبكية العين والمشيمية. دعونا نقدر تأثير أشعة الليزر على شبكية العين.
عند التنبؤ بإمكانية التعرض لخطر التعرض لليزر ، من الضروري مراعاة ما يلي:
إلخ.................

وكالة السكك الحديدية الاتحادية

ميزانية الدولة الاتحادية

المؤسسة التعليمية للتعليم المهني العالي

"جامعة ولاية موسكو لطرق الاتصال"

معهد تكنولوجيا النقل وأنظمة التحكم

قسم "تكنولوجيا هندسة النقل وإصلاح عربات السكك الحديدية"

نبذة مختصرة

في التخصص: "طرق المعالجة الكهروكيميائية والكهروكيميائية"

الموضوع: "أنواع وخصائص الليزر"

مقدمة

يعتبر اختراع الليزر من أبرز إنجازات العلوم والتكنولوجيا في القرن العشرين. ظهر أول ليزر في عام 1960 ، وبدأ التطور السريع لتقنية الليزر على الفور. في وقت قصير ، تم إنشاء أنواع مختلفة من أجهزة الليزر وأجهزة الليزر ، مصممة لحل مشاكل علمية وتقنية محددة. اكتسب الليزر بالفعل مناصب قوية في العديد من قطاعات الاقتصاد الوطني. بصفته الأكاديمي أ. الكسندروف ، كل فتى يعرف الآن كلمة ليزر ... ومع ذلك ، ما هو الليزر ، كيف هو ممتع ومفيد؟ أحد مؤسسي علم الليزر - إلكترونيات الكم - الأكاديمي ن. يجيب باسوف على هذا السؤال على النحو التالي: الليزر هو جهاز يتم فيه تحويل الطاقة ، مثل الطاقة الحرارية والكيميائية والكهربائية ، إلى طاقة مجال كهرومغناطيسي - شعاع ليزر. مع مثل هذا التحويل ، يُفقد جزء من الطاقة حتمًا ، ولكن المهم هو أن طاقة الليزر الناتجة ذات جودة أعلى بما لا يقاس. يتم تحديد جودة طاقة الليزر من خلال تركيزها العالي وإمكانية انتقالها عبر مسافة كبيرة. يمكن تركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة من القطر بترتيب الطول الموجي لموجة ضوئية ويمكن الحصول على كثافة طاقة تتجاوز كثافة الطاقة الناتجة عن انفجار نووي اليوم.

بمساعدة إشعاع الليزر ، أصبح من الممكن بالفعل تحقيق أعلى قيم درجة الحرارة والضغط وقوة المجال المغناطيسي. أخيرًا ، شعاع الليزر هو ناقل المعلومات الأكثر رحابة ، وفي هذا الدور ، يعد وسيلة جديدة بشكل أساسي لنقلها ومعالجتها. ... يتم تفسير الاستخدام الواسع النطاق لليزر في العلوم والتكنولوجيا الحديثة من خلال الخصائص المحددة لإشعاع الليزر. الليزر هو مولد ضوء متماسك. على عكس مصادر الضوء الأخرى (على سبيل المثال ، المصابيح المتوهجة أو المصابيح الفلورية) ، ينتج الليزر إشعاعًا ضوئيًا يتميز بدرجة عالية من ترتيب مجال الضوء ، أو ، كما يقولون ، درجة عالية من التماسك. هذا الإشعاع أحادي اللون للغاية واتجاهي. في الوقت الحاضر ، يعمل الليزر بنجاح في الإنتاج الحديث ، ويتعامل مع مجموعة متنوعة من المهام. يتم استخدام شعاع الليزر لقطع الأقمشة وقطع الألواح الفولاذية ولحام أجسام السيارات ولحام أصغر الأجزاء في المعدات الإلكترونية وثقب الثقوب في المواد الهشة وفائقة الصلابة. علاوة على ذلك ، فإن المعالجة بالليزر للمواد تجعل من الممكن زيادة الكفاءة والقدرة التنافسية مقارنة بأنواع المعالجة الأخرى. يتوسع مجال تطبيق الليزر في البحث العلمي - الفيزيائي والكيميائي والبيولوجي - باستمرار.

الخصائص الرائعة لليزر - التماسك العالي للغاية والتوجيهية للإشعاع ، وإمكانية توليد موجات متماسكة عالية الكثافة في المناطق المرئية والأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية من الطيف ، والحصول على كثافة طاقة عالية في كل من الوضعين المستمر والنبضي - بالفعل في الفجر من الإلكترونيات الكمومية إلى إمكانية تطبيقها على نطاق واسع لأغراض عملية. منذ نشأتها ، تطورت تقنية الليزر بمعدل مرتفع للغاية. تظهر أنواع جديدة من الليزر ، وفي الوقت نفسه ، يتم تحسين الأنواع القديمة: يتم إنشاء تركيبات ليزر مع مجموعة من الخصائص اللازمة لأغراض محددة مختلفة ، بالإضافة إلى أنواع مختلفة من أجهزة التحكم في الحزمة ، ويتم تحسين تقنية القياس أكثر وأكثر. كان هذا هو سبب الاختراق العميق لليزر في العديد من فروع الاقتصاد الوطني ، وخاصة في صناعة الآلات والأدوات.

وتجدر الإشارة بشكل خاص إلى أن تطوير طرق الليزر ، أو بعبارة أخرى تقنيات الليزر ، يزيد بشكل كبير من كفاءة الإنتاج الحديث. تسمح تقنيات الليزر بأتمتة عمليات الإنتاج على أكمل وجه.

إن التطورات في تقنية الليزر اليوم هائلة ومثيرة للإعجاب. غدا يعد بإنجازات أعظم. ترتبط الكثير من الآمال بأشعة الليزر: من إنشاء السينما ثلاثية الأبعاد إلى حل المشكلات العالمية مثل إنشاء اتصالات بصرية طويلة جدًا تحت الأرض وتحت الماء ، وكشف أسرار التمثيل الضوئي ، وتنفيذ تفاعل نووي حراري متحكم فيه. ، ظهور أنظمة ذات سعة ذاكرة كبيرة وأجهزة إدخال وإخراج معلومات عالية السرعة.

1. تصنيف الليزر

من المعتاد التمييز بين نوعين من الليزر: مكبرات الصوت والمولدات. عند إخراج مكبر الصوت ، يظهر إشعاع الليزر عندما تصل إشارة غير مهمة عند التردد الانتقالي إلى مدخلها (وهي نفسها في حالة الإثارة بالفعل). هذه الإشارة هي التي تحفز الجسيمات المثارة على إطلاق الطاقة. حدوث زيادة تشبه الانهيار الجليدي. وبالتالي ، يوجد إشعاع ضعيف عند الإدخال ، ويتم تضخيمه عند الخرج. هذا ليس هو الحال مع المولد. عند إدخاله ، لم يعد يتم توفير الإشعاع عند التردد الانتقالي ، بل إنه يثير المادة الفعالة ، علاوة على ذلك ، يزيد من إثارة المادة الفعالة. علاوة على ذلك ، إذا كانت المادة الفعالة في حالة شديدة الإثارة ، فإن احتمال الانتقال التلقائي لجسيم واحد أو عدة جسيمات من المستوى الأعلى إلى المستوى السفلي يزيد بشكل كبير. هذا يؤدي إلى توليد انبعاثات محفزة.

يرتبط النهج الثاني لتصنيف الليزر بالحالة الفيزيائية للمادة الفعالة. من وجهة النظر هذه ، الليزر هو الحالة الصلبة (على سبيل المثال ، الياقوت أو الزجاج أو الياقوت) ، الغاز (على سبيل المثال ، الهيليوم نيون ، الأرجون ، إلخ) ، السائل ، إذا تم استخدام انتقال أشباه الموصلات كمادة فعالة ، ثم يسمى الليزر بأشباه الموصلات.

يرتبط النهج الثالث للتصنيف بطريقة إثارة المادة الفعالة. هناك أنواع الليزر التالية: مع الإثارة بسبب الإشعاع الضوئي ، مع الإثارة بتدفق الإلكترون ، مع الإثارة بالطاقة الشمسية ، مع الإثارة بسبب طاقات الأسلاك المتفجرة ، مع الإثارة بالطاقة الكيميائية ، مع الإثارة بالإشعاع النووي. يتميز الليزر أيضًا بطبيعة الطاقة المنبعثة وتكوينها الطيفي. إذا كانت الطاقة تنبعث في نبضات ، فإنهم يتحدثون عن الليزر النبضي ، إذا كان مستمرًا ، فإن الليزر يسمى الليزر بإشعاع مستمر. توجد أشعة ليزر ذات أسلوب تشغيل مختلط ، على سبيل المثال ، أشباه الموصلات. إذا كان إشعاع الليزر يتركز في نطاق ضيق من الأطوال الموجية ، فإن الليزر يسمى أحادي اللون ، إذا كان في نطاق واسع ، فإنه يسمى ليزر واسع النطاق.

نوع آخر من التصنيف يعتمد على استخدام مفهوم انتاج الطاقة. تسمى الليزرات ذات الطاقة المستمرة (المتوسطة) التي تزيد عن 106 واط بالليزرات عالية الطاقة. مع قدرة خرج في حدود 105 ... 103 واط ، لدينا ليزر متوسط ​​القدرة. إذا كانت طاقة الخرج أقل من 10-3 وات ، فإن المرء يتحدث عن ليزر منخفض الطاقة.

اعتمادًا على تصميم مرنان المرآة المفتوحة ، يتم التمييز بين الليزر المزود بمفاتيح Q ثابتة والليزر مع مفاتيح Q المعدلة - في مثل هذا الليزر ، يمكن وضع إحدى المرايا ، على وجه الخصوص ، على محور محرك كهربائي يدور هذه المرآة. في هذه الحالة ، يتغير عامل Q للرنان بشكل دوري من الصفر إلى القيمة القصوى. يسمى هذا الليزر بالليزر Q-modulated.

2. خصائص الليزر

أحد خصائص الليزر هو الطول الموجي للطاقة المنبعثة. يمتد مدى الطول الموجي لإشعاع الليزر من الأشعة السينية إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة ، أي من 10-3 إلى 102 ميكرون. خلف مساحة 100 ميكرون تكمن بالمعنى المجازي الأرض البكر ... لكنه يمتد فقط إلى قسم من المليمترات ، والذي يتقنه مشغلو الراديو. هذه المنطقة غير المطورة تتقلص باستمرار ، ومن المؤمل أن يتم الانتهاء من تطويرها في المستقبل القريب. الحصة التي تمثلها أنواع مختلفة من المولدات ليست هي نفسها. أوسع مجموعة لمولدات الكم بالغاز.

طاقة النبض هي خاصية مهمة أخرى لليزر. يقاس بالجول ويصل إلى أعلى قيمة لمولدات الحالة الصلبة - حوالي 103 ج. الخاصية الثالثة هي الطاقة. مولدات الغاز التي تنبعث منها بشكل مستمر لها تصنيف قدرة من 10-3 إلى 102 واط. المولدات التي تستخدم مزيج الهيليوم والنيون كوسيط نشط لها قوة ملي واط. تبلغ طاقة مولدات ثاني أكسيد الكربون حوالي 100 واط. مع مولدات الحالة الصلبة ، فإن الحديث عن الطاقة منطقي للغاية. على سبيل المثال ، إذا أخذنا الطاقة المشعة بمقدار 1 J ، المركزة في فترة ثانية واحدة ، فإن القوة ستكون 1 وات. لكن مدة إشعاع مولد الياقوت هي 10-4 ثوانٍ ، وبالتالي ، تبلغ الطاقة 10000 واط ، أي 10 كيلو واط. إذا تم تقليل مدة النبضة بواسطة مصراع بصري إلى 10-6 ثوانٍ ، تكون الطاقة 106 واط ، أي ميغاواط. ليس هذا هو الحد! يمكنك زيادة طاقة النبض إلى 103 J وتقليل مدتها إلى 10-9 ثوانٍ ، وبعد ذلك ستصل الطاقة إلى 1012 واط. وهذه قوة عالية جدا. من المعروف أنه عندما تصل شدة شعاع المعدن إلى 105 واط / سم 2 ، يبدأ المعدن في الذوبان ، بكثافة 107 واط / سم 2 ، ويغلي المعدن ، وعند 109 واط / سم 2 ، يبدأ إشعاع الليزر في تأين الأبخرة بقوة من المادة ، وتحويلها إلى بلازما.

من الخصائص المهمة الأخرى لليزر تباين شعاع الليزر. أشعة الليزر الغازية لها أضيق شعاع. إنها تصل إلى بضع دقائق قوسية. يبلغ تباعد حزمة أشعة ليزر الحالة الصلبة حوالي 1 ... 3 درجات زاوية. يحتوي ليزر أشباه الموصلات على فتحة شحمية للإشعاع: في مستوى واحد حوالي درجة واحدة ، في المستوى الآخر - حوالي 10 ... 15 درجة زاوية.

من الخصائص المهمة الأخرى لليزر مدى الطول الموجي الذي يتركز فيه الإشعاع ، أي أحادية اللون. تتميز أشعة الليزر الغازية بأحادية اللون عالية جدًا ، فهي تتراوح من 10 إلى 10 ، أي أعلى بكثير من مصابيح تفريغ الغاز ، والتي كانت تستخدم سابقًا كمعايير تردد. تتمتع ليزر الحالة الصلبة ، وخاصة أشعة الليزر شبه الموصلة ، بنطاق تردد كبير في إشعاعها ، أي أنها ليست أحادية اللون بدرجة عالية.

السمة المميزة لليزر هي الكفاءة. في الحالة الصلبة ، يكون من 1 إلى 3.5٪ ، في الغاز 1 ... 15٪ ، في أشباه الموصلات 40 ... 60٪. في الوقت نفسه ، يتم اتخاذ جميع التدابير الممكنة لزيادة كفاءة الليزر ، لأن الكفاءة المنخفضة تؤدي إلى الحاجة إلى تبريد الليزر إلى درجة حرارة 4 ... 77 كلفن ، وهذا يعقد تصميم الجهاز على الفور.

2.1 ليزر الحالة الصلبة

تنقسم ليزرات الحالة الصلبة إلى موجة نبضية ومستمرة. من بين أجهزة الليزر النبضي ، تعد الأجهزة القائمة على الياقوت والزجاج النيوديميوم أكثر شيوعًا. الطول الموجي لليزر النيوديميوم هو l = 1.06 ميكرومتر. هذه الأجهزة عبارة عن قضبان كبيرة نسبيًا ، يصل طولها إلى 100 سم وقطرها 4-5 سم ، وتبلغ طاقة النبض لتوليد مثل هذا القضيب 1000 J لمدة 10-3 ثوانٍ.

يتميز ليزر الياقوت أيضًا بقوة نبضة عالية ، لمدة 10-3 ثوانٍ ، وتبلغ طاقته مئات الجول. يمكن أن يصل معدل تكرار النبض إلى عدة كيلوهرتز.

يتم تصنيع أشهر أنواع ليزر cw على فلوريت الكالسيوم مع مزيج من الديسبروسيوم والليزر على عقيق الإيتريوم والألمنيوم ، حيث توجد شوائب من ذرات المعادن الأرضية النادرة. تتراوح الأطوال الموجية لهذه الليزرات من 1 إلى 3 ميكرون. تبلغ قوة النبضة حوالي 1 وات أو كسرها. تعد ليزرات عقيق الإيتريوم والألومنيوم طرقًا لتوفير طاقة نبضية تصل إلى عدة عشرات من الواطات.

كقاعدة عامة ، تستخدم ليزر الحالة الصلبة الليزر متعدد الأوضاع. يمكن الحصول على ليزر أحادي الوضع عن طريق إدخال عناصر انتقائية في الرنان. كان هذا القرار ناتجًا عن انخفاض في طاقة الإشعاع المتولدة.

يكمن تعقيد إنتاج ليزر الحالة الصلبة في الحاجة إلى إنتاج بلورات مفردة كبيرة أو إذابة عينات كبيرة من الزجاج الشفاف. تم التغلب على هذه الصعوبات من خلال تصنيع الليزر السائل ، حيث يكون الوسط النشط عبارة عن سائل يتم إدخال العناصر الأرضية النادرة فيه. ومع ذلك ، فإن الليزر السائل له عدد من العيوب التي تحد من مجال استخدامه.

2.2 الليزر السائل

الليزر السائل هو ليزر ذو وسط نشط سائل. الميزة الرئيسية لهذا النوع من الأجهزة هي إمكانية تداول السائل ، وبالتالي تبريده. نتيجة لذلك ، يمكن الحصول على المزيد من الطاقة في كل من الوضع النبضي والمستمر.

تم إنتاج أول ليزر سائل على أساس مخلّبات أرضية نادرة. عيوب هذه الليزرات هي انخفاض مستوى الطاقة التي يمكن تحقيقها وعدم الاستقرار الكيميائي للمخلّبات. نتيجة لذلك ، لم يتم استخدام هذه الليزر. اقترح العلماء السوفييت استخدام السوائل النشطة غير العضوية في وسط ليزر. تتميز أجهزة الليزر القائمة عليها بطاقات نبضية عالية وتوفر مؤشرات طاقة متوسطة. الليزر السائل القائم على مثل هذا الوسط النشط قادر على توليد إشعاع مع طيف تردد ضيق.

نوع آخر من الليزر السائل عبارة عن أجهزة تعمل على محاليل الأصباغ العضوية ، وتتميز بخطوط التلألؤ الطيفي الواسعة. مثل هذا الليزر قادر على توفير ضبط مستمر لأطوال موجات الضوء المنبعثة في نطاق واسع. عند استبدال الأصباغ ، يتم ضمان تداخل الطيف المرئي بأكمله وجزء من الأشعة تحت الحمراء. مصدر الضخ في مثل هذه الأجهزة هو ، كقاعدة عامة ، ليزر الحالة الصلبة ، ولكن من الممكن استخدام مصابيح مضاءة بالغاز توفر ومضات قصيرة من الضوء الأبيض (أقل من 50 ميكرو ثانية).

2.3 ليزر الغاز

هناك العديد من الأصناف. واحد منهم هو الليزر الضوئي. يستخدم غازًا ، جزيئاته ، تحت تأثير الضخ البصري ، تتفكك (تتفكك) إلى جزأين ، أحدهما في حالة إثارة ويستخدم لإشعاع الليزر.

تتكون مجموعة كبيرة من ليزرات الغاز من ليزر تفريغ الغاز ، حيث يكون الوسط النشط عبارة عن غاز مخلخل (ضغط 1-10 مم زئبق) ، ويتم الضخ عن طريق تفريغ كهربائي ، يمكن أن يكون متوهجًا أو قوسًا وهو تم إنشاؤها بواسطة التيار المباشر أو التيار المتردد عالي التردد (10-50 ميجا هرتز).

هناك عدة أنواع من ليزر تفريغ الغاز. في الليزر الأيوني ، يتم الحصول على الإشعاع بسبب انتقالات الإلكترونات بين مستويات طاقة الأيونات. مثال على ذلك هو ليزر الأرجون الذي يستخدم تفريغ القوس الكهربائي.

تولد ليزر الانتقال الذري بسبب انتقالات الإلكترون بين مستويات طاقة الذرات. تصدر هذه الليزرات إشعاعات بطول موجة يتراوح من 0.4 إلى 100 ميكرون. مثال على ذلك هو ليزر الهليوم-نيون الذي يعمل على مزيج من الهيليوم والنيون تحت ضغط يبلغ حوالي 1 مم زئبق. فن. يعمل تفريغ الوهج الناتج عن جهد ثابت يبلغ حوالي 1000 فولت على الضخ.

يشتمل ليزر تفريغ الغاز أيضًا على الليزر الجزيئي ، حيث ينشأ الإشعاع من انتقالات الإلكترونات بين مستويات طاقة الجزيئات. تتمتع هذه الليزرات بنطاق تردد واسع ، يتوافق مع أطوال موجية من 0.2 إلى 50 ميكرومتر.

أكثر أنواع ليزر ثاني أكسيد الكربون الجزيئي شيوعًا. يمكن أن توفر طاقة تصل إلى 10 كيلوواط ولها كفاءة عالية إلى حد ما - حوالي 40 ٪. عادة ما تضاف شوائب النيتروجين والهيليوم والغازات الأخرى إلى ثاني أكسيد الكربون الرئيسي. يتم استخدام تفريغ توهج تيار مباشر أو عالي التردد للضخ. ينتج ليزر ثاني أكسيد الكربون إشعاعًا بطول موجة يبلغ حوالي 10 ميكرون. يظهر بشكل تخطيطي في الشكل. واحد.

أرز. 1 - مبدأ ليزر ثاني أكسيد الكربون

تتميز مجموعة متنوعة من ليزر ثاني أكسيد الكربون بديناميكية الغاز. في نفوسهم ، يتم تحقيق العدد العكسي المطلوب لإشعاع الليزر بسبب حقيقة أن الغاز ، المسخن مسبقًا إلى 1500 كلفن عند ضغط 20-30 ضغط جوي ، يدخل غرفة العمل ، حيث يتمدد ، وتنخفض درجة حرارته وضغطه بشكل حاد. يمكن لمثل هذه الليزرات أن تصدر إشعاعًا مستمرًا يصل إلى 100 كيلو واط.

تشتمل الليزرات الجزيئية على ما يسمى بليزر الإكسيمر ، حيث يكون وسط العمل عبارة عن غاز خامل (الأرجون ، والزينون ، والكريبتون ، وما إلى ذلك) ، أو اتحاده مع الكلور أو الفلور. في مثل هذه الليزرات ، لا يتم الضخ عن طريق التفريغ الكهربائي ، ولكن عن طريق تدفق ما يسمى بالإلكترونات السريعة (بطاقة مئات keV). الموجة المنبعثة هي الأقصر ، على سبيل المثال ، باستخدام ليزر الأرجون 0.126 ميكرومتر.

يمكن الحصول على قوى إشعاع أعلى في حالة زيادة ضغط الغاز وتطبيق الضخ باستخدام الإشعاع المؤين بالاقتران مع مجال كهربائي خارجي. الإشعاع المؤين هو تيار من الإلكترونات السريعة أو الأشعة فوق البنفسجية. تسمى هذه الليزرات EI أو ليزر الغاز المضغوط. يتم عرض الليزر من هذا النوع بشكل تخطيطي في الشكل. 2.

أرز. 2 - الضخ الكهربائي

يتم إنتاج جزيئات الغاز المستثارة بسبب طاقة التفاعلات الكيميائية في الليزر الكيميائي. يستخدم مزيجًا من بعض الغازات النشطة كيميائيًا (الفلور ، الكلور ، الهيدروجين ، كلوريد الهيدروجين ، إلخ). يجب أن تستمر التفاعلات الكيميائية في مثل هذه الليزرات بسرعة كبيرة. للتسريع ، يتم استخدام عوامل كيميائية خاصة ، والتي يتم الحصول عليها أثناء تفكك جزيئات الغاز تحت تأثير الإشعاع الضوئي ، أو التفريغ الكهربائي ، أو شعاع الإلكترون. مثال على الليزر الكيميائي هو ليزر يعتمد على مزيج من الفلور والهيدروجين وثاني أكسيد الكربون.

نوع خاص من الليزر هو ليزر البلازما. تعمل البلازما عالية التأين المكونة من أبخرة معادن الأرض القلوية (المغنيسيوم والباريوم والسترونشيوم والكالسيوم) كوسيط نشط فيها. بالنسبة للتأين ، يتم استخدام نبضات تيار بقوة تصل إلى 300 أمبير بجهد يصل إلى 20 كيلو فولت. مدة النبضة هي 0.1-1.0 ميكرو ثانية. يبلغ طول موجة إشعاع مثل هذا الليزر 0.41-0.43 ميكرون ، ولكن يمكن أن يكون أيضًا في منطقة الأشعة فوق البنفسجية.

2.4 ليزر أشباه الموصلات

على الرغم من أن ليزر أشباه الموصلات عبارة عن حالة صلبة ، إلا أنه يتم تصنيفها عادةً في مجموعة خاصة. في هذه الليزرات ، يتم الحصول على إشعاع متماسك بسبب انتقال الإلكترونات من الحافة السفلية لنطاق التوصيل إلى الحافة العلوية لفرقة التكافؤ. هناك نوعان من ليزر أشباه الموصلات. الأول يحتوي على لوحة من أشباه الموصلات النقية ، حيث يتم الضخ بواسطة حزمة من الإلكترونات السريعة بطاقة 50-100 كيلو فولت. الضخ البصري ممكن أيضًا. يتم استخدام زرنيخيد الغاليوم ، أو كبريتيد الكادميوم CdS أو سيلينيد الكادميوم CdSe كأشباه موصلات. يؤدي الضخ بشعاع إلكتروني إلى تسخين قوي لأشباه الموصلات ، مما يؤدي إلى تحطيم إشعاع الليزر. لذلك ، تحتاج مثل هذه الليزرات إلى تبريد جيد. على سبيل المثال ، عادةً ما يتم تبريد ليزر زرنيخيد الغاليوم إلى درجة حرارة 80 كلفن.

يمكن أن يكون ضخ شعاع الإلكترون عرضيًا (الشكل 3) أو طوليًا (الشكل 4). تحت الضخ العرضي ، يتم صقل وجهين متقابلين من بلورة أشباه الموصلات ويعملان كمرايا للرنان البصري. في حالة الضخ الطولي تستخدم المرايا الخارجية. يعمل الضخ الطولي على تحسين تبريد أشباه الموصلات بشكل كبير. مثال على هذا الليزر هو ليزر كبريتيد الكادميوم ، الذي يولد إشعاعًا بطول موجة يبلغ 0.49 ميكرومتر وبكفاءة تبلغ حوالي 25 ٪.

أرز. 3 - الضخ العرضي بواسطة حزمة الكترونية

أرز. 4 - الضخ الطولي بواسطة حزمة الكترونية

النوع الثاني من ليزر أشباه الموصلات هو ما يسمى ليزر الحقن. يحتوي على تقاطع p-n (الشكل 5) ، يتكون من اثنين من أشباه الموصلات المتدهورة الشوائب ، حيث يكون تركيز الشوائب المانحة والمقبلة 1018-1019 سم -3. الحواف المتعامدة مع مستوى التقاطع p-n مصقولة وتعمل كمرايا للرنان البصري. يتم تطبيق جهد مباشر على مثل هذا الليزر ، حيث يتم خفض الحاجز المحتمل في تقاطع pn ويحدث حقن الإلكترونات والثقوب. في المنطقة الانتقالية ، تبدأ إعادة التركيب المكثف لحاملات الشحنة ، حيث تنتقل الإلكترونات من نطاق التوصيل إلى نطاق التكافؤ ويظهر إشعاع الليزر. يستخدم زرنيخيد الغاليوم أساسًا في حقن الليزر. يبلغ الطول الموجي للإشعاع 0.8-0.9 ميكرون ، وتكون الكفاءة عالية جدًا - 50-60٪.

أرز. 5- مبدأ حقن الليزر

مكبر شعاع مولد الموجة

توفر ليزرات الحقن المصغرة ذات الأبعاد الخطية لأشباه الموصلات التي تبلغ حوالي 1 مم قوة إشعاع مستمرة تصل إلى 10 ميغاواط ، وفي الوضع النبضي يمكن أن تصل قوتها إلى 100 وات. يتطلب تحقيق قدرات عالية تبريد قوي.

وتجدر الإشارة إلى أن الليزر له العديد من الميزات المختلفة. يتكون التجويف البصري في أبسط الحالات فقط من مرآتين متوازيتين. تُستخدم أيضًا تصميمات مرنان أكثر تعقيدًا ، مع شكل مختلف من المرايا.

تشتمل العديد من أجهزة الليزر على أجهزة إضافية للتحكم في الإشعاع ، سواء كانت موجودة داخل التجويف أو خارجه. بمساعدة هذه الأجهزة ، يتم انحراف شعاع الليزر وتركيزه ، ويتم تغيير معلمات الإشعاع المختلفة. يمكن أن يتراوح الطول الموجي لأشعة الليزر المختلفة بين 0.1 و 100 ميكرون. بالنسبة للإشعاع النبضي ، تتراوح مدة النبضات من 10-3 إلى 10-12 ثانية. يمكن أن تكون النبضات مفردة أو تتبعها بمعدل تكرار يصل إلى عدة جيجاهيرتز. القدرة التي يمكن تحقيقها هي 109 واط للبقول نانوثانية و 1012 واط للبقول فائقة القصر.

2.5 صبغ الليزر

الليزر الذي يستخدم الأصباغ العضوية كمادة ليزر ، وعادة ما يكون في شكل محلول سائل. لقد أحدثوا ثورة في التحليل الطيفي بالليزر وابتكروا نوعًا جديدًا من الليزر بمدة نبضة أقل من بيكو ثانية (الليزر النبضي فائق القصر).

كضخ اليوم ، عادة ما يتم استخدام ليزر آخر ، على سبيل المثال ، Nd: YAG أو ليزر الأرجون الذي يضخ بصمام ثنائي. من النادر جدًا العثور على ليزر صبغ بمصباح يدوي. السمة الرئيسية لليزر الصبغ هي عرض حلقة الكسب الكبير جدًا. يوجد أدناه جدول بمعلمات بعض أنواع الليزر المصبوغ.

هناك احتمالان لاستخدام منطقة عمل الليزر الكبيرة هذه:

ضبط الطول الموجي الذي يحدث عنده الجيل -> التحليل الطيفي بالليزر ،

جيل دفعة واحدة في نطاق واسع -> توليد نبضات فائقة القصر.

وفقًا لهذين الاحتمالين ، تختلف تصميمات الليزر أيضًا. إذا تم استخدام مخطط تقليدي لضبط الطول الموجي ، تتم إضافة كتل إضافية فقط من أجل التثبيت الحراري وانبعاث الإشعاع بطول موجة محدد بدقة (عادةً ما يكون المنشور أو محزوز الحيود أو مخططات أكثر تعقيدًا) ، فإن الإعداد الأكثر تعقيدًا هو مطلوب لتوليد نبضات قصيرة جدًا. تم تغيير تصميم الكوفيت بالوسيط النشط. يرجع ذلك إلى حقيقة أن مدة نبضة الليزر هي 100 في النهاية 30 10 15 (الضوء الموجود في الفراغ يمرر 30 فقط ÷ 10 ميكرومتر خلال هذا الوقت) ، يجب أن يكون انعكاس السكان بحد أقصى ، ولا يمكن تحقيق ذلك إلا عن طريق الضخ السريع جدًا لمحلول الصبغة. من أجل تحقيق ذلك ، يتم استخدام تصميم خاص لحاوية الكوفيت مع تيار حر من الصبغة (يتم ضخ الصبغة من فوهة خاصة بسرعة حوالي 10 م / ث). يتم الحصول على أقصر النبضات باستخدام مرنان حلقي.

2.6 الليزر الإلكتروني الحر

نوع من الليزر ، وهو الإشعاع الذي يتم إنشاؤه بواسطة حزمة إلكترونية أحادية الطاقة تنتشر في مموج - وهو نظام دوري لانحراف المجالات (الكهربائية أو المغناطيسية). تصدر الإلكترونات ، التي تحدث تذبذبات دورية ، فوتونات تعتمد طاقتها على طاقة الإلكترونات ومعلمات المموج.

على عكس ليزر الغاز أو السائل أو الحالة الصلبة ، حيث يتم إثارة الإلكترونات في حالات ذرية أو جزيئية مرتبطة - في FEL ، يكون مصدر الإشعاع عبارة عن حزمة من الإلكترونات في الفراغ ، تمر عبر سلسلة من المغناطيسات المرتبة بشكل خاص - مموج (متذبذب) ، مما يجعل الشعاع يتحرك على طول مسار جيبي ، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة ، والتي يتم تحويلها إلى تيار من الفوتونات. نتيجة لذلك ، يتم توليد أشعة سينية ناعمة ، والتي تستخدم ، على سبيل المثال ، لدراسة البلورات والبنى النانوية الأخرى.

من خلال تغيير طاقة شعاع الإلكترون ، وكذلك معلمات المموج (قوة المجال المغناطيسي والمسافة بين المغناطيسات) ، من الممكن تغيير تردد إشعاع الليزر الناتج عن FEL ضمن نطاق واسع النطاق ، وهو الفرق الرئيسي بين FEL وأنواع الليزر الأخرى. يتم استخدام الإشعاع الناتج عن FEL لدراسة الهياكل النانوية - هناك خبرة في تصوير الجسيمات الصغيرة مثل 100 نانومتر (تم تحقيق هذه النتيجة باستخدام الفحص المجهري بالأشعة السينية بدقة تبلغ حوالي 5 نانومتر). تم نشر تصميم أول ليزر إلكتروني حر في عام 1971 من قبل جون إم جي مايدي كجزء من مشروع الدكتوراه الخاص به في جامعة ستانفورد. في عام 1976 ، أظهر مادي وزملاؤه التجارب الأولى مع FEL ، باستخدام 24 MeV إلكترونًا ومذبذب 5 أمتار لتضخيم الإشعاع.

كانت قوة الليزر 300 ميغاواط ، وكانت الكفاءة 0.01٪ فقط ، ولكن ظهرت كفاءة هذه الفئة من الأجهزة ، مما أدى إلى اهتمام كبير وزيادة حادة في عدد التطورات في مجال FEL.

دروس خصوصية

بحاجة الى مساعدة في استكشاف موضوع؟

سيقوم خبراؤنا بتقديم المشورة أو تقديم خدمات التدريس حول الموضوعات التي تهمك.
ارسل طلبمع الإشارة إلى الموضوع الآن للتعرف على إمكانية الحصول على استشارة.

عندما تعلم العلماء ما هي خصائص إشعاع الليزر ، أتيحت للجمهور فرصًا كبيرة لقياس التداخل. حاليًا ، لدى المجتمع العلمي طرق دقيقة إلى حد ما لتحديد التقديرات الكمية لعمليات النزوح والأطوال. في البداية ، تم استخدام مقاييس التداخل بشكل محدود إلى حد ما ، نظرًا لأن مصادر موجة الضوء لم تكن متماسكة بدرجة كافية ، ولم تكن ساطعة ، وبالتالي فإن الصورة المتاحة للإنسان كانت صحيحة فقط عندما كان ذراع القياس 50 سم أو أقل. لقد تغير الكثير عندما أصبح من الممكن استخدام المزيد من إشعاع الليزر عالي الدقة.

مرقئ

هذا المصطلح مألوف للإشارة لفترة وجيزة إلى خاصية إشعاع الليزر ، والتي يتم التعبير عنها من خلال اللحام واللحام. هذه العملية ناتجة عن نخر مرتبط بمعالجة درجة الحرارة. النخر المتحكم فيه التخثر ، الناجم عن تغيير في مستوى التسخين ، مصحوب بتكوين طبقة حافة من عناصر الخلايا والأنسجة. هذا يربط عدة طبقات من العضو بمستوى واحد.

دائمًا ما يتعلق العمل باستخدام الليزر بالتعامل مع درجات حرارة عالية جدًا. بسبب هذه الميزة ، فإن السائل الموجود عادة داخل الخلايا وبين الأنسجة يتبخر على الفور تقريبًا ، وتحترق المكونات الجافة. يتم تحديد الحثل من خلال نوع إشعاع الليزر (تختلف الخصائص قليلاً) المستخدم في تركيب معين. يعتمد الكثير أيضًا على نوع الأنسجة العضوية المعالجة ، على مدة الاتصال. إذا تم نقل الليزر ، فإنه يثير التبخر ، مما ينتج عنه قطع خطي.

صفات مهمة

بالنظر إلى خصائص إشعاع الليزر ، من المهم ذكر الطيف أحادي اللون ، والمستوى العالي من التماسك ، والتباعد المنخفض ، وزيادة كثافة الطيف. في المجموع ، هذا يجعل من الممكن تصميم أدوات عالية الدقة على أساس الليزر ، ويمكن الاعتماد عليها وقابلة للتطبيق في مجموعة متنوعة من الظروف المناخية والعوامل الجيولوجية والهيدرولوجية.

في السنوات الأخيرة ، تم تصميم أدوات عالية الدقة مع الليزر للمساحين. إنها تستند إلى خصائص إشعاع الليزر المعروفة بالفعل للبشرية. ينتشر استخدام الليزر في مثل هذه التركيبات ليس فقط في بلدنا ، ولكن أيضًا في الخارج. كما يتضح من الممارسة ، لا غنى عن أنظمة الليزر كطريقة لتحديد اتجاه الحركة لماكينات مد المواسير وآلات تحريك التربة. كما أنها مهمة عند إنشاء الطرق (السكك الحديدية والسيارات) والعديد من الأعمال الأخرى.

انه مهم

وجد الليزر نفسه في تشكيل الخنادق. بمساعدة تثبيت خاص ، يتم إنشاء شعاع ليزر يحدد المسار. بالتركيز عليه ، يمكن للشخص الذي يقوم بتشغيل الحفارة أن يعمل بثبات. يعد تشغيل هذه الأجهزة الحديثة ضامناً للأداء عالي الجودة لجميع مراحل العمل وإنشاء الخنادق تمامًا كما هو محدد في وثائق المشروع.

الليزر لا يمكن الاستغناء عنه!

إذا تم تكليف الطالب بمهمة "تسمية الخصائص المميزة لإشعاع الليزر" في دورة مدرسية أو جامعية في عمل اختبار ، فإن التماسك والسطوع هما أول ما يتبادر إلى الذهن. إذا قارنا الليزر والبلازما ، فإن الأول يكون أعلى بعدة مرات في معلمات السطوع ، ويمكن تطبيقه لإنشاء ومضات تسلسلية ، ويمكن أن يصل التردد إلى 1010 هرتز. يمكن أن تستمر نبضة واحدة (بالبكو ثانية) عدة عشرات. في هذه الحالة ، يكون الاختلاف منخفضًا ، يمكنك ضبط التردد. تبين أن الصفات المحددة قابلة للتطبيق في التركيبات التي تسمح بدراسة العمليات التي تتم بسرعة عالية جدًا.

بسبب الميزات الموصوفة ، أصبح الليزر لا غنى عنه في التحليلات باستخدام تقنية التحليل الطيفي الحراري البصري.

الهياكل الدقيقة

الخصائص الرئيسية لإشعاع الليزر التي كشف عنها العلماء (المذكورة أعلاه) جعلت من الممكن استخدام هذه التقنية في تطوير أسلحة حديثة وتصميم آلات لقطع المواد المختلفة. لكن هذا فقط لا يقتصر على نطاق الاحتمالات. بتطبيق طرق دقيقة وتكنولوجية بشكل خاص لبناء هيكل عمل ، على أساس إشعاع الليزر ، من الممكن إنشاء نظام لدراسة الجزيئات وهيكلها وخصائصها. من خلال الحصول على أحدث المعلومات بهذه الطريقة ، يشكل العلماء الأساس لإنشاء أنواع جديدة من الليزر. كما يتضح من أكثر التوقعات تفاؤلاً ، سيكون من الممكن في المستقبل القريب الكشف عن طبيعة التمثيل الضوئي بدقة عن طريق إشعاع الليزر ، مما يعني أن العلماء سيحصلون على جميع المفاتيح لفهم جوهر الحياة على هذا الكوكب و آليات تشكيلها.

معرفة العالم: أسرار واكتشافات

يُعتقد أنه تم بالفعل التحقيق في جميع الخصائص الرئيسية لإشعاع الليزر. يعرف العلماء المبادئ الأساسية للانبعاثات المحفزة وقد تمكنوا من تطبيقها في الممارسة العملية. يعتبر الطيف أحادي اللون للإشعاع وشدته وطول النبضة والاتجاه الواضح مهمًا بشكل خاص. بسبب هذه الميزات ، يدخل شعاع الليزر في تفاعل غير نمطي مع المادة.

كما يولي علماء الفيزياء اهتمامًا إضافيًا ، لا يمكن تسمية الخصائص المشار إليها لإشعاع الليزر بخصائص مستقلة تصف جميع أنواع الظاهرة المذكورة دون استثناء. هناك صلات معينة بينهما. على وجه الخصوص ، يتم تحديد التماسك من خلال اتجاهية الإشعاع ، ويرتبط طول النبضة ارتباطًا مباشرًا بالطيف أحادي اللون للحزمة. المدة والاتجاه يحددان شدة الإشعاع.

تأثير رامان

تعتبر هذه الظاهرة من الأمور المهمة لتقييم وفهم تطبيق خصائص إشعاع الليزر. يستخدم المصطلح لتعيين مثل هذا الشرط ، الذي يتطلب بدء إعداد طاقة عالية. تحت تأثيره ، يحدث التشتت عند ملاحظة تغير تردد الإشعاع. عند تحديد خصائص التركيب الطيفي ، وتقييم القدرة ، يمكن ملاحظة أن التردد يتم تصحيحه وفقًا لنمط معقد نوعًا ما. إذا تم تحفيز تأثير رامان بشكل مصطنع ، فمن الممكن إنشاء طريقة تصحيح لبصريات الإشارات المتماسكة.

هذا فضولي

كما أظهرت الدراسات التي أجريت على خصائص إشعاع الليزر والعمليات التي يبدأها في المادة ، فإن الصورة تشبه إلى حد كبير تلك التي لوحظت في بنية المغناطيسات الحديدية والموصلات الفائقة. إذا تم تحقيق مستوى ضخ أعلى باستخدام مرنان منخفض الدرجة ، فإن أشعة الليزر تصبح فوضوية. في الوقت نفسه ، تعتبر الفوضى نفسها حالة ضوئية تختلف تمامًا عن الفوضى التي تسببها الأجسام التي تنبعث منها الحرارة.

نطاق الاستخدام آخذ في التوسع

نظرًا لأن إشعاع الليزر له الخصائص التالية: طيف أحادي اللون ، اتجاه محدد بدقة ، لذلك يمكن استخدامه كمصدر للضوء. يجري حاليًا تطوير لاستغلال هذه التقنية لنقل الإشارات. من المعروف أن الضوء والمادة يمكن أن يتفاعلا بطريقة تجعل العملية قابلة للتطبيق عمليًا في بيئات مختلفة ، ولكن لم يتم تطوير الأساليب الصحيحة بعد. هناك مشاكل موضعية أخرى عالية التقنية ومعقدة وتتطلب الكثير من العلم ، ومن أجل حلها ، عاجلاً أم آجلاً ، سيكون من الممكن استخدام إشعاع الليزر عالي الطاقة.

تجعل خصائص الظاهرة الموصوفة من الممكن تصميم أدوات طيفية. يمكن تفسير ذلك إلى حد ما من خلال تباعد الحزمة المنخفضة المصحوب بزيادة كثافة الطيف.

هناك العديد من الفرص

كما اكتشف العلماء ، من أجل إنشاء التركيبات الأكثر كفاءة والأكثر استخدامًا ، فمن المعقول استخدام مثل هذه الليزرات التي يمكن ضبط التردد لها أثناء التشغيل. وهي ذات صلة في المقام الأول بالأجهزة الطيفية ذات الدقة المتزايدة. في مثل هذه التركيبات ، من الممكن تحقيق نتيجة البحث الصحيحة دون اللجوء إلى عنصر تشتت.

تستخدم الأنظمة القائمة على الليزر ، والذي يتم تعديل تردده أثناء التشغيل ، حاليًا في مختلف مجالات ومجالات النشاط العلمي والطب والصناعة. إلى حد كبير ، يتم تحديد الغرض من جهاز معين من خلال خصائص إشعاع الليزر المطبق فيه. يحدد خط التوليد الدقة الطيفية ، نصف عرض وظائف الجهاز. يعتمد الشكل على التوزيع الطيفي المكثف المعطى.

ميزات تقنية

عادةً ما يتم تصميم الليزر ليكون بمثابة مرنان حيث يتم إنشاء بيئة معينة. السمة الرئيسية لها هي الامتصاص السلبي للطاقة الكهرومغناطيسية. يجعل هذا الرنان من الممكن تقليل خسائر الإشعاع في بيئة متخصصة. هذا يرجع إلى إنشاء دورة للطاقة الكهرومغناطيسية. في هذه الحالة ، يتم أخذ الترددات فقط في نطاق ضيق. هذا النهج يجعل من الممكن تعويض فقدان الطاقة الناتج عن حقيقة أن الإشعاع يتم تحفيزه.

ليس من الضروري استخدام مرنان لتوليد طاقة كهرومغناطيسية لها السمات المميزة لليزر. ستظل النتيجة متماسكة ، وتتميز بتوازي عالٍ ونطاق ضيق.

حول الهولوغرافي

لتنفيذ مثل هذه العمليات ، يجب أن يكون لديك تحت تصرفك مصدر يولد إشعاعًا بمستوى عالٍ من التماسك. حاليا ، هذه هي بالضبط الليزر. بمجرد اكتشاف هذا الإشعاع لأول مرة ، أدرك الفيزيائيون على الفور تقريبًا أنه يمكن استخدام خصائصه لتحقيق التصوير الهولوغرافي. أصبح هذا دافعًا للتطبيق العملي على نطاق واسع للتكنولوجيا الواعدة.

حول التطبيق

بمجرد اختراع الليزر ، قدر المجتمع العلمي ، ثم العالم بأسره ، كحل فريد لأي مشكلة. هذا يرجع إلى خصائص الإشعاع. حاليًا ، يتم استخدام الليزر في التكنولوجيا والعلوم وفي حل العديد من المهام اليومية: من تشغيل الموسيقى إلى قراءة الرموز عند بيع البضائع. تستخدم الصناعة مثل هذه الأنظمة في اللحام والقطع واللحام. نظرًا للقدرة على الوصول إلى درجات حرارة عالية جدًا ، فمن الممكن لحام المواد التي لا تصلح لتقنيات الربط التقليدية. هذا جعل من الممكن ، على سبيل المثال ، إنشاء أجسام صلبة من السيراميك والأجزاء المعدنية.

باستخدام التكنولوجيا الحديثة ، يمكن تركيز شعاع الليزر بحيث يتم تقدير قطر النقطة الناتجة بالميكرونات. هذا يسمح لتطبيق التكنولوجيا على الأجهزة الإلكترونية المجهرية. تُعرف هذه القدرة الآن باسم الكتابة.

اين أيضا؟

يتم استخدام الليزر بنشاط كبير في الصناعة لإنشاء الطلاءات نظرًا لصفاتها الفريدة. هذا يساعد على زيادة مقاومة التآكل لمجموعة متنوعة من المنتجات والمواد. لا تقل أهمية النقش والحفر بالليزر - بمساعدة التثبيت الحديث ، يمكن معالجة أي سطح تقريبًا بهذه الطريقة. هذا يرجع إلى حد كبير إلى عدم وجود تأثير ميكانيكي مباشر ، أي أن عملية العمل تسبب تشوهات أقل من أي طريقة أخرى شائعة. إن المستوى الحديث لتطور التكنولوجيا والعلوم هو أنه من الممكن أتمتة جميع مراحل العمل باستخدام الليزر ، مع الحفاظ على مستوى أداء عالٍ ودقة متزايدة في تنفيذ المهام.

التكنولوجيا والتكنولوجيا

في السنوات الأخيرة ، تم استخدام أنظمة الليزر مع الأصباغ على نطاق واسع. إنها تنتج إشعاعًا أحادي اللون بأطوال موجية مختلفة ، وتقدر النبضات بـ 10-16 ثانية. إن قوة مثل هذه التركيبات عالية جدًا ، ويتم تقدير النبضات المتولدة على أنها عملاقة. هذا الاحتمال مهم بشكل خاص للتحليل الطيفي والبحث في البصريات للتأثيرات غير الخطية نسبيًا.

أصبح استخدام الليزر التكنولوجيا الأساسية لتقييم المسافة بدقة بين كوكبنا وأقرب جرم سماوي - القمر. دقة القياس - حتى السنتيمتر. يتيح لك الموقع باستخدام الليزر زيادة المعرفة الفلكية ، وتوضيح التنقل في الفضاء ، وزيادة قاعدة البيانات حول ميزات الغلاف الجوي وما تتكون منه كواكب نظامنا.

الكيمياء لم تقف جانبا

تُستخدم تقنية الليزر الحديثة لبدء التفاعلات الكيميائية ودراسة كيفية استمرارها. من خلال استخدام هذه القدرات ، من الممكن تحديد الموقع ، والجرعة ، والعقم بدقة بالغة ، لتوفير مؤشرات الطاقة اللازمة في لحظة بدء النظام.

يعمل العلماء بنشاط على تشكيل أنظمة تبريد بالليزر ويقومون بتطوير إمكانية استخدام مثل هذا الإشعاع للتحكم في التفاعلات النووية الحرارية.

يحدد تصميم الليزر وخصائص الانبعاث المحفّز الفرق بين إشعاع الليزر وإشعاع مصادر الضوء التقليدية. يتميز إشعاع الليزر (LR) بالخصائص التالية الأكثر أهمية.

1. تماسك عالي.الإشعاع متماسك للغاية ،والذي يرجع إلى خصائص الانبعاث المحفّز. في هذه الحالة ، لا يحدث التماسك الزمني فحسب ، بل أيضًا التماسك المكاني: يظل فرق الطور عند نقطتين من المستوى المتعامد مع اتجاه الانتشار ثابتًا (الشكل أ) (بسبب التماسك المكاني ، يمكن تركيز الإشعاع في حجم صغير).

2. أحادية اللون.إشعاع الليزر موجود أحادية اللون للغاية ،أي أنه يحتوي على موجات من نفس التردد تقريبًا (الفوتونات لها نفس الطاقة). هذا يرجع إلى حقيقة أن الانبعاث المحفّز مرتبط بازدواجية الفوتونات (كل فوتون مستحث مشابه تمامًا للفوتون الأولي). في هذه الحالة ، تتشكل موجة كهرومغناطيسية ذات تردد ثابت. عرض الخط الطيفي 0.01 نانومتر. في التين. c هي مقارنة تخطيطية لعرض خط شعاع الليزر وحزمة الضوء التقليدية.

قبل ظهور الليزر ، كان من الممكن الحصول على إشعاع بدرجة معينة من أحادية اللون باستخدام أدوات - أحادية اللون ، والتي تفصل الفواصل الطيفية الضيقة (نطاقات الطول الموجي الضيقة) عن الطيف المستمر ، لكن قوة الضوء في هذه النطاقات منخفضة.

3. قوة عالية.يمكن أن يوفر الليزر طاقة عالية جدًا من الإشعاع أحادي اللون - حتى 10 5 واط مستمر. قوة الليزر النبضي أعلى بعدة مرات. هذه هي الطريقة التي يولد بها ليزر النيوديميوم نبضة مع طاقة ه= 75 J ، مدتها ر= 3 · 10 –12 ثانية. قوة النبض ص= ه / ر= 2.5 10 13 واط (للمقارنة: طاقة محطة الطاقة الكهرومائية ص~ 10 9 وات).

4. كثافة عالية.في الليزر النبضي ، تكون شدة إشعاع الليزر عالية جدًا ويمكن أن تصل أنا= 10 14-10 16 واط / سم 2 (قارن شدة ضوء الشمس بالقرب من سطح الأرض أنا= 0.1 واط / سم 2).

5. إضاءة عالية.بالنسبة لأجهزة الليزر التي تعمل في النطاق المرئي ، سطوعإشعاع الليزر (شدة الإضاءة لكل وحدة سطح) مرتفع جدًا. حتى أضعف الليزر لديها سطوع 10 15 cd / m2 (للمقارنة: سطوع الشمس إل~ 10 9 cd / m2).

6. ضغط.شعاع الليزر ، عند سقوطه على سطح ، له الضغط (ع).مع الامتصاص الكامل لحادث إشعاع الليزر المتعامد على السطح ، يتم إنشاء الضغط ص= أنا/ ق ، أين أنا- كثافة الإشعاع ، مع- سرعة الضوء في الفراغ. مع الانعكاس الكلي ، يكون الضغط أعلى مرتين. في الشدة أنا= 10 14 واط / سم 2 = 10 18 واط / م 2 ، ص= 3.3 10 9 باسكال = 33000 ضغط جوي.

7. زاوية تباعد صغيرة في الشعاع. إيزاء.الإشعاع موازاةأي أن جميع الأشعة في الحزمة تكاد تكون متوازية مع بعضها البعض (الشكل 6). على مسافات طويلة ، يزيد قطر شعاع الليزر قليلاً فقط (بالنسبة لمعظم أجهزة الليزر ، تكون زاوية الاختلاف 1 قوس دقيقة أو أقل). نظرًا لأن زاوية الاختلاف صغيرة ، فإن شدة شعاع الليزر تتناقص بشكل طفيف مع المسافة. تجعل الحدة من الممكن نقل الإشارات عبر مسافات كبيرة مع القليل من التخفيف من شدتها.

8. الاستقطاب.إشعاع الليزر بالكامل مستقطب.