تشكيل الليزر

المشهد العام
مكتبة المصطلحات
كان ظهور الليزر علامة على أول مرة يحقق فيها البشر السيطرة على الفوتونات. الليزرات هي مصادر ضوء خاصة تضخم الضوء من خلال الإشعاع المستحث، ويتضمن عملية تشكيلها العديد من الآليات الفيزيائية مثل الميكانيكا الكمية، والرنين البصري، واستثارة الطاقة. فيما يلي العوامل الرئيسية التي ساهمت في تشكيل الليزر:
أولاً: الإشعاع المستحث وعكس عدد الجسيمات
بدأت توليد الليزر بالانتقالات الكمية بين مستويات الطاقة الذرية. عندما يمتص الإلكترون طاقة وينتقل إلى حالة طاقة أعلى، يكون النظام في حالة غير مستقرة. في هذا الوقت، يطلق الإلكترون الطاقة بطريقتين:
الانبعاث التلقائي: يقفز الإلكترون بشكل عشوائي إلى حالة طاقة أقل ويصدر فوتونات باتجاهات ومرحلات مختلفة.
الانبعاث المستحث: عندما تطابق طاقة الفوتون الخارجي فرق مستوى الطاقة، فإنه سيحفز الإلكترونات في الحالة المثارة على إطلاق فوتون متطابق تمامًا في نفس الوقت، مما يشكل الأساس لتضخيم الضوء.
التضخيم البصري: تخضع الجسيمات ذات المستويات الطاقية العالية لإصدار محفز يُثيره الفوتونات الواقعة، مما يؤدي إلى إنتاج فوتونات بنفس الطور والتوات. هذه الفوتونات ترتجح بشكل متكرر في التجويف المرن، مما يثير سلسلة من التفاعلات ويتشكل منها ضوء متماسك بENSITY عالية.
عكس عدد الجزيئات: يعمل النظام الضخامي على كسر حالة التوازن الحراري، مما يمكّن المادة العاملة من تكوين مستويات طاقة غير مستقرة.
II. التجويف المرن البصري
رد الفعل للتجويف المرن: يتكون التجويف المرن البصري من مرآتين تسمحان للفوتونات في اتجاه معين بالتنقل ذهابًا وإيابًا عدة مرات. عندما يتجاوز المكسب الخسارة، يتم تشكيل حلقة رد فعل إيجابي، وينتهي الأمر بإخراج شعاع متماسك.
اختيار النمط: عن طريق تصميم التجويف القصير أو رد الفعل باستخدام الشبكة، يتم التحكم بتوزيع الأنماط الطولية والعرضية لتحقيق إخراج أحادي التردد وأحادي النمط.
تركيز الطاقة: تقليل الطول الفعّال للمادة العاملة وتعزيز كفاءة إخراج الليزر.
ثالثًا. إحصائيات بوز
الفوتونات المتطابقة: الفوتونات الناتجة عن الإشعاع المستحث لها نفس التردد تمامًا والحالة الطورية وحالة الاستقطاب.
تراكب الدالة الموجية: عدد كبير جدًا من الفوتونات المتطابقة يشكل حالات كمية كبرى، مما يمنح الضوء تماسكًا كاملًا.
خصائص الليزر:
الاتجاهية: زاوية الانحراف لمصدر ضوئي شائع نسبيًا كبيرة، بينما تكون زاوية الانحراف لمصدر ضوئي ليزري صغيرة واتجاهه ثابت.
الأحادية اللون: عرض خط الطيف للليزر أضيق من مصدر ضوئي شائع، وبالتالي لديه أحادية لون أفضل.
إضاءة عالية: يصدر الليزر أشعة متوازية للغاية ويمكن إصدارها بتركيز أعلى.
تكوين الليزر هو مزيج مثالي بين ميكانيكا الكم وهندسة البصريات. يكمن جوهره في تحقيق تضخيم قابل للتحكم للضوء من خلال عكس عدد الجسيمات والإشعاع المستحث. إن تطوير الليزر يدفع الابتكارات في الصناعات مثل التصنيع والرعاية الصحية والتكنولوجيا المعلوماتية.