مبدأ الليزر وتطبيقاته

يشير الليزر إلى عملية وأداة توليد أشعة ضوئية موازية وأحادية اللون ومتماسكة من خلال تضخيم الإشعاع المحفز والتغذية المرتدة اللازمة. في الأساس، يتطلب توليد الليزر ثلاثة عناصر: "الرنان"، و"وسط الكسب"، و"مصدر الضخ".

أ. المبدأ

يمكن تقسيم حالة حركة الذرة إلى مستويات طاقة مختلفة، وعندما تنتقل الذرة من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى طاقة منخفض، فإنها تطلق فوتونات من الطاقة المقابلة (ما يسمى بالإشعاع التلقائي). وبالمثل، عندما يسقط الفوتون على نظام مستوى الطاقة ويمتصه، فإنه يتسبب في انتقال الذرة من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع (ما يسمى بالامتصاص المثار)؛ بعد ذلك، فإن بعض الذرات التي تنتقل إلى مستويات طاقة أعلى ستنتقل إلى مستويات طاقة أقل وتطلق فوتونات (ما يسمى بالإشعاع المحفز). ولا تحدث هذه الحركات بشكل منعزل، بل بالتوازي في كثير من الأحيان. عندما نخلق حالة، مثل استخدام الوسط المناسب، الرنان، ما يكفي من المجال الكهربائي الخارجي، يتم تضخيم الإشعاع المحفز بحيث يكون أكثر من الامتصاص المحفز، ثم بشكل عام، ستكون هناك فوتونات منبعثة، مما يؤدي إلى ضوء الليزر.

ب. التصنيف

وفقًا للوسط الذي ينتج الليزر، يمكن تقسيم الليزر إلى ليزر سائل، وليزر غازي، وليزر صلب. الآن، أكثر ليزر أشباه الموصلات شيوعًا هو نوع من ليزر الحالة الصلبة.

ج. التكوين

تتكون معظم أجهزة الليزر من ثلاثة أجزاء: نظام الإثارة، مادة الليزر والمرنان البصري. أنظمة الإثارة هي الأجهزة التي تنتج الطاقة الضوئية أو الكهربائية أو الكيميائية. وفي الوقت الحاضر، وسائل التحفيز الرئيسية المستخدمة هي الضوء أو الكهرباء أو التفاعل الكيميائي. مواد الليزر هي مواد يمكنها إنتاج ضوء الليزر، مثل الياقوت وزجاج البريليوم وغاز النيون وأشباه الموصلات والأصباغ العضوية وما إلى ذلك. ويتمثل دور التحكم في الرنين البصري في تعزيز سطوع الليزر الناتج وضبط واختيار الطول الموجي والاتجاه. من الليزر.

د- التطبيق

يستخدم الليزر على نطاق واسع، وخاصة اتصالات الألياف، وتحديد المدى بالليزر، والقطع بالليزر، وأسلحة الليزر، وقرص الليزر، وما إلى ذلك.

هاء التاريخ

في عام 1958، اكتشف العالمان الأمريكيان شياو لو وتاونز ظاهرة سحرية: عندما وضعوا الضوء المنبعث من المصباح الكهربائي الداخلي على بلورة أرضية نادرة، ستبعث جزيئات البلورة ضوءًا ساطعًا وقويًا دائمًا. ووفقاً لهذه الظاهرة فقد اقترحوا "مبدأ الليزر"، أي أنه عندما يتم إثارة المادة بنفس الطاقة التي يثيرها تردد التذبذب الطبيعي لجزيئاتها، فإنها ستنتج هذا الضوء القوي الذي لا يتباعد - الليزر. لقد وجدوا أوراقًا مهمة لهذا الغرض.

بعد نشر نتائج أبحاث سيولو وتاونز، اقترح علماء من مختلف البلدان مخططات تجريبية مختلفة، لكنها لم تكن ناجحة. في 15 مايو 1960، أعلن مايمان، العالم في مختبر هيوز في كاليفورنيا، عن حصوله على ليزر بطول موجة 0.6943 ميكرون، وهو أول ليزر يحصل عليه الإنسان على الإطلاق، وبذلك أصبح ميمان أول عالم في العالم. لإدخال الليزر في المجال العملي.

في 7 يوليو 1960، أعلن ميمان عن ميلاد أول ليزر في العالم، مخطط ميمان هو استخدام أنبوب فلاش عالي الكثافة لتحفيز ذرات الكروم في بلورة الياقوت، وبالتالي إنتاج عمود ضوء أحمر رفيع شديد التركيز، عند إطلاقه. وفي نقطة معينة يمكن أن تصل درجة حرارته أعلى من سطح الشمس.

اخترع العالم السوفيتي H.Γ Basov ليزر أشباه الموصلات في عام 1960. يتكون هيكل ليزر أشباه الموصلات عادةً من طبقة P وطبقة N وطبقة نشطة تشكل ترابطًا مزدوجًا غير متجانس. خصائصه هي: حجم صغير، كفاءة اقتران عالية، سرعة استجابة سريعة، طول موجي وحجم يتناسب مع حجم الألياف الضوئية، يمكن تعديله مباشرة، تماسك جيد.

ستة، بعض اتجاهات التطبيق الرئيسية لليزر

واو الاتصالات بالليزر

يعد استخدام الضوء لنقل المعلومات أمرًا شائعًا جدًا اليوم. على سبيل المثال، تستخدم السفن الأضواء للتواصل، وتستخدم إشارات المرور اللون الأحمر والأصفر والأخضر. لكن كل هذه الطرق لنقل المعلومات باستخدام الضوء العادي لا يمكن أن تقتصر إلا على مسافات قصيرة. إذا كنت تريد نقل المعلومات مباشرة إلى أماكن بعيدة عن طريق الضوء، فلا يمكنك استخدام الضوء العادي، بل استخدم الليزر فقط.

إذن كيف تقوم بتوصيل الليزر؟ نحن نعلم أنه يمكن نقل الكهرباء عبر الأسلاك النحاسية، لكن الضوء لا يمكن نقله عبر الأسلاك المعدنية العادية. ولتحقيق هذه الغاية، طور العلماء خيطًا يمكنه نقل الضوء، يسمى الألياف الضوئية، ويشار إليها باسم الألياف. تصنع الألياف الضوئية من مواد زجاجية خاصة، ويكون قطرها أرق من شعرة الإنسان، وعادة ما يتراوح بين 50 إلى 150 ميكرون، وتكون ناعمة جدًا.

في الواقع، النواة الداخلية للألياف عبارة عن زجاج بصري شفاف ذو معامل انكسار عالي، والغلاف الخارجي مصنوع من زجاج أو بلاستيك ذو معامل انكسار منخفض. مثل هذا الهيكل، من ناحية، يمكن أن يجعل الضوء ينكسر على طول النواة الداخلية، تمامًا مثل تدفق الماء للأمام في أنبوب الماء، والكهرباء المنقولة للأمام في السلك، حتى لو لم يكن لآلاف الالتواءات والمنعطفات أي تأثير. من ناحية أخرى، يمكن للطلاء ذو ​​معامل الانكسار المنخفض أن يمنع الضوء من التسرب، تمامًا كما لا يتسرب أنبوب الماء والطبقة العازلة للسلك لا توصل الكهرباء.

ظهور الألياف الضوئية يحل طريقة نقل الضوء، لكن هذا لا يعني أنه يمكن من خلالها نقل أي ضوء إلى مسافة بعيدة جدًا. فقط السطوع العالي واللون النقي والليزر الاتجاهي الجيد هو مصدر الضوء الأكثر مثالية لنقل المعلومات، ويتم إدخاله من أحد طرفي الألياف، ولا يوجد أي خسارة أو إخراج تقريبًا من الطرف الآخر. ولذلك، فإن الاتصال البصري هو في الأساس اتصال بالليزر، ويتميز بمزايا السعة الكبيرة، والجودة العالية، ومصدر المواد الواسع، والسرية القوية، والمتانة، وما إلى ذلك، وقد أشاد به العلماء باعتباره ثورة في مجال الاتصالات، وهو أحد من أروع الإنجازات في الثورة التكنولوجية.