المبدأ الأساسي لأشعة الليزر الليفية أحادية النمط

المبدأ الأساسي لـليزرات الألياف أحادية النمط

يتطلب توليد الليزر استيفاء ثلاثة شروط أساسية: انعكاس التوزيع السكاني، وتجويف رنين مناسب، والوصول إلىليزرالعتبة (يجب أن يكون كسب الضوء في التجويف الرنيني أكبر من الفقد). تعتمد آلية عمل ليزرات الألياف أحادية النمط تحديدًا على هذه المبادئ الفيزيائية الأساسية، وتحقق الأداء الأمثل من خلال البنية الخاصة لموجهات الألياف.

يُعدّ الإشعاع المُحفّز وانعكاس التوزيع السكاني الأساس الفيزيائي لتوليد الليزر. فعندما تُحقن طاقة الضوء المنبعثة من مصدر الضخ (عادةً ما يكون صمام ليزر شبه موصل) في ألياف التضخيم المُطعّمة بأيونات العناصر الأرضية النادرة (مثل الإيتربيوم Yb³⁺ والإربيوم Er³⁺)، تمتص هذه الأيونات الطاقة وتنتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المُثارة. وعندما يتجاوز عدد الأيونات في الحالة المُثارة عددها في الحالة الأرضية، تتشكل حالة انعكاس التوزيع السكاني. عند هذه النقطة، يُحفّز الفوتون الساقط الإشعاع المُحفّز للأيون في الحالة المُثارة، مُولّدًا فوتونات جديدة بنفس التردد والطور والاتجاه، وبالتالي تحقيق التضخيم الضوئي.

السمة الأساسية للنمط الأحاديليزر الأليافيكمن سرّها في قطرها المركزي الدقيق للغاية (عادةً 8-14 ميكرومتر). وفقًا لنظرية البصريات الموجية، لا يسمح هذا اللب الدقيق إلا بنقل نمط واحد من المجال الكهرومغناطيسي (أي النمط الأساسي LP₀₁ أو النمط HE₁₁) بثبات، أي النمط الأحادي. وهذا يُزيل مشكلة التشتت بين الأنماط الموجودة في الألياف متعددة الأنماط، أي ظاهرة اتساع النبضة الناتجة عن انتشار الأنماط المختلفة بسرعات متفاوتة. من منظور خصائص النقل، يكون فرق مسار الضوء المنتشر على طول المحور في الألياف البصرية أحادية النمط صغيرًا للغاية، مما يجعل شعاع الخرج يتمتع بتماسك مكاني مثالي وتوزيع طاقة غاوسي، ويمكن أن يقترب عامل جودة الشعاع M² من 1 (M²=1 لشعاع غاوسي مثالي).

تُعدّ ليزرات الألياف مثالاً بارزاً على الجيل الثالثتقنية الليزرتستخدم هذه التقنية أليافًا زجاجية مُطعّمة بعناصر أرضية نادرة كوسيط تضخيم. على مدى العقد الماضي، استحوذت ليزرات الألياف أحادية النمط على حصة متزايدة الأهمية في سوق الليزر العالمي، بفضل مزايا أدائها الفريدة. بالمقارنة مع ليزرات الألياف متعددة الأنماط أو ليزرات الحالة الصلبة التقليدية، تستطيع ليزرات الألياف أحادية النمط توليد شعاع غاوسي مثالي بجودة شعاع تقارب 1، مما يعني أن الشعاع يمكن أن يصل تقريبًا إلى الحد الأدنى النظري لزاوية التباعد وأصغر بقعة تركيز. هذه الميزة تجعلها لا غنى عنها في مجالات المعالجة والقياس التي تتطلب دقة عالية وتأثيرًا حراريًا منخفضًا.