المبدأ الأساسي لليزر الألياف أحادي الوضع

المبدأ الأساسي لـليزرات الألياف أحادية الوضع

يتطلب توليد الليزر استيفاء ثلاثة شروط أساسية: عكس السكان، وتجويف الرنين المناسب، والوصول إلىالليزرعتبة (يجب أن يكون كسب الضوء في التجويف الرنيني أكبر من فقدانه). تعتمد آلية عمل ليزرات الألياف أحادية الوضع بدقة على هذه المبادئ الفيزيائية الأساسية، وتحقق تحسينًا في الأداء من خلال البنية الخاصة لموجهات الألياف.

الإشعاع المُحفَّز وانعكاس التعداد السكاني هما الأساس الفيزيائي لتوليد الليزر. عند حقن طاقة الضوء المنبعثة من مصدر المضخة (عادةً ما يكون صمامًا ثنائيًا ليزريًا شبه موصل) في ليف الكسب المُشَوَّب بأيونات أرضية نادرة (مثل الإيتربيوم Yb³⁺ والإربيوم Er³⁺)، تمتص أيونات الأرضية النادرة الطاقة وتنتقل من الحالة الأرضية إلى الحالة المُثارة. عندما يتجاوز عدد الأيونات في الحالة المُثارة عدد الأيونات في الحالة الأرضية، تتشكل حالة انعكاس التعداد السكاني. عند هذه النقطة، يُحفِّز الفوتون الساقط الإشعاع المُحفَّز لأيون الحالة المُثارة، مُولِّدًا فوتونات جديدة بنفس تردد وطور واتجاه الفوتون الساقط، مما يُحقِّق التضخيم البصري.

الميزة الأساسية للوضع الفرديليزر الأليافيكمن سرّها في قطر قلبها الدقيق للغاية (عادةً ما يتراوح بين 8 و14 ميكرومتر). ووفقًا لنظرية البصريات الموجية، لا يسمح هذا القلب الدقيق إلا بنقل نمط واحد من أنماط المجال الكهرومغناطيسي (أي النمط الأساسي LP₀₁ أو نمط HE₁₁) بثبات، وهو النمط الأحادي. وهذا يُلغي مشكلة التشتت البيني الموجودة في الألياف متعددة الأنماط، أي ظاهرة اتساع النبضات الناتجة عن انتشار أنماط مختلفة بسرعات مختلفة. ومن منظور خصائص النقل، يكون فرق مسار الضوء المنتشر على طول الاتجاه المحوري في الألياف الضوئية 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).

تُعد ليزرات الألياف ممثلين بارزين للجيل الثالثتكنولوجيا الليزرتستخدم أليافًا زجاجية مُشبَّعة بعناصر أرضية نادرة كوسط كسب. على مدار العقد الماضي، استحوذت ليزرات الألياف أحادية الوضع على حصة متزايدة الأهمية في سوق الليزر العالمي، بفضل مزايا أدائها الفريدة. بالمقارنة مع ليزرات الألياف متعددة الأوضاع أو ليزرات الحالة الصلبة التقليدية، يمكن ليزرات الألياف أحادية الوضع توليد شعاع غاوسي مثالي بجودة شعاع قريبة من 1، مما يعني أن الشعاع يكاد يصل إلى أدنى زاوية تباعد نظرية وأقل نقطة تركيز. هذه الميزة تجعلها لا غنى عنها في مجالات المعالجة والقياس التي تتطلب دقة عالية وتأثيرًا حراريًا منخفضًا.