كيف يتم إنتاج الليزر؟

الليزرهو اختراع كبير في القرن العشرين ، ويطلق عليه أسرع السكين ، الحاكم الأكثر دقة وألمع الضوء. يصف الليزر (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع) ، مما يعني تضخيم ضوء الإشعاع المحفز ، مبدأجيل الليزر. بعد ذلك ، دعونا نلقي نظرة على كيفية إنتاج الليزر.

الأساس النظري للليزر

نظرية الإشعاع المحفزة هي أساس توليد الليزر ، الذي قدمه آينشتاين في عام 1917. يوجد مستويان للطاقة S1 و S2 في وسط الليزر ، والذي يتوافق مع حالة الطاقة المنخفضة وحالة الطاقة العلويةمن انتقال الليزر على التوالي. فرق الطاقة E2 - E1 بينهما يساوي Hν. عندما يكون النظام في مستوى الطاقة S1 ويشعر بالفوتونات ذات الطاقة Hν ، يكون لديه احتمال معين لامتصاص الفوتونات والانتقال إلى مستوى الطاقة S2. وتسمى هذه العملية الامتصاص المحفز. عندما يكون النظام في مستوى الطاقة S2 ، هناك احتمال معين بأنه سيقفز إلى مستوى الطاقة S1 ويطلق الفوتون الفلوري. وتسمى هذه العملية الانبعاثات التلقائية. إذا كان النظام في مستوى الطاقة S2 ويشعر بالإعداد بواسطة Hν ، فلديه احتمال معين لإطلاق فوتون بنفس التردد ، المرحلة الأولى واتجاه الانتشار كفوتون الحادث. وتسمى هذه العملية الإشعاع المحفز. إذا تم وضع وسيلة الكسب التي تحتوي على عدد كبير من الجزيئات على مستوى الطاقة S2 بين اثنين من المرايا المتوازية ، يمكن تضخيم بعض الفوتونات مضان عمودي على المرايا عن طريق الإشعاع المحفز لتشكيل التذبذب ذاتيا ، وبالتالي انبعاث ضوء الليزر. يُطلق على العنصر البصري في الطرف الأيسر من تجويف الرنين مقرن الإخراج ، وهو ما يعادل سطح عاكس مع إرسال معين ، وهو منفذ الليزر في تجويف الرنين.

مفتاح توليد الليزر

بشكل عام ، يكون الإشعاع المحفز ضعيفًا لدرجة أنه من الصعب مراقبة ، ناهيك عن استخدامه لتوليد الليزر. عندما تكون المادة في حالة توازن حراري ، فإن توزيع الجزيئات في مستويات الطاقة يطيع توزيع Boltzmann. عدد الجزيئات N1 في حالة الطاقة السفلية S1 أكبر بكثير من عدد الجزيئات N2 في حالة الطاقة العلوية S2 ، وامتصاص الفوتونات Hν أكبر بكثير من الإشعاع المحفز ، لذلك من المستحيل إدراك إشارات بصرية مجهري. يكمن مفتاح توليد الليزر في انقلاب عدد الجسيمات ، بحيث N2> N1. في الوقت الحاضر ، عندما يعمل الليزر ، من الضروري تبني طريقة الإثارة المناسبة (الضخ) لتحقيق انعكاس رقم الجسيمات على مستوى طاقة محدد.

أخذ ليزر صبغ كمثال ، تقدم هذه الورقة كيفية تحقيق انقلاب عدد الجسيمات. وسيط كسب الليزر هو حل الصبغة العضوية. تشمل الأصباغ الشائعة الاستخدام الكومارين في العصابات الزرقاء والبنفسجية ، والروودامين في نطاقات حمراء وصفراء ، إلخ. يحدث انتقال الليزر للأصباغ العضوية بشكل رئيسي في نطاقات الطاقة في حالات S0 و S1 Singlet. هاتان الطاقةتتكون النطاقات من العديد من مستويات الطاقة الدورانية والاهتزازية ، والتي يمكن اعتبارها مستمرة بسبب توسيع التصادم في المحلول. في عملية توليد الليزر ، يتم تشعيع جزيئات الصبغة بواسطة ضوء المضخة للانتقال من مستوى الطاقة السفلي لنطاق S0 إلى نطاق S1 ، ثم الانتقال بسرعة إلى مستوى الطاقة السفلي من S1 من خلال عدم الإشعاع ، وهذا هو ، حالة الطاقة العليا للانتقال بالليزر. في انتقال الليزر ، تنتقل الجزيئات إلى مستوى الطاقة المحدد في نطاق الطاقة S0 وإطلاق الفوتونات ، ثم تنتقل بسرعة إلى مستوى الطاقة السفلي لشريط الطاقة S0. نظرًا لأن حالة الطاقة العلوية S2 من انتقال الليزر لها عمر طويل ، في حين أن عمر S1 قصير للغاية ، وتحت عمل مضخة ضوء ، فإن عدد كبير من الجزيئات متحمس لحالة الطاقة العلوية S2 ، وبالتالي يمكن أن يكون انعكاس السكان عكس السكان تتحقق. في الوقت نفسه من توليد الليزر ، تعبر جزيئات الصبغة بين أنظمة توليد نطاق S1 ، وتدخل النظام الثلاثي مع عمر طويل في T1 ، وترك دورة انتقال الليزر ، مما يؤثر على كفاءة الليزر. لذلك ، عندما يعمل ليزر الصبغة ، من الضروري إعادة تدوير محلول الصبغة.

الطول الموجي للليزر

العديد من الليزر لديها أحادي اللون جيد ، أي أن النطاق الترددي الطيفي لضوء الإخراج ضيق. ما إذا كان طيف الإخراج من الليزر ضيقًا أم لا يرتبط بالعوامل التالية. بادئ ذي بدء ، يحدد متوسط ​​كسب الليزر ووضع الضخ الفوتونات ذات الطول الموجي يمكن تضخيمها. كسب وسائل الإعلام مثل ليزر الغاز ، والليزر Excimer و ND: YAG ليزر ، والتي لها مستويات طاقة متناثرة وتوزيع الطاقة الضيقة ، تنتج بشكل طبيعي الليزر مع خط خط ضيق. ثانياً ، يمكن ضبط أحادي اللون للليزر بواسطة تجويف الرنين. إذا كان من الضروري إنتاج الليزر ذي أحادية اللون جيدة ، فمن الضروري تعيين توهين المكونات الطيفية المختلفة في تجويف الرنين لتضخيم مكونات طيفية محددة.