أنواع الليزر وتشغيله

تُصنّف أجهزة الليزر حسب وسط الكسب والضخ، وتُشغّل في أنظمة مستمرة أو نبضية تُنتج بواسطة تبديل عامل الجودة (Q-switching) وقفل الأنماط (mode-locking).

Definition

تصنيف أجهزة الليزر حسب وسط الكسب وآلية الإثارة، وأنماط التشغيل، سواء كانت موجة مستمرة أو نبضية، والتي يتم من خلالها التحكم في قدرة الخرج وهيكله الزمني.

Scope

يستعرض هذا الموضوع الفئات الرئيسية لليزر وكيفية تشغيلها. ويشمل ليزر الغاز مثل الهيليوم-نيون وثاني أكسيد الكربون، وليزر الحالة الصلبة مثل الياقوت والنيوديميوم والتيتانيوم-الياقوت، وليزر الصمام الثنائي شبه الموصل، وليزر الصبغة والألياف، وأطوالها الموجية المميزة وطرق ضخها. كما يغطي أنظمة التشغيل: الخرج ذو الموجة المستمرة، وتوليد النبضات القصيرة والقصيرة جدًا بواسطة تبديل عامل الجودة (Q-switching) وقفل الأنماط (mode-locking)، بالإضافة إلى قمم القدرة ومدد النبضات الناتجة. ويربط فيزياء الكسب الأساسية بالأجهزة العملية المتنوعة.

Core questions

• ما هي أوساط الكسب المستخدمة في الليزر وما هي الأطوال الموجية التي تنتجها؟
• كيف يتم ضخ أنواع الليزر المختلفة لإنشاء انقلاب التعداد؟
• كيف يولد تبديل عامل الجودة (Q-switching) وقفل الأنماط (mode-locking) نبضات قصيرة؟
• ما هي المفاضلات التي تميز التشغيل بالموجة المستمرة عن التشغيل النبضي؟

Key concepts

• ليزر الغاز
• ليزر الحالة الصلبة
• ليزر الصمام الثنائي شبه الموصل
• ليزر الألياف
• التشغيل بالموجة المستمرة
• تبديل عامل الجودة (Q-switching)
• قفل الأنماط (mode-locking)
• نبضات قصيرة جدًا

Key theories

التصنيف حسب وسط الكسب

تُصنف أجهزة الليزر إلى ليزر غاز، وحالة صلبة، وشبه موصل، وصبغة، وألياف؛ ويحدد وسط الكسب الأطوال الموجية المتاحة، والكفاءة، والقدرة، ويملي طريقة الضخ المناسبة بالضوء، أو التيار الكهربائي، أو التفريغ.

التشغيل النبضي بواسطة تبديل عامل الجودة (Q-switching) وقفل الأنماط (mode-locking)

يُفسد تبديل عامل الجودة (Q-switching) ثم يعيد فجأة عامل جودة التجويف لإطلاق الطاقة المخزنة كنبضة نانوثانية مكثفة، بينما يربط قفل الأنماط (mode-locking) العديد من الأنماط الطولية معًا لإنتاج سلسلة من النبضات البيكوثانية أو الفيمتوثانية.

Clinical relevance

تتناسب أنواع الليزر المختلفة مع الاستخدامات الطبية المتنوعة: ليزر ثاني أكسيد الكربون لقطع الأنسجة الرخوة، وليزر النيوديميوم والإربيوم لإجراءات العيون والجلدية، وليزر الإكسيمر لإعادة تشكيل القرنية، وليزر الصمام الثنائي للتخثير الضوئي، مع تمكين التشغيل النبضي لتفاعل دقيق مع الأنسجة بأقل ضرر جانبي.

History

بنى مايمان أول ليزر، وهو جهاز ياقوتي نبضي، في عام 1960؛ وأظهر جافان وزملاؤه ليزر الغاز الهيليوم-نيون المستمر بعد ذلك بوقت قصير، وأنتجت مجموعة هول أول ليزر صمام ثنائي شبه موصل في عام 1962. أضافت العقود اللاحقة ليزر ثاني أكسيد الكربون، والصبغة، والألياف، والتيتانيوم-الياقوت، وتقنيات تبديل عامل الجودة (Q-switching) وقفل الأنماط (mode-locking).

Key figures

• Theodore H. Maiman
• Ali Javan
• Robert N. Hall

Seminal works

• svelto2010
• salehteich2019

Frequently asked questions

ما الفرق بين ليزر الموجة المستمرة والليزر النبضي؟

يُصدر ليزر الموجة المستمرة شعاعًا ثابتًا بقدرة ثابتة، بينما يُركز الليزر النبضي طاقته في دفعات قصيرة، محققًا قدرة ذروة أعلى بكثير من قدرته المتوسطة للتطبيقات التي تتطلب تعرضًا مكثفًا وقصيرًا.

كيف تُنتج النبضات الفيمتوثانية القصيرة جدًا؟

يُجبر قفل الأنماط (mode-locking) العديد من الأنماط الطولية لليزر على التذبذب بعلاقة طور ثابتة، بحيث تتداخل لتشكيل نبضة قصيرة للغاية تدور في التجويف وتُصدر كسلسلة منتظمة.