البناء بالليزر

يتكون الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية:

• مصدر طاقة (يُشار إليه عادةً باسم المضخة أو مصدر المضخة )،
• وسط تضخيم أو وسط ليزر ، و
• مرآتان أو أكثر تشكلان رنانًا بصريًا .

مصدر الضخ هو الجزء الذي يزود نظام الليزر بالطاقة . تشمل أمثلة مصادر الضخ التفريغات الكهربائية، ومصابيح الوميض، ومصابيح القوس الكهربائي، والضوء الصادر من ليزر آخر، والتفاعلات الكيميائية، وحتى الأجهزة المتفجرة. يعتمد نوع مصدر الضخ المستخدم بشكل أساسي على وسط التضخيم ، وهذا بدوره يحدد كيفية نقل الطاقة إلى هذا الوسط. يستخدم ليزر الهيليوم-نيون (HeNe) تفريغًا كهربائيًا في خليط غاز الهيليوم-نيون، بينما يستخدم ليزر Nd:YAG إما ضوءًا مركزًا من مصباح وميض زينون أو ليزر ثنائي ، أما ليزر الإكسيمر فيستخدم تفاعلًا كيميائيًا.

يُعدّ الوسط المُضخِّم العاملَ الرئيسي المُحدِّد لطول موجة التشغيل، وخصائص الليزر الأخرى. تتميّز الأوساط المُضخِّمة، المصنوعة من مواد مختلفة، بأطياف خطية أو أطياف واسعة. تسمح الأوساط المُضخِّمة ذات الأطياف الواسعة بضبط تردد الليزر. يوجد المئات، إن لم تكن الآلاف، من الأوساط المُضخِّمة المختلفة التي تم فيها تشغيل الليزر (انظر قائمة أنواع الليزر للاطلاع على أهمها). يُثار الوسط المُضخِّم بواسطة مصدر الضخ لإنتاج انعكاس التوزيع السكاني ، وفي هذا الوسط تحديدًا يحدث الانبعاث التلقائي والمُحفَّز للفوتونات، مما يؤدي إلى ظاهرة التضخيم البصري.

تشمل أمثلة وسائط التضخيم المختلفة ما يلي:

• تُستخدم السوائل، مثل ليزرات الصبغة، عادةً كمذيبات كيميائية عضوية ، مثل الميثانول أو الإيثانول أو الإيثيلين جليكول ، تُضاف إليها أصباغ كيميائية مثل الكومارين والرودامين والفلوريسين . ويُحدد التركيب الكيميائي الدقيق لجزيئات الصبغة طول موجة تشغيل ليزر الصبغة .
• تُستخدم الغازات، مثل ثاني أكسيد الكربون والأرجون والكريبتون ، ومخاليط مثل الهيليوم والنيون . وغالبًا ما يتم ضخ هذه الليزرات عن طريق التفريغ الكهربائي.
• المواد الصلبة، مثل البلورات والزجاج . عادةً ما تُطعّم المواد الصلبة المضيفة بشوائب مثل أيونات الكروم أو النيوديميوم أو الإربيوم أو التيتانيوم . تشمل المواد المضيفة الشائعة YAG ( غارنيت الألومنيوم الإيتريوم )، وYLF ( فلوريد الليثيوم الإيتريوم )، والياقوت (أكسيد الألومنيوم) ، وأنواعًا مختلفة من الزجاج. من أمثلة وسائط الليزر الصلبة: Nd:YAG، وTi:sapphire ، وCr:sapphire (المعروف عادةً باسم الياقوت الأحمر )، وCr:LiSAF (فلوريد الألومنيوم الليثيوم والسترونتيوم المُطعّم بالكروم )، وEr:YLF، وNd:glass، وEr:glass. تُضخ ليزرات الحالة الصلبة عادةً بواسطة مصابيح وميضية أو ضوء من ليزر آخر.
• أشباه الموصلات هي نوع من المواد الصلبة البلورية ذات توزيع منتظم للمواد المضافة، أو مواد ذات مستويات مختلفة من المواد المضافة، حيث يمكن لحركة الإلكترونات أن تُحدث تأثير الليزر. عادةً ما تكون ليزرات أشباه الموصلات صغيرة جدًا، ويمكن تشغيلها بتيار كهربائي بسيط، مما يُتيح استخدامها في الأجهزة الاستهلاكية مثل مشغلات الأقراص المدمجة . انظر: ثنائي الليزر .

يتكون الرنان البصري ، أو التجويف البصري ، في أبسط صوره، من مرآتين متوازيتين موضوعتين حول وسط التضخيم، لتوفير تغذية راجعة للضوء. تُطلى المرآتان بطبقات بصرية تحدد خصائصهما الانعكاسية. عادةً، تكون إحداهما عاكسة عالية ، والأخرى عاكسة جزئيًا . تُسمى الأخيرة بمقرن الإخراج ، لأنها تسمح لجزء من الضوء بالخروج من التجويف لإنتاج شعاع الليزر الخارج.

ينعكس الضوء المنبعث من الوسط، نتيجة الانبعاث التلقائي ، بواسطة المرايا عائدًا إلى الوسط، حيث يمكن تضخيمه بواسطة الانبعاث المحفز . وقد ينعكس الضوء من المرايا، وبالتالي يمر عبر وسط التضخيم مئات المرات قبل خروجه من التجويف. في الليزرات الأكثر تعقيدًا، تُستخدم تكوينات تتكون من أربع مرايا أو أكثر لتشكيل التجويف. ويُعد تصميم المرايا ومحاذاتها بالنسبة للوسط أمرًا بالغ الأهمية لتحديد الطول الموجي التشغيلي الدقيق وخصائص أخرى لنظام الليزر.

يمكن وضع أجهزة بصرية أخرى، مثل المرايا الدوارة، والمعدلات، والمرشحات، والممتصات، داخل الرنان البصري لإنتاج مجموعة متنوعة من التأثيرات على خرج الليزر، مثل تغيير الطول الموجي للتشغيل أو إنتاج نبضات من ضوء الليزر.

لا تستخدم بعض الليزرات تجويفًا بصريًا، بل تعتمد على كسب بصري عالٍ جدًا لإنتاج انبعاث تلقائي مُضخّم (ASE) كبير دون الحاجة إلى إعادة توجيه الضوء إلى وسط الكسب. تُسمى هذه الليزرات فائقة الإضاءة ، وتُصدر ضوءًا بتماسك منخفض ولكن بنطاق ترددي عالٍ . ولأنها لا تستخدم التغذية الراجعة البصرية، غالبًا لا تُصنف هذه الأجهزة ضمن الليزرات.

• بذارة الحقن
• قفل الوضع
• تقنية Q-switching
• قائمة مقالات الليزر

• كوشنر، والتر (1992). هندسة الليزر ذي الحالة الصلبة ، الطبعة الثالثة، سبرينغر-فيرلاغ. ISBN 0-387-53756-2

• أسئلة وأجوبة سام حول الليزر: دليل عملي لليزر للمجربين والهواة