خواص الليزر

خواص الليزر
يمتاز شعاع الليزر باربعة مميزات اساسية هي:
1. احدية الطول الموجي ( Monochromatic) (احادبة التردد), وتعني ان شعاع الليزر له طول موجي واحد فقط أي تردد منفرد.
2. التشاكه (Coherency), ويعني ان الفرق بين أي نقطتين على موجة شعاع الليزر يكون ثابت عند حركة الشعاع زمانيا ومكانيا.يعتبر الليزر المصدر الضوئي الوحيد الذي يمتلك صفة التشاكه مقارنة بالمصادر التقليدية الاخرى.
3. الاتجاهية (Directionality),وهي انتشار الحزمة باتجاه واحد ولمسافات طويلة جدا دون انفراجها عن محورها (أو انفراج قليل جدا لا يتجاوز بضعة سنتمترات لكل كيلومتر.
4. السطوع (Brightness),وهو ان كثافة قدرة شعاع الليزر في وحدة المساحة تكون عالية جدا.تسمى كثافة قدرة شعاع الليزر في وحدة المساحة بالشدة ((Intensity.وعلى سبيل المثال تكون شدة مصباح التنجستن الاعتيادي ذي القدرة (100W) حوالي ( ) بينما شعاع ليزر بنفس القدرة تصل الى حوالي ( )أي اكبر بمقدار مليون مرة من مصباح التنجستن
الاعتيادي.
هنالك ثلاثة أنواع رئيسية من الليزرات هي:
1. ليزرات الحالة الصلبة.
2. ليزرات الحالة السائلة.
3. ليزرات الحالة الغازية.
ليزرات الحالة الصلبة (SOLID-STATE LASERS)
يتكون ليزر الحالة الصلبة من الوسط الفعال ومصدر الضخ ومجهز القدرة والاجزاء الملحقة.
الوسط الفعال (Active Medium): هو عبارة عن بلورة من مادة صلبة يتم ادخال ايونات فعالة فيها لغرض توليد الليزر.من أكثر بلورات الليزر الشئعة هي الياقوت (Ruby) والنيدميوم_ياك (Nd:YAG) والنيدميوم_زجاج (Nd:Glass) والالكسندرايت (Alexandrite) والتيتانيوم_زفير (Ti:Sopphire). كما يعتبر ليزر اشباه الموصلات من ليزرات الحالة الصلبة ولكنه لا يستخدم بلورة وانما تراكيب من اشباه الموصلات ويتم ضخها بواسطة التيار الكهربائي.
مصدر الضخ (Pumping Source): يستخدم في الغالب المصباح الوميضي اذ يتم تسليط جهد كهربائي بين طرفي المصباح الوميضي فينتج اشعة ضوئية تمتصها بلورة الوسط الفعال لتتهيج. يمكن ان يتم ضخ بلورة الوسط الفعال باستخدام شعاع ليزر اخر مثل ليزر اشباه الموصلات وهذه الطريقة تكون ذات كفاءة اعلى من الطريقة الضخ بالمصباح الوميضي.



مجهز القدرة: هو دائرة كهربائية تقوم بتجهيز المصباح الوميضي بالقدرة اللازمة لتشغيله.يمكن ان يعمل مجهز القدرة بشكل نبضي او بشكل مستمر وهذا يؤثر على نمط تشغيل الليزر . هنالك دوائر بسيطة لمجهزات القدرة ودوائر اخرى اكثر تعقيدا حسب متطلبات منظومة الليزر مثل قدرة التشغيل وسرعة التشغيل.


الاجزاء الملحقة: وتتحدد هذه الملحقات حسب حاجة منظومة الليزر اليها مثل منظومة التبريد ومنظومة التثبيت الميكانيكي والمنظومات البصرية للتركيز والتوجيه وغيرها.
كفاءة منظومة الليزر : هي النسبة بين القدرة الخارجية من منظومة الليزر (قدرة الليزر) والقدرة الداخلة الى هذه المنظومة (قدرة الضخ) وكالاتي:
المصباح الوميضي: هوعبارة عن انبوب يحتوي على اقطاب كهربائية في نهايته ويتم ملئه باحد الغازات الخاملة(غالبا غاز الزينون او الكربتون).
يصنع المصباح الوميضي على شكل خطي او لولبي (حلزوني).



ان هذه المصابيح لها مواصفات قياسية كالاتي:
الاقطاب الكهربائية في المصباح الوميضية تصنع من معادن تتحمل درجات حرارة عالية وتيارات كهربائية عالية وان نوع المادة وشكل الاقطاب يؤثر على عمل المصباح الوميضي. عادة يستخدم معدن التنكستن او سبائك النتجستن لتصنيع هذه الاقطاب.
الغلاف الزجاجي للمصباح الوميضي يجب ان يكون شفافا لكي يسمح بمرور الاشعة المنبعثة من المصباح الوميضي الى خارجه باتجاه الوسط الفعال . كما يجب ان تتحمل مادة الغلاف درجات الحرارة العالية والصدمات الميكانيكية.
يعتبر زجاج الكوارتز اكثر انواع الزجاج استخداما في تصنيع غلاف المصابيح الوميضية في منظومات الليزر لانه لايسمح بمرور الاشعة مابين (200-400) ويتحمل درجات حرارة تصل الى1300c .
الخصائص الكهربائية للمصباح الوميضي:
تكون علاقة فولتية التفريغ الكهربائي بتيار التفريغ الكهربائي داخل المصباح الوميضي كالاتي:


حيث هو مقدار ثابت يسمى ثابت خصائص الممانعة للمصباح الوميضي ووحدته ( ) وتعطى قيمته كالآتي:

حيث kثابت يعتمد على نوع الغاز المستخدم داخل المصباح الوميضي وl المسافة بين قطبي التفريغ الكهربائي داخل المصباح الوميضي وk تساوي ( ) في حالة مصباح الزينون عند ضغط ( ).أما في حالة ضغط آخر فتكون العلاقة كالآتي:

حيث p هو ضغط الغاز. أما في حالة استخدام غاز الكربتون فتكون العلاقة كالآتي:

تستغرق عملية صعود قيمة فولتية أو تيار التفريغ الكهربائي في المصباح الوميضي من الصفر إلى أعظم قيمة لها فترة زمنية محددة تسمى زمن الصعود ( ) ( ) ويعطي كالآتي:

حيث L حثية الملف وC سعة متسعة الشحن . اما الزمن الكلي لنبضة المصباح الوميضي فيعطى كالاتي :

مثال : مصباح و ميضي قطرة الداخلي ( ) والمسافة بين القطبين ( ) ويحتوي غاز الزينون بضغط ( )، إذا كانت فولتية التفريغ الكهربائي التي يعمل بها المصباح هي ( ) أحسب تيار التفريغ الكهربائي. ثم أحسب الزمن الكلي لنبضة المصباح الوميضي إذا كانت سعة متسعة الشحن ( ) ويحثية الملف ( ).ثم أعد الحسابات في حالة استخدام غاز الكربتون بضغط ( ).
الحل:
نحسب الزمن الكلي لنبضة المصباح

في حالة غاز الكربتون، نحسب ثابت خصائص الممانعة

نحسب الزمن الكلي لنبضة المصباح




هناك مواصفات يجب أن تتوفر في المادة لكي تكون وسط فعال لليزر وهي الكلفة القليلة (رخيصة)، الكفاءة العالية، صفات الأشعة الخارجة تكون جيدة، يكون عرض نطاق الامتصاص عريض بينما يكون عرض نطاق الانبعاث(الفلورة) ضيق وتقاوم ظروف التشغيل الميكانيكية والحرارية
علل: تكون ليزرات الحالة الصلبة ذات قدرات عالية جداٌ ؟
جواب:لأن تركيز الأيونات الفعالة التي تنتج الليزر يكون كبيراٌ ( ) وتسمى هذه نسبة التطعيم. بينما يكون تركيز الأيونات الفعالة في أحسن الحالات ( ) في الحالة السائلة والغازية.
سؤال : ما هي الوظيفة الأساسية للبلورة التي تحتضن الأيونات الفعالة في ليزرات الحالة الصلبة ؟
جواب: هناك ثلاث وظائف الأساسية للبلورة الحاضنة هي أنها تمثل وسط مستقر تتوزع فيه الأيونات الفعالة وهذا يحدد قدرة شعاع الليزر الخارج. كما أنها تحدد كثافة الأيونات الفعالة (نسبة التطعيم).و كذلك فإن نوع البلورة يؤثر على الطول الموجي لشعاع الليزر الخارج.