أصبحت الليزر جزءاً لا يتجزأ من التكنولوجيا الحديثة، وتتراوح تطبيقاتها من الإجراءات الطبية إلى الاتصالات والعمليات الصناعية والبحوث العلمية.من بين العديد من أنواع الليزر المتاحة اليومفي أصل هذا الجهاز الثوري هو عصا ليزر ياقوتيةالوسيط النشط المسؤول عن توليد شعاع الليزرستستكشف هذه المقالة المبادئ العلمية لقضبان ليزر الياقوت ، وهيكلها ووظائفها وأهميتها في تطوير تكنولوجيا الليزر

1ما هو عصا ليزر روبي؟

عصا ليزر الياقوت هي أداة ليزر صلبة مصنوعة من الياقوت الاصطناعي. ياقوت نفسه هو شكل بلوري من أكسيد الألومنيوم (Al2O3) ، والذي هو شفافة ودون لون في حالتها النقية.عندما تكون الكريستال مسبوقة بكميات صغيرة من أيونات الكروم (Cr3+)عندما يظهر الياقوت، يطور اللون الوردي أو الأحمر الداكن الفريد. هذه أيونات الكروم ضرورية في عملية الليزر لأنها تعمل كمراكز نشطة تمتص وتصدر الضوء.

في سياق الليزر ، يشير مصطلح الوسيط النشط إلى المواد التي تنبعث من ضوء الليزر عندما يتم توفير الطاقة إليها. في الليزر الروبي ، يعمل قضيب الروبي الاصطناعي كوسيط نشط ،والذي يسمح للمعدات بزيادة الضوء وخلق أشعة ليزر.

2هيكل عصا ليزر الروبي

عادة ما يكون عصا ليزر الياقوت في شكل بلور أسطواني يبلغ قطره عدة مليمترات وطولها عدة سنتيمترات.يمكن أن يختلف الحجم الدقيق للعمود اعتمادا على التصميم المحدد والاستخدام المقصود للليزرالشكل الأسطواني يسمح بتضخيم الضوء بكفاءة داخل تجويف الليزر.

عادة ما يكون عصا ليزر الياقوت في شكل بلور أسطواني يبلغ قطره عدة مليمترات وطولها عدة سنتيمترات.يمكن أن يختلف الحجم الدقيق للعمود اعتمادا على التصميم المحدد والاستخدام المقصود للليزرالشكل الأسطواني يسمح بتضخيم الضوء بكفاءة داخل تجويف الليزر.

يتم تزويد بلورات الروبين بأيونات الكروم بتركيز حوالي 0.05٪. هذه التركيزات حاسمة لتنفيذ الليزر.القليل من الكروم سيؤدي إلى ضعف تأثير الليزرفي حين أن الكثير يمكن أن يمتص الكثير من طاقة المضخة دون إعادة إطلاقها بفعالية. تتضمن عملية التدريب دمج ذرات الكروم في شبكة بلورية أكسيد الألومنيوم.استبدال بعض ذرات الألومنيوم.

3مبدأ عمل عصا ليزر الروبي

3.1 امتصاص الطاقة وتحفيز أيونات الكروم

مفتاح فهم كيفية عمل عصا الليزر الروبي يكمن في سلوك أيونات الكروم داخل الكريستال.عندما يتم توفير الطاقة إلى قضيب الليزر ‬عادة من مصباح فلاش ‬، يمتص أيونات الكروم هذه الطاقة، وخاصة الضوء في الأجزاء الخضراء والزرقاء من الطيف. هذه الأطوال الموجية تتوافق مع الطاقة المطلوبة لإثارة الإلكترونات في أيونات الكروم إلى مستويات طاقة أعلى.

3.2الحالة غير المستقرة والانقلاب السكاني

بمجرد امتصاص أيونات الكروم للضوء ، يتم رفع إلكتروناتها إلى حالة متحمسة. ومع ذلك ، فإنها لا تعود على الفور إلى حالتها الأساسية (أدنى مستوى للطاقة). بدلاً من ذلك ،ينخفضون إلى حالة متوازنة، وهو مستوى طاقة متوسط حيث يمكن أن تبقى الإلكترونات لفترة طويلة نسبيا (بنظام الميكرو ثانية).هذا التأخير يسمح للعديد من أيونات الكروم بالتراكم في الحالة المتثبتة، وخلق حالة تعرف باسم عكس السكان، وهو أمر ضروري للعمل بالليزر.

في انعكاس السكان، يوجد المزيد من الذرات في الحالة المثيرة (المتثبتة) أكثر من الحالة الأساسية، مما يضع المرحلة للانبعاث المحفز، وهي العملية التي تضخم الضوء في الليزر.

3.3انبعاثات محفزة وإنتاج ضوئي متماسك

عندما ينتقل إلكترون في أيون الكروم من الحالة المتثبتة إلى الحالة الأساسية، فإنه ينبعث من فوتون ضوئي. هذا الفوتون له طول موجة 694.3 نانومتر،والذي يتوافق مع اللون الأحمر للضوء الليزر المنتج بواسطة الليزر الروبي.

ما يجعل الليزر يختلف عن مصادر الضوء العادية هو أن هذا الفوتون يمكن أن يحفز أيونات الكروم المثيرة الأخرى لإطلاق طاقتها المخزنة في شكل فوتونات إضافية.انبعاث الضوء المحفز يعني ان الفوتونات الجديدة يتم انبعاثها في مرحلة مع الفوتون الأصلي، مما يؤدي إلى شعاع ضوئي متماسك (مع موجات متوازنة في الفضاء والوقت) ومتوحد اللون (جميع الفوتونات لها نفس الطول الموجي).

3.4الرنين البصري والتضخيم

لتضخيم الضوء الناتج عن الانبعاث المتحفز، يتم وضع عصا ليزر ياقوتية بين المرآتين، وتشكيل مشجع بصري.المرآة الواحدة تعكس تماماً والآخر يعكس جزئياًيرتد الضوء ذهابا وإيابا بين المرايا، يمر عبر قضيب الروبيني عدة مرات. كل مرور عبر القضيب يسبب انبعاثات محفزة أخرى.تضخيم الضوء إلى حد مكثف للغاية، يخرج شعاع متماسك من خلال المرآة العاكسة جزئياً. هذا الإخراج هو شعاع ليزر.

4الأهمية التاريخيةليزر روبي

كان ليزر الياقوت هو أول نوع من الليزر تم إنشاؤه على الإطلاق. تم إظهاره بنجاح في عام 1960 من قبل الفيزيائي الأمريكي ثيودور مايمان في مختبرات هيوز للبحوث.عمل (مايمن) كان بمثابة ولادة تكنولوجيا الليزر وأحدث ثورة في الطريقة التي نولد ونتلاعب بها الضوء.

في ذلك الوقت، كان مفهوم "تضخيم الضوء عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز" (ومن ثم اختصار ليزر) قد تم افتراضه، ولكن لم يكن هناك أحد بعد بني جهاز يعمل.كان ليزر الروبي "مايمن" اختراقاً كبيراً لأنه أثبت أن الليزر يمكن أن يعمل في الممارسة العمليةكان إظهار إنتاج ضوئي متماسك ومكثف من بيئة الحالة الصلبة نقطة انطلاق للتطوير السريع للعديد من أنواع الليزر الأخرى.

5مزايا وعيوب ليزر روبي

5.1 المزايا

البساطة: ليزر الروبي بسيط نسبياً في البناء، خاصة بالمقارنة مع بعض الليزر الحديث الذي يتطلب مواد هندسية معقدة.

تصميم الحالة الصلبة: استخدام قضيب ياقوت صلب يجعل الليزر ياقوت أكثر استدامة واستقرار من الليزر الغازية أو السائلة، والتي تتطلب بيئات خاضعة للرقابة بعناية.

ثالثًا: شعاع عالي الجودة: تنتج ليزر الروبي شعاعاً متماسكاً جداً من الضوء الأحمر مع جودة شعاع ممتازة، مما يجعلها مناسبة لمهام الدقة مثل الهولوغرافيا والإجراءات الطبية.

الأهمية التاريخية: ليزر الروبي له أهمية تاريخية باعتباره أول تكنولوجيا ليزر، ومبادئه ساعدت في تشكيل تطوير جميع أنظمة الليزر المستقبلية.

5.2 العيوب

الفعالية المنخفضة: ليزر الروبي ليس بكفاءة عالية. يضيع جزء كبير من الطاقة المقدمة إلى النظام كحرارة، ويتم تحويل جزء صغير فقط إلى ضوء ليزر.

ii. النبض الخروج: تنتج ليزر الروبي الضوء بشكل عام في نبضات قصيرة وشديدة بدلاً من الإخراج المستمر. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب شعاعًا مستمرًا ، فإن أنواع أخرى من الليزر أكثر ملاءمة.

مسائل إدارة الحرارة: يمكن أن يتسخن قضيب الروبي أثناء التشغيل ، مما يتطلب أنظمة تبريد لمنع التلف أو تدهور في الأداء.

الرابع: طول موجة محدود: تصدر ليزر الروبي الضوء على طول موجة ثابت من 694.3 نانومتر، مما يحد من تنوعها للتطبيقات التي تتطلب ألوان مختلفة أو أطوال موجة قابلة للتعديل.

6تطبيقات ليزر روبي

على الرغم من أن الليزر الروبي قد تم استبداله إلى حد كبير بتقنيات الليزر الأكثر كفاءة ومتعددة الاستخدامات ، إلا أنه لا يزال يجد استخدامًا في تطبيقات محددة:

الرسم الثلاثي: يتم تفضيل الليزر الروبي في بعض التطبيقات الثلاثية الأبعاد بسبب قدرتها على إنتاج شعاع ضوئي متماسك ومستقر.

الإجراءات الطبية: في طب الأمراض الجلدية وعلم العيون، استخدمت الليزر الروبي لإجراءات مثل إزالة الوشم، وتجديد سطح الجلد بالليزر، وعلاج الآفات الجلدية الملونة.قدرتهم على إنتاج نبضات ضوئية مكثفة تجعلهم فعالين في هذه السياقات.

iii. البحوث العلمية: تستخدم ليزر الروبي في بعض الأحيان في بيئات البحث لدراسة تفاعلات الليزر مع المواد أو لتوليد أشعة ضوئية مركزة للغاية.

تحديد المدى بالليزر و LIDAR: تم استخدام الليزر الرابي في أوائل أنظمة قياس المدى والليدار بسبب شعاعها القوي والمركز، والذي يمكن أن يقطع مسافات طويلة ويتم اكتشافه بدقة.

الاستنتاج

عصا الليزر الروبي هي الابتكار الرئيسي في تاريخ تكنولوجيا الليزرمع خصائص امتصاص الطاقة وانبعاث أيونات الكروم، أدت إلى إنشاء أول ليزر وظيفي. على الرغم من نظام الليزر الأكثر تقدماً، فإن مساهمة روبي ليزر في العلوم والتكنولوجيا لا تزال مهمة.استمراريتها وقدرتها على توليد ضوء متماسك وضعت أساسا لتطوير أنواع أخرى لا حصر لها من الليزر، مما يجعلها حجر الزاوية للمجالات البصرية. على الرغم من أن الليزر الروبي قد لم يعد التكنولوجيا المهيمنة اليوم، فإنها لا تزال تلعب دورا هاما في التطبيقات المهنية،و تراثهم يعيش في التطبيقات العديدة للليزر في مختلف الصناعات.