أساسيات الليزر: فهم الخصائص الرئيسية

ينبعث من مصدر الضوء النموذجي ضوء يشع في جميع الاتجاهات ويتضاءل مع زيادة المسافة. ويرجع هذا التوهين بشكل أساسي إلى أن الضوء الصادر من هذه المصادر ناتج عن عدد كبير من الجزيئات أو الذرات داخل المصدر التي تبعث فوتونات بشكل مستقل أثناء الإشعاع التلقائي. وعلى النقيض من ذلك، تعمل أشعة الليزر على تضخيم الفوتونات الساقطة من خلال الانبعاث المستحث.

نظرًا لاختلاف الآليات الكامنة وراء توليد الليزر مقارنة بمصادر الضوء العادية، فإن الليزر يُظهر خصائص فريدة لا تتشاركها مع الضوء التقليدي، والتي يمكن تلخيصها بشكل عام في أربعة جوانب: الاتجاهية، وأحادية اللون، والترابط، والشدة العالية.

اتجاهية الليزر

يبعث الليزر الضوء من خلال الإشعاع المحفَّز؛ حيث يحافظ كل فوتون على نفس التردد والطور وحالة الاستقطاب مثل الضوء الساقط، وكل ذلك تحت سيطرة مرنان بصري. يسمح هذا التحكم لشعاع الليزر بالانتشار بدقة على طول محور المرنان بزاوية تباعد صغيرة جدًا، تقترب من زاوية تباعد الضوء المتوازي.

يتم تحديد الاتجاهية العالية لأشعة الليزر من خلال آلية الانبعاث المحفّز والتأثير المقيّد للمرنان البصري على اتجاه شعاع الضوء المتذبذب. وقد أظهرت البيانات الدقيقة أن شعاع الليزر المنبعث من الأرض إلى القمر، وهي مسافة تغطي حوالي 380 ألف كيلومتر، ينتج عنه بقعة شعاع على القمر يقل قطرها عن 1000 متر.

وقد أدت هذه الاتجاهية الممتازة إلى استخدام الليزر على نطاق واسع في تحديد المدى والاتصالات وتحديد المواقع. وتسمح الاتجاهية العالية لأشعة الليزر بالإرسال الفعال عبر مسافات طويلة والتركيز في كثافات طاقة عالية جداً، وكلاهما أمران حاسمان في المعالجة بالليزر.

أحادية اللون لليزر

يتم تحديد لون الضوء من خلال طوله الموجي. ويُعرَّف عادةً العرض بين الطولين الموجيين اللذين تبلغ الشدة عندهما نصف الحد الأقصى بأنه عرض الخط الطيفي. وكلما كان عرض الخط الطيفي أضيق، كلما كان عرض الخط الطيفي أفضل، كلما كان الضوء أحادي اللون. يتكون الضوء المرئي من سبعة ألوان، عرض الخط الطيفي لكل منها يتراوح بين 40 و50 نانومتر.

تتجاوز أحادية اللون في أشعة الليزر بكثير أحادية اللون في مصادر الضوء العادية. على سبيل المثال، يبلغ عرض الخط الطيفي لضوء الليزر الأحمر المنبعث من ليزر الهيليوم-النيون 10 فقط^-8 نانومتر، وهي أحادية اللون أكثر بكثير من مصباح الكريبتون. بعض أشعة الليزر الخاصة لديها أحادية اللون أعلى من ذلك.

إن الأحادية اللونية العالية للغاية لأشعة الليزر تقضي فعلياً على التشتت اللوني (تباين معامل الانكسار مع الطول الموجي) لعدسات التركيز، مما يتيح تركيز شعاع الضوء بدقة على النقطة البؤرية، مما يحقق كثافة طاقة عالية. توفر الأحادية اللونية الممتازة لليزر أداة مفيدة لقياسات الأجهزة الدقيقة ولتحفيز تفاعلات كيميائية معينة في التجارب العلمية.

تماسك الليزر

يصف التماسك بشكل أساسي علاقات الطور بين الأجزاء المختلفة من الموجة الضوئية، ويشمل جانبين: التماسك الزماني والتماسك المكاني. بالنسبة لليزر، يتحلل التوزيع المكاني لمجال الضوء عادةً إلى توزيع على طول اتجاه الانتشار (محور التجويف) ه(ض) والتوزيع على المقطع العرضي المستعرض العمودي على اتجاه الانتشار ه(س، ص).

وبالتالي، يمكن تقسيم أنماط تجويف الليزر إلى أنماط طولية وعرضية تمثل توزيعات المجال الضوئي الطولية والعرضية لأنماط التجويف، على التوالي.

(1) التماسك الزمني

يشير الترابط الزمني لليزر إلى علاقات الطور بين النقاط على طول اتجاه انتشار الحزمة. في التطبيقات العملية، غالبًا ما يُستخدم زمن التماسك لوصف التماسك الزمني لليزر. وكلما كان عرض الخط الطيفي أضيق، أي كلما زاد عرض الخط الطيفي، أي كلما زادت أحادية اللون، زاد زمن التماسك.

تتمتع أشعة الليزر الغازية ذات التردد الأحادي المستقر أحادية التردد بأفضل أحادية اللون، وتصل عادةً إلى 10⁶ إلى 10¹³ هرتز؛ أما ليزرات الحالة الصلبة فلها أحادية اللون أضعف، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن منحنى كسبها عريض، مما يجعل من الصعب ضمان تشغيل الوضع الطولي الأحادي؛ أما ليزرات أشباه الموصلات فلها أسوأ أحادية اللون.

تُعد العملية أحادية النمط (تقنية اختيار النمط) وتثبيت التردد أمرًا حاسمًا لتعزيز التماسك. ينبعث من الليزر أحادي النمط المستعرض المستقر الترددي ضوء قريب من موجة مستوية أحادية اللون مثالية، أي مترابط تمامًا.

(2) التماسك المكاني

التماسك المكاني لليزر هو علاقة الطور بين النقاط على مستوى عمودي على اتجاه انتشار الحزمة. وهو يشير إلى النطاق الذي يمكن أن يتلاقى فيه الضوء المنبعث من الشعاع عند نقطة في الفضاء لتكوين أنماط تداخل، ويرتبط التماسك المكاني بحجم مصدر الضوء.

تكون الموجة المستوية المثالية مترابطة مكانيًّا بالكامل ولها زاوية تباعد تساوي صفرًا. ومع ذلك، في الممارسة العملية، وبسبب تأثيرات الحيود، لا يمكن أن تكون أصغر زاوية انبعاث شعاع يمكن تحقيقها بواسطة الليزر أقل من زاوية حد الحيود عند المرور عبر فتحة الخرج.

ولتحسين التماسك المكاني لليزر، من الضروري أولاً تقييد الليزر ليعمل في وضع عرضي واحد؛ وثانياً، اختيار نوع التجويف البصري بشكل مناسب وزيادة طول التجويف لتعزيز اتجاهية الحزمة. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يؤدي عدم التجانس في الوسط النشط، والأخطاء في تصنيع التجويف وتعديله، وعوامل أخرى إلى تدهور اتجاهية الشعاع.

كثافة عالية من الليزر

نظرًا للاتجاهية الممتازة لأشعة الليزر، تنحصر الطاقة المنبعثة ضمن زاوية صلبة ضيقة جدًا، وتتركز الطاقة ضمن عرض خط طيفي ضيق. وهذا يزيد بشكل كبير من السطوع الطيفي لليزر مقارنة بمصادر الضوء التقليدية. وفي أشعة الليزر النبضية، حيث يتم ضغط انبعاث الطاقة بشكل أكبر في فترة زمنية قصيرة جدًا، يمكن زيادة السطوع الطيفي بشكل أكبر.

في الوقت الحالي، تعد زيادة طاقة الخرج والكفاءة اتجاهًا مهمًا في تطوير الليزر. ليزر الغاز، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون₂يمكن أن تنتج أعلى طاقة مستمرة، بينما يمكن لليزر الحالة الصلبة إنتاج أعلى طاقة نبضية.

خاصة مع استخدام تقنيات تعديل التجويف البصري ومضخمات الليزر، يمكن ضغط زمن التذبذب الليزري إلى قيم صغيرة جدًا (في حدود 10^-9 ثانية)، ويمكن تضخيم طاقة الخرج، مما ينتج عنه طاقة نبضية عالية للغاية. وباستخدام تقنيات قفل الوضع وضغط عرض النبضة، يمكن ضغط عرض نبضة الليزر إلى 10^-15 ثوانٍ

والأهم من ذلك طاقة الليزر (الطاقة) يمكن أن تتركز في نمط واحد (أو بضعة أنماط)، وبالتالي تحقيق درجة عالية جدًا من انحطاط الفوتون. وعندما يتم تركيز شعاع الليزر من خلال عدسة، يمكنه توليد درجات حرارة تصل إلى عدة آلاف، بل حتى عشرات الآلاف من الدرجات المئوية بالقرب من النقطة البؤرية، مما يتيح معالجة جميع المواد.

على سبيل المثال، ثاني أكسيد الكربون عالي الطاقة₂ القطع بالليزر تعتمد الآلات التي يشيع استخدامها في الصناعة أطوالاً بؤرية تتراوح بين 127 و190 مم، وتتراوح أقطار البقعة البؤرية من 0.1 إلى 0.4 مم، ويمكن أن تصل كثافة الطاقة فيها إلى 10 وات/سم².