awwad
08-20-2007, 09:46 AM
أنواع الليزر
يصنف الليزر تبعاً لنوع مادة الوسط الفعال فيها ، فبعض أنواع الليزر تتميز بكبر القدرة الناتجة عنها مثل ( ليزر ثاني أكسيد الكربون ) الذي يعتبر من أخطر أنواع الليزر ، بسبب قدرته العالية التي تصل إلى عشرات الكيلو واط ، وهذه القدرة الكبيرة أوحت بتسميته بأشعة الموت ، ويستخدم لقطع المعادن وفي تطبيقات صناعية مختلفة . كما توجد أنواع أخرى من الليزر ضعيفة جداً ، مثل تلك التي تستخدم في الحياة اليومية في المؤشرات ، وهذه عادة تكون ليزر ثنائي الوصلة .
وفيما يلي دراسة مفصلة لأهم أنواع الليزر :
1) ليزر الحالة الصلبة ( Solid-state laser )
وفي هذه الحالة تتوزع مادة الليزر في مصفوفة صلبة مثل ليزر الياقوت ( Ruby laser) وليزر النيوديميوم – ياج ( neodymium –Yag) .
2
1) ليزر الحالة الصلبة ( Solid-state laser )
ليزر الياقوت
صُنع أول جهاز ليزر بنجاح في عام 1960 وقد كان ليزر الياقوت . والياقوت بلورة لونها أحمر تتكون من أوكسيد الألومينوم ( Al2O3 ) المطعمة بأيونات الكروم الثلاثية (Cr 3+ ) .
وتكون أيونات الكروم هي المسؤولة عن توليد مستويات طاقة جديدة داخل التركيب البلوري وتكون مؤثرة أيضاً في عمليات الانتقال المصحوبة بتوليد الليزر .
ويتم في أنبوب توليد الليزر استخدام بلورة بشكل اسطوانة وتقطع نهايتيها المتقابلتين وتُطليان بالفضة ليتكون مرآتان من نفس المادة وتشكل هاتين النهاتين مرآتين إحداهما عاكسة كلياً والأخرى عاكسة جزيئاً .
ويستخدم مصباح ومضي لولبي ليحيط بالياقوت ، وعندما يبعث المصباح وميضاً عالي الشدة فإن أيونات الكروم تمتص الضوء الصادر ويرتفع عدد كبير من هذه الأيونات إلى مستويات الطاقة العليا . وعند هبوطها إلى مستوى الحالة شبه المستقرة يتحقق شرط التوزيع المعكوس ويتولد شعاع الليزر عند هبوطها إلى مستوى الطاقة الأول ( Ground state ) . تكون أشعة الليزر الناتجة هنا ذات لون أحمر طولها الموجي 694 ناتومتر .
ليزر النيوديميوم – ياج :
يعد هذا الليزر من أهم أنواع الليزر الموجودة حالياً ، ويتفوق على ليزر الياقوت بكثير من المزايا ، وكلمة الياج هي مختصر لمادة بلورية هي ( Y3 AL5 Q2) ( Yttrium Aluminum Garnet ) وتطعم هذه البلورة بأيونات النيوديميوم (Nd3+ ) بنسبة 2.5% حيث تحل هذه البلورة محل أيونات الاتريوم الموجودة في الياج .
) ليزر الحالة الغازية ( Gas lasers )
ومن أهم أنواع هذا الليزر هو ليزر الهيليوم – نيون – (Helium Neon laser ) وليزر ثاني أكسيد الكربون( CO2 )
ومن أهم أنواع هذا الليزر هو ليزر الهيليوم – نيون – (Helium Neon laser ) وليزر ثاني أكسيد الكربون( CO2 )
ليزر الهيليوم – نيون :
ويتكون وسط الليزر هنا من خليط من غاز النيون وغاز الهيليوم 1 : 10 . ويوضع الخليط في أنبوبة مغلقة مفرغة .
تتم عملية الضخ باستخدام عملية تفريغ كهربائي ( فرق جهد عال يسلَّط بين الكاتود والأنود ) .
وتقوم الإلكترونات الناتجة عن مرور التيار بوساطة التفريغ الكهربائي بالتصادم مع ذرات الهيليوم حيث تنقلها إلى مستويات الطاقة العليا ، ثم بتصادم ذرات الهيليوم مع ذرات النيون يمكن أن تنتقل الطاقة إلى ذرات النيون والتي تنتقل بدورها من مستوى الطاقة الأول إلى مستوى طاقة أعلى ( طا3 ) .
وبهذا يتم تحقيق التوزيع المعكوس لذرات النيون . وعندئذ يحدث الانبعاث المستثار إلى مستوى الطاقة ( طا3 ) لذرة النيون لتنتقل الذرة إلى المستوى ( طا2 ) باعثة حزمة الليزر ذات اللون الأحمر بطول موجي 633 نانومتر . وتعتبر كفاءة هذا الليزر منخفضة جداً ، ولا تتعدى أعلى قدرة له ( 50 ملي واط ) . لكن استخداماته واسعة جداً بسبب طوله الموجي المرئي وانفراجيته الصغيرة .
ليزر ثاني أكسيد الكربون ( CO2 – laser )
يعتبر ليزر ثاني أكسيد الكربون من أهم أنواع الليزر ، بسبب كفاءته العالية التي تبلغ 30 % وكبر القدرة الناتجة عنه بسبب أن هذا الليزر يصدر إشعاعاً في منطقة الأشعة تحت الحمراء ومنطقة الميكرويف . وبسبب الحرارة العالية الصادرة عن هذا الليزر فإنه يصهر كل شيء يعترضه .
) ليزر الحالة السائلة ( Dye – lasers )
وتستخدم هذه الليزر بعض الصبغات العضوية المعقدة ، مثل استخدام الرودمين 6ج (Rhodamine G6 ) في محلول سائل كوسط لليزر ، وتتميز هذه الليزر بأننا يمكن الحصول منها على مدى واسع من الأطوال الموجية
4) الليزر شبه الموصل ( Semiconductor or diode – lasers )
يختلف الليزر شبه الموصل عن ليزر الحالة الصلبة في طريقة تمثيل مستويات الطاقة ، وبالتالي ميكانيكية الضخ وعملية الانبعاث الضوئي ، حيث يحتوي ليزر شبه الموصل على حزم عريضة من مستويات الطاقة بدلاً من المستويات المفردة التي تحدث بينها الانتقالات التي تشارك في عملية انبعاث الليزر . وكل حزمة من هذه الحزم تحتوي على عدد كبير من مستويات الطاقة المتقاربة والتي لا يقترن وجودها بذرات معينة وإنما تشترك فيها المادة البلورية كلها .
إن ليزر شبه الموصل عبارة عن وصلة ثنائية (P-N junction ) وأكثر أنواعه شيوعاً هو زرنخيد الجاليوم (Ga As ) وشعاع الليزر الذي يبعثه يقع في منطقة تحت الحمراء وهو ضوء غير مرئي .
5) الإكسايمر ( Excimer lasers )
والاسم بالانجليزية مشتق من excited ( المثارة ) و dimmers ( الضوء القصير المدى ) .
ويستخدم هذا النوع خليط من غازات غير خاملة مثل الكلور والفلور ، وغازات خاملة مثل الآرجون ، الكربتون ، والزينون . وباستخدام التفريغ الكهربائي يمكن إنتاج جزيء وهمي يصدر ضوءاً قصير المدى ويكون الطول الموجي المميز له في منطقة الضوء فوق البنفسجي .
والجدول التالي يوضح بعض أنواع الليزر والطول الموجي لشعاع الليزر الناتج :
نوع الليزر منطقة الإشعاع الطول الموجي ( نانومتر )
آرجون ـ فلور فوق البنفسجي 193
كربتون ـ فلور فوق البنفسجي 248
النيتروجين فوق البنفسجي 337
الآرجون الأزرق 448
الآرجون الأخضر 514
الهيليوم ـ نيون الأخضر 543
الهيليوم ـ نيون الأحمر 733
الرودمين ج 6 متغير 570 ـ 650
نيوديميوم ـ ياج تحت الحمراء القريبة 1064
ثاني أكسيد الكربون تحت الحمراء البعيدة 10600
يصنف الليزر تبعاً لنوع مادة الوسط الفعال فيها ، فبعض أنواع الليزر تتميز بكبر القدرة الناتجة عنها مثل ( ليزر ثاني أكسيد الكربون ) الذي يعتبر من أخطر أنواع الليزر ، بسبب قدرته العالية التي تصل إلى عشرات الكيلو واط ، وهذه القدرة الكبيرة أوحت بتسميته بأشعة الموت ، ويستخدم لقطع المعادن وفي تطبيقات صناعية مختلفة . كما توجد أنواع أخرى من الليزر ضعيفة جداً ، مثل تلك التي تستخدم في الحياة اليومية في المؤشرات ، وهذه عادة تكون ليزر ثنائي الوصلة .
وفيما يلي دراسة مفصلة لأهم أنواع الليزر :
1) ليزر الحالة الصلبة ( Solid-state laser )
وفي هذه الحالة تتوزع مادة الليزر في مصفوفة صلبة مثل ليزر الياقوت ( Ruby laser) وليزر النيوديميوم – ياج ( neodymium –Yag) .
2
1) ليزر الحالة الصلبة ( Solid-state laser )
ليزر الياقوت
صُنع أول جهاز ليزر بنجاح في عام 1960 وقد كان ليزر الياقوت . والياقوت بلورة لونها أحمر تتكون من أوكسيد الألومينوم ( Al2O3 ) المطعمة بأيونات الكروم الثلاثية (Cr 3+ ) .
وتكون أيونات الكروم هي المسؤولة عن توليد مستويات طاقة جديدة داخل التركيب البلوري وتكون مؤثرة أيضاً في عمليات الانتقال المصحوبة بتوليد الليزر .
ويتم في أنبوب توليد الليزر استخدام بلورة بشكل اسطوانة وتقطع نهايتيها المتقابلتين وتُطليان بالفضة ليتكون مرآتان من نفس المادة وتشكل هاتين النهاتين مرآتين إحداهما عاكسة كلياً والأخرى عاكسة جزيئاً .
ويستخدم مصباح ومضي لولبي ليحيط بالياقوت ، وعندما يبعث المصباح وميضاً عالي الشدة فإن أيونات الكروم تمتص الضوء الصادر ويرتفع عدد كبير من هذه الأيونات إلى مستويات الطاقة العليا . وعند هبوطها إلى مستوى الحالة شبه المستقرة يتحقق شرط التوزيع المعكوس ويتولد شعاع الليزر عند هبوطها إلى مستوى الطاقة الأول ( Ground state ) . تكون أشعة الليزر الناتجة هنا ذات لون أحمر طولها الموجي 694 ناتومتر .
ليزر النيوديميوم – ياج :
يعد هذا الليزر من أهم أنواع الليزر الموجودة حالياً ، ويتفوق على ليزر الياقوت بكثير من المزايا ، وكلمة الياج هي مختصر لمادة بلورية هي ( Y3 AL5 Q2) ( Yttrium Aluminum Garnet ) وتطعم هذه البلورة بأيونات النيوديميوم (Nd3+ ) بنسبة 2.5% حيث تحل هذه البلورة محل أيونات الاتريوم الموجودة في الياج .
) ليزر الحالة الغازية ( Gas lasers )
ومن أهم أنواع هذا الليزر هو ليزر الهيليوم – نيون – (Helium Neon laser ) وليزر ثاني أكسيد الكربون( CO2 )
ومن أهم أنواع هذا الليزر هو ليزر الهيليوم – نيون – (Helium Neon laser ) وليزر ثاني أكسيد الكربون( CO2 )
ليزر الهيليوم – نيون :
ويتكون وسط الليزر هنا من خليط من غاز النيون وغاز الهيليوم 1 : 10 . ويوضع الخليط في أنبوبة مغلقة مفرغة .
تتم عملية الضخ باستخدام عملية تفريغ كهربائي ( فرق جهد عال يسلَّط بين الكاتود والأنود ) .
وتقوم الإلكترونات الناتجة عن مرور التيار بوساطة التفريغ الكهربائي بالتصادم مع ذرات الهيليوم حيث تنقلها إلى مستويات الطاقة العليا ، ثم بتصادم ذرات الهيليوم مع ذرات النيون يمكن أن تنتقل الطاقة إلى ذرات النيون والتي تنتقل بدورها من مستوى الطاقة الأول إلى مستوى طاقة أعلى ( طا3 ) .
وبهذا يتم تحقيق التوزيع المعكوس لذرات النيون . وعندئذ يحدث الانبعاث المستثار إلى مستوى الطاقة ( طا3 ) لذرة النيون لتنتقل الذرة إلى المستوى ( طا2 ) باعثة حزمة الليزر ذات اللون الأحمر بطول موجي 633 نانومتر . وتعتبر كفاءة هذا الليزر منخفضة جداً ، ولا تتعدى أعلى قدرة له ( 50 ملي واط ) . لكن استخداماته واسعة جداً بسبب طوله الموجي المرئي وانفراجيته الصغيرة .
ليزر ثاني أكسيد الكربون ( CO2 – laser )
يعتبر ليزر ثاني أكسيد الكربون من أهم أنواع الليزر ، بسبب كفاءته العالية التي تبلغ 30 % وكبر القدرة الناتجة عنه بسبب أن هذا الليزر يصدر إشعاعاً في منطقة الأشعة تحت الحمراء ومنطقة الميكرويف . وبسبب الحرارة العالية الصادرة عن هذا الليزر فإنه يصهر كل شيء يعترضه .
) ليزر الحالة السائلة ( Dye – lasers )
وتستخدم هذه الليزر بعض الصبغات العضوية المعقدة ، مثل استخدام الرودمين 6ج (Rhodamine G6 ) في محلول سائل كوسط لليزر ، وتتميز هذه الليزر بأننا يمكن الحصول منها على مدى واسع من الأطوال الموجية
4) الليزر شبه الموصل ( Semiconductor or diode – lasers )
يختلف الليزر شبه الموصل عن ليزر الحالة الصلبة في طريقة تمثيل مستويات الطاقة ، وبالتالي ميكانيكية الضخ وعملية الانبعاث الضوئي ، حيث يحتوي ليزر شبه الموصل على حزم عريضة من مستويات الطاقة بدلاً من المستويات المفردة التي تحدث بينها الانتقالات التي تشارك في عملية انبعاث الليزر . وكل حزمة من هذه الحزم تحتوي على عدد كبير من مستويات الطاقة المتقاربة والتي لا يقترن وجودها بذرات معينة وإنما تشترك فيها المادة البلورية كلها .
إن ليزر شبه الموصل عبارة عن وصلة ثنائية (P-N junction ) وأكثر أنواعه شيوعاً هو زرنخيد الجاليوم (Ga As ) وشعاع الليزر الذي يبعثه يقع في منطقة تحت الحمراء وهو ضوء غير مرئي .
5) الإكسايمر ( Excimer lasers )
والاسم بالانجليزية مشتق من excited ( المثارة ) و dimmers ( الضوء القصير المدى ) .
ويستخدم هذا النوع خليط من غازات غير خاملة مثل الكلور والفلور ، وغازات خاملة مثل الآرجون ، الكربتون ، والزينون . وباستخدام التفريغ الكهربائي يمكن إنتاج جزيء وهمي يصدر ضوءاً قصير المدى ويكون الطول الموجي المميز له في منطقة الضوء فوق البنفسجي .
والجدول التالي يوضح بعض أنواع الليزر والطول الموجي لشعاع الليزر الناتج :
نوع الليزر منطقة الإشعاع الطول الموجي ( نانومتر )
آرجون ـ فلور فوق البنفسجي 193
كربتون ـ فلور فوق البنفسجي 248
النيتروجين فوق البنفسجي 337
الآرجون الأزرق 448
الآرجون الأخضر 514
الهيليوم ـ نيون الأخضر 543
الهيليوم ـ نيون الأحمر 733
الرودمين ج 6 متغير 570 ـ 650
نيوديميوم ـ ياج تحت الحمراء القريبة 1064
ثاني أكسيد الكربون تحت الحمراء البعيدة 10600