مولدات الليزر الغازية وليزر الهليوم - نيون

بسم الله الرحمن الرحيم
والصلاة والسلام على رسول الله
"محمد بن عبد الله"
وعلى آله وصحبه أجمعين
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
إخواني زوار وأعضاء ومشرفي المنتدى الكرام
تحية طيبة إليكم

--- ---- ---

إليكم إخواني ... مقدمة بسيطة عن

مولدات الليزر الغازية

• أنواعها:
تعتبر مولدات الليزر الغازية (أي ذات الوسط الغازي) من الأنواع المتميزة بسبب مقدار القدرة العالية التي يمكن الحصول عليها (من بعض الأنواع) ونوع الخرج المستمر مقارنةً بليزر الحالة الصلبة. فمثلاً، بإستطاعة أحد أنواعها، ليزر ثاني أكسيد الكربون، أن يُحدث أعلى قدرة خرج مستمرة مقارنةً بأي صنف أو نوع آخر من مولدات الليزر.

مولدات هذا الصنف هي من النوع رباعية المستويات وتقسم إلى ثلاثة أنواع:
1 – ليزر الحالة الغازية الذرية المتعادلة (natural "atomic" gas laser): وهي التي يحدث فيها الليزر عند المستويات الذرية غير المتأينة مثل ليزر الهليوم/نيون (He:Ne).

2 – ليزر الحالة الغازية الجزيئية (molecular gas laser): وهي التي يحدث فيها الليزر بسبب الإهتزاز والدوران الجزيئي للغاز مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون/نيتروجين/هليوم (CO2:N2:He).

3 – ليزر الحالة الغازية المتأينة (ionized gas laser): وهي التي يعتمد فيها انطلاق الليزر على الإنتقالات بين المستويات المتأينة.

يتبع ...

http://www.tinyfotos.com/images/6695...2145692846.gif

• مبدأ عمل مولدات الليزر الغازية:

هناك إسلوبان يتحقق عن طريقهما استثارة أي غاز إلى مستوى طاقة أعلى، وهما:
1 – الإثارة الخارجية للمستويات أو "ضخ المستويات بواسطة التصادم الإلكتروني" (electron collision pumping).
2 – الإثارة المكتسبة ما بين المستويات والتي تتم بواسطة تصادم الذرات بالذرات (atom-atom collision).

في النوع الأول ...

تتم الإثارة ما بين المستويات بتصادم الإلكترونات المثارة أي ذات الطاقة العالية مع الذرات المستقرة، الأمر الذي يؤدي إلى أن يتم تبادل للطاقة مع الذرة الذرة التي تصبح في حالة مثارة نتيجة هذا التصادم، مما يجعلها تنتقل لمستوى شبه مستقر (****stable) من الطاقة. يمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة التالية لو اعتبرنا أن A تمثل طاقة الذرة و e تمثل طاقة إلكترون حر ذو طاقة عالية، فإن:

A + e1 = A` + e2

حيث A` تمثل الطاقة الجديدة للذرة بعد إثارتها وe2 هي الطاقة المتبقية للإلكترون بعد التصادم.

*** *** ***

أما في النوع الثاني ...

فمضمونها هو تصادم الذرات المثارة والواقعة في مستويات شبه مستقرة (****stable) مع ذرات عنصر آخر في الحالة المستقرة.
ينتج عن ذلك انتقال للطاقة من المستوى شبه المستقر لذرات العنصر (الغاز) الأول إلى ذرات العنصر الآخر المتواجدة في نفس الوسط (الليزري)، تعود بعدها ذرات العنصر الأول إلى الحالة الأرضية المستقرة. يمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة:
قبل التصادم:

طاقة ذرات العنصر الأول المثارة A1* + طاقة ذرات العنصر الثاني المستقر A2
بعد التصادم أو الإحتكاك :

طاقة ذرات العنصر الأول المستقر A1 + طاقة ذرات العنصر الثاني المثار A2*

يتبع ...

• ليزر الحالة الغازية المتعادلة:

وهو النوع الذي يتألف فيه الوسط الليزري من خليط من الغازات الغير متأينة. وقد تمكن العالم "علي جوان (تنطق "علي جافان")" عام 1960 من بناء أول مولد ليزر من هذا النوع.

http://www.tinyfotos.com/images/3272...3202824947.jpg

يعتمد عمل هذا النوع على حدوث الإسكان المعكوس بين مستويين طاقة يمثلان مستويي الطاقة لذرات الغاز الضيف المثار وهو النيون في هذه الحالة.

بالإضافة إلى النوع الذي يحتوي على النيون (كضيف) والهليوم كوسط أساسي فقد اكتشف عناصر أخرى مثل الأرجون والكربتون ... إلخ نتج عنها 29 مولد من هذا النوع والتي يمكن الحصول منها على 450 تردد إشعاعي ضمن النطاق الموجي المحصور بين 0.41 إلى 216.3 ميكرومتر وهذه كلها يتميز ليزر الهليوم/نيون عليها.

يتبع ...

• ليزر الهليوم - نيون:

تركيبه وطرق الضخ:

يتألف المولد، كما بالشكل، من المكونات الأساسية المعروفة لمولدات الليزر،

http://www.tinyfotos.com/images/2332...1973654534.jpg

كانت مكونات أول ليزر هليوم/نيون هو خليط من غاز نيون (العنصر الضيف) مع غاز هليوم (العنصر الأساس) بنسبة من تتراوح ما بين 5:1 إلى 20:1. هذا الخليط الغازي موضوع داخل أنبوبة مغلقة وتحت ضغط منخفض يتراوح بين 1 إلى 2 ملم زئبق ومصنوعة من الكوارتز يبلغ طولها 80 سم وقطرها 1.5 سم.

وكما في أي نوع من أنواع مولدات الليزر، نجد المرايا عند نهايتي الأنبوب إضافة إلى بعض التراكيب الأخرى كي ينحصر الضوء الناتج ضمن المولد لحين الوصول إلى حالة الإسكان المعكوس بين مستويات الطاقة المعنية بانطلاق الليزر.

إن الفرق الرئيسي في تركيب ليزر الحالة الصلبة والغازية هو في طريقة الضخ. ففي حالة المولد الغازي يحدث "تفريغ كهربي (electric discharge)" داخل الأنبوب، إما عن طريق مولد ذبدبات راديوي (radio-frequency generator) تردده حوالي 28 ميجا هيرتز أو عن طريق جهد عالي مستمر (d.c.).

إذا كان التفريغ عن طريق الجهد الخارجي المستمر فيصمم كما هو موضح سابقاً في الشكل، حيث يسلط على قطبين (الأنود والكاثود) موضوعين داخل الأنبوبة.
يمرر التيار من خلال المقاومة المبينة على التوالي والتي هي ضرورية لأن العلاقة بين الجهد والتيار عند حدوث التفريغ الغازي هي علاقة ذات مقاومة سالبة ضمن منطقة العمل المعنية.

أما إذا كان الضخ عن طريق مولد ذبدبات راديوي، والذي يسبب تفريغاً عند هذه الترددات، فإن المجالات الكهربية المتردد (a.c.) منه تسلط على الوسط الليزري عبر أقطاب خارجية أو داخل الأنبوبة. تشكل المنطقة الواقعة بين هذه الأقطاب السعة (capacitance) الضرورية لدائرة الرنين عند الترددات الراديوية التي تتراوح بين 15-30 ميجا هيرتز.

تسبب طريقة الضخ هذه تداخل مع أجهزة الإرسال والإستقبال الراديوية أو بعض الأجهزة الإلكترونية، إضافةً إلى ذلك فإن المجالات القوية حول الأقطاب ستؤدي إلى دفع الغازات داخل جدار الأنبوب الحاوي للوسط الغازي مما يسبب هبوطاً في ضغط الغاز وضرورة إعادة ملء الأنبوب.

يتبع ...

• إنطلاق الليزر:

يؤدي التفريغ الكهربي إلى تسارع إلكترونات وأيونات (الإلكترونات على الأخص لأنها أخف من الأيونات) غاز الهيليوم، بصفته الوسط الليزري الأساس، بين القطبين وبشكل مناسب، بينما لا تتأثر ذرات النيون بالتصادم الإلكتروني هذا. يصبح الهيليوم بعدئذ مالكاً لمستويات طاقة مثارة وشبه مستقرة.

كنتيجة لتسارع الإلكترونات والأيونات فإن الإلكترونات المتحركة تصطدم بذرات وأيونات أخرى من الهليوم مسببة زيادة في طاقتها ورفعها إلى مستوى أعلى، كما بالشكل، حيث تم ترقيم المستويات كما يلي 1 للمستقر، 2 و 2" للهيليوم، 3 و 3" و 4 و 4" للنيون.

http://www.tinyfotos.com/images/4894...5531042849.jpg

ويُلاحظ وجود تقارب في المستويات (2،2") وتلك المثارة (3،3") للنيون، ونتيجة لذلك عندما تتنتقل ذرة الهليوم إلى المستويين (2،2") ستكون فرصة جيدة لذرات الهليوم أن تتصادم أو على الأقل تحتك مارة بذرة نيون غير مثارة.

إذا ما حدث ذلك، ستكون الفرصة مؤاتية وجيدة لحدوث إنتقال للطاقة بين ذرات الهليوم والنيون، أي أن ذرة الهليوم ستهبط للحالة الأرضية (1) متخليةً عن طاقة إثارة تابعة لها، بينما، وفي نفس الوقت، تمتص ذرة النيون هذه الطاقة لترتفع إلى المستوى الأعلى.

يحدث هذا الإنتقال بكفاءة عالية فقط إذا كان المستويين متقابلين تماماً، وهذا وارد جداً حيث نجد أن المستويين (2 ، 2") هما 19.82 و 20.61 إلكترون فولت بينما المستويين (3 ، 3") هما 19.78 و 20.66 إلكترون فولت.

ضمن هذه السلسلة من الأحداث، فإن الإلكترونات تضخ ذرات الهيليوم ومن ثم ذرات الهيليوم المثارة تضخ ذرات النيون، مما ينتج عن ذلك سيل مستمر من ذرات النيون منصبة في المستويين (3 ، 3") وكنتيجة لذلك فإن هذه المستويات سيحدث فيها حالة إسكان مستقرة رغم أنها صغيرة ولكن بمقدورها أن تكون أكبر بكثير من إشغال عدد كبير من المستويات الدنيا (lower).

يتبع ...

• الإنطلاقات الليزرية المتحررة:

لدينا الأن ذرات نيون مثارة في المستويين (3 ، 3")، عندها يبدأ حدوث إنتقال لهذه الذرات من المستوى (3") إلى (4") وذلك ببث حزمة من الليزر تقريباً غير مرئية وذو أطوال موجية متعددة تقع ضمن الطيف المحاذي والمقارب للأشعة تحت الحمراء.

يلي ذلك الهبوط ظهور خط أحمر في الطيف المرئي ذو طول موجي 6328 إنجستروم والناتج عن الإنتقال من المستوى (3) إلى المستوى (4") والذي يعتبر مهماً.

في الوقت الذي يحدث فيه هذا الإنتقال الأخير، يُلاحظ حدوث إنتقال بين (3) و (4) عند الطرف البعيد من طيف الأشعة تحت الحمراء وبطول موجي 3.39 ميكرومتر.

كافة هذه الإنتقالات تحدث بعيداً عن المستوى الأرضي لذلك فإن ليزر الهيليوم/نيون من النوع "رباعي المستويات".
في الحقيقة، تتألف مستويات الطاقة (energy levels) للنيون من حزم للطاقة (energy bands)، داخل كل حزمة يوجد مستويات طاقة أخرى. وهكذا ينتج عن ذلك خرج ليزري ذو أطوال موجية متعددة ناتجة عن الإنتقالات بين هذه المستويات. المهم منها ثلاثة ذات قدرات عالية (المبينين في الشكل).

• كيفية الإنتقاء:
في حالة الرغبة لتشغيل مولد الليزر ليطلق نوع واحد من الثلاثة المذكورين بقدرة قصوى وبطول موجي محدد، يجب آنذاك حجب (suppressed) البقية الأخرى بواسطة إضافة منشور (prism)، بعد ترتيب إتجاهه نحصل على المطلوب حيث يقوم المنشور "ببعثرة" الأشعة الليزرية الغير مرغوبة.

• الخلاصة:
يعتبر مولد ليزر الهيليوم/نيون من المولدات الرخيصة الثمن مقارنةً بالأنواع الأخرى، إضافةً إلى كون ضوئه ذو جودة عالية، لكن يُعاني هذا النوع من صغر القدرة المستحصلة منه حيث يتراوح الحد الأعلى الناتجة منه عملياً بحدود 100 ملي وات للخطوط الموجية الثلاثة الرئيسية.

PDF

http://physics.uark.edu/lasers/LPZhenSong.pdf

http://ixnovi.people.wm.edu/phys251/.../HeNelaser.pdf

http://df.unife.it/laureescientifich...aser/laser.pdf

http://web.njit.edu/~sirenko/Phys402...-402lasers.pdf

Doc

http://www.iop.org/activity/educatio.../file_5012.doc

PPT

http://www.indiastudychannel.com/att...neon_laser.ppt

For More Info

http://cat.middlebury.edu/~PHManual/heliumneon.html

نسألكم الدعاء ... لي ولجميع المسلمين ...