مكونات ومنظومات الليزر – الفصل الثامن – فيزياء

مكونات ومنظومات الليزر – شرح مفصل

يتكون جهاز الليزر من مجموعة من العناصر الأساسية التي تعمل بتكامل لتنفيذ عملية توليد الضوء الليزري من خلال الانبعاث المحفَّز. وتُعرف هذه المكونات بـ منظومات الليزر. فيما يلي شرح مفصل لأهم هذه المكونات:

🔹 1. الوسط الفعّال (الوسط الليزري النشط – Active Medium)

هو قلب الليزر، وهو المادة التي تحتوي على الذرات أو الجزيئات القادرة على الامتصاص والإصدار المحفز للفوتونات.

• يمكن أن يكون في حالة صلبة أو سائلة أو غازية أو شبه موصلة.
• يشترط أن يحتوي على مستويات طاقة مناسبة لتحقيق الانبعاث المحفز والتوزيع المعكوس.

أمثلة:

• الياقوت (ليزر الحالة الصلبة)
• هيليوم-نيون (ليزر غازي)
• Nd:YAG (ليزر قوي صلب)
• أصباغ عضوية (ليزر سائل)
• أشباه موصلات مثل GaAs (ليزر ديود)

🔹 2. منظومة الضخ (Pumping System)

وظيفتها رفع الذرات في الوسط النشط من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة من أجل تحقيق التوزيع المعكوس.

طرق الضخ:

• ضوئيًا: باستخدام ومضات ضوئية من مصابيح تفريغ أو ليزر آخر.
• كهربائيًا: بتمرير تيار كهربائي كما في ليزرات أشباه الموصلات أو الغازية.
• كيميائيًا: عبر تفاعلات تنتج طاقة تحفّز الذرات.
• إلكترونيًا: بواسطة حزم إلكترونات موجهة.

🔹 3. تجويف الرنين أو الرنان البصري (Optical Resonator / Cavity)

هو التجويف الذي يحتوي على الوسط النشط، ويُستخدم لزيادة كفاءة الانبعاث المحفز عن طريق عكس الضوء ذهابًا وإيابًا بين مرآتين.

يتكون من:

• مرآة عاكسة بالكامل (100%)
• مرآة شبه عاكسة (50–95%) تسمح بخروج شعاع الليزر

هذا التجويف يسمح بتضخيم الضوء وتحقيق تراكب بنّاء للفوتونات المتوافقة في الطور.

🔹 4. نظام التبريد (Cooling System)

عند تشغيل الليزر تتولد حرارة داخل الوسط النشط نتيجة انتقالات الطاقة. لذلك، يجب التخلص من الحرارة لتجنب:

• تشويه الشعاع الليزري
• تلف المكونات

طرق التبريد:

• تبريد مائي
• تبريد هوائي
• تبريد حراري باستخدام موصلات حرارية عالية

🔹 5. مصدر الطاقة (Power Supply)

هو المصدر الذي يزود منظومة الضخ بالطاقة اللازمة للعمل، ويُختار حسب نوع الليزر:

• مصدر كهربائي عالي الجهد لمصابيح الوميض
• بطارية أو محول لليزرات الصغيرة
• مزود تيار مستمر أو متردد بحسب الحاجة

🔹 6. عدسات وملحقات بصرية (Optical Elements)

• عدسات تركيز: لتجميع الشعاع الليزري في نقطة محددة
• مرايا إضافية: لتوجيه الشعاع أو تقسيمه
• مرشحات بصرية: لتحديد الطول الموجي المرغوب
• ألياف بصرية: لنقل الشعاع لمسافات طويلة

🔹 7. وحدة التحكم (Control Unit)

وهي الدوائر أو البرامج الإلكترونية التي تنظم عمل الليزر من حيث:

• تشغيل/إيقاف الضخ
• ضبط الطاقة الخارجة
• التحكم بزمن النبضة أو التشغيل المستمر

الشكل العام لتركيب الليزر:

[ مصدر طاقة ] → [ منظومة الضخ ] → [ وسط نشط ] ←→ [ تجويف مرآتين ]
                                              ↓
                                      [ شعاع الليزر الخارج ]

ملخص منظومات الليزر:

هل ترغب برسم تخطيطي مبسط لمكونات الليزر؟