مبدأ عمل الليزر. مبدأ عمل الليزر

من الصعب تخيل الحياة العصرية بدون طابعة. تُطبع النصوص في المدارس ، وتُطبع الملخصات في الجامعة ، وتُطبع العقود في العمل ، وحتى في المنزل من الضروري للغاية بالنسبة لنا نقل هذه المعلومات أو تلك إلى الورق. هناك عدة أنواع من الطابعات ، يتم تصنيفها حسب نوع الطباعة والشكل والحجم وحتى نوع المواد المطبوعة. ضع في اعتبارك مبدأ طباعة طابعات نفث الحبر وطابعات الليزر.

كيف تعمل طابعة نفث الحبر

سنحاول تسليط الضوء على مبدأ طباعة طابعة نافثة للحبر لفترة وجيزة. جودة الطباعة أسوأ قليلاً من جودة الليزر. ومع ذلك ، فإن تكلفتها أقل بكثير من تكلفة الليزر. تعتبر الطابعة النافثة للحبر مثالية للاستخدام المنزلي. إنه سهل التشغيل وسهل الصيانة. مبدأ الطباعة النافثة للحبر وطابعات الليزر مختلفة بشكل ملحوظ. يتجلى ذلك في كل من تقنية إمداد الحبر وتصميم المعدات. لذلك ، دعنا نتحدث أولاً عن كيفية طباعة طابعة نفث الحبر.

مبدأ عملها هو كما يلي: يتم تشكيل الصورة في مصفوفة خاصة ، ثم تقوم هذه المصفوفة بطباعة الصورة على القماش باستخدام الأصباغ السائلة. تم تجهيز نوع آخر من طابعات نفث الحبر بخراطيش يتم تركيبها في وحدة خاصة. في هذه الحالة ، بمساعدة رأس الطباعة ، يتم توفير الحبر لمصفوفة الطباعة ، وتنقل الصورة إلى الورق.

طرق تخزين الحبر وتطبيقه على الورق

توجد ثلاث طرق لتطبيق الحبر على لوحة قماشية:

طريقة كهرضغطية
. طريقة فقاعة الغاز
. طريقة الإسقاط عند الطلب.

الطريقة الأولى ، عند الطباعة ، تترك نقطة حبر على القماش ، بسبب عنصر كهرضغطية. بمساعدتها ، يتم ضغط الأنبوب وفكه ، مما يمنع الحبر الزائد من الوصول إلى الورق.

تترك فقاعات الغاز ، المعروفة أيضًا باسم الفقاعات المحقونة ، بصمة على الويب بسبب درجات الحرارة المرتفعة. كل فوهة من مصفوفة الطباعة مجهزة مع تسخين في جزء من الثانية. يتم دفع فقاعات الغاز الناتجة عبر الفوهة ونقلها إلى المواد الاستهلاكية.

تستخدم طريقة الإسقاط عند الطلب أيضًا فقاعات غاز في العملية. لكنها تقنية أكثر انسيابية تزيد بشكل كبير من سرعة وجودة الطباعة الحديثة.

تقوم الطابعة النافثة للحبر بتخزين الحبر بطريقتين. يوجد خزان منفصل قابل للإزالة يتم من خلاله توفير الحبر إلى رأس الطباعة. الطريقة الثانية لتخزين الحبر تستخدم خرطوشة خاصة ، والتي توجد أيضًا في رأس الطباعة. لاستبدال الخرطوشة ، يجب أيضًا استبدال الرأس نفسه.

دعنا نتحدث عن الطابعات النافثة للحبر

اكتسبت طابعات Inkjet شعبية خاصة بسبب إمكانية الطباعة ، يتم تشكيل الصورة عن طريق تراكب النغمات الرئيسية على بعضها البعض بتشبع مختلف. مجموعة الألوان الأساسية تحمل الاختصار CMYK. وهي تشمل: أصفر وأرجواني وسماوي وأسود.

في البداية ، تم تقديم مجموعة من ثلاثة ألوان ، والتي تضمنت جميع النغمات المذكورة أعلاه ، باستثناء الظل الأسود. ولكن عند تراكب اللون الأصفر والسماوي والأرجواني ، بتشبع 100٪ ، لم يكن من الممكن تحقيق اللون الأسود. كانت النتيجة لون بني أو رمادي. لذلك تقرر إضافة الحبر الأسود.

ميزات الطابعة النافثة للحبر

تشمل المؤشرات الرئيسية لجودة الطابعة الضوضاء وسرعة الطباعة وجودة الطباعة والمتانة.

الخصائص التشغيلية للطابعة:

• مبدأ الطباعة - النافثة للحبر. يتم تغذية الحبر من خلال فتحات خاصة ويتم طباعته على القماش. على عكس طابعات الإبرة ، حيث يكون تطبيق الحبر عملية ميكانيكية للصدمات ، فإن الطابعات النافثة للحبر هادئة جدًا. كيف أن الطابعة غير مسموعة ، يمكنك فقط التمييز بين ضجيج المحرك الذي يحرك رؤوس الطباعة. لا تتجاوز 40 ديسيبل.
• سرعة الطباعة للطابعة النافثة للحبر أسرع بكثير من طابعة الإبرة. تعتمد جودة الطباعة أيضًا على هذا المؤشر. مبدأ طباعة الطابعة: كلما زادت السرعة ، كانت الطباعة أسوأ. إذا اخترت طباعة عالية الجودة ، فإن العملية تبطئ ويتم تطبيق الحبر بشكل أكثر شمولاً. يبلغ متوسط ​​هذه الطابعة حوالي 3-5 صفحات في الدقيقة. زادت الطرز الأكثر حداثة من هذا الرقم إلى 9 صفحات في الدقيقة. تستغرق الطباعة الملونة وقتًا أطول قليلاً.
• يعد الخط أحد المزايا الرئيسية للطابعة النافثة للحبر. لا يمكن مقارنة جودة عرض الخط إلا بطابعة ليزر. يمكنك تحسين جودة الطباعة باستخدام ورق عالي الجودة. يجب أن يكون لها خصائص سريعة الامتصاص. يتم الحصول على صورة جيدة على الورق بكثافة 60-135 جم / م 2. ورق ناسخ بكثافة 80 جم / م 2 أظهر نفسه جيدًا أيضًا. للتجفيف السريع للحبر ، وظيفة تسخين الورق. على الرغم من حقيقة أن مبدأ طباعة النافثة للحبر وطابعة الليزر مختلفان تمامًا ، إلا أن المعدات عالية الجودة تسمح لك بتحقيق نفس التأثير.
• ورق. لسوء الحظ ، الطابعة النافثة للحبر ليست مصممة للطباعة على بكرة الوسائط. وللحصول على نسخ متعددة ، سيتعين عليك استخدام طباعة متعددة.

عيوب الطباعة النافثة للحبر

كما اتضح أعلاه ، فإن الطابعات النافثة للحبر تطبع بأصباغ سائلة باستخدام مصفوفة. الصورة مكونة من النقاط. أغلى جزء في الطابعة هو رأس الطباعة ، وقد قامت بعض الشركات بدمج رأس الطباعة الخاص بالطابعة في الخرطوشة لتقليل الأبعاد الكلية للجهاز. يختلف مبدأ الطباعة النافثة للحبر وطابعات الليزر اختلافًا كبيرًا عن بعضها البعض.

تشمل عيوب هذه الطابعة ما يلي:

• سرعة طباعة منخفضة.
• إذا لم يتم استخدام الطابعة لفترة طويلة ، فقد يجف الحبر.
• المواد الاستهلاكية لها تكلفة عالية ومورد صغير.

فوائد الطباعة النافثة للحبر

• سعر جذاب ، نسبة السعر إلى الأداء المثالية.
• تتميز الطابعة بأبعاد متواضعة للغاية ، مما يسمح بوضعها في مكتب صغير دون التسبب في أي إزعاج للمستخدم.
• من السهل إعادة تعبئة الخراطيش بنفسك ، ما عليك سوى شراء الحبر وقراءة التعليمات.
• الاتصال مع كميات الطباعة الكبيرة ، سيؤدي ذلك إلى تقليل التكاليف بشكل كبير.
• طباعة صور عالية الجودة.
• مجموعة كبيرة من وسائط الطباعة.

قليلا عن طابعة الليزر

طابعة الليزر هي نوع من المعدات المصممة لطباعة النصوص أو الصور على الورق. تاريخ هذا النوع من المعدات غير عادي للغاية. ولها نهج تسويقي ، على عكس الطابعة النافثة للحبر ، حيث تم تطوير مئات المفاهيم العلمية أثناء إنشائها.

لم تبدأ زيروكس في تطوير مبدأ طباعة طابعة ليزر حتى عام 1969. لعدة سنوات ، تم تنفيذ العمل العلمي ، واستخدمت العديد من الأساليب لتحسين الجهاز الحالي. في عام 1978 ، ظهرت أول آلة نسخ في العالم ، والتي استخدمت شعاع الليزر لإنشاء نسخة مطبوعة. اتضح أن الطابعة ضخمة ، والسعر لم يسمح لأي شخص بشراء هذه الوحدة. بعد مرور بعض الوقت ، أصبحت Canon مهتمة بالتطوير ، وفي عام 1979 تم إطلاق أول طابعة ليزر مكتبي. بعد أن بدأت الكثير من الشركات في تحسين آلات التصوير وإصدار طرز جديدة ، لم يتغير مبدأ طباعة طابعة ليزر.

كيف تطبع طابعة ليزر

تتميز المطبوعات التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة بخصائص أداء عالية. الرطوبة ليست فظيعة بالنسبة لهم ، فهم لا يخافون من التلاشي والبهتان. الصور التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة تكون عالية الجودة ومتينة.

مبدأ طباعة طابعة الليزر لفترة وجيزة:

• تقوم طابعة الليزر بتطبيق الصورة على اللوحة القماشية على عدة مراحل. يذوب الحبر (مسحوق خاص) ويلتصق بالورق تحت تأثير درجة الحرارة.
• تقوم ممسحة (مكشطة خاصة) بإزالة الحبر غير المستخدم من الأسطوانة إلى مجمع النفايات.
• يستقطب عامل الكارون سطح الأسطوانة ، ومن خلال القوى الكهروستاتيكية يخصص لها شحنة موجبة أو سالبة.
• تتشكل الصورة على سطح الأسطوانة باستخدام مرآة دوارة توجهها إلى المكان الصحيح.
• تتحرك الأسطوانة على طول سطح العمود المغناطيسي. يوجد حبر على العمود يلتصق بتلك الأماكن على الأسطوانة حيث لا توجد شحنة.
• بعد أن تتدحرج الأسطوانة على الورق ، تاركة مسحوق الحبر على القماش.
• في المرحلة النهائية ، يتم لف الورق الذي تم رشه عليه من خلال الفرن ، حيث تذوب المادة تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة وتلتصق بالورق بشكل موثوق.

يشترك مبدأ الطباعة لطابعة الليزر كثيرًا مع التكنولوجيا المستخدمة في آلات التصوير.

طابعات الليزر الملونة واختلافاتهم الرئيسية

تختلف عملية الطباعة على طابعة ملونة عن الأسود والأبيض في وجود عدة ظلال ، والتي عند مزجها بنسبة معينة ، تكون قادرة على إعادة إنشاء كل الألوان التي نعرفها. تستخدم طابعات الليزر الملونة أربعة أقسام منفصلة لكل لون حبر. هذا هو الاختلاف الرئيسي بينهما.

تتكون الطباعة على طابعة ملونة من الخطوات التالية: تحليل الصورة ، صورتها النقطية ، ترتيب الألوان وأحبارها المقابلة. ثم يتم تشكيل توزيع الشحنة. بعد الإجراء هو نفسه بالنسبة للطباعة بالأبيض والأسود. تمر ورقة الحبر عبر فرن حيث يتم إذابة الأحبار وتثبيتها على الورق.

تكمن ميزتها في حقيقة أن مبدأ طباعة طابعة ليزر يسمح لك بتحقيق أشعة رقيقة جدًا تفريغ المناطق المرغوبة. نتيجة لذلك ، نحصل على صورة عالية الجودة وعالية الدقة.

مميزات طابعات الليزر الحديثة

تشمل مزايا طابعات الليزر ما يلي:

• سرعة طباعة عالية.
• ثبات المطبوعات ووضوحها وتحملها (لا يخافون من المناخ المحلي الرطب).
• صورة عالية الدقة.
• تكلفة طباعة منخفضة.

عيوب طباعة طابعة الليزر

العيوب الرئيسية لطابعات الليزر:

• أثناء تشغيل الجهاز ، يتم تحرير الأوزون. لذا ، أنت بحاجة للعمل معه في منطقة جيدة التهوية.
• استهلاك طاقة عالي.
• ضخم.
• ارتفاع تكلفة المعدات

استنادًا إلى جميع الإيجابيات والسلبيات ، يمكننا أن نستنتج أن الطابعات النافثة للحبر رائعة للاستخدام المنزلي. لديهم سعر معقول وأبعاد صغيرة ، وهو أمر مهم للعديد من المستخدمين.

تعد طابعة الليزر مناسبة للمكاتب والمؤسسات الأخرى حيث يوجد الكثير من المطبوعات بالأبيض والأسود وتعتبر سرعة معالجة المستندات أمرًا مهمًا.

بدأ تاريخ طابعات الليزر في عام 1938 مع تطور تقنية الطباعة بالحبر الجاف. بينما كان تشيستر كارلسون يعمل على ابتكار طريقة جديدة لنقل الصور إلى الورق ، استخدم الكهرباء الساكنة. كانت تسمى هذه الطريقة بالكهرباء وتم استخدامها لأول مرة من قبل شركة Xerox Corporation ، التي أصدرت الطراز A في عام 1949. ومع ذلك ، لكي تعمل هذه الآلية ، كان لا بد من إجراء بعض العمليات يدويًا. بعد 10 سنوات ، تم إنشاء Xerox 914 الأوتوماتيكي بالكامل ، والذي يعتبر نموذجًا أوليًا لطابعات الليزر الحديثة.

تعود فكرة "رسم" ما يجب طباعته لاحقًا مباشرة على طبلة النسخ باستخدام شعاع ليزر إلى Gary Starkweather. منذ عام 1969 ، تطورت الشركة وأصدرت في عام 1977 طابعة الليزر التسلسلي Xerox 9700 ، والتي تطبع بسرعة 120 صفحة في الدقيقة.

كان الجهاز كبيرًا جدًا ومكلفًا ومخصصًا حصريًا للمؤسسات والمؤسسات. وطورت كانون أول طابعة مكتبية في عام 1982 ، بعد عام - طراز جديد LBP-CX. دخلت HP في شراكة مع Canon لإطلاق سلسلة Laser Jet في عام 1984 وأخذت على الفور زمام المبادرة في سوق طابعات الليزر المنزلية.

حاليًا ، يتم إنتاج الطابعات أحادية اللون والطابعات الملونة من قبل العديد من الشركات. يستخدم كل منهم تقنياته الخاصة ، والتي يمكن أن تختلف بشكل كبير ، ولكن المبدأ العام لتشغيل طابعة الليزر هو نموذجي لجميع الأجهزة ، ويمكن تقسيم عملية الطباعة إلى خمس مراحل رئيسية.

أسطوانة الطباعة (موصل ضوئي ضوئي ، OPC) عبارة عن أسطوانة معدنية مطلية بأشباه الموصلات الحساسة للضوء والتي يتم تشكيل الصورة عليها للطباعة اللاحقة. في البداية ، يتم تزويد OPC بشحنة (موجبة أو سلبية). يمكنك القيام بذلك بإحدى طريقتين باستخدام:

• التاجي (Corona Wire) ، أو التوفيق ؛
• بكرة الشحن (بكرة الشحن الأولية ، PCR) ، أو عمود الشحن.

Corotron عبارة عن كتلة من الأسلاك وإطار معدني حولها.

سلك الهالة عبارة عن خيوط من التنجستن مغطى بطبقة من الكربون أو الذهب أو البلاتين. تحت تأثير الجهد العالي بين السلك والإطار ، يحدث تفريغ ، منطقة متأينة مضيئة (هالة) ، يتم إنشاء مجال كهربائي ، والذي ينقل شحنة ثابتة إلى الموصل الضوئي.

عادة ، يتم تضمين آلية تنظيف الأسلاك في الوحدة ، نظرًا لأن تلوثها يؤدي إلى تدهور جودة الطباعة بشكل كبير. استخدام الكوروترون له عيوب معينة: الخدوش وتراكم الغبار وجزيئات الحبر على الفتيل أو ثني الشعيرة يمكن أن تؤدي إلى زيادة المجال الكهربائي في هذا المكان ، وانخفاض حاد في جودة المطبوعات ، وربما تلف سطح الأسطوانة.

في الإصدار الثاني ، يتم تغليف الهيكل الداعم مع عنصر التسخين بداخله بغشاء مرن مصنوع من بلاستيك خاص مقاوم للحرارة. تعتبر هذه التقنية أقل موثوقية ، وتستخدم في الطابعات للشركات الصغيرة والاستخدام المنزلي ، حيث لا يُتوقع وجود أحمال للمعدات الثقيلة. لمنع اللوح من الالتصاق بالفرن ولفه حول العمود ، يتم توفير قضيب به فواصل ورق.

طباعة ملونه

يتم استخدام أربعة ألوان أساسية لتشكيل صورة ملونة:

• أسود،
• الأصفر،
• ليلكي،
• أزرق.

تتم الطباعة وفقًا لنفس مبدأ الأسود والأبيض ، ولكن أولاً تقوم الطابعة بتقسيم الصورة ليتم الحصول عليها إلى صور أحادية اللون لكل لون. في عملية العمل ، تنقل خراطيش الألوان رسوماتها إلى ورق ، ويعطي فرضها على بعضها البعض النتيجة النهائية. هناك نوعان من تقنيات الطباعة الملونة.

Multipass

باستخدام هذه الطريقة ، يتم استخدام ناقل وسيط - عمود أو حزام نقل مسحوق. في إحدى الدورات ، يتم تطبيق أحد الألوان على الشريط ، ثم يتم إدخال خرطوشة أخرى في المكان الصحيح ويتم تثبيت الصورة الثانية أعلى الصورة الأولى. في أربعة ممرات ، يتم تكوين صورة كاملة على الحامل الوسيط ، والتي يتم نقلها إلى الورق. سرعة طباعة صورة ملونة في الطابعات التي تستخدم هذه التقنية أبطأ أربع مرات من سرعة الطباعة أحادية اللون.

مسار واحد

تتضمن الطابعة مجموعة من أربع آليات طباعة منفصلة تحت تحكم مشترك. يتم اصطفاف الخراطيش الملونة والأسود ، ولكل منها وحدة ليزر منفصلة وبكرة نقل ، ويمر الورق أسفل الموصلات الضوئية لتجميع الصور أحادية اللون الأربعة على التوالي. بعد ذلك فقط تدخل الورقة إلى الفرن ، حيث يتم تثبيت الحبر على الورق.

اطبع بكل سرور.

العلم والحياة // الرسوم التوضيحية

العلم والحياة // الرسوم التوضيحية

العلم والحياة // الرسوم التوضيحية

العلم والحياة // الرسوم التوضيحية

مخطط الدائرة لليزر النبضي ذو الحالة الصلبة بسيط للغاية (1). الوسط النشط - المادة التي يحدث فيها الإشعاع (بلورات الياقوت ، عقيق الألومنيوم الإيتريوم ، الزجاج بمزيج من النيوديميوم ومواد أخرى) - له شكل أسطوانة أو قضيب. يتم وضعها في الرنان على شكل مرآتين متوازيتين - مرآة أمامية نصف شفافة ومرآة خلفية "صماء" غير شفافة. يتم تركيب نظام ضخ بالقرب من الوسط النشط - مصباح وميض ، والذي يحيط به ، مع القضيب ، مرآة تركز الضوء على الوسط النشط (غالبًا ما يكون أسطوانة كوارتز مطلية بطبقة من المعدن).

الوسط النشط "مصمم" بحيث تحتوي ذراته على ثلاثة مستويات طاقة على الأقل (2). في الحالة الطبيعية ، يكونون جميعًا في المستوى الأقل طاقة. ه 0. عندما يضيء المصباح ، تمتص الذرات طاقة ضوءها وتنقلها من حالة طاقة منخفضة إلى مستوى أعلى. ه 2 ، من حيث ينزلون على الفور إلى المستوى هواحد . يمكن للذرات البقاء على هذا المستوى - متحمس - لفترة طويلة جدًا (من حيث المقاييس الكمومية ، بالطبع). إن وجود مثل هذا المستوى (يسمى الانبثاث) شرط ضروري للحصول على نبضة ليزر. من هذا المستوى ، تعود الذرة إلى حالتها الأصلية عن طريق إصدار فوتون. علاوة على ذلك ، فإن كل فوتون يمر عبر ذرة مثارة ، يجعله يشع أيضًا. تنعكس الفوتونات في المرايا الرنانة بشكل متكرر عبر الوسط النشط (عامل جودة الرنان مرتفع للغاية: تمتص مراياها فوتونًا واحدًا فقط من بين المليون) وتندلع من خلال مرآة شفافة على شكل نبضة ضوئية. لكن المصباح يحترق لفترة طويلة (مرة أخرى ، على مقياس كمي) ، وخلال هذا الوقت يكون لدى ذرات الوسط الوقت لإعادة ضبط طاقتها عدة مرات. لذلك ، يبدو وميض الليزر ، عند الفحص الدقيق ، وكأنه "مشط" من عشرات ومئات النبضات القصيرة جدًا ، وهذا الوضع في حد ذاته يسمى "سبايك" (3).

ومع ذلك ، إذا تم وضع مصراع في الرنان ، مما يسد مسار الفوتونات ، سينخفض ​​عامل الجودة الخاص به إلى الصفر ، وسيتم إنفاق كل طاقة مصباح المضخة على إثارة ذرات الوسط النشط. سيفتح المصراع عندما يصل توهج مصباح المضخة ، وبالتالي ، يصل عدد الذرات المثارة إلى الحد الأقصى. ثم سيزداد عامل جودة المرنان على الفور إلى الحد الأقصى ، وسوف "تنفث" كل الطاقة المتراكمة على شكل نبضة قصيرة جدًا من الطاقة الهائلة. يشار إلى هذا النوع من العمليات بالليزر باسم Q-switching أو وضع "النبض العملاق" (4).

الليزرهو مولد ضوء متماسك. الموجة المتماسكة (المرتبة) المثالية لها طول وتردد محددان بدقة ، وجبهة مسطحة ، وهي مستقطبة تمامًا. تتميز الموجات غير المتماسكة (غير المنتظمة) بانتشار الترددات والأطوال الموجية في نطاق كبير نسبيًا من القيم وليس لها مستوى معين من الاستقطاب.

كل من موجات الضوء المتماسكة وغير المتماسكة تمامًا غائبة في الطبيعة. بغض النظر عن المصدر ، تتميز موجات الضوء بانتشار خصائصها في نطاق معين من القيم. كلما كانت هذه الفترات ضيقة ، كلما كان انبعاث الضوء أكثر ترتيبًا وتماسكًا. بطريقة مبسطة إلى حد ما ، يمكن اعتبار موجة الضوء الحقيقية على أنها مجموعة من الموجات المستقطبة أحادية اللون ذات الترددات المختلفة ، واتجاهات الانتشار ، ومستويات الاستقطاب. يمكن فهم الزيادة في تماسك الإشعاع على أنها انخفاض في عدد الموجات المختلفة في مجموعة. في الإشعاع المثالي المتماسك ، الذي يقترب منه إشعاع الليزر ، تتكون المجموعة بأكملها من موجة واحدة.

للإشعاع المتماسك خصائص مثل أحادية اللون ، وتباعد الشعاع المنخفض ، والسطوع العالي. هذا يجعل من الممكن تركيز إشعاع الليزر على سطح المادة المراد معالجتها باستخدام نظام بصري بسيط. يمكن أن تصل الأبعاد الخطية لحزمة الليزر المركزة (البقعة) إلى أجزاء من الميكرومتر. بمثل هذه الأبعاد الصغيرة ، تتركز كل الطاقة الإشعاعية على مساحة من المليون من السنتيمتر المربع ، مما يخلق على السطح كثافة طاقة تبلغ مئات المليارات من الواطات لكل سنتيمتر مربع. وبالتالي ، يمكن لحزمة متماسكة مركزة تبخير معظم المواد المقاومة للحرارة.

تتكون كلمة ليزر من الأحرف الأولى من العبارة الإنجليزية Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ، والتي تُترجم إلى الروسية كتضخيم للضوء عن طريق الانبعاث المحفّز.

يعتمد تشغيل الليزر على استخدام احتياطيات الطاقة الداخلية للذرات والجزيئات من مادة تشكل أنظمة دقيقة - تشكيلات تتكون من نوى وإلكترونات ، يخضع سلوكها وحالتها لقوانين ميكانيكا الكم.

يمكن أن تأخذ طاقة الحركة النسبية للجسيمات التي تتكون منها الذرات قيمًا محددة بدقة فقط. تسمى قيم الطاقة هذه E 1 ، E 2 ، ... ، E k مستويات الطاقة. يشكل نظام مستويات الطاقة طيف طاقة الذرة. المستوى الأدنى - مع الحد الأدنى من الطاقة - يسمى رئيسي، البقية - فرح. يعتمد طيف الطاقة للذرة المعزولة على بنيتها. يسمى عدد الذرات التي لديها طاقة معينة تعداد السكانمستوى.

إذا تم إعطاء طاقة للذرة الموجودة على مستوى الأرض E 1 ، فيمكنها الانتقال إلى أحد المستويات المثارة (الشكل 1). على العكس من ذلك ، يمكن للذرة المثارة أن تنتقل تلقائيًا (تلقائيًا) إلى أحد المستويات الأدنى ، بينما تنبعث جزءًا معينًا من الطاقة في شكل كمية من الضوء (الفوتون). إذا حدث انبعاث الضوء أثناء انتقال الذرة من مستوى الطاقة E m إلى المستوى E n ، فإن تواتر كمية الضوء المنبعثة (أو الممتصة)  mn:

أين ح هو ثابت بلانك.

رسم بياني 1. طيف طاقة الذرة

تحدث هذه العمليات العفوية للإشعاع في الأجسام الساخنة والغازات المضيئة: حيث يؤدي التسخين أو التفريغ الكهربائي إلى تحويل بعض الذرات إلى حالة من الإثارة ؛ بالمرور إلى الحالات السفلية ، ينبعث منها الضوء. في عملية التحولات العفوية ، تبعث الذرات الضوء بشكل مستقل عن بعضها البعض. تنبعث الكميات الخفيفة بشكل عشوائي على شكل موجة القطارات(عبوات). لم يتم تنسيق القطارات مع بعضها البعض في الوقت المناسب ، أي مرحلة مختلفة. لذلك ، فإن الانبعاث التلقائي غير متماسك.

إلى جانب الانبعاث التلقائي للذرة المثارة ، هناك قسري(أو الناجم عن) الإشعاع: تشع الذرات تحت تأثير مجال كهرومغناطيسي خارجي سريع التغير ، مثل الضوء. اتضح أنه تحت تأثير الموجة الكهرومغناطيسية الخارجية ، تصدر الذرة موجة ثانوية ، حيث يتطابق التردد والاستقطاب واتجاه الانتشار والمرحلة تمامًا مع خصائص الموجة الخارجية التي تعمل على الذرة. ظاهرة الانبعاث المحفز تجعل من الممكن التحكم في انبعاث الذرات بمساعدة الموجات الكهرومغناطيسية وبهذه الطريقة تضخيم وتوليد ضوء متماسك. من أجل القيام بذلك عمليا ، يجب استيفاء شروط معينة. أولا ، من الضروري صدى- تزامن تردد الضوء الساقط مع أحد الترددات  مليون من طيف الطاقة للذرة. اهتمت الطبيعة نفسها بتحقيق حالة الرنين: إذا انبعث فوتون ضوئي تلقائيًا أثناء انتقال الذرة من مستوى أعلى Е m إلى المستوى n ، فإن ترددها يساوي  mn وسوف يتوافق مع الانتقال بين مستويات متشابهة من ذرة أخرى مماثلة ، لأن طيف الطاقة للذرات المتطابقة متطابق تمامًا. بعد ذلك ، يؤدي الانبعاث المحفّز للذرات المثارة إلى ظهور سيل كامل من الفوتونات ، على غرار الفوتون الأساسي في كل شيء. نتيجة لذلك ، سيصدر مجموع الذرات موجة ضوئية متماسكة مكثفة ، أي سيتم إنشاء ضوء متماسك. هناك شرط آخر يتعلق بالسكان من مختلف المستويات. إلى جانب الانبعاث المحفز للضوء بواسطة الذرات الموجودة في المستوى العلوي Em ، هناك أيضًا امتصاص الرنينالذرات التي تسكن المستوى الأدنى Е n. ذرة تقع في المستوى السفلي E n تمتص كمية خفيفة ، بينما تنتقل إلى المستوى العلوي E m. يمنع امتصاص الرنين القصور الذاتي للضوء. يعتمد ما إذا كان نظام الذرات سيولد الضوء في النهاية أم لا يعتمد على الذرات الموجودة أكثر في المادة. لكي يحدث التوليد ، من الضروري أن يكون عدد الذرات في المستوى الأعلى N · m أكبر من عدد الذرات في المستوى الأدنى N n الذي يحدث الانتقال بينه.

في ظل الظروف الطبيعية ، يوجد عدد أقل من الجزيئات عند مستوى أعلى في أي درجة حرارة مقارنة بالمستوى الأدنى. لذلك ، فإن أي جسم ، بغض النظر عن درجة تسخينه بقوة ، لن يولد الضوء بسبب التحولات القسرية.

لإثارة توليد الضوء المتماسك ، من الضروري اتخاذ تدابير خاصة بحيث يكون المستوى العلوي من المستويين المختارين أكثر كثافة من المستوى السفلي. تسمى حالة المادة التي يكون فيها عدد الذرات في أحد مستويات الطاقة الأعلى أكبر من عدد الذرات في مستوى الطاقة الأدنى نشيط، أو الدولة مع انعكاس (مناشدة) السكان. وبالتالي ، لإثارة توليد ضوء متماسك ، فإن انعكاس السكان ضروري لزوج من المستويات ، والانتقال بينهما يتوافق مع تردد التوليد.

المشكلة الثانية التي يجب حلها من أجل إنشاء ليزر هي المشكلة استجابة.من أجل أن يتحكم الضوء في انبعاث الذرات ، من الضروري أن يظل جزء من الطاقة الضوئية المنبعثة دائمًا داخل مادة العمل ، مما يتسبب في انبعاث قسري للضوء بواسطة المزيد والمزيد من الذرات الجديدة. يتم ذلك بمساعدة المرايا. في أبسط الحالات ، يتم وضع مادة العمل بين مرآتين ، إحداهما شفافة (الشكل 2). يتم تضخيم الموجة الضوئية المنبعثة في أي مكان نتيجة للانتقال التلقائي للذرة بسبب الانبعاث المحفّز عندما تنتشر من خلال مادة العمل. بعد الوصول إلى مرآة شفافة ، يمر الضوء جزئيًا من خلالها. ينبعث هذا الجزء من الطاقة الضوئية بواسطة الليزر في الخارج ويمكن استخدامه. سيؤدي جزء من الضوء المنعكس من المرآة شبه الشفافة إلى ظهور سيل جديد من الفوتونات. لن يختلف هذا الانهيار عن سابقه بسبب خصائص الانبعاث المحفّز.

الصورة 2. دائرة إثارة توليد ضوء متماسكة

لكن استيفاء الشرطين الموصوفين لا يزال غير كاف. من أجل حدوث توليد الضوء ، يجب أن يكون الاكتساب في المادة الفعالة كبيرًا بدرجة كافية. يجب أن تتجاوز قيمة معينة تسمى عتبة. في الواقع ، دع جزء من تدفق الضوء الساقط على مرآة نصف شفافة ينعكس مرة أخرى. يجب أن يكون التضخيم عند ضعف المسافة بين المرايا (مرور واحد) بحيث لا تقل طاقة الضوء التي تعود إلى المرآة الشفافة عن المرة السابقة. عندها فقط ستبدأ موجة الضوء في النمو من ممر إلى آخر. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فعند المرور الثاني للمرآة شبه الشفافة ، ستصل طاقة أصغر مما كانت عليه في اللحظة السابقة ، وأثناء المرور الثالث أقل ، وهكذا. ستستمر عملية التوهين حتى يتم إخماد التدفق الضوئي تمامًا. من الواضح أنه كلما انخفض معامل الانعكاس لمرآة شبه شفافة ، كلما كان تضخيم العتبة أكبر لمادة العمل.

لذلك ، لإنشاء مصدر ضوء متماسك ، فإن المتطلبات التالية ضرورية:

أنت بحاجة إلى مادة عمل ذات كثافة سكانية عكسية ، عندها فقط يمكنك الحصول على تضخيم الضوء بسبب التحولات القسرية ؛

يجب وضع مادة العمل بين المرايا التي تقدم تغذية راجعة ؛

الكسب الناتج عن مادة العمل ، مما يعني أن عدد الذرات أو الجزيئات المثارة في مادة العمل يجب أن يكون أكبر من قيمة العتبة ، والتي تعتمد على معامل الانعكاس للمرآة شبه الشفافة.

طرق لخلق انعكاس.هناك عدة طرق لإنشاء انعكاس (ضخ الوسط النشط): بصري ، حراري ، كيميائي ، باستخدام شعاع إلكتروني ، باستخدام تفريغ كهربائي مستقل ، إلخ.

من الطرق المذكورة أعلاه ، نعتبر الضخ والضخ البصري باستخدام تفريغ كهربائي مستدام ذاتيًا.

اول طريقهو عالمي ويستخدم لإثارة مختلف الوسائط النشطة - بلورات عازلة للكهرباء والنظارات والسوائل ومخاليط الغاز. يمكن استخدام الإثارة البصرية بنفس الطريقة كعنصر مكمل لبعض طرق الضخ الأخرى (على سبيل المثال ، التأين الكهربائي والكيميائي).

الطريقة الثانيةتستخدم لضخ الوسائط الغازية النشطة المخلخل.

تسمح كلتا الطريقتين ، مثل العديد من الطرق الأخرى ، بالضخ النبضي والمستمر. باستخدام الطريقة البصرية ، يمكن استخدام مصابيح الفلاش لتفريغ الغاز أو مصابيح الاحتراق المستمر. عند الضخ باستخدام تفريغ كهربائي ، يتم استخدام التفريغ النبضي والثابت. مع الضخ النبضي ، تدخل طاقة الإثارة العنصر النشط في أجزاء (نبضات) ، ومع الضخ المستمر ، فهي مستمرة (مستقرة).

يتميز الضخ النبضي (مقارنة بالضخ المستمر) بعدد من المزايا ، حيث إنه يوفر التوليد في أكثر الوسائط نشاطًا ، ويسهل تنفيذه من وجهة نظر فنية ، ولا يلزم التبريد القسري للعنصر النشط بسبب تسخينه الضئيل . تحت الضخ النبضي ، يمكن استخدام أنظمة توليد مختلفة ؛ يتكون إشعاع الليزر على شكل نبضات ضوئية مفردة أو سلسلة من النبضات. في الوقت نفسه ، يتم تحقيق تركيز عالٍ من الطاقة المشعة في الزمان والمكان (نبضات ضوئية فائقة القصر بقوة تصل إلى 10 12 وات).

يحدث إثارة المراكز النشطة أثناء الضخ البصري نتيجة امتصاص الإشعاع من مصدر ضوء خاص.

عندما يتم ضخها بواسطة تفريغ كهربائي مستدام ذاتيًا ، يتم ملء المستويات العليا نتيجة التصادمات غير المرنة للمراكز النشطة مع إلكترونات البلازما الحرة.

أثناء الضخ بالكهرباء ، لا تتشكل الإلكترونات السريعة التي تثير حالات الاهتزاز لجزيئات الغاز (على وجه الخصوص ، النيتروجين وثاني أكسيد الكربون) في التفريغ الذاتي ، ولكن تحت تأثير الإشعاع المؤين ومجال خارجي متسارع. يتم استخدام شعاع الإلكترون من المسرع كإشعاع مؤين.

وبالتالي ، يتكون أي ليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية: عنصر نشط ، وتجويف ضوئي ، ونظام ضخ. يظهر الرسم التخطيطي الوظيفي لليزر في الشكل 3.

تين. 3. المخطط الوظيفي لليزر: 1 - العنصر النشط ؛ 2 - مرآة مرنان ؛ 3 - عنصر مرنان ؛ 4 - نظام الضخ

ليزر الحالة الصلبة. ليزر الحالة الصلبة هو الليزر الذي يكون وسطه النشط عبارة عن بلورة عازلة للكهرباء أو زجاج يحتوي على أيونات تدخل فيها ، والتي تلعب دور المراكز النشطة.

يظهر مخطط الضخ البصري في ليزر الحالة الصلبة في الشكل 4. مصباح فلاش تفريغ الغاز 2 (مصدر الضخ) له شكل أسطوانة مستقيمة ويتم وضعه بالتوازي مع العنصر النشط 1. يتم تثبيت المصباح والعنصر النشط داخل العاكس 3 بطريقة تجعل كل قسم عموديًا على محور الاسطوانة هم في بؤر القطع الناقص. نتيجة لذلك ، تسقط أشعة الضوء الخارجة من بؤرة واحدة ، بعد الانعكاس من السطح الإهليلجي ، على العنصر النشط ، مما يضمن أقصى تركيز. يتم تحقيق طاقة إخراج ليزر أكبر باستخدام عاكسات ثنائية المصباح.

الشكل 4. مخطط الضخ البصري في ليزر الحالة الصلبة: 1 - العنصر النشط ، 2 - مصباح الفلاش (مصدر المضخة) ، 3 - العاكسات

في ليزر الحالة الصلبة ، تكون الرنانات الضوئية هي الوجوه المعاكسة للعناصر النشطة ، التي تترسب عليها طبقة معدنية.

لأول مرة ، تم الحصول على توليد الليزر على الياقوت. يتكون الياقوت عن طريق إذابة كميات صغيرة من Cr 2 O 3 في الياقوت Al 2 O 3. يرجع اللون الوردي إلى نطاقات الامتصاص الواسعة لأيونات Cr 3+ ، مما يجعل من الممكن الحصول على انتقالات الليزر في المنطقة الحمراء أثناء الضخ. يبلغ الطول الموجي لإشعاع الليزر في درجة حرارة الغرفة 0.6943 ميكرومتر.

تتمتع بلورات الياقوت بقوة ميكانيكية عالية وموصلية حرارية. بفضل هذه الصفات من البلورات ، بالإضافة إلى إمكانية نمو سبائك من أي طول وقطر موحد تقريبًا في الطول والمقطع العرضي ، أصبح ليزر الياقوت واسع الانتشار.

ليزر روبيتعمل في الوضع النبضي أو المستمر. نظرًا للكفاءة المنخفضة (~ 0.1٪) ، فإن ليزر الياقوت CW غير اقتصادي مقارنة بأجهزة ليزر الحالة الصلبة CW الأخرى. يتم ضخ الليزر بمصابيح فلاش زينون حلزونية أو خطية.

ليزر الإيتريوم من عقيق الألومنيوممع إضافة عنصر النيوديميوم الكيميائي (YAG: Nd lasers) وجد التطبيق الأوسع بين جميع أنواع ليزر الحالة الصلبة ، نظرًا لما يتمتع به من كفاءة عالية بما فيه الكفاية ، وطاقة خرج عالية ، ولا يسخن عند معدل تكرار عالي للنبضات الضوئية . الطول الموجي الإشعاعي لليزر YAG: Nd هو 1.06 ميكرومتر. يتم ضخ الليزر بمصابيح زينون أو كريبتون.

بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام ليزرات زجاج النيوديميوم على نطاق واسع ، والتي تعد أيضًا مصادر فعالة نسبيًا للإشعاع المتماسك بالقرب من طول موجة 1.06 ميكرومتر. تجعل السهولة النسبية لمعالجة الزجاج من الممكن ليس فقط الحصول على عناصر نشطة في شكل قضبان يصل طولها إلى 2 متر أو ألواح ذات أبعاد عرضية تصل إلى 10 سم ، ولكن أيضًا لإنشاء تصميمات لمكبرات الأغشية الرقيقة والليزر الليفي عدة عشرات من الأمتار. نتيجة لهذا ، يتم استخدام مثل هذه الليزرات في الأنظمة البصرية المتكاملة.

ليزر الغاز.في هذه الليزرات ، يتم إنشاء مستوى انعكاس السكان بسبب إثارة ذرات الغاز أو الجزيئات أثناء اصطدامها بالإلكترونات الحرة المتكونة في التفريغ الكهربائي. يتم اختيار الضغط في ليزر تفريغ الغاز في حدود من المئات إلى عدة مم زئبق. عند الضغط المنخفض ، نادرًا ما تصطدم الإلكترونات المتسارعة بواسطة مجال كهربائي بالذرات. في هذه الحالة ، لا يكون تأين وإثارة الذرات شديدًا بدرجة كافية. في ظل الضغوط العالية ، تصبح هذه الاصطدامات ، على العكس من ذلك ، متكررة للغاية. نتيجة لذلك ، ليس لدى الإلكترونات الوقت لتسريع بشكل كافٍ في المجال الكهربائي واكتساب الطاقة اللازمة لتأين وإثارة الذرات ، أي تصبح الاصطدامات أقل فعالية.

هناك ثلاثة أنواع من ليزر تفريغ الغاز: ليزر الذرات المحايدة ، والليزر الأيوني ، والليزر الجزيئي. وهي تختلف عن بعضها البعض في كل من آلية تكوين انعكاس السكان وفي نطاقات الأطوال الموجية المتولدة. يرجع الاختلاف في النطاقات إلى الاختلافات في طيف الطاقة للذرات والجزيئات والأيونات المحايدة.

الليزر الذي يحتوي على عنصر نشط يتكون من مزيج من الهيليوم والنيون (10: 1) ، - He-Ne-laser - هو تفريغ غازي على التحولات الذرية ، ويولد إشعاعًا بطول موجة يبلغ 0.6328 ميكرون.

تعد ليزرات الأرجون والكريبتون أيون الليزر أقوى أنواع ليزر CW في المناطق المرئية والقريبة من الأشعة فوق البنفسجية من الطيف. كقاعدة عامة ، تتمتع الأجهزة الصناعية بقدرة 10-20 واط في منطقة 0.5 ميكرومتر و1-2 واط في محيط 0.35 ميكرومتر ؛ لا تتجاوز كفاءة الليزر 0.1٪.

مقارنة بأنواع الليزر الغازية الأخرى ، تتميز ليزر ثاني أكسيد الكربون (ليزر ثاني أكسيد الكربون) بأعلى كفاءة تحويل (تصل إلى 40٪) من الكهرباء إلى طاقة إشعاعية. إنها سهلة التشغيل بطاقة عالية ، لذا فهي تستخدم على نطاق واسع في الصناعة.

الشكل 6. جهاز ليزر ثاني أكسيد الكربون مع فصل مناطق التفريغ وحجم عمل الرنان: 1 - نظام ضخ النيتروجين ، 2 - منطقة التفريغ الكهربائي ، 3 - حجم عمل الرنان ، 4 - مرآة إخراج الرنان ، 5 - نظام ضخ ثاني أكسيد الكربون

يتكون الوسط النشط لليزر ثاني أكسيد الكربون من خليط من غازات ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين الجزيئي وكمية صغيرة من الهيليوم وبخار الماء. الليزر متحمس بسبب تفريغ متوهج. يحتوي الليزر (الشكل 6) على أنظمة منفصلة لضخ ثاني أكسيد الكربون 5 والنيتروجين 1. يتم إثارة جزيئات النيتروجين التي تدخل منطقة التفريغ الكهربائي لشعيرات العمل 2 عند الاصطدام بالإلكترونات. ثم يدخلون حجم عمل الرنان 3 ، حيث يختلطون مع جزيئات ثاني أكسيد الكربون غير المستثارة وينقلون طاقتهم إليها.

يولد ليزر ثاني أكسيد الكربون إشعاعًا بأطوال موجية 0.940 و 1.040 ميكرومتر ويمكن أن يعمل في أوضاع مستمرة ونبضية. في الحالة الأولى ، يتم تحفيز الليزر بواسطة تفريغ كهربائي طولي في أنبوب أسطواني. هذه هي الطريقة التي يتم بها ترتيب جميع أنواع الليزر الصناعي لثاني أكسيد الكربون بقوة تصل إلى 800 واط. في الحالة الثانية ، يمكن لليزر ثاني أكسيد الكربون أن يولد نبضات بطاقة تصل إلى 2 كيلوجول ، وليزر التأين الكهربائي بطاقة تزيد عن 2 كيلوجول.

ليزر كيميائي.بالإضافة إلى التفريغ الكهربائي ، يمكن إنشاء الانعكاس السكاني لمستويات الذرات والجزيئات في ليزر الغاز نتيجة للتفاعلات الكيميائية التي تتشكل فيها الذرات أو الجذور في حالات الإثارة. نظرًا لأن التفاعلات العادية تسير ببطء إلى حد ما ، فهي غير مناسبة لإحداث انعكاس سكاني. قبل أن يتراكم عدد كافٍ من الذرات المتحمسة ، سيكون لديهم الوقت للذهاب إلى الحالة الأرضية ، ولن يعمل الليزر. لهذا السبب ، يمكن لليزر الكيميائي أن يعمل فقط على التفاعلات السريعة ، مثل التفكك الضوئي للجزيئات (تفكك الجزيء إلى عدة أجزاء تحت تأثير الضوء) ، أو الانفجار ، أو التفاعلات الكيميائية بين الذرات أو الجزيئات في تصادم حزم الذرات أو جزيئات من مواد مختلفة. تسمح الطريقة الكيميائية لإنشاء الانقلابات السكانية بشكل أساسي بإنشاء أشعة ليزر ذات كفاءة عالية للغاية وطاقة خرج. يولد الليزر الذي يعتمد على التفكك الضوئي لجزيئات CF 3 J طاقة ضوئية عالية (تصل إلى 50 كيلو وات) بطاقة نبضية تصل إلى 65 ج.يمكن أن ينتج الليزر المتفجر طاقة عالية بشكل خاص.

جهاز التركيبات التكنولوجية بالليزر.حاليًا ، في تكنولوجيا تصنيع المنتجات الإلكترونية ، يتم استخدام تركيبات تقنية ليزر مختلفة ، والتي ، بغض النظر عن الغرض منها ، لها مخطط هيكلي مشترك وعناصر هيكلية مماثلة (الشكل 7).

الليزر 2 هو المصدر الرئيسي للطاقة الذي يضمن تنفيذ العملية التكنولوجية. يركز النظام البصري 5 إشعاع الليزر 4 في حزمة ضوئية ويوجهها إلى الكائن المراد معالجته 7. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام النظام البصري 5 للتحكم بصريًا في موضع قطعة العمل بالنسبة للشعاع ، ومراقبة تقدم العملية وتقييم نتائجها. بمساعدة الجهاز 8 ، يتم نقل الشغل 7 أثناء العملية التكنولوجية ، ويتم تثبيته في موضع محدد مسبقًا ويتم تغيير الأجزاء بعد المعالجة.

تتطلب بعض العمليات التكنولوجية خلق ظروف محددة (على سبيل المثال ، توفير وسيلة تكنولوجية معينة لمنطقة العمل). لهذا الغرض ، توفر التركيبات جهازًا مناسبًا 10 ، والذي يسمح بتزويد الغاز الخامل أثناء اللحام.

في بعض الحالات ، يتم إدخال طاقة ميكانيكية أو كهرومغناطيسية في منطقة المعالجة لتعزيز فعالية العلاج بالليزر. يتم توفير تنفيذ العمليات المشتركة (قطع الغاز بالليزر ، ومعالجة شرارة الليزر للفتحات ، وما إلى ذلك) من خلال مصدر طاقة إضافي 6 تم إدخاله في التثبيت. يتم التحكم في حركة قطعة العمل وموضع الليزر بواسطة جهاز البرنامج 1. يتم التحكم في الإشعاع بواسطة مستشعر 3 ، ودرجة حرارة منطقة المعالجة ، وحالة سطح قطعة العمل - بواسطة المستشعر 9 ، الذي ، في بالإضافة إلى ذلك ، يصحح المعلمات أو يوقف العملية.

الشكل 7. رسم تخطيطي للتركيب التكنولوجي بالليزر: 1 - جهاز برمجي ، 2 - ليزر ، 3 - مستشعر معلمات الإشعاع ، 4 - إشعاع ليزر ، 5 - نظام بصري ، 6 - مصدر طاقة مساعدة ، 7 - قطعة عمل ، 8 - جهاز للتثبيت وتحريك أجزاء الشغل ، 9 - مستشعر معلمة العملية ، 10 - جهاز إمداد السوائل بالعملية

لطالما كان الليزر جزءًا من حياتنا اليومية. من ناحية أخرى ، يحتوي كل منزل أو عمل تقريبًا على طابعة ليزر اعتاد عليها الجميع. من ناحية أخرى ، لا تزال سيوف الليزر تثير خيال أولئك الذين يشاهدون حرب النجوم لأول مرة (وليست المرة الأولى أيضًا). في هذه المقالة ، سنحلل على المستوى الابتدائي ماهية الليزر ، وننظر أيضًا في الأسس الفيزيائية لهذا المفهوم الصعب.

ما هو الليزر؟

حقيقة طريفة: هل تعلم أنه كان هناك مايزر قبل ظهور الليزر؟

Maser - مولد كمي يصدر موجات ميكروويف متماسكة (موجات في نطاق السنتيمتر)

مازر هو اختصار للغة الإنجليزية م الميكروويفأ تضخيمبواسطةس مقلده بعثةمنص إشعاع،والتي تعني في الترجمة "تضخيم الموجات الدقيقة عن طريق الانبعاث المستحث". تم اختراع مازر في الخمسينيات من القرن الماضي ، قبل عدة سنوات من الليزر.

تعمل الماسحات والليزر على نفس المبدأ. الفرق هو أن أجهزة الموجات تعمل على تضخيم الموجات ذات النطاقات المختلفة. المازر هو تضخيم الموجات الدقيقة ، والليزر هو تضخيم الضوء ، أي الأطوال الموجية المرئية.

ليزر (من ليلأ تضخيمبواسطةس مقلده بعثةمنص إشعاع-"تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المستحث") هو جهاز يحول طاقة الضخ إلى طاقة تدفق إشعاعي أحادي اللون ومستقطب وموجه بشكل ضيق.

من بين كل هذه الكلمات الطنانة لفهم مبدأ تشغيل الليزر ، يجب التمييز بين اثنتين - "الانبعاث المستحث" . هذا هو بالضبط ما يكمن وراء عملية الليزر.

إن ظاهرة الانبعاث المحفّز هي التي تكمن وراء عمل الليزر. ماهي النقطة؟

الانبعاث المستحث

نحن نعلم أن الذرة يمكن أن تكون في حالات طاقة مختلفة. في أبسط الحالات ، هناك حالتان فقط - أرضي ومتحمس. تدور الإلكترونات حول نواة الذرة في مدارات تتوافق مع طاقات معينة. في ظل ظروف معينة ، يمكن للإلكترون ، كما كان ، القفز من مدار إلى آخر والعكس. أولئك. يمكن للإلكترونات التي تدور حول النواة أن تنتقل من مستوى طاقة إلى آخر. علاوة على ذلك ، إذا انتقل الإلكترون من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى أقل ، يتم إطلاق الطاقة. للانتقال من مستوى أدنى إلى مستوى أعلى أو العكس ، يجب نقل الطاقة إلى الإلكترون.

الآن دعونا نتخيل أن لدينا ذرة في حالة الإثارة ، ويضربها فوتون مع طاقة مساوية للاختلاف في طاقات مستويات الذرة. في هذه الحالة ، ستصدر ذرتنا نفس الفوتون بالضبط ، وسوف ينتقل الإلكترون من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى أقل. هذا هو الانبعاث القسري. هناك أيضًا انبعاث تلقائي ، عندما تصدر ذرة مثارة فوتونًا تلقائيًا.

كيف تعمل هذه الظاهرة في الليزر؟

دعونا نتخيل أبسط ليزر ، يتكون من نظام ضخ ، ووسط عمل ، وتجويف بصري. يعد نظام الضخ ضروريًا لنقل الطاقة إلى وسط العمل ، والذي سيتم تحويله إلى طاقة إشعاعية ، ولإحداث انعكاس في مجموعات مستويات الطاقة. على سبيل المثال ، إذا كان الجسم العامل لليزر لدينا عبارة عن ذرات ذات حالتين فقط من الطاقة ، فعندئذٍ لكي يعمل الليزر ، من الضروري أن يتجاوز عدد الذرات المثارة عدد الذرات غير المستثارة. الانقلاب السكاني هو الأساس لبدء توليد الإشعاع في الليزر. يمكنك في مقالة مراجعة مؤلفينا.

يمكن أن يكون جسم عمل الليزر عبارة عن مواد صلبة وسوائل بها غازات. يبقى الجوهر المادي لتشغيل جميع هذه الأجهزة كما هو. بالمناسبة ، كان أول ليزر في العالم هو الياقوت ، أي. كان الكريستال الياقوتي كوسيط عمل.

عندما يتم الوصول إلى انعكاس السكان ، تبدأ الذرات المثارة لوسط العمل في إصدار فوتونات (انبعاث تلقائي). لكي لا تنتهي العملية ، يجب تقديم التغذية الراجعة. في أبسط الحالات ، يتم لعب دور الرنان البصري بواسطة مرآتين ، تنقل إحداهما جزءًا من الفوتونات (شبه شفافة) ، وتعكس الثانية. وبالتالي ، يبقى جزء معين من الفوتونات المنبعثة في مساحة العمل ، مما يؤدي إلى إشعاع المزيد والمزيد من الذرات الجديدة ، والتي تبدأ العملية منها في التطور مثل الانهيار الجليدي ويضيء الليزر.

نأمل أن تكون قد أصبحت أكثر معرفة بقليل بعد قراءة هذا المقال. إذا كانت لديك أسئلة أعمق وأكثر جوهرية حول الليزر ، فتذكر أن هناك أشخاصًا بينك على استعداد للإجابة عليها في أي لحظة.

حظا سعيدا، وربما تكون القوة معك!