الليزرات الصلبة ليزر الحالة الصلبة solid-state laser: هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليط الالومنيوم والأتيريوم والنودوميوم neodymium: yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ YAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء. ليزر الحالة الصلبة solid-state laser: هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليط الالومنيوم والأتيريوم والنودوميوم neodymium: yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ YAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء.

- أنواع الليزر - يأتي الليزر بأنواع مختلفة حسب الاستخدامات وتنوع الليزر يأتي من تنوع المادة الفعالة المستخدمة لإنتاجه فهناك من المواد الصلبة والسائلة والغازية، ويعتبر نوع المادة الفعالة الأساس الأكثر استخداماً للتميز بين الأنواع المختلفة. - يسمى الليزر من خلال نوع المادة الفعالة المستخدمة فمثلاً ليزر الهليوم نيون He-Ne يعني إن المادة المستخدمة هي خليط من غازي الهليوم والنيون وليزر الياقوت يعني أن المادة الفعالة المنتجة لليزر هي كريستالة ( بلورة ) الياقوت الأحمر وهكذا لباقي الأنواع الأخرى. ولنأخذ بعض الأمثلة لأنواع مختلفة لليزر

إن العامل المهم في إنتاج الليزر هو المرايا المثبتة على جانبي مادة إنتاج الليزر الفعالة ( الوسط الفعال ). تساعد المرايا على عكس بعض الفوتونات إلى داخل مادة الليزر عدة مرات لتعمل هذه الفوتونات على إصدار ( تحفيز أو استحثاث ) الكترونات مثارة أخرى لتطلق مزيدا من الفوتونات بنفس الطول الموجي ونفس الطور، وهذه هي عملية التكبير للضوء light amplification. تصمم إحدى هاتين المرآتين لتكون عاكسيتها 100% وندعو هذه المرآة بالمرآة الصماء للضوء فلا تسمح للفوتونات أن تمر من خلالها، أما المرآة الثانية تسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع الليزر الذي نحصل عليه وندعوها مرآة الخرج يمكننا أن نختار مقدار نفوذيتها للضوء حسب التصميم المرغوب فيه من 20% إلى 90%. في الشرح التالي سنرى مكونات الليزر من خلال شرح مبدأ عمل الليزر الياقوتي ruby laser.

ليزر الياقوت Ruby Laser وصف عام ليزر الياقوت هو أول أنواع الليزر وهو يعمل في النظام النبضي Pulsed Mode عند طول موجي 694.3nm وله خط اتساع طيفي emission line width 0.53nm. القضيب في ليزر الياقوت يتكون من بلورة من Al2O3 مطعمه بأيونات الكروم Cr+3 بتركيز يصل إلى 0.05% بالنسبة لوزن ايونات الكروم. تتم عملية الضخ في ليزر الياقوت عن طريق Flash Lamp. وليزر الياقوت ثلاثي النظام Three Level System وسوف نقوم بشرح ذلك لاحقا في طريقة الإثارة Mechanism of Excitation. بلورة الياقوت بلورة صلبه ومتينة ولها توصيلية حرارية جيده وهي أيضا مستقرة كيمائيا. بلورات ليزر الياقوت – التي منها نكون قضبان الليزر _ ومن الممكن تصنيعها بجوده ضوئية عالية جداً.

مكونات ليزر الياقوت

فرق جهد عالي يعمل على تزويد الفلاش بالطاقة الكافية لتوليد ضوء ذو شدة عالية ولفترة زمنية قصيرة. هذا الضوء يعمل على إثارة الذرات في بلورة الياقوت إلى مستويات الطاقة الأعلى.

مكونات ليزر الياقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وقضيب من الياقوت ومرآتين مثبتتين على طرفي الساق إحدى هاتين المرآتين لها مقدار انعكاس 90%. يعتبر المصدر الضوئي مسؤولاً عن عملية الضخ وقضيب الليزر الياقوتي ( laser rod) هو مادة إنتاج الليزر أو الوسط الفعال لليزر. نلاحظ في الشكل التالي كيف تصدر الفوتونات من القضيب الليزري بعد إثارته بواسطة لمبة الفلاش. مكونات ليزر الياقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وقضيب من الياقوت ومرآتين مثبتتين على طرفي الساق إحدى هاتين المرآتين لها مقدار انعكاس 90%. يعتبر المصدر الضوئي مسؤولاً عن عملية الضخ وقضيب الليزر الياقوتي ( laser rod) هو مادة إنتاج الليزر أو الوسط الفعال لليزر. نلاحظ في الشكل التالي كيف تصدر الفوتونات من القضيب الليزري بعد إثارته بواسطة لمبة الفلاش. تطلق بعض الذرات فوتونات.

نبين في الشكل التالي كيفية انطلاق الفوتونات بشكلٍ موازٍ للقضيب الليزري الياقوتي لتصطدم بالمرآة العاكسة كلياً وتنعكس إلى داخل الياقوت عدة مرات لتستحث وتحفز إلكترونات أخرى لتطلق فوتونات

نبين في الشكل المجاور كيف تنطلق الفوتونات بطول موجي واحد وفي نفس الطور ومتجمعة في حزمة تعبر من مرآة الخرج لتعطي بالنتيجة ضوء الليزر. تنطلق الفوتونات بطول موجي واحد وفي نفس الطور ومتجمعة في حزمة تعبر من المرآة لتعطي ضوء الليزر.

وهكذا تم الحصول على حزمة من الليزر الياقوتي لها طول موجي واحد λ=694nm ، ولها نفس الطور، ولها نفس قطر القضيب الليزري المستخدم.

نظام ليزر ثلاثي المستويات يوضح الشكل التالي تفاصيل عملية إنتاج الليزر من خلال نظام ذو ثلاث مستويات للطاقة. 1. يمتص الإلكترون طاقة من الضخ لينتقل إلى مستوى طاقة أعلى. 2. يعود الإلكترون من مستوى الطاقة الأعلى إلى مستوى الطاقة الأدنى. 3. يطلق الإلكترون فرق الطاقة التي امتصها على شكل فوتون ضوئي. 4. إلكترون آخر في مستوي طاقة عالي يستحث بواسطة فوتون. 5. ينتج من عودة الإلكترون المثار فوتون آخر له نفس الطول الموجي ونفس الطور للفوتون الأول. 6. تعكس كل من المرآتين الفوتونات لتستحث المزيد من الإلكترونات ولنحصل على المزيد من الفوتونات وبالتالي في أحد الانعكاسات على المرآة العاكسة جزئياً للضوء يخرج عدداً محدداً من الفوتونات مرتبط بنفوذية المرآة للضوء الموافق لليزر ونحصل بالتالي على الأشعة الليزرية.

بناء وتركيب الليزر Laser Structure القضيب من ليزر الياقوت من الممكن أن يكون له قطر يصل إلى 25mm وطوله من الممكن أن يصل إلى 0.2m. القضبان عادة ما توضع بين فجوه ثنائيه بالإضافة إلى Flash Lamp التي هي مصدر الإثارة. يوجد مرآتين في نهايتي القضيب وهما عادة ما يكونوا مستويتين أو مقعرتين قليلا. المرآة الخلفية لها انعكاسيه عالية والمرآة الأخرى التي يخرج منها الليزر شبه منفذه. ليزر الياقوت من الممكن أن يعمل في وجود مكبر متذبذب Oscillator- amplifier. وفي هذه الحالة الشعاع الذي يدخل إلى المكبر يجب أن تكون شدته مساوية أو أعلى من قيمة شدة التشبع Saturation Intensity لكي يستطيع استخلاص الطاقة من المكبر. بسبب كثافة الضخ العالية المتطلبة في هذا النوع من الليزر نستخدم الماء في منطقة الضخ لكي نخفض درجة الحرارة على قضيب الليزر.

بناء وتركيب الليزر Laser Structure

طريقة الإثارة Excitation Mechanism

هذا النظام هو نظام ثلاثي كما ذكرنا سابقا Three Level System تحدث الانتقالات الليزرية Lasing Transitions بين المستويين E1 و E2. هذا النظام هو نظام ثلاثي كما ذكرنا سابقا Three Level System تحدث الانتقالات الليزرية Lasing Transitions بين المستويين E1 و E2.

هذا النظام هو نظام ثلاثي كما ذكرنا سابقا Three Level System وتحدث الانتقالات الليزرية Lasing Transitions بين المستويين E1 و E2. تتم إثارة ايونات الكروم Cr+3 باستخدام نبضات من الضوء الناتجة عن Flash Lamp والتي عادة تكون من Xenon. ايونات الكروم تمتص الطول الموجي للضوء في حدود ( ( نانومتر. وكنتيجة لذلك الايونات تنتقل إلى مستوى الإثارة E3. من هذا المستوى الايونات تنتقل إلى مستوى الطاقة شبه المستقر E2 وتكون انتقالات غير مشعه non-radiative transition. الطاقة المنبعثة من هذه الانتقالات تتحول إلى الحرارة التي يجب أن يتم إزالتها من النظام وذلك يتم باستخدام الماء كما ذكرنا سابقا في الجزء الخاص بتركيب الجهاز. فترة عمر المستوى ( زمن الحياة ) شبه المستقر ( E2 stable Level) تكون تقريبا.5msec هذا النظام هو نظام ثلاثي كما ذكرنا سابقا Three Level System وتحدث الانتقالات الليزرية Lasing Transitions بين المستويين E1 و E2. تتم إثارة ايونات الكروم Cr+3 باستخدام نبضات من الضوء الناتجة عن Flash Lamp والتي عادة تكون من Xenon. ايونات الكروم تمتص الطول الموجي للضوء في حدود ( ( نانومتر. وكنتيجة لذلك الايونات تنتقل إلى مستوى الإثارة E3. من هذا المستوى الايونات تنتقل إلى مستوى الطاقة شبه المستقر E2 وتكون انتقالات غير مشعه non-radiative transition. الطاقة المنبعثة من هذه الانتقالات تتحول إلى الحرارة التي يجب أن يتم إزالتها من النظام وذلك يتم باستخدام الماء كما ذكرنا سابقا في الجزء الخاص بتركيب الجهاز. فترة عمر المستوى ( زمن الحياة ) شبه المستقر ( E2 stable Level) تكون تقريبا.5msec

ليزر الياقوت له مستوى امتصاص آخر والذي يستخدم أيضا للضخ ويكون في حدود ( ( نانومتر. ومن الصعب أن يعمل ليزر الياقوت في النظام المستمر Continuous Mode لأنه نظام ثلاثي وعلى الرغم من ذلك في عام 1962 وباستخدام ضخ شديد ومركز وباستخدام مصباح حلقي Arc Lamp تم بناء ليزر الياقوت يعمل في Continuous Mode. ليزر الياقوت له مستوى امتصاص آخر والذي يستخدم أيضا للضخ ويكون في حدود ( ( نانومتر. ومن الصعب أن يعمل ليزر الياقوت في النظام المستمر Continuous Mode لأنه نظام ثلاثي وعلى الرغم من ذلك في عام 1962 وباستخدام ضخ شديد ومركز وباستخدام مصباح حلقي Arc Lamp تم بناء ليزر الياقوت يعمل في Continuous Mode. - يوضح الجدول التالي أهم العوامل الثابتة في ليزر الياقوت مثل الطول الموجي لليزر الياقوت وفترة عمر مستوى الإثارة الأعلى وطاقة الليزر الخارج ودرجة الحرارة التي يعمل عندها إلى آخره من التفاصيل الهامة

تطبيقات ليزر الياقوت Applications - ليزر الياقوت من الممكن استخدامه في التصوير الضوئي Optical Holography وذلك نظرا للطاقة العليا للنبضات الناتجة منه. - من الممكن أيضا استخدامه في قياس خواص البلازما مثل كثافة الالكترونات ودرجة الحرارة. - ويستخدم أيضا في إزالة الوشم المرسوم على الجلد. تطبيقات ليزر الياقوت Applications - ليزر الياقوت من الممكن استخدامه في التصوير الضوئي Optical Holography وذلك نظرا للطاقة العليا للنبضات الناتجة منه. - من الممكن أيضا استخدامه في قياس خواص البلازما مثل كثافة الالكترونات ودرجة الحرارة. - ويستخدم أيضا في إزالة الوشم المرسوم على الجلد.

ليزرات المواد الصلبة ذات السويات الطاقية الأربعة Solid State Laser Series تحدثنا في الجزء الأول عن ليزر الياقوت Ruby Laser وسنتحدث عن نوعين آخرين من أهم أنواع ليزر المواد الصلبة وهما : ليزر النودميوم ياج ND_YAG Laser )) وليزر النودميوم جلاس ( ND_Glass) : وصف هذا الليزر : تطعم بلورات في الحالة الصلبة بايونات من النودميوم Nd وفي هذين النوعين تكون المادة المستضيفة لأيونات النودميوم هي (( garnate aluminum yttrium والتي تسمى اختصارا (YAG) وذلك في حالة Nd-Yag والبلورة الأخرى هي بلورة الزجاج وذلك في حالة Nd- Glass. بلورة Nd-YAG تنتج ليزر تكون طاقته الابتدائية في حدود ميكرومتر وعندما نطعم ايونات Nd في بلورة من الزجاج ينتج الليزر عند طول موجي يتراوح من إلى ميكرومتر وذلك يعتمد على نوع الزجاج المستخدم. ليزر النودميوم رباعي مستويات الطاقة Four Level System ولذلك يمتلك طاقه حرجه اقل من ليزر الياقوت. فترة العمر لمستوى الطاقة الأعلى Upper Laser Level كبيره نسبيا (230 ميكروثانيه ل Nd-YAG و 320 ميكرو ثانيه في حالة ND-Glass )

في هذين النوعين من الليزر عملية الضخ Pumping من الممكن أن تتم باستخدام مصباح عالي التوهج Flash Lamp ويصنف هذا الضخ على انه ضخ ضوئي أو استخدام ليزر ديود كمصدر للضخ. استخدام ليزر ديود كمصدر للضخ يعتبر من احدث التجديدات التي تم استحداثها في Nd Lasers. بلورة Nd-YAG لها خواص ضوئية جيده وتوصيلية حرارية عالية ومما يمكنها أن تعمل في النظام النبضي Pulsed Mode. يكون حجم البلورة محدداً وقد يصل طولها تقريبا إلى 0.1 متر وقطرها إلى 12 ميلليمتر. مما يؤدى إلى تحديد طاقة وقوة الليزر الخارج. تركيز ايونات النودميوم يصل إلى 0.725% بالنسبة للوزن. - في حالة Nd-Glass المادة الفعالة يكون طولها وحجمها كبير. وطول القضيب من المادة الفعالة في هذه الحالة قد يصل إلى 2 متر وقطرها يصل إلى متر. ليزر Nd-Glass له توصيلية حرارية ضعيفة جدا على عكس ليزر ND-Yag. وفي حالة ليزر Nd-Glass نستخدم مكبرات ضوئية Amplifiers لتكبير طاقة الليزر الخارج. في هذين النوعين من الليزر عملية الضخ Pumping من الممكن أن تتم باستخدام مصباح عالي التوهج Flash Lamp ويصنف هذا الضخ على انه ضخ ضوئي أو استخدام ليزر ديود كمصدر للضخ. استخدام ليزر ديود كمصدر للضخ يعتبر من احدث التجديدات التي تم استحداثها في Nd Lasers. بلورة Nd-YAG لها خواص ضوئية جيده وتوصيلية حرارية عالية ومما يمكنها أن تعمل في النظام النبضي Pulsed Mode. يكون حجم البلورة محدداً وقد يصل طولها تقريبا إلى 0.1 متر وقطرها إلى 12 ميلليمتر. مما يؤدى إلى تحديد طاقة وقوة الليزر الخارج. تركيز ايونات النودميوم يصل إلى 0.725% بالنسبة للوزن. - في حالة Nd-Glass المادة الفعالة يكون طولها وحجمها كبير. وطول القضيب من المادة الفعالة في هذه الحالة قد يصل إلى 2 متر وقطرها يصل إلى متر. ليزر Nd-Glass له توصيلية حرارية ضعيفة جدا على عكس ليزر ND-Yag. وفي حالة ليزر Nd-Glass نستخدم مكبرات ضوئية Amplifiers لتكبير طاقة الليزر الخارج.

تركيب الجهاز Laser Structure كما ذكرنا سابقا فان عملية الضخ في ND-Lasers سواء كان Nd-Yag أو ND- Glass من الممكن أن تتم باستخدام Flash Lamp أو باستخدام ليزر ديود. وتركيب الليزر من الممكن تقسيمه إلى Flash lamps pumped Nd-Yag Lasers - التي من الممكن أن يعمل الليزر في النظام المستمر CW أو النظام النبضي Pulsed mode - Diode pumped Nd-Yag Lasers ( ضخ بواسطة ديود ليزري ). - Nd-Glass Amplifiers( تضخيم بواسطة مضخم ليزري زجاجي ). Flash Lamps Pumped Nd-YAG Lasers ( ضخ بواسطة لمبة فلاش ) يبين الشكل التالي ليزر نودوميوم ياج وعملية الضخ في هذه الحالة تتم باستخدام Flash Lamps

هذا النوع من الليزر يعتبر أكثر أنواع الليزر إفادة وهو الموضح في الشكل. تتم عملية الضخ باستخدام مصباح أو مصباحين عاليين التوهج ويتم تركيز طاقتهما على قضيب الليزر ويوجد عاكسين في نهايتي طرفي القضيب

يوضح ليزر نيودميوم ياغ (ND_YAG) تتم عملية الضخ فيه باستخدام flash lamps

Diode pumped Nd-Yag Lasers في هذه الحالة تتم عملية الإثارة باستخدام ليزر ديود. الليزر الذي يخرج في هذه الحالة يكون في المنطقة الخضراء مما يتوجب علينا مضاعفة التردد حتى تصل طاقة الليزر الخارج إلى 0.53 ميكرومتر. ونقوم بعمل فجوه Cavity كما هو موضح في الشكل التالي : ليزر النودميوم ياج تتم عملية الضخ باستخدام ليزر ديود من خلال إحدى المرآتين وندعو هذا النوع من الضخ بالضخ الطولاني.

ويمكن أن ينتج ليزر استطاعته أعلى من 10 ميغا وات كما هو موضح لـ Nd-YAG Laser وعملية الضخ تتم باستخدام مصفوفة ليزر ديود على طرفي القضيب الليزري وندعو هذا النوع من الضخ بالضخ العرضاني. ويتم توليد ثاني هرموني باستخدام كريستاله لاخطية لمضاعفة تردد الليزر والحصول على طول الموجة λ=532nm أخضر اللون من طول الموجة غير المرئي λ=1064nm. ويمكن أن ينتج ليزر استطاعته أعلى من 10 ميغا وات كما هو موضح لـ Nd-YAG Laser وعملية الضخ تتم باستخدام مصفوفة ليزر ديود على طرفي القضيب الليزري وندعو هذا النوع من الضخ بالضخ العرضاني. ويتم توليد ثاني هرموني باستخدام كريستاله لاخطية لمضاعفة تردد الليزر والحصول على طول الموجة λ=532nm أخضر اللون من طول الموجة غير المرئي λ=1064nm.

Nd-Glass Amplifiers المضخم الليزري مواد Nd-Glass ليزر مبدئيا تستخدم كمبرات في الليزرات النبضية الكبيرة. كل شعاع ضوئي يمر تقريبا على حوالي 20 مرحله من التكبير ونستخدم 3-5 مصابيح متوهجه على الطرفين وسوف نوضح ذلك في الشكل التالي :

كل شعاع ليزر داخل تكون له طاقه تقدر تقريبيا 100 نانو جول وتكون طاقته النهائية عندما يخرج أي بعد حدوث عمليات التكبير تصل إلى 10 كيلو جول لكل نبضه وتكون زمن النبضة في حدود 1-2 نانو ثانيه. في النهاية كل مسار للشعاع beam Line ينتج طاقه تقدر بحولي 15 كيلو جول ويكون زمن النبضة 3.5 نانو ثانيه.

طريقة الإثارة : Excitation mechanism : شرح طريقة الإثارة في حاله أربعة مستويات طاقية : " Nd-YAG Laser " طريقة الإثارة : Excitation mechanism : شرح طريقة الإثارة في حاله أربعة مستويات طاقية : " Nd-YAG Laser "

مستويات الطاقة في ليزر النودميوم ياغ Nd-YAG Laser - كما هو موضح في الشكل فإن ليزر النودميوم ياغ رباعي النظام Four Level System على عكس ليزر الياقوت والذي كان Three Level System - ايونات Nd لها سويتي امتصاص وعملية الضخ لكي تثار الذرات تتم باستخدام المصباح Flash lamp وتتم إثارة الذرات التي في المستوى الأرضي ( السوية الأساسية ) وتنتقل إلى السويتين E3 أو E4 - بعد ذلك يحدث انبعاث مستحث بين السويات العليا للطاقة Upper laser level والسويات الطاقية الدنيا Lower laser level وينتج الليزر من هذين المستويين كما هو موضح في الشكل رقم (4) ويكون ذلك عند طول موجي (1.06µ) ميكرومتر. ثم يحدث انتقال غير مشع non-radiative من lower laser level إلى المستوى الأرضي مرة أخرى وتتم إثارة الذرات التي في المستوى الأرضي مرة أخرى وتتكرر هذه العملية مرات متتالية وتعتبر هذه هي آلية إنتاج ليزر النودميوم ياج مع شرح تفصيلي لمستويات الطاقة وآلية الإثارة. مستويات الطاقة في ليزر النودميوم ياغ Nd-YAG Laser - كما هو موضح في الشكل فإن ليزر النودميوم ياغ رباعي النظام Four Level System على عكس ليزر الياقوت والذي كان Three Level System - ايونات Nd لها سويتي امتصاص وعملية الضخ لكي تثار الذرات تتم باستخدام المصباح Flash lamp وتتم إثارة الذرات التي في المستوى الأرضي ( السوية الأساسية ) وتنتقل إلى السويتين E3 أو E4 - بعد ذلك يحدث انبعاث مستحث بين السويات العليا للطاقة Upper laser level والسويات الطاقية الدنيا Lower laser level وينتج الليزر من هذين المستويين كما هو موضح في الشكل رقم (4) ويكون ذلك عند طول موجي (1.06µ) ميكرومتر. ثم يحدث انتقال غير مشع non-radiative من lower laser level إلى المستوى الأرضي مرة أخرى وتتم إثارة الذرات التي في المستوى الأرضي مرة أخرى وتتكرر هذه العملية مرات متتالية وتعتبر هذه هي آلية إنتاج ليزر النودميوم ياج مع شرح تفصيلي لمستويات الطاقة وآلية الإثارة.

شرح طريقة الإثارة في حالة " Nd-Glass Laser" طريقة الإثارة لهذا النوع من الليزر مماثله تماما لطريقة الإثارة في حالة Nd-YAG Laser ولكن الاختلاف يكون في الطول الموجي الذي ينتج عنده الليزر ويكون عند طول موجي ميكرومتر. الجدول التالي يتضمن أهم خصائص (Nd-YAG) Laser and Nd-Glass Laser.

التطبيقات Applications هذا النوع من ليزر المواد الصلبة له العديد من التطبيقات المتنوعة ومنها الذي يستخدم في العمليات على المواد (Material Processing) مثل الحفر drilling واللحام Welding والتعليم على المواد ( أي الكتابة على المواد وحفر الأشكال عليها باستخدام الليزر )(Laser Marking). وذلك بسبب إمكانية تركيز هذا النوع إلى نقطه صغيره جداً Very Small Spot. - وتستخدم أيضا في صناعة الدارات الكهربائية Circuits - وبالإضافة إلى ذلك فهذا النوع من الليزر له تطبيقات طبية أيضاً ونذكر منها على سبيل المثال استخدامه في عمليات المرارة gallbladder ويستخدم في العديد من العمليات الأخرى. - النودميوم ليزر بكل أنواعها لها أيضا تطبيقات عسكريه ومنها على سبيل المثال استخدامه في جهاز تحديد أماكن الهداف العسكرية Range- Finding. - وتستخدم أيضا في إنتاج البلازما.

نهاية المحاضرة شكراً لحسن الاصغاء