ليزر هيليوم نيون – He-Ne laser
محتوى المقال
تم اختراع أول ليزر غازي يعمل بالموجة المستمرة (ليز الهيليوم نيون He-Ne) عام 1960 على يد العالم الإيراني الأمريكي علي جافان. يمكن تصنيف الليزرات الغازية الى ثلاثة أنواع من حيث تركيب المادة الفعالة: ليزر ذري، ليزر جزيئي، ليزر أيوني، إلخ. في الليزر الذري، يحتوي وسيط الليزر على ذرات متعادلة كهربائيًا، ويعتبر ليزر He-Ne مثالاً ممتازًا لهذه المجموعة. يحتوي الليزر الجزيئي على جزيئات كوسيط ليزر، كما في حالة ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون وليزر النيتروجين. تحتوي الليزرات الأيونية، مثل ليزر الأرجون والكريبتون، على غازات مؤينة كوسيط ليزر نشط. ومن المثير للاهتمام أن ليزر الهليوم والكادميوم يحتوي على أيونات معدنية كوسيط ليزر نشط. سنتناول في هذا المقال ليزر He-Ne من ماذا يتكون؟ وما المستويات الذرية المسؤولة عن إنتاج الليزر؟ تركيب أنبوب ليزر هيليوم نيون، مسار الضخ، ومميزاته وعيوبه وتطبيقاته.
بنية ليزر هيليوم نيون He-Ne
01. أنبوب ليزر هيليوم نيون He-Ne
ليزر الهليوم-نيون عبارة عن وعاء زجاجي مملوء بـ 10 أجزاء من الهيليوم مع جزء واحد من النيون ويتم ضغطه إلى حوالي 1 مم/زئبق (يختلف ضغط الغاز الدقيق والنسب من مصنع ليزر إلى آخر). توفر الأقطاب الكهربائية الموضوعة في نهايات الأنبوب وسيلة لتأين خليط الغاز، وبالتالي إثارة ذرات الهيليوم والنيون. تشكل المرايا المثبتة في أي من الطرفين مرنانًا بصريًا. في معظم أنابيب He-Ne، تكون المرآة عاكسة تمامًا والأخرى عاكسة جزئيًا. المرآة العاكسة جزئيًا هي خرج الأنبوب. أنابيب He-Ne الحديثة، مثل تلك الموجودة في الشكل في الأسفل بحجم الخيارة تقريبًا ويتم تبريدها بواسطة الهواء المحيط. يختلف طول وقطر أنابيب He-Ne باختلاف خرج الطاقة.
يتكون جسم ليزر الهليوم-نيون من أنبوبين متحدي المركز: أنبوب فراغ خارجي (أو بلازما) يحتوي على الغاز، وثقب داخلي أو شعري داخلي أقصر وأصغر، حيث يحدث عمل الليزر. يتم توصيل التجويف بطرف واحد فقط من الأنبوب. الطرف السائب هو الخرج ويواجه المرآة العاكسة جزئيًا. يتم تثبيت التجويف متحد المركز بواسطة عنصر معدني يسمى العنكبوت. يحدد القطر الداخلي للتجويف إلى حد كبير عرض قطر الشعاع، والذي يتراوح عادة من 0.6 مم إلى 1 مم. الشكل في السفل لأنبوب ليزر هيليوم نيون. يبلغ قطرها حوالي 1 بوصة وطولها 12 بوصة.
تعمل النهايات، حيث يتم تركيب المرايا، عادةً على شكل قطب موجب (موجب) وكاثود (سالب). في أجهزة الليزر الأخرى، يتم تركيب الأطراف على نفس نهاية الأنبوب. يمتد شريط من المعدن أو السلك الكاثود (أحيانًا الأنود) إلى الطرف الآخر. غالبًا ما توضع الحلقات المعدنية ذات البراغي السداسية على حوامل المرآة كوسيلة لتعديل محاذاة المرايا (ضبط ميل المرايا). يتم ضبطها في المصنع للحصول على أقصى إخراج للشعاع، ويمكن أن يؤدي تعديلها دون داعٍ إلى تدهور أداء الليزر بشكل خطير. توضع المرأة العاكسة حيث يخرج شعاع الليزر، على طرف الأنود أو الكاثود. لكن في معظم الأنابيب يمتد الشعاع إلى خارج نهاية الكاثود. يفضل العديد من الشركات المصنعة هذا الترتيب، بدعوى أنه أكثر أمانًا ويوفر المزيد من المرونة.
02. المضخة
لا يعني امتلاك أنبوب بلازما أن لديك ليزرًا. الأنبوب هو نصف القصة فقط. بنفس القدر من الأهمية هو مصدر الطاقة. تحتاج أيضًا إلى الكهرباء لمصدر الطاقة، إما مباشرة من مقبس حائط بقوة 120-220 فولت أو بطارية 12 فولت تيار مستمر. تولد دائرة الطاقة لليزر جهد مرتفع وتيار منخفض في مدى ملي امبير. يولد مصدر الطاقة النموذجي من 1200 إلى 3000 فولت و7 مللي أمبير. بشكل عام، تعتمد معلمات مجهز القدرة (فولت-أمبير) على أبعاد الأنبوب وتزداد بازدياد أبعاده. تستخدم أنواع متعددة من دوائر الجهد العالى مع كل أنواع الليزر الغازي مثل:
- مضاعف الجهد (voltage doubler)
- مولد-ماركس (Marx-generator)
- ملف تسلا (tesla coil)
- محول-فلايباك (flyback-transformer)
ويمكن الحصول على النوع الأخير بسهولة حيث يتوفر في أجهزة التلفاز القديمة.
مخطط الطاقة لـ He-Ne
الهيليوم والنيون غازان نبيلان لهما ذرة واحدة فقط لكل جزيء. يظهر أدناه مخطط مستوى الطاقة لذرة الهليوم والنيون. عندما يحدث التفريغ الكهربائي في أنبوب التفريغ، تتأين بعض ذرات خليط He-Ne. تتصادم الإلكترونات التي تم الحصول عليها من المضخة مع ذرة الهيليوم في الحالة أو المستوى الأرضي، ومن ثم تنتقل ذرة الهيليوم إلى الحالة المثارة F2. تتطلب ذرة الهليوم طاقة أقل للانتقال إلى الحالة المثارة F2 من مستوى الأرضي أو الحالة، مقارنة بذرة النيون للانتقال إلى الحالة المثارة E3 من مستوى الأرضي أو الحالة (E3 > F2).
يحظر على ذرة الهيليوم في الحالة المثارة (F2) إجراء انتقال تلقائي إلى الحالة الأرضية (F1). تتصادم ذرة الهيليوم المُثارة (عند المستوى F2) مع ذرات النيون غير المُثارة في الحالة الأرضية، وتتطابق طاقة الإثارة (E3) لذرات النيون تقريبًا مع طاقة الإثارة (F2) لذرة الهيليوم. لذلك، هناك تبادل للطاقة رنيني بين ذرة الهليوم في الحالة المثارة F2 وذرات غاز النيون في الحالة الأرضية. نتيجة لذلك، تعود ذرات الهيليوم إلى الحالة الأرضية وتنتقل ذرة النيون بغاز النيون إلى الحالة المثارة E3 التي يكون عمرها أكبر من عمر حالة الطاقة E2، وبالتالي تسمى الحالة غير المستقرة. وهكذا، تعمل ذرة الهيليوم في الحالة المثارة كمصدر ضخ لذرة النيون.
ذرة النيون في الحالة غير المستقرة، أي يقفز E3 إلى حالة الطاقة المنخفضة E2 من خلال الانبعاث التلقائي وينبعث فوتون بطول موجة 632.8 نانومتر (الأعلى شدة) بسبب الانتقال بين المستويين S3 إلى P2، وهذا هو الطول الموجي الأكثر بروزًا في ليزر HeNe في الجزء الأحمر من الطيف. الطول الموجي الآخر المنبعث في ليزر الهليوم نيون هو 3.39 ميكرومتر بسبب الانتقال بين المستويين S3 – P3، و1.15 ميكرومتر بسبب الانتقال بين المستويين S2 – P2.
الأطوال الموجية الأخرى المتاحة في الطيف المرئي هي 543 نانومتر (أخضر)، 594 نانومتر (أصفر)، 612 نانومتر (برتقالي)، 1523 نانومتر (الأشعة تحت الحمراء) لكنها منخفضة الشدة ويتم التخلص منها بواسطة مرشحات بصرية.
| الطول الموجي | اللون | طاقة الإخراج |
|---|---|---|
| 1-543.3 (nm) | أخضر | 0.1-3 |
| 2-594.1 (nm) | أصفر | 0.5-7 |
| 3-632.8 (nm) | أحمر | 0.5-50 |
| 4-1.15 (µm) | الأشعة تحت الحمراء | 1-13 |
| 5-3.39 (µm) | الأشعة تحت الحمراء | 1-40 |
ذرة النيون في الحالة المثارة E2 (لها عمر صغير) تنطلق بسرعة إلى الحالة الأرضية النيون من خلال الانتقال غير المشع. وبالتالي، يوجد عدد أكبر من ذرات النيون في الحالة المستقرة E3 أكثر من الذرة في الحالة المثارة E2. ومن ثم، يتم إنشاء انعكاس السكان بين حالات الطاقة E3 وE2. يتم تحقيق الانعكاس السكاني لذرة النيون من خلال ذرات الهيليوم.
ينبعث الفوتون ذو الطول الموجي 632.8 نانومتر بسبب انتقال ذرة النيون من الحالة الثابتة E3 إلى الحالة المثارة E2 من خلال انتقال الانبعاث التلقائي عبر خليط الغاز He-Ne على طول اتجاه محور التفريغ في المرنان أو التجويف البصري. تنعكس الفوتونات المنبعثة بسبب انتقال ذرات النيون من مستويات الطاقة E3 إلى E2 التي تنتقل على طول محور المرنان عدة مرات بين المرآتين الموضوعة في نهايتي المرنان أو التجويف. تتفاعل هذه الفوتونات المنعكسة (تسمى تحفيز الفوتون) مع ذرات النيون الأخرى في الحالة غير المستقرة E3 وتتسبب في إصدار فوتونات كل منها بطول موجي 632.8 نانومتر من خلال عملية الانبعاث المحفزة.
الفوتونات التي تم إنشاؤها من خلال عملية الانبعاث المحفزة لها نفس الطول الموجي والاستقطاب مثل الفوتون المحفز وتنتقل في اتجاه تحفيز الفوتونات. تؤدي عملية مضاعفة الفوتون أو عملية تضخيم الضوء إلى ظهور العديد من الفوتونات بنفس الطول الموجي والاستقطاب. تنتقل هذه الفوتونات ذهابًا وإيابًا بين مرآتي المرنان أو التجويف. عندما تكون حزمة الفوتونات شديدة جدًا، يخرج جزء منها من المرآة M2 الشفافة جزئيًا. ومن ثم، نحصل على شعاع ليزر. يعمل ليزر غاز He-Ne بشكل مستمر لأن ذرات الهيليوم والنيون تثار بسبب اصطدام الإلكترونات التي تحدث في ذلك الوقت.
مزايا ليزر He-Ne
- أكثر اتجاهية وأحادية اللون من ليزر الحالة الصلبة.
- لديها ثبات عالي للتردد.
- يمكن أن يعمل بشكل مستمر دون الحاجة إلى التبريد كما هو الحال في ليزر الياقوت.
- تكلفة منخفضة.
- ثبات عالي.
عيوب ليزر He-Ne
- تعد طاقة خرج ليزر He-Ne معتدلة مقارنةً بليزر الحالة الصلبة.
- انخفاض الكفاءة.
- منخفض الربح الليزري.
تطبيقات ليزر He-Ne
- يستخدم ليزر He-Ne في معالجة البيانات.
- يستخدم ليزر He-Ne في التصوير المجسم.
- دراسة أنماط التداخل والحيود.
- يستخدم في الاتصالات ونقل البيانات.
