وسط الليزر النشط

الوسط النشط لليزر (يُسمى أيضًا وسط الكسب أو وسط الليزر ) هو مصدر الكسب البصري داخل الليزر . ينتج الكسب عن الانبعاث المحفز للفوتونات من خلال التحولات الإلكترونية أو الجزيئية إلى حالة طاقة أقل من حالة طاقة أعلى كانت مأهولة مسبقًا بمصدر مضخة .

تتضمن أمثلة وسائط الليزر النشطة ما يلي:

• بعض البلورات ، التي عادة ما تكون مشبعة بأيونات الأرض النادرة ₍ مثل النيوديميوم ، أو الإيتربيوم ، أو الإربيوم ) أو أيونات المعادن الانتقالية ₍ التيتانيوم أو الكروم )؛ غالبًا ما تكون غارنيت الألومنيوم والإتريوم ₍ Y3Al5O12 ) ، أو أورثوفاناديت الإتريوم (YVO4 ₎ ، أو الياقوت (Al2O3 ₎ ؛ _[ ^1] وغالبًا ما تكون _بروميد الكادميوم والسيزيوم ( CsCdBr3 ) ( ليزر الحالة الصلبة )
• الزجاج ، مثل زجاج السيليكات أو الفوسفات، المدعم بأيونات نشطة بالليزر؛ ^[2]
• الغازات ، مثل خليط الهيليوم والنيون (HeNe)، والنيتروجين ، والأرجون ، والكريبتون ، وأول أكسيد الكربون ، وثاني أكسيد الكربون ، أو أبخرة المعادن؛ ^[3] ( ليزر الغاز )
• أشباه الموصلات ، على سبيل المثال زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، أو زرنيخيد الإنديوم والغاليوم (InGaAs)، أو نتريد الغاليوم (GaN). ^[4]
• السوائل، في شكل محاليل صبغية كما تستخدم في ليزر الصبغة . ^{[5] [6]}

من أجل إطلاق الليزر، يجب تغيير وسط الكسب النشط إلى حالة يحدث فيها انعكاس السكان . يتطلب تحضير هذه الحالة مصدر طاقة خارجي ويُعرف باسم ضخ الليزر . يمكن تحقيق الضخ باستخدام التيارات الكهربائية (مثل أشباه الموصلات، أو الغازات عبر التفريغات عالية الجهد ) أو بالضوء الناتج عن مصابيح التفريغ أو بواسطة ليزرات أخرى ( ليزر أشباه الموصلات ). يمكن ضخ وسائط كسب أكثر غرابة عن طريق التفاعلات الكيميائية ، أو الانشطار النووي ، ^{[7] أو باستخدام} حزم الإلكترونات عالية الطاقة . ^[8]

يتضمن أبسط نموذج للكسب البصري في الأنظمة الحقيقية مجموعتين فقط من المستويات الفرعية المنفصلة جيدًا من حيث الطاقة. داخل كل مجموعة من المستويات الفرعية، تضمن التحولات السريعة الوصول إلى التوازن الحراري بسرعة. تتطلب الانبعاثات المحفزة بين المجموعتين العليا والسفلى، والتي تعد ضرورية للكسب، أن تكون المستويات العليا أكثر اكتظاظًا بالسكان من المستويات السفلية المقابلة. يُطلق على هذا الوضع اسم الانعكاس السكاني. يمكن تحقيقه بسهولة أكبر إذا كانت معدلات الانتقال غير المحفزة بين المجموعتين بطيئة، أي أن المستويات العليا غير مستقرة . يتم إنتاج الانعكاسات السكانية بسهولة أكبر عندما تكون المستويات الفرعية الأدنى فقط مشغولة، مما يتطلب إما درجات حرارة منخفضة أو مجموعات مقسمة جيدًا من حيث الطاقة.

في حالة تضخيم الإشارات الضوئية، يُطلق على تردد الليزر اسم تردد الإشارة. وإذا كانت الطاقة المقدمة خارجيًا والمطلوبة لتضخيم الإشارة ضوئية، فمن الضروري أن تكون بنفس تردد المضخة أو أعلى منه .

يمكن وصف الوسط البسيط بمقاطع عرضية فعالة للامتصاص والانبعاث عند الترددات و .${\displaystyle ~\omega _{\rm {p}}~}$${\displaystyle ~\omega _{\rm {s}}}$

• يجب أن يكون هناك تركيز للمراكز النشطة في الليزر الحالة الصلبة.${\displaystyle ~N~}$
• يجب أن يكون هناك تركيز للمراكز النشطة في الحالة الأرضية.${\displaystyle ~N_{1}~}$
• يجب أن يكون هناك تركيز للمراكز المثارة.${\displaystyle ~N_{2}~}$
• يملك .${\displaystyle ~N_{1}+N_{2}=N}$

يمكن تعريف التركيزات النسبية على أنها و . ${\displaystyle ~n_{1}=N_{1}/N~}$${\displaystyle ~n_{2}=N_{2}/N}$

يمكن التعبير عن معدل انتقال المركز النشط من الحالة الأساسية إلى الحالة المثارة على النحو التالي: . ${\displaystyle ~W_{\rm {u}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ap}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {as}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}~}$

في حين أن معدل التحولات مرة أخرى إلى الحالة الأرضية يمكن التعبير عنها على النحو التالي: ، حيث و هي مقاطع عرضية فعالة للامتصاص عند ترددات الإشارة والمضخة، و هي نفسها للانبعاث المحفز، و هي معدل الاضمحلال التلقائي للمستوى العلوي. ${\displaystyle ~W_{\rm {d}}={\frac {I_{\rm {p}}\sigma _{\rm {ep}}}{\hbar \omega _{\rm {p}}}}+{\frac {I_{\rm {s}}\sigma _{\rm {es}}}{\hbar \omega _{\rm {s}}}}+{\frac {1}{\tau }}~}$${\displaystyle ~\sigma _{\rm {as}}~}$${\displaystyle ~\sigma _{\rm {ap}}~}$${\displaystyle ~\sigma _{\rm {es}}~}$${\displaystyle ~\sigma _{\rm {ep}}~}$${\displaystyle ~{\frac {1}{\tau }}~}$

ومن ثم يمكن كتابة المعادلة الحركية للسكان النسبيين على النحو التالي:

${\displaystyle ~{\frac {{\rm {d}}n_{2}}{{\rm {d}}t}}=W_{\rm {u}}n_{1}-W_{\rm {d}}n_{2}}$,

${\displaystyle ~{\frac {{\rm {d}}n_{1}}{{\rm {d}}t}}=-W_{\rm {u}}n_{1}+W_{\rm {d}}n_{2}~}$ ومع ذلك، فإن هذه المعادلات تبقى . ${\displaystyle ~n_{1}+n_{2}=1~}$

يمكن كتابة الامتصاص عند تردد المضخة والمكسب عند تردد الإشارة على النحو التالي: ${\displaystyle ~A~}$${\displaystyle ~G~}$

${\displaystyle ~A=N_{1}\sigma _{\rm {pa}}-N_{2}\sigma _{\rm {pe}}~}$و . ${\displaystyle ~G=N_{2}\sigma _{\rm {se}}-N_{1}\sigma _{\rm {sa}}~}$

في كثير من الحالات، يعمل وسيط الكسب في نظام موجة مستمرة أو شبه مستمر ، مما يجعل المشتقات الزمنية للسكان مهملة.

يمكن كتابة حل الحالة المستقرة على النحو التالي:

${\displaystyle ~n_{2}={\frac {W_{\rm {u}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}~}$, ${\displaystyle ~n_{1}={\frac {W_{\rm {d}}}{W_{\rm {u}}+W_{\rm {d}}}}.}$

يمكن تعريف شدة التشبع الديناميكي على النحو التالي:

${\displaystyle ~I_{\rm {po}}={\frac {\hbar \omega _{\rm {p}}}{(\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}})\tau }}~}$, . ${\displaystyle ~I_{\rm {so}}={\frac {\hbar \omega _{\rm {s}}}{(\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}})\tau }}~}$

الامتصاص عند الإشارة القوية: . ${\displaystyle ~A_{0}={\frac {ND}{\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}}}}~}$

المكسب عند المضخة القوية: ، حيث هو محدد المقطع العرضي. ${\displaystyle ~G_{0}={\frac {ND}{\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}}}}~}$${\displaystyle ~D=\sigma _{\rm {pa}}\sigma _{\rm {se}}-\sigma _{\rm {pe}}\sigma _{\rm {sa}}~}$

الربح لا يتجاوز القيمة أبدًا ، والامتصاص لا يتجاوز القيمة أبدًا . ${\displaystyle ~G_{0}~}$${\displaystyle ~A_{0}U~}$

عند كثافات معينة من المضخة والإشارة، يمكن التعبير عن المكسب والامتصاص على النحو التالي: ${\displaystyle ~I_{\rm {p}}~}$${\displaystyle ~I_{\rm {s}}~}$

${\displaystyle ~A=A_{0}{\frac {U+s}{1+p+s}}~}$, , ${\displaystyle ~G=G_{0}{\frac {p-V}{1+p+s}}~}$

أين ، ، ، . ${\displaystyle ~p=I_{\rm {p}}/I_{\rm {po}}~}$${\displaystyle ~s=I_{\rm {s}}/I_{\rm {so}}~}$${\displaystyle ~U={\frac {(\sigma _{\rm {as}}+\sigma _{\rm {es}})\sigma _{\rm {ap}}}{D}}~}$${\displaystyle ~V={\frac {(\sigma _{\rm {ap}}+\sigma _{\rm {ep}})\sigma _{\rm {as}}}{D}}~}$

تحدث الهويات التالية ^[9] :،${\displaystyle U-V=1~}$${\displaystyle ~A/A_{0}+G/G_{0}=1~.\ }$

يمكن وصف حالة وسط المكسب بمعلمة واحدة، مثل عدد السكان في المستوى العلوي أو المكسب أو الامتصاص.

يمكن تعريف كفاءة وسيط الكسب على أنها . ${\displaystyle ~E={\frac {I_{\rm {s}}G}{I_{\rm {p}}A}}~}$

وفي نفس النموذج يمكن التعبير عن الكفاءة على النحو التالي: . ${\displaystyle ~E={\frac {\omega _{\rm {s}}}{\omega _{\rm {p}}}}{\frac {1-V/p}{1+U/s}}~}$

من أجل التشغيل الفعال، يجب أن تتجاوز كلتا الكثافتين - المضخة والإشارة - كثافات تشبعهما: و و . ${\displaystyle ~{\frac {p}{V}}\gg 1~}$${\displaystyle ~{\frac {s}{U}}\gg 1~}$

التقديرات المذكورة أعلاه صالحة لوسط مملوء بشكل موحد بمضخة وضوء إشارة. قد يؤدي حرق الثقب المكاني إلى تقليل الكفاءة قليلاً لأن بعض المناطق يتم ضخها جيدًا، ولكن المضخة لا يتم سحبها بكفاءة بواسطة الإشارة في عقد تداخل الموجات المنتشرة المعاكسة.

• الانعكاس السكاني
• بناء الليزر
• علم الليزر
• قائمة مقالات الليزر
• قائمة أنواع الليزر

• موسوعة فيزياء الليزر وتكنولوجيا الليزر