ليزر النيتروجين

الموسوعة الحرة
ليزر نيتروجين خرطوشة بطول موجي 337 نانومتر وطاقة نبضة 170 ميكرو جول بتردد 20 هرتز

ليزر النيتروجين هو ليزر غاز يعمل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية [ 1 ] (عادة 337.1  نانومتر) باستخدام النيتروجين الجزيئي كوسيط كسب له ، ويتم ضخه بواسطة تفريغ كهربائي.

كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية لليزر النيتروجيني منخفضة، وعادةً ما تكون 0.1% أو أقل، على الرغم من وجود تقارير في الأدبيات العلمية عن ليزرات نيتروجينية بكفاءة تصل إلى 3%. وتُحسب كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية بضرب الكفاءات الثلاث التالية:

  • كهربائي: ليزر TEA [ 2 ]
  • وسط التضخيم: هذا هو نفسه لجميع ليزرات النيتروجين، وبالتالي يجب أن يكون على الأقل 3%
    • نسبة الانعكاس الناتج عن اصطدام الإلكترونات هي 10 إلى 1 بسبب مبدأ فرانك-كوندون
    • الطاقة المفقودة في مستوى الليزر السفلي: 40%
  • بصري: انبعاث محفز أكثر من الانبعاث التلقائي

كسب متوسط

الوسط الفعال هو جزيئات النيتروجين في الحالة الغازية. ليزر النيتروجين هو ليزر ثلاثي المستويات . على عكس الليزرات رباعية المستويات الأكثر شيوعًا، يُضخ مستوى الليزر العلوي للنيتروجين مباشرةً ، دون أي قيود على سرعة الضخ. يتم الضخ عادةً عن طريق اصطدام الإلكترونات المباشر؛ يجب أن تمتلك الإلكترونات طاقة كافية، وإلا فلن تتمكن من إثارة مستوى الليزر العلوي. تتراوح القيم المثلى المُبلغ عنها عادةً بين 80 و100 إلكترون فولت لكل تور·سم من ضغط غاز النيتروجين.

يبلغ الحد الأقصى لعمر الليزر 40 نانوثانية عند الضغوط المنخفضة، ويتناقص هذا العمر مع ازدياد الضغط. ويبلغ عمره من 1 إلى 2 نانوثانية فقط عند ضغط جوي واحد. بشكل عام

ت[نs]=361+12.8*ص[بأر].{\displaystyle t[\mathrm {ns} ]={\cfrac {36}{1+12.8*p[\mathrm {bar} ]}}.}

أقوى الخطوط الطيفية تقع عند طول موجي  337.1 نانومتر في نطاق الأشعة فوق البنفسجية . كما تم رصد خطوط أخرى عند 357.6 نانومتر، وهي أيضًا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية. تشير هذه المعلومات إلى النظام الموجب الثاني لجزيء النيتروجين، وهو الأكثر شيوعًا. لا يحدث اهتزاز بين ذرتي النيتروجين، لأن المسافة بينهما لا تتغير مع الانتقال الإلكتروني. يتطلب الأمر تغييرًا في الدوران لنقل الزخم الزاوي للفوتون، بالإضافة إلى وجود حالات دورانية متعددة عند درجة حرارة الغرفة. توجد أيضًا خطوط طيفية في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة والأشعة تحت الحمراء من النظام الموجب الأول، وخط ليزر أزرق مرئي من أيون النيتروجين الموجب (1+). 

يبلغ عمر المستوى الأدنى شبه المستقر 40 ميكروثانية، وبالتالي، يتوقف الليزر تلقائيًا، عادةً في أقل من 20 نانوثانية. يُشار إلى هذا النوع من التوقف التلقائي أحيانًا باسم "اختناق المستوى الأدنى". هذه مجرد قاعدة عامة كما هو الحال في العديد من أنواع الليزر الأخرى: فليزر الهيليوم-نيون يعاني أيضًا من اختناق، حيث تتطلب كل خطوة اضمحلال جدران التجويف، ويعمل هذا الليزر عادةً في الوضع المستمر. وقد استُخدمت العديد من الأصباغ العضوية ذات أعمار المستويات العليا الأقل من 10 نانوثانية في الوضع المستمر. يتميز ليزر Nd:YAG بعمر مستوى أعلى يبلغ 230 ميكروثانية، ومع ذلك فهو يدعم أيضًا نبضات مدتها 100 بيكوثانية.

يمكن أن تصل معدلات التكرار إلى بضعة كيلوهرتز، شريطة توفير تدفق غاز كافٍ وتبريد مناسب للهيكل. يُعد النيتروجين البارد وسطًا أفضل من النيتروجين الساخن، ويبدو أن هذا أحد أسباب انخفاض طاقة النبضة وقدرتها مع زيادة معدل التكرار إلى أكثر من بضع نبضات في الثانية. كما يبدو أن هناك مشكلات تتعلق بالأيونات المتبقية في قناة الليزر.

يمكن استخدام الهواء ، الذي يتكون من 78% نيتروجين، ولكن نسبة الأكسجين التي تزيد عن 0.5% تسمم الليزر.

بصريات

يمكن أن تعمل ليزرات النيتروجين داخل تجويف الرنين ، ولكن نظرًا للكسب النموذجي البالغ 2 لكل 20  مم، فإنها غالبًا ما تعمل على الإشعاع الفائق وحده؛ [ 3 ] على الرغم من أنه من الشائع وضع مرآة في أحد الطرفين بحيث يتم إصدار الإخراج من الطرف المقابل.

بالنسبة  لحجم كسب بعرض 10 مم، يبدأ تأثير الحيود  بعد 30 مترًا على طول وسط الكسب، وهو طول غير مسبوق. لذا، لا يحتاج هذا الليزر إلى عدسة مقعرة أو عدسات إعادة تركيز، وتتحسن جودة الشعاع على طول وسط الكسب. قد يصل ارتفاع حجم الضخ إلى 1 مم فقط، مما يستدعي استخدام عدسة إعادة تركيز بعد 0.3 متر. يتمثل الحل البسيط في استخدام أقطاب كهربائية مستديرة ذات نصف قطر كبير، للحصول على شكل ضخ تربيعي.

كهربائي

عادةً ما يتم ضخ وسط التضخيم بواسطة تفريغ كهربائي عرضي . عندما يكون الضغط مساوياً للضغط الجوي (أو أعلى منه) ، يُطلق على هذا التكوين اسم ليزر TEA ( حيث TEA هو اختصار لـ Transverse Electrical discharge in gas at Atmospheric pressure ).

وصف مجهري لتفريغ سريع

في مجال كهربائي خارجي قوي، يُحدث هذا الإلكترون انهيارًا إلكترونيًا في اتجاه خطوط المجال الكهربائي . يؤدي انتشار الإلكترونات وتشتتها المرن عند جزيء غاز عازل إلى توسع الانهيار عموديًا على المجال. يُنتج التشتت غير المرن فوتونات ، تُحدث بدورها انهيارات جديدة على بُعد سنتيمترات . بعد فترة، تصبح الشحنة الكهربائية في الانهيار كبيرة جدًا لدرجة أنها، وفقًا لقانون كولوم، تُولد مجالًا كهربائيًا مساويًا لقوة المجال الكهربائي الخارجي. في مناطق ذات شدة مجال متزايدة، يتعزز تأثير الانهيار. يؤدي هذا إلى تفريغات كهربائية شبيهة بالقوس تُسمى الشرارات . يُعزز مزيج من غاز نبيل (بنسبة تصل إلى 0.9) والنيتروجين التشتت المرن للإلكترونات على حساب تكاثرها، وبالتالي يُوسع نطاق الانهيارات والشررات.

تعتمد فجوات الشرارة على كثافة عالية من جزيئات الغاز وكثافة منخفضة من الإلكترونات الأولية لتكوين الشرارات. وتُزال الإلكترونات بجهد متزايد تدريجيًا. تزيد كثافة الغاز العالية من مجال الانهيار، مما يسمح باستخدام أقواس أقصر ذات حثية أقل، وبالتالي زيادة السعة بين الأقطاب. تتميز الشرارة العريضة بحثية أقل.

تستخدم ليزرات الغاز كثافة منخفضة لجزيئات الغاز وكثافة عالية من الإلكترونات الأولية لمنع حدوث الشرارات. تُضاف الإلكترونات عن طريق التأين المسبق، وليس عن طريق إزالة الأكسجين، وذلك لاستخدام النيتروجين من الأسطوانات. ويمكن للانهيارات الواسعة أن تُثير المزيد من جزيئات النيتروجين.

يؤدي التشتت غير المرن إلى تسخين الجزيء، مما يزيد من احتمالية انبعاث الإلكترونات في حالة التشتت الثاني. وهذا بدوره يؤدي إلى حدوث قوس كهربائي. عادةً ما يحدث القوس الكهربائي بعد عملية الليزر في النيتروجين. يقوم الشرر المتدفق في فجوة الشرارة بتفريغ الأقطاب الكهربائية فقط عن طريق الشحنة الوهمية ، وبالتالي عندما يلامس الشرر كلا القطبين، تظل معظم الشحنة متاحة لتغذية القوس؛ ويتم تخزين شحنة إضافية على ألواح التوزيع. وهكذا، يبدأ القوس الكهربائي في فجوة الشرارة قبل عملية الليزر.

تم وصف شروط حدوث التفريغات الانهيارية النبضية بواسطة Levatter و Lin. [ 4 ]

الديناميكا الكهربائية

دائرة كهربائية.
قطع متقاطع لتنفيذ الحث المنخفض. تصحيح: يجب أن يكون المكثف الأيمن أكبر.
تصميم ذو حث منخفض - منظر علوي. تصحيح: يجب أن تكون المكثفات أطول قليلاً من القناة وأن تكون زواياها مستديرة.

الدائرة الإلكترونية تتكون من فجوة شرارة ومكثف وتفريغ كهربائي عبر النيتروجين. في البداية ، تُشحن فجوة الشرارة والمكثف. ثم تُفرغ فجوة الشرارة شحنتها، ويُطبق جهد كهربائي على النيتروجين.

يستخدم تصميم بديل مكثفين موصولين كمولد بلوملين . [ 5 ] يُوصل المكثفان بحيث تكون إحدى لوحتيهما بمثابة أرضي مشترك، بينما تُوصل اللوحتان الأخريان بأقطاب فجوة الشرارة. غالبًا ما تُصنع هذه المكثفات من طبقة واحدة من لوحة الدوائر المطبوعة، أو ما شابهها من رقائق نحاسية وعازل رقيق. ويرتبط المكثفان عبر محث، وهو عبارة عن ملف بسيط مملوء بالهواء. كما يحتوي أحد المكثفين على فجوة شرارة صغيرة. عند تطبيق جهد عالي، يُشحن المكثفان ببطء، ويرتبطان فعليًا بواسطة المحث. عندما تصل فجوة الشرارة إلى جهد التشغيل، تُفرغ شحنتها وتُخفض جهد ذلك المكثف بسرعة إلى الصفر. نظرًا لسرعة التفريغ، يعمل المحث كدائرة مفتوحة، وبالتالي يرتفع فرق الجهد عبر فجوة الشرارة العرضية (بين المكثفين) بسرعة حتى تُفرغ فجوة الشرارة الرئيسية، مما يؤدي إلى إطلاق الليزر. [ 5 ]

تزداد سرعة أي من الدائرتين على مرحلتين. أولاً، يتم تقليل حث جميع المكونات عن طريق تقصير وتوسيع الموصلات وضغط الدائرة لتصبح مستطيلاً مسطحاً. الحث الكلي هو مجموع حث المكونات.

هدفطولسماكةعرضعرضالحثالحثالحثسعةالتذبذب
كملفكسلكتم القياسنظرية اللفائفنظرية الأسلاكنظرية الصفائحفترة
وحدةممممnHnHnHنانو فارادns
فجوة الشرارة2×10 −21×10 −22×10 −21×10 −51012.5713.700.0004
شريط معدني2×10 −22×10 −24×10 −25×10 −312.575.320.0004
الفصل 12×10 −14×10 −43×10 −10.342.6563
شريط معدني2×10 −22×10 −23×10 −11.680.0027
قناة الليزر1×10 −22×10 −23×10 −10.840.0013
شريط معدني2×10 −22×10 −23×10 −11.680.0027
الفصل 23×10 −14×10 −43×10 −10.503.9844
مذبذب سبارك22.902.656349
disch. osc.5.031.593818

يُذكر أن التفريغ الشديد يُشوه أجهزة راسم الإشارة القريبة. ويمكن تقليل هذا التشوه بتصميم الليزر بشكل متناظر داخل أسطوانة مؤرضة، بحيث تكون فجوة الشرارة في الأسفل، والليزر في الأعلى، والمكثف 1 على اليمين واليسار، والمكثف 2 على اليمين واليسار فوق المكثف 1. يُحقق هذا التصميم ميزة إضافية تتمثل في تقليل الحث. لكن يعيبه عدم إمكانية فحص قناة الليزر بحثًا عن الشرارات.

ثانيًا، تُطبَّق نظرية خط النقل ونظرية الدليل الموجي لتحقيق إثارة الموجة المتحركة. نبضات ليزر النيتروجين المقاسة طويلة جدًا لدرجة أن الخطوة الثانية غير مهمة. من هذا التحليل، يتبين ما يلي:

  • المرآة الجانبية وفجوة الشرارة موجودتان على نفس الجانب
  • يكون الليزر الطويل الضيق غير فعال عند الضغوط الجوية

فجوة الشرارة

ينص قانون باشين على أن طول فجوة الشرارة يتناسب عكسيًا مع الضغط. وبالنسبة لنسبة ثابتة بين طول الشرارة وقطرها، فإن الحث يتناسب طرديًا مع الطول (المصدر).(قارن مع: هوائي ثنائي القطب ). ولذلك، تُلصق أو تُلحم أقطاب فجوة الشرارة على حلقة عازلة. ولتقليل خطر الضغط، يُصغّر حجمها. ولمنع الشرارات خارج الحلقة العازلة عند الضغط المنخفض، عادةً ما تزداد سماكة الحلقة العازلة باتجاه الخارج بشكل متعرج.

العلاقة بين فجوة الشرارة وقناة الليزر بناءً على نظرية الموجة المتنقلة:

يكون جهد الانهيار منخفضًا بالنسبة للهيليوم، ومتوسطًا بالنسبة للنيتروجين، وعاليًا بالنسبة لـ SF6 ، [ 6 ] على الرغم من عدم ذكر أي شيء عن اختلافات سمك الشرارة.

يمكن تحقيق أزمنة صعود تصل إلى 8× 10¹⁰ أمبير/ثانية باستخدام فجوة شرارة. [ 7 ] وهذا يتوافق تمامًا مع أزمنة الصعود النموذجية البالغة 1×10⁻⁸ ثانية والتيارات النموذجية البالغة 1×10³ أمبير التي تحدث في ليزرات النيتروجين.   

تسمح سلسلة من فجوات الشرارة باستخدام نبضة تحفيز ضعيفة لبدء شرارة في الفجوة الأصغر، ثم انتظار تحولها إلى قوس كهربائي، وبعد ذلك امتداد هذا القوس إلى الفجوة الأكبر. [ 8 ] مع ذلك، تحتاج فجوة الشرارة الأولى في السلسلة إلى إلكترون حر للبدء، لذا يكون التذبذب مرتفعًا نسبيًا.

التأين المسبق

تعمل الانهيارات على تجانس التفريغ بسرعة، وخاصةً على طول خطوط المجال. ومع مدة قصيرة (أقل من 10 مللي ثانية) منذ آخر نبضة ليزر، يتبقى عدد كافٍ من الأيونات بحيث تتداخل جميع الانهيارات جانبيًا أيضًا. ومع انخفاض الضغط (أقل من 100 كيلو باسكال)، تكون كثافة حاملات الشحنة القصوى منخفضة، ويتم تثبيط الانتقال الكهرومغناطيسي من الانهيار إلى الشرارة.

في حالات أخرى، تعمل الأشعة فوق البنفسجية على تجانس التفريغ الكهربائي ببطء بشكل عمودي على التفريغ. ويتم تحقيق التوازن بينهما بوضع تفريغين خطيين متجاورين  يفصل بينهما 1 سم. يحدث التفريغ الأول عبر فجوة أصغر ويبدأ مبكرًا. ونظرًا لقلة عدد الإلكترونات الأولية،  تُلاحظ تيارات كهربائية عادةً ما تكون المسافة بينها 1 مم. تُغطى أقطاب التفريغ الأول بمادة عازلة، مما يحد من هذا التفريغ. وبالتالي، يرتفع الجهد الكهربائي أكثر حتى تبدأ الانهيارات الكهربائية في الفجوة الثانية. وتكون هذه الانهيارات كثيرة جدًا لدرجة أنها تتداخل وتثير كل جزيء.

مع حوالي 11 نانوثانية، يكون توليد الأشعة فوق البنفسجية والتأين والتقاط الإلكترون في نطاق سرعة مماثل لمدة نبضة ليزر النيتروجين، وبالتالي يجب تطبيق تيار كهربائي سريع.

الإثارة عن طريق اصطدام الإلكترونات

يُثار مستوى الليزر العلوي بكفاءة عالية بواسطة الإلكترونات ذات طاقة تزيد عن 11 إلكترون فولت، وتُعدّ الطاقة المثلى 15 إلكترون فولت. لا تتجاوز درجة حرارة الإلكترونات في التيارات 0.7 إلكترون فولت. أما الهيليوم، فبسبب طاقة تأينه العالية وانعدام إثارته الاهتزازية، ترتفع درجة الحرارة إلى 2.2 إلكترون فولت. وتؤدي الفولتية الأعلى إلى زيادة درجة الحرارة، كما أن الفولتية الأعلى تعني نبضات أقصر. [ 9 ]

الأجهزة النموذجية

يتراوح ضغط الغاز في ليزر النيتروجين من بضعة ملي بار إلى عدة بارات. يوفر الهواء طاقة خرج أقل بكثير من النيتروجين النقي أو خليط النيتروجين والهيليوم . تتراوح طاقة النبضة من 1  ميكرو جول إلى حوالي 1  ملي جول؛ ويمكن تحقيق قدرات ذروة تتراوح بين 1  كيلو واط و3  ميجا واط. تتفاوت مدة النبضة من بضع مئات من البيكو ثانية (عند ضغط جزئي للنيتروجين يعادل ضغطًا جويًا واحدًا) إلى حوالي 30 نانو ثانية عند ضغط منخفض (عادةً بضع عشرات من التور)، على الرغم من أن عرض النبضة عند نصف الارتفاع الأقصى (FWHM ) يتراوح عادةً بين 6 و8 نانو ثانية.

بناء هواة

لطالما كان ليزر النيتروجين ذو التفريغ المستعرض خيارًا شائعًا في مشاريع البناء المنزلية للهواة، نظرًا لبساطة تركيبه وسهولة التعامل مع الغاز المستخدم فيه. وقد وصفته مجلة ساينتفك أمريكان عام 1974 كأحد أوائل المقالات التي تناولت استخدام الليزر في البناء المنزلي. [ 5 ] ولأن هذا الليزر الهوائي لا يحتوي على تجويف، فهو ليس ليزرًا بالمعنى الدقيق، بل يستخدم تقنية الانبعاث المحفز المضخم (ASE).

التطبيقات

مراجع

  1. ↑ CS Willett، مقدمة عن ليزرات الغاز: آليات انعكاس السكان (بيرغامون، نيويورك، 1974).
  2. ↑ سيل، مارك (2004). "ليزر غاز النيتروجين TEA" . صفحة الليزرات المصنعة منزليًا . مؤرشف من الأصل بتاريخ 11-09-2007 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15-09-2007 .
  3. ^ ماكوتشوفسكي، جيه. بوكورا، ل. (2021-03-22). "نموذج نظري لليزر النتروجين TEA المثار بالتفريغ الكهربائي" . Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej . تم الاسترجاع 2025-03-11 .
  4. ↑ JI Levatter و SC Lin، "الشروط الضرورية للتكوين المتجانس لتفريغات الانهيار النبضي عند ضغوط الغاز العالية"، J.Appl.Phys. 51 ، 210-222 (1980).
  5. 1 2 3 "ليزر النيتروجين" . الضوء واستخداماته . مجلة ساينتفك أمريكان . يونيو 1974. الصفحات 40-43 . ISBN  0-7167-1185-0.
  6. ↑ التحكم في فجوة الشرارة - مختبر أبحاث أفكو إيفريت
  7. ↑ سماكوفسكي، يو. ب.؛ ساتوف، يو. أ.؛ خومينكو، إس. في.؛ شاروشين، أ. ف.؛ إرميلوف، آي. في.؛ لابتيف، في. إل. (2003). "فجوة شرارة معدنية-سيراميكية مملوءة بالغاز تعمل بالتحفيز، ذات معدل ارتفاع تيار عالٍ وتشغيل مستقر". الأدوات والتقنيات التجريبية . 46 (1): 45-47 . Bibcode : 2003IET....46...45S . doi : 10.1023/A:1022531222868 . ISSN 0020-4412 . S2CID 108174863 .  
  8. ↑ "فجوات الشرارة المُحفَّزة" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13-05-2008 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 20-05-2008 .
  9. ↑ بريتو كروز، سي إتش؛ لوريرو، في؛ تافاريس، إيه دي؛ سكالا برين، إيه (1984). "خصائص ليزر النيتروجين المؤين مسبقًا باستخدام الهيليوم كغاز عازل". الفيزياء التطبيقية ب: الفيزياء الضوئية وكيمياء الليزر . 35 (3): 131-133 . Bibcode : 1984ApPhB..35..131B . doi : 10.1007/BF00697701 . ISSN 0721-7269 . S2CID 120700017 .  
  10. ↑ FJ Duarte و LW Hillman، مبادئ ليزر الصبغة (أكاديميك، نيويورك، 1990) الفصل 6.