درسنا في المحاضرات السابقة فكرة عمل الليزر والعوامل الأساسية التي بدونها لا يمكن الحصول على شعاع ليزر.  وفي هذه المحاضرة سنقوم بالقاء الضوء على الطرق والأساليب المتبعة لتسخير شعاع الليزر للتطبيقات العملية.  على سبيل المثال يستخدم الليزر لقطع المعادن واللحام وهذا يتطلب زيادة طاقة شعاع الليزر أو الحصول على شعاع ليزر يعمل بنمط محوري واحد لتطبيقات الدراسات الطيفية أو الاتصالات. وهذا سيكون موضح من خلال العناوين الأربعة التالية:

• Selection of the laser emission lines

• Single-mode operation

• Q-Switching

• Mode Locking

نعلم أن الليزر ينتج من انتقال الذرات المثارة من مستويات الطاقة الأعلى إلى مستويات الطاقة الأقل وذلك إذا تحققت الشروط المطلوبة لتكون الحصيلة اكبر من الخسارة.  وهذا قد يتحقق في المادة المنتجة لليزر لأكثر من تردد كما سنرى في المحاضرة القادمة He-Ne Laser.  هنا نحن لا نتحدث على الأنماط المحورية تحت منحنى الحصيلة ولكن المقصود هو خطي ليزر أو أكثر مختلفين ولكل منهما تردد خاص ومنحنى حصيلة.  وكلا من هذه الترددات سوف تكبر وتنتج ليزر عند أكثر من تردد في نفس الوقت.

للتغلب على هذه الظاهرة يتم استخدام منشور Prism بين المادة المنتجة لليزر والمرآة حيث أن لكل تردد زاوية انكسار خاصة حسب Snell's Law وبضبط وضع المنشور بحيث يكون التردد المراد تكبيره للحصول علة ليزر عنده يسقط بزاوية قائمة على المرآة وبالتالي ينعكشس على نفسه ليعود إلى المادة ويكبر، بينما الترددات الأخرى تنعكس خارج المادة المكبرة ولا تنتج ليزر.  كما يمكن استخدام Diffraction Grating أو Filters.

يكون الضوء الناتج من ليزر يعمل عند نمط محوري أحادي اقرب ما يكون إلى المصدر الضوئي أحادي اللون.  حيث أننا درسنا في المحاضرات الأولى موضوع اتساع الخط الطيفي نتيجة للعوامل متعددة وبهذا فإن الضوء أحادي اللون يكون له اتساع محدود، وهذا الاتساع يحدد مدى دقة مصطلح أحادي اللون Monochromatic Light Source. واقل اتساع يمكن الحصول عليه من ليزر يعمل بنمط محوري واحد Single mode operation.

كيف يمكن الحصول على Single mode laser؟

تعتمد فكرة الحصول على ليزر يعمل بنمط محوري وحيد على زيادة المسافة بين الأنماط المحورية المتجاورة إلى مسافة تصل على الأقل مساوية لاتساع منحنى الحصيلة.  وبهذا يكون النمط المحوري q₀ هو النمط المتحقق عنده شرط الحصيلة أكبر من الخسارة بينما الأنماط الأخرى q_0-1 أو q₀₊₁ تقع خارج منحنى الحصيلة.

المسافة بين نمطين محوريين تعطى بالعلاقة C/2L وبهذا يعني انه كلما قل L طول المكبر كلما زادت المسافة بين النمطين المحوريين.  فإذا ما صمم المكبر بحيث يكون طوله يحقق الشرط

C/2L ³ Dn

لهذه الطريقة اثر على تقليل مادة المكبر وبالتالي طاقة الليزر ولكن تستخدم في تطبيقات تكون بحاجة إلى اقرب ما يكون للتردد أحادي اللون.

تحتاج العديد من التطبيقات إلى طاقة عالية لليزر مثل التطبيقات الصناعية لليزر في اللحام والقطع ولزيادة طاقة الليزر نستخدم عدة طرق للحصول على Q-Switching حيث يتم التحكم في توقيت عملية الانبعاث الاستحثاثي عن طريق التحكم في مستوى الخسارة بالنسبة للحصيلة. كيف؟؟

من المحاضرات السابقة لاحظنا أن نبضة الليزر المنبعثة من Ruby laser تحتوي على Spikes وهذا يعود إلى توالي حدوث الانبعاث الاستحثاثي والضخ لقلب التعداد خلال عملية الإثارة بواسطة Flash lamp والتي تستمر لفترة زمنية تصل إلى microseconds فإذا ما تم إيقاف الانبعاث الاستحثاثي خلال فترة الضخ الضوئي لزيادة الحصيلة يمكن الحصول على نبضة ليزر في فترة زمنية تصل إلى Nanoseconds.

فكرة عمل الـ Q-Switching

تعتمد فكرة الـ Q-Switching على إيقاف مؤقت لليزر من خلال التحكم في مستوى الخسارة خلال عملية الضخ حتى يتم زيادة تعداد مستوى الليزر إلى اكبر قيمة ممكنة وهذا يعني زيادة الحصيلة إلى قيمة اكبر بكثير من القيمة الحرجة Threshold Gain.  ثم نقوم بتقليل مستوى الخسارة إلى القيمة الأساسية وهذا سيؤدي إلى أن يكون الـ Gain أكبر بكثير من الـ Threshold فتحدث عملية الانبعاث الاستحثاثي في فترة زمنية قصيرة تنتج عنه نبضة ليزر ذات طاقة عالية.

يوضح الشكل التالي التغير الزمني في كلاً من الـ Flash Lamp المستخدمة في انقلاب التعداد والمنحى الحصيلة ونبضة الليزر الناتجة.

طرق مختلفة للـ Q-Switching

Locking the longitudinal optical modes inside the cavity is achieved by locking the relative phase of all the optical modes, such that at a certain point they all have the same phase.

At this point a constructive interference occur between all the laser modes, and the result is a single pulse, with very short width and very high peak power, which move between the mirrors of the cavity.

This moving pulse cause the laser output to be orderly chain of pulses.

The length of each pulse is from 1 [psec] (10^-12 [sec]), up to 1 [nsec] (10^-9 [sec]).

In figure 7.23 the output laser radiation of a mode locked laser can be seen.

Mode Lock Optical Switch

The element locking the laser modes is an optical switch inside the cavity.

This switch is opened for a very short time equal to the length of the pulse, and than close for a period of time equal to the time of round trip of the pulse inside the cavity.

The location of the switch is near one of the end mirrors.

The switch allows the pulse to pass to the mirror and back, and than close to disable other pulses from building up.

The switch opens again when this particular pulse arrive again from the other mirror.

This is a synchronous switching which accumulates all the energy in a single pulse moving back and forth between the cavity mirrors. Each time it reaches the output coupler, a single pulse is emitted.

The mode locking is done with an Acousto-optical modulator, and the frequency of its operation is determined by the travel time of the pulse between the mirrors.

Time Interval (T) between two Adjacent Pulses.

The time interval (T) between two adjacent pulses is the time of flight of the single pulse inside the cavity for a complete round trip:

T= 2L/C

In a mode locked diode lasers, the pulse length can be a few picoseconds (10^-12 [s]), with pulse rate of hundreds of Gigahertz (10¹¹ [Hz]).

   End of Lecture (11)