פירות הקידמה המדעית והטכנולוגית לא תמיד מוצאים את ביטוים המעשי הקונקרטי מיד לאחר הכנת הבסיס התיאורטי. זה קרה עם טכנולוגיית הלייזר, שאפשרויותיה לא נחשפו עד כה במלואן. התיאוריה של מחוללי קוונטים אופטיים, שעל בסיסה נוצר הרעיון של מכשירים הפולטים קרינה אלקטרומגנטית, נשלטה בחלקה בשל האופטימיזציה של טכנולוגיית הלייזר. עם זאת, מומחים מציינים שהפוטנציאל של קרינה אופטית יכול להפוך לבסיס למספר תגליות בעתיד.
עקרון הפעולה של המכשיר
במקרה זה, מחולל קוונטי מובן כמכשיר לייזר הפועל בטווח האופטי בתנאים של קרינה מונוכרומטית, אלקטרומגנטית או קוהרנטית מגורה. עצם המקור של המילה לייזר בתרגום מעיד על השפעת הגברת האור.על ידי פליטה מגורה. נכון להיום, קיימים מספר מושגים ליישום מכשיר לייזר, הנובע מאי בהירות של עקרונות הפעולה של מחולל קוונטי אופטי בתנאים שונים.
ההבדל העיקרי הוא עקרון האינטראקציה של קרינת לייזר עם חומר המטרה. בתהליך הקרינה, אנרגיה מסופקת בחלקים מסוימים (קוואנטה), המאפשרת לשלוט על אופי ההשפעה של הפולט על סביבת העבודה או על החומר של אובייקט המטרה. בין הפרמטרים הבסיסיים המאפשרים להתאים את רמות ההשפעות האלקטרוכימיות והאופטיות של הלייזר, מובחנים מיקוד, מידת ריכוז השטף, אורך גל, כיווניות וכו'. בכמה תהליכים טכנולוגיים, מצב הזמן של הקרינה משחק גם תפקיד - למשל, לפולסים יכול להיות משך של שבריר שניות עד עשרות פמט-שניות עם מרווחים הנעים בין רגע למספר שנים.
מבנה לייזר סינרגי
עם שחר הרעיון של לייזר אופטי, מערכת הקרינה הקוונטית במונחים פיסיקליים הייתה מקובלת להבין כצורה של ארגון עצמי של מספר מרכיבי אנרגיה. כך נוצר מושג הסינרגטיקה שאיפשר לגבש את התכונות והשלבים העיקריים של ההתפתחות האבולוציונית של הלייזר. ללא קשר לסוג ועקרון הפעולה של הלייזר, גורם המפתח בפעולתו הוא מעבר לשיווי המשקל של אטומי האור, כאשר המערכת הופכת ללא יציבה ובו זמנית פתוחה.
סטיות בסימטריה המרחבית של קרינה יוצרות תנאים להופעת פעימהזְרִימָה. לאחר הגעה לערך מסוים של שאיבה (סטייה), המחולל הקוונטי האופטי של קרינה קוהרנטית הופך לשליטה והופך למבנה פיזור מסודר עם אלמנטים של מערכת מארגנת עצמית. בתנאים מסוימים, המכשיר יכול לפעול במצב קרינה פועמת באופן מחזורי, ושינוייו יובילו לפעימות כאוטיות.
רכיבי עבודה בלייזר
עכשיו כדאי לעבור מעיקרון הפעולה לתנאים פיזיים וטכניים ספציפיים שבהם פועלת מערכת לייזר בעלת מאפיינים מסוימים. החשוב ביותר, מנקודת המבט של הביצועים של מחוללי קוונטים אופטיים, הוא המדיום הפעיל. ממנו, בפרט, תלוי בעוצמת ההגברה של הזרימה, במאפייני המשוב ובאות האופטי בכללותו. לדוגמה, קרינה יכולה להתרחש בתערובת גז שרוב מכשירי הלייזר כיום פועלים עליה.
הרכיב הבא מיוצג על ידי מקור אנרגיה. בעזרתו נוצרים תנאים לשמירה על היפוך אוכלוסיית האטומים של המדיום הפעיל. אם נשרטט אנלוגיה למבנה סינרגטי, הרי שמקור האנרגיה הוא שיפעל כמעין גורם בסטייה של האור מהמצב הנורמלי. ככל שהתמיכה חזקה יותר, כך השאיבה של המערכת גבוהה יותר ואפקט הלייזר יעיל יותר. המרכיב השלישי של תשתית העבודה הוא המהוד, המספק קרינה מרובה בזמן שהוא עובר בסביבת העבודה. אותו רכיב תורם לפלט של קרינה אופטית בשימושיספקטרום.
מכשיר לייזר He-Ne
גורם הצורה הנפוץ ביותר של לייזר מודרני, שהבסיס המבני שלו הוא צינור פריקת גז, מראות תהודה אופטיות ואספקת חשמל. כמדיום עבודה (מילוי צינורות) נעשה שימוש בתערובת של הליום וניאון, כפי שהשם מרמז. הצינור עצמו עשוי מזכוכית קוורץ. עובי מבנים גליליים סטנדרטיים נע בין 4 ל-15 מ"מ, והאורך נע בין 5 ס"מ ל-3 מ'. בקצות הצינורות הם סגורים בזכוכית שטוחה עם שיפוע קל, המבטיח רמה מספקת של קיטוב לייזר.
למחולל קוונטי אופטי המבוסס על תערובת הליום-ניאון יש רוחב ספקטרלי קטן של פסי פליטה בסדר גודל של 1.5 גיגה-הרץ. מאפיין זה מספק מספר יתרונות תפעוליים, הגורם להצלחת המכשיר באינטרפרומטריה, קוראי מידע חזותי, ספקטרוסקופיה וכו'.
מכשיר לייזר למחצה
מקומו של מדיום העבודה במכשירים כאלה תופס על ידי מוליך למחצה, המבוסס על יסודות גבישיים בצורה של זיהומים עם אטומים של כימיקל תלת- או מחומש (סיליקון, אינדיום). מבחינת מוליכות, הלייזר הזה עומד בין דיאלקטריים לבין מוליכים מן המניין. ההבדל באיכויות העבודה עובר דרך הפרמטרים של ערכי הטמפרטורה, ריכוז הזיהומים ואופי ההשפעה הפיזית על חומר המטרה. במקרה זה, מקור האנרגיה של השאיבה יכול להיות חשמל,קרינה מגנטית או קרן אלקטרונים.
התקן של מחולל קוונטי מוליכים למחצה אופטי משתמש לעתים קרובות ב-LED חזק עשוי מחומר מוצק, שיכול לצבור כמויות גדולות של אנרגיה. דבר נוסף הוא שעבודה בתנאים של עומסים חשמליים ומכניים מוגברים מביאה במהירות לבלאי של אלמנטים עובדים.
מכשיר לייזר צבע
סוג זה של גנרטורים אופטיים הניח את הבסיס להיווצרות כיוון חדש בטכנולוגיית הלייזר, הפועל עם משך פולס של עד פיקושניות. זה התאפשר עקב השימוש בצבעים אורגניים כמדיום פעיל, אך לייזר אחר, בדרך כלל ארגון, צריך לבצע את פונקציות השאיבה.
באשר לתכנון של מחוללי קוונטים אופטיים על צבעים, בסיס מיוחד בצורת קובט משמש לספק פולסים קצרים במיוחד, שבהם נוצרים תנאי ואקום. דגמים עם מהוד טבעת בסביבה כזו מאפשרים שאיבת צבע נוזלי במהירויות של עד 10 מ'/שניה.
תכונות של פולטי סיבים אופטיים
סוג של מכשיר לייזר שבו הפונקציות של מהוד מבוצעות על ידי סיב אופטי. מנקודת המבט של מאפייני ההפעלה, מחולל זה הוא הפרודוקטיבי ביותר מבחינת נפח הקרינה האופטית. וזאת למרות שלעיצוב המכשיר יש גודל צנוע ביותר בהשוואה לשאר סוגי הלייזרים.
Kהתכונות של מחוללי קוונטים אופטיים מסוג זה כוללים גם צדדיות מבחינת האפשרויות של חיבור מקורות משאבה. בדרך כלל משתמשים לשם כך בקבוצות שלמות של מוליכי גל אופטיים, המשולבים במודולים עם חומר פעיל, מה שתורם גם לאופטימיזציה המבנית והתפקודית של המכשיר.
הטמעת מערכת הניהול
רוב המכשירים מבוססים על בסיס חשמלי, שבגללו ניתנת שאיבת אנרגיה במישרין או בעקיפין. במערכות הפשוטות ביותר, באמצעות מערכת אספקת חשמל זו, מנוטרים מחווני הספק המשפיעים על עוצמת הקרינה בטווח אופטי מסוים.
מחוללים קוונטיים מקצועיים מכילים גם תשתית אופטית מפותחת לבקרת זרימה. באמצעות מודולים כאלה, בפרט, נשלטים כיוון הזרבובית, הספק ואורך הדופק, התדר, הטמפרטורה ומאפיינים תפעוליים אחרים.
שדות יישום של לייזרים
למרות שגנרטורים אופטיים הם עדיין מכשירים עם יכולות שעדיין לא נחשפו במלואן, היום קשה לנקוב בשמות של אזור שבו לא יעשה בהם שימוש. הם נתנו לתעשייה את האפקט המעשי היקר ביותר ככלי יעיל ביותר לחיתוך חומרים מוצקים בעלות מינימלית.
מחוללי קוואנטים אופטיים נמצאים בשימוש נרחב גם בשיטות רפואיות ביחס למיקרוכירורגיה וקוסמטולוגיה של העיניים. לדוגמה, לייזר אוניברסלימה שנקרא אזמל חסר דם הפך למכשיר ברפואה, המאפשר לא רק לנתח, אלא גם לחבר רקמות ביולוגיות.
מסקנה
כיום, ישנם כמה כיוונים מבטיחים בפיתוח של מחוללי קרינה אופטיים. הפופולריים שבהם כוללים טכנולוגיית סינתזה שכבה אחר שכבה, מידול תלת מימד, רעיון השילוב עם רובוטיקה (גששי לייזר) וכו'. בכל מקרה, ההנחה היא שלגנרטורים קוונטיים אופטיים יהיה יישום מיוחד משלהם - מעיבוד פני השטח של חומרים ויצירה מהירה במיוחד של מוצרים מרוכבים לכיבוי אש באמצעות קרינה.
ללא ספק, משימות מורכבות יותר ידרשו הגדלת כוחה של טכנולוגיית הלייזר, וכתוצאה מכך גם סף הסכנה שלה יוגדל. אם היום הסיבה העיקרית להבטחת בטיחות בעבודה עם ציוד כזה היא ההשפעה המזיקה שלו על העיניים, אז בעתיד נוכל לדבר על הגנה מיוחדת על חומרים וחפצים שלידם מאורגן השימוש בציוד.
