הקדמה – מעגלים ומערכות לייזר מגיעים במבנים טופולוגיים רבים וכוללים יישומים ייחודיים רבים אשר עונים על מאפיינים מדעיים והנדסיים מסוימים. הסוגים העיקריים של לייזרים מסווגים לפי תווך הלייזר, וכוללים: דיודת לייזר (לייזר מוליך למחצה), לייזר טיטניום-ספיר (Ti:Sapphire) לייזר תעלה-יון ולייזר באורך גל ארוך, לייזר במצב מוצק, לייזר Nd:YAG, לייזר מיקרו שבב Q-switched בתחום התת-אדום האמצעי, לייזר גז, לייזר באורך גל כפול, לייזר הליום-נאון, לייזר פחמן דו-חמצני, לייזר אדי מתכת, לייזר יוני גז אציל, לייזר אקסימר, לייזר כימי, ולייזר דינמי-גזי פחמן דו-חמצני. בנוסף, קיימים לייזר צבע, לייזר אלקטרון חופשי (FEL) ,לייזר קרני X ולייזר קוונטי מסוג קסקדה, לייזר עופרת-מלחים, לייזר אנטימוניד ולייזר פמטושנייה. מערכת עיבוד מיקרו בלייזר פמטושנייה משמשת לעיבוד אולטרה-מהיר. לעיתים קיצור של פי 20 במשך הדופק ביחס למערכת פיקושנייה נותן יתרונות מבחינת האינטראקציה עם החומר. על ידי שימוש בלייזר פיקושנייה או פמטושנייה, ניתן להשיג צפיפות הספק שיא גבוהה מאוד. סוגי לייזר אלו יכולים לשמש לעיבוד חומרים שקופים בדרך כלל, כמו סיליקה או ספיר. ספיגה לא ליניארית מאפשרת לאור אינטראקציה עם חומרים שקופים, וגורמת לחימום ואידוי חזקים מאוד וממוקדים. עוצמת תהליך האידוי של הלייזר גורמת לכך שהתהליך יפיק מעט מאוד פסולת. לייזר בעוצמה גבוהה פטה-וואט, 10¹⁵ וואט כולל מערכות בקרה בזמן אמת ומערכות תזמון מדויקות ברמת הפמטושנייה. ניתן לסנכרן את פעולת הלייזרים עם שעון קרן מסוים ולקבל מערכת מתיחת דופק רחבת-ספקטרום עם דחיסת דופק. דיודות לייזר מורכבות מדיודה מסוג p-n עם אזור פעיל שבו אלקטרונים וחורים מתאחדים וכתוצאה מכך נפלט אור.
- מעגלי דיודת לייזר
דיודה לייזר מורכבת מדיודה מסוג p-n עם אזור פעיל שבו אלקטרונים וחורים מתאחדים וכתוצאה מכך נפלט אור. דיודת הלייזר מכילה חלל אופטי שבו מתרחש פליטה מאולצת. חלל הלייזר מורכב ממוליך גל שתחום בשני קצותיו במראה. המעגל השקול השלם של דיודת הלייזר מחולק לשני חלקים. החלק הראשון מייצג את המעגל החשמלי הפנימי של שבב הלייזר. החלק השני הוא המעגל החשמלי של המארז, כולל הרכיבים הפרזיטיים העיקריים. הרכיבים של המעגל השקול הפנימי של הלייזר נגזרים ממשוואות קצב מצומדות שמתארות את הקשר ההדדי בין נשאי המטען המוזרקים לבין צפיפות הפוטונים באזור הפעיל של דיודת הלייזר. אנו מגדירים את ההשפעות הפרזיטיות של תהליך הפליטה המאולצת כתקופת השהיה. משוואות הקצב הדיפרנציאליות המצומדות עם השהיה עבור מצב יחיד של דיודת הלייזר נתונות על ידי משוואות דיפרנציאליות עם השהיה(DDEs – Delay Differential Equations):
משוואה 1
איור 1: מבנה דיודת הלייזר
2. לייזר טיטניום-ספיר (Ti:Sapphire)
איור 2: דיאגרמה סכמתית של מערכת לייזר מסוג טיטניום-ספיר Ti: Sapphire
3. לייזר מצב מוצק
לייזר מצב מוצק הוא לייזר שמשתמש בחומר הגברה שהוא מוצק. בלייזרי מצב מוצק, חומר הלזירה מפוזר בתוך מטריצה מוצקה, כמו בלייזר רובי או בלייזר ניאודימיום YAG . לייזרי מצב מוצק עושים שימוש בעירור אופטי, כאשר מקורות העירור הללו זולים יחסית ויכולים לספק הספקים גבוהים מאוד. עם זאת, ללייזרי מצב מוצק יש נצילות אנרגיה נמוכה, זמן חיים בינוני, והשפעות תרמיות חזקות כגון היווצרות עדשה תרמית בתוך חומר המגבר. דיודות לייזר משמשות לעיתים קרובות כמקור עירור ללייזרי מצב מוצק. הקריסטל של לייזר ניאודימיום-מתוך-יתריום-אלומיניום-גרנט (Nd:YAG) הוא חומר הלזירה הנפוץ ביותר בלייזרי מצב מוצק. חומר המגבר בלייזר מצב מוצק הוא מוצק, בניגוד ללייזר נוזלי. חומרי המגבר בלייזרי מצב מוצק יכולים להיות קריסטלים או זכוכיות שתחומים ביוני מתכת נדירה או יוני מתכות מעבר, או דיודות לייזר מבוססות מוליכים למחצה. לייזרי מצב מוצק עם דופינג יוני (לייזרים מבוססי מבודדים תחומים) יכולים להיות בצורת לייזרים מגושיים (bulk) , לייזרי סיב, או סוגים נוספים של לייזרי מוליך-גל. לייזרי מצב מוצק יכולים להפיק הספקים הנעים בין כמה מיליוואט ועד קילוואטים רבים בדגמים עתירי הספק. הלייזרים הללו מוזנים אופטית על ידי מנורות הבזק (flash lamps) או מנורות קשת (arc lamps) . מקורות עירור אלה מספקים הספק גבוה, אך מובילים לנצילות אנרגיה נמוכה, זמן חיים בינוני, והשפעות תרמיות חזקות כגון עדשה תרמית בחומר המגבר. לייזר מצב מוצק מורכב משני רכיבים עיקריים: חומר מארח מוצק ויון פעיל שתחום בתוך החומר המארח. תרשים המבנה של לייזר מצב מוצק מוצג באיור 3.
איור 3: תרשים סכמתי של לייזר מצב מוצק
4. מערכת לייזר גז
בלייזרים גזיים, חומר הלזירה מורכב מגז אחד או מתערובת של גזים או אדים. ניתן לסווג לייזרי גז לפי סוג המעברים שמובילים לפעולתם: אטומיים או מולקולריים. הלייזר הגזי הנפוץ ביותר הוא לייזר הליום-ניאון (He-Ne). העובדה שלייזר זה מכיל שני יסודות אטומיים (הליום וניאון) עשויה לרמז שמדובר במולקולה, אך למעשה שני האטומים הללו אינם יוצרים מולקולה יציבה. לזירה מגז חנקן מולקולרי משמשת ביישומים מדעיים ותעשייתיים רבים. לייזר חנקן, הפועל על ידי פריקה חשמלית, פועל בטווח רחב של לחצי גז – ממספר מיליבר ועד לחץ אטמוספרי – ובקצבי חזרה הנעים מכמה הרצים ועד אלפי הרצים (קילוהרץ). הלזירה מאותחלת מרחוק מגזים מולקולרים ע”י פילמנט פנטושניה (femtosecond filaments).
איור 4: סכמת מבנה של לייזר גז
מקורות
- Aluf, Advance Elements of Laser Circuits and Systems: Nonlinearity Application in Engineering, Springer, 2021, ISBN: 978-3-030-64102-3.
http://www.springer.com/gp/book/9783030641023
