تكنولوجيا الليزر

  I. مقدمة

  لقد لعب الضوء دوراً مركزياً في دراسة الفيزياء والكيمياء والبيولوجيا. الضوء هو مفتاح كل من تطور الكون وتطور الحياة على الأرض. لقد تم اكتشاف هذا القرن شكلاً جديدًا من الضوء ، ضوء الليزر ، على كوكبنا الصغير ، ويسهِّل بالفعل تحولًا عالميًا للمعلومات ، بالإضافة إلى تقديم مساهمات مهمة في الطب ، ومعالجة المواد الصناعية ، وتخزين البيانات ، والطباعة ، والدقة. ستتتبع هذه المراجعة التطورات في العلوم والتكنولوجيا التي أدت إلى اختراع الليزر وتعطي بعض الأمثلة عن كيفية مساهمة الليزر في كل من التطبيقات التكنولوجية والتقدم في العلوم الأساسية. هناك العديد من المصادر الممتازة الأخرى التي تغطي جوانب مختلفة من الليزر وتقنية الليزر بما في ذلك المقالات من الذكرى السنوية الـ 25 للليزر (Ausu- bell and Langford، 1987) والكتب المدرسية (على سبيل المثال ، Siegman، 1986؛ Agrawal and Dutta، 1993؛ جاهز ، 1997).

  يتم تحقيق تضخيم الضوء عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز (LASER) عن طريق إثارة الأنماط الإلكترونية ، أو الاهتزازية ، أو الدورانية ، أو التعاونية للمادة إلى حالة nonquilibrium بحيث يتم تضخيم الفوتونات التي تنتشر عبر النظام بشكل متماسك بواسطة انبعاث محفز. يمكن تحقيق إثارة هذا الكسب البصري باستخدام الإشعاع الضوئي ، التيار الكهربائي والتصريف ، أو التفاعلات الكيميائية. يتم وضع وسط التضخيم في بنية رنانة بصرية ، على سبيل المثال بين اثنين من المرايا عاكسة عالية في تكوين التداخل فابري بيرو. عندما يتجاوز الكسب في رقم الفوتون لوضع بصري لمرنان التجويف خسارة التجويف ، وكذلك الخسارة الناتجة عن عمليات الاستغراق والامتصاص ، يزداد اتساع حالة الاتساق للوضع إلى مستوى يكون فيه رقم الفوتون المتوسط ​​في الصيغة أكبر من واحد. عند مستويات المضخة فوق هذه العتبة ، يكون النظام ليزير ويحفز الانبعاث على الانبعاث التلقائي. يقترن شعاع الليزر عادة من المرنان بواسطة مرآة مرسلة جزئيا. وتشمل الخصائص المفيدة بشكل رائع لإشعاع الليزر التماسك المكاني ، والانبعاث الطيفي الضيق ، والطاقة العالية ، والأوضاع المكانية المحددة بشكل جيد بحيث يمكن تركيز الحزمة على حجم بقعة محدودة حيود من أجل تحقيق كثافة عالية للغاية. إن الكفاءة العالية لتوليد الضوء بالليزر مهمة في العديد من التطبيقات التي تتطلب مدخلات طاقة منخفضة وحد أدنى من توليد الحرارة.

  عندما يتم الكشف عن شعاع ليزر متجانس باستخدام تقنيات العد الفوتوني ، فإن توزيع العد الفوتوني في الوقت هو Poissonian. على سبيل المثال ، يبدو صوت ناتج من كشاف ضوئي عالي الكفاءة يكشف عن حقل ليزري مثل المطر في مطر غزير مطرد. يمكن تعديل هذا الضجيج الليزري في حالات خاصة ، على سبيل المثال ، عن طريق ضخ تيار ثابت من ليزر ديود للحصول على حالة رقم مضغوط حيث تبدو الفوتونات المكتشفة أشبه بمدفع رشاش أكثر من المطر.

يتحقق مكبر للصوت بصريًا إذا لم يكن وسيط الكسب في تجويف رنيني. مكبرات الصوت الضوئية يمكن تحقيق مكاسب عالية جدا وانخفاض الضوضاء. وفي الواقع ، يوجد في الوقت الحاضر أرقام ضوضاء في حدود dB قليلة من حد الضوضاء الكمومية البالغ dB 3 لمضخم خطي غير حساس ، أي أنها تضيف أكثر بقليل من عامل من اثنين إلى قوة ضوضاء إشارة دخل. يمكن ضبط مكبرات الصوت البارامترية البصرية (OPAs) ، حيث يتحقق كسب الإشارة بواسطة اقتران غير خطي لحقل مضخة ذي أوضاع إشارة ، لإضافة أقل من 3 dB من الضوضاء إلى إشارة دخل. في OPA يمكن التحكم في الضوضاء المضافة إلى إشارة الدخل بضجيج المضخة ويمكن أن تكون الضجيج التي تساهم بها حزمة مضخة الليزر صغيرة بشكل ضئيل مقارنة بالسعة الكبيرة لحقل المضخة.

  II.HISTORY

قدم آينشتاين (1917) أول فكرة أساسية للليزر ، والانبعاث المحفّز. لماذا لم يتم اختراع الليزر في بداية القرن؟ يركز الكثير من الأعمال المبكرة على الانبعاث المحفّز على الأنظمة القريبة من التوازن ، والليزر هو نظام شديد النقصان. في وقت لاحق ، يمكن بسهولة تصور الليزر وتوضيحه باستخدام تفريغ الغاز خلال فترة الدراسات الطيفية المكثفة من 1925 إلى 1940. ومع ذلك ، فقد استغرق تكنولوجيا الموجات الصغرية المتقدمة خلال الحرب العالمية الثانية لخلق جو لمفهوم الليزر. تصور تشارلز تاونز ومجموعته في كولومبيا فكرة maser (تضخيم الموجات الميكروية بالإشعاع المثير للإشعاع) ، استناداً إلى خلفيتهم في تكنولوجيا الموجات الصغرية والاهتمام بهم في التحليل الطيفي عالي الدقة للميكروويف. تطورت أفكار ماس مماثلة في موسكو (باسوف وبروخوروف ، 1954) وفي جامعة ميريلاند (ويبر ، 1953). استند أول جرس لامع تجريبي في جامعة كولومبيا (جوردون وآخرون ، 1954 ، 1955) على شعاع جزيئي الأمونيا. أسفرت أفكار Bloembergen لتحقيق مكاسب في ثلاثة مستويات أنظمة في أول مكبرات الصوت في جهاز روبي. هذه الأجهزة لها أرقام ضجيج قريبة جدا من الحد الكمي وتم استخدامها من قبل Penzias و Wilson في اكتشاف إشعاع الخلفية الكونية.

  كانت تاونز واثقة من أن مفهوم الجلاد يمكن أن يمتد إلى المنطقة البصرية (تاونز ، 1995). ولدت فكرة الليزر (Schawlow and Townes، 1958) عندما ناقش الفكرة مع Arthur Schawlow ، الذي كان مفهوما أن أنماط الرنانات لمقياس فابري-بيرو يمكن أن تقلل من عدد الأنماط التي تتفاعل مع المادة المكتسبة بالترتيب. لتحقيق مكاسب عالية لوضع فردي. أول ليزر تم عرضه في مصباح فلاش من الكريستال روبي من قبل تيد ميمان في مختبرات هيوز للأبحاث (ميمان ، 1960). بعد فترة وجيزة من عرض الليزر البلوري النبضي ، تم إزالة ليزر تسريب الغاز الموجه (CW) He: Ne في مختبرات Bell (Javan et al. ، 1961) ، أولاً عند 1.13 andm ولاحقًا عند 632.8 نانومتر أحمر الطول الموجي lasing الانتقال. مقالة ممتازة عن ولادة الليزر منشورة في عدد خاص من مجلة Physics Today (برومبرغ ، 1988).

  بدأ جهاز الليزر والمايزر مجال الإلكترونيات الكوانتية التي تغطي تخصصات الفيزياء والهندسة الكهربائية. بالنسبة للفيزيائيين الذين كانوا يفكرون في المقام الأول من حيث الفوتونات ، كان من الصعب فهم بعض مفاهيم الليزر بدون مفاهيم موجات متماسكة معروفة في مجتمع الهندسة الكهربائية. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون خط العرض الليزري أضيق بكثير من الحد الذي قد يعتقد المرء أنه يفرضه على الحياة التلقائية للانتقال الليزري. فاز تشارلز تاونز بزجاجة من السكوتش على هذه النقطة من زميل له في كولومبيا. كما يبرهن الليزر والمازير بشكل جميل على تبادل الأفكار والزخم بين الصناعة والحكومة والبحث الجامعي.

  في البداية ، خلال الفترة من عام 1961 إلى عام 1975 كانت هناك تطبيقات قليلة للليزر. كان الحل يبحث عن مشكلة. منذ منتصف 1970s كان هناك نمو هائل في تكنولوجيا الليزر للتطبيقات الصناعية.

نتيجة لهذا التطور التكنولوجي ، جيل جديد من أشعة الليزر بما في ذلك ليزر أشباه الموصلات ، ليزر صباغة ، وضع فائق السرعة مؤمناً Ti: الياقوت الأزرق ، مذبذبات المعلمات البصرية ، ومكبرات الصوت البارامترية تسهل حاليًا عمليات بحث جديدة في الفيزياء والكيمياء وعلم الأحياء.

  III.LASERS في الجزء السفلي من القرن

  ينص "القانون" الخاص بـ Schawlow على أن كل شيء يتسكع إذا تم ضخه بقوة كافية. وبالفعل تم عرض آلاف من المواد على شكل ليزر ومضخمات ضوئية مما أدى إلى نطاق واسع من أحجام الليزر ، أطوال الموجات ، أطوال النبضة ، والسلطات. تتراوح أطوال الموجات بالليزر من الأشعة تحت الحمراء البعيدة إلى منطقة الأشعة السينية. تتوفر نبضات ضوئية بالليزر قصيرة بقدر بضع فمتوثانية للبحث في ديناميات المواد. يتم الآن تحقيق قوى الذروة في نطاق بيتاوات بتضخيم نبضات الفيمتو ثانية. عندما تتركز مستويات الطاقة هذه في بقعة محدودة حيود ، تقترب الشدة من 1023 واط / سم 2. يتم تسريع الإلكترونات في هذه المجالات الشديدة إلى النطاق النسبي خلال دورة بصرية واحدة ، ويمكن دراسة الآثار الكهربية الكهربية المثيرة للاهتمام. تتم مراجعة فيزياء نبضات الليزر فائقة القصر هذه السلسلة المئوية (Bloembergen، 1999).

  من الأمثلة الحديثة على ليزر كبير قوي هو الليزر الكيميائي القائم على انتقال اليود في موجة طولها 1.3 ميكرومتر والتي تم تصورها كسلاح دفاعي (Forden، 1997). ويمكن تركيبه في طائرة بوينج 747 وسيولد قوة متوسطة تبلغ 3 ميغاوات ، أي ما يعادل 30 مشعل أستيل. تتيح التطورات الجديدة في المرايا العازلة عالية الجودة والمرايا القابلة للتشوه أن يتم تركيز هذه الحزمة المكثفة بشكل موثوق على صاروخ صغير يحمل عوامل بيولوجية أو كيميائية ويدمرها من مسافات تصل إلى 100 كم. يمكن أن يتم هذا الهجوم "الحروب" خلال مرحلة إطلاق الصاروخ المستهدف بحيث تتراجع أجزاء من الصاروخ المدمر على منصة الإطلاق ، وهو رادع جيد لهذه الأسلحة الشريرة. قد يستخدم الكابتن كيرك ومشروع المركبة الفضائية هذه اللعبة على Klingons!

  في الطرف الآخر من نطاق حجم الليزر ، تكون الليزرات الدقيقة صغيرة جدًا بحيث لا يتم احتوائها إلا على عدد قليل من الأنماط البصرية في مرنان ذي حجم في نطاق فيمتوليتر. يمكن أن تأخذ هذه الرنانات شكل حلقات أو أقراص فقط بضعة ميكرونات في القطر تستخدم انعكاس داخلي كليًا بدلاً من مرايا كومة عازلة تقليدية من أجل الحصول على انعكاسية عالية. تستخدم تجاويف فابري بيرود فقط جزءًا من طول الميكرون لـ VCSELs (أشعة الليزر التي تجويف السطح العمودي) التي تولد حزم بصرية عالية الجودة يمكن أن تقترن بشكل فعال بالألياف البصرية (Choquette and Hou، 1997). قد تجد VCSEL تطبيق واسع النطاق في ارتباطات البيانات البصرية.

  تظهر مبيعات الليزر العالمية في الأسواق التجارية الرئيسية لعام 1997 (Anderson، 1998؛ Steele، 1998) بشكل تخطيطي في الشكل 1. بلغ إجمالي مبيعات الليزر 3.2 مليار دولار وبمعدل نمو سنوي يبلغ 27٪ تقريبًا سيتجاوز 5 مليارات دولار بحلول عام 2000. التوزيع العالمي لمبيعات الليزر هو 60 ٪ في الولايات المتحدة ، و 20 ٪ في أوروبا ، و 20 ٪ في المحيط الهادئ. وتمثل أشباه ليزر دايود شبه الموصل ما يقرب من 57٪ من سوق الليزر في عام 1997. وتمثل ليزر الصمام الثنائي في الاتصالات وحدها 30٪ من إجمالي السوق.

تعتبر معالجة المواد ثاني أكبر سوق مع تطبيقات مثل اللحام ، اللحام ، الزخرفة ، وقطع الأقمشة. ليزر ثاني أكسيد الكربون مع متوسط ​​القوى في نطاق 100 واط لجزء كبير من الإيرادات في هذه الفئة. يوجد ليزر ديود ذو طاقة عالية بمستويات خرج طاقة يتراوح بين 1 و 20 واط وأطوال موجية في نطاق 750 إلى 980 نانومتر ، ويجد الآن مجموعة واسعة من التطبيقات في معالجة المواد ، بالإضافة إلى التطبيقات العينية والجراحية ، والأجهزة ، والاستشعار.

  النمو في تطبيقات الليزر الطبية يرجع إلى حد كبير إلى إجراءات الليزر التجميلية مثل تقشير البشرة وإزالة الشعر. لا يزال يستخدم جزء كبير من الليزرات الطبية في تطبيقات طب العيون والجراحة العامة.

  تضاعف التردد Nd: YAG ليزر وأنظمة ليزر ديود تحل محل ليزر الأرجون في طب العيون. يتم استخدام ليزر جديد ، بما في ذلك ليزر YAG erbiumdoped ، على نطاق واسع في طب الأمراض الجلدية ، طب الأسنان ، وطب العيون.

  ويمثل التخزين الضوئي 10٪ من السوق حيث يجد المرء الليزرات المستخدمة في مشغلات الأقراص المدمجة (CD) لكل من أسواق الترفيه والكمبيوتر. يتم تصنيع ليزر أشباه الموصلات GaAs بأطوال موجية 800 nm لهذه التطبيقات بكفاءة عالية اليوم إلى أن تكاليف الليزر تنخفض إلى ما يقرب من 1 دولار لكل منها. تم بيع ما يزيد عن 200 مليون ليزر ديود ، بأطوال موجية تتراوح بين 750 و 980 نانومتر وقوى بضعة ميلوات ، للتخزين الضوئي في عام 1997.

 سيؤدي ظهور أقراص الفيديو الرقمية (DVDs) مع 4.7 غيغابايت من سعة التخزين والليزر الأزرق الصمام الثنائي (DenBaars ، 1997) إلى مزيد من النمو في هذا المجال.

  وتشمل تطبيقات الليزر لتسجيل الصور طابعات الكمبيوتر المكتبية وآلات الفاكس وآلات النسخ والطباعة التجارية (Gibbs، 1998). يتم استخدام أشعة الليزر ثنائية الاتجاه ذات الطاقة المنخفضة ، والتي يبلغ طولها ما بين 780 و 670 نانومتر ، في مسجلات الصور المستخدمة لإنتاج أفلام كولسينتباريشن ذات حساسية عالية في نطاق الطول الموجي هذا. تم دمج تقنية الطباعة الملونة القائمة على الليزر مع برنامج النشر المكتبي للسماح بتصميمات صفحات عالية الجودة. الكمبيوتر لتكنولوجيا لوحة تطور مهم آخر في الطباعة. ﯾﺗم ﺗﺻوﯾر ﺳطﺢ ﻟوﺣﺎت اﻟطﺑﺎﻋﺔ ﻣﺑﺎﺷرة ﻣن ﺧﻼل ﺗﻌرﯾﺿﮫ ﺑﺷﻌﺎع اﻟﻟﯾزر ﺑدﻻً ﻣن اﺳﺗﺧدام ﻓﺻل اﻷﻟوان اﻟﻘﺎﺋﻣﺔ ﻋﻟﯽ اﻟﻔﯾﻟم. ﻋﻠﻰ ﺳﺒﻴﻞ اﻟﻤﺜﺎل ، ﻳﻤﻜﻦ ﻓﺼﻞ اﻷﻟﻮاح اﻟﻤﻄﻠﻴﺔ اﻟﻤﺼﻨﻮﻋﺔ ﻣﻦ اﻟﻔﻮﺗﻮروﺑﺮﻳﻮم ﺑﻀﺦ اﻟﺪﻳﻮدوﻳﻦ اﻟﻤﻀﺎﻋﻒ اﻟﺘﻜﺮار اﻟﻤﻀﺨﻢ Nd: YAG ﺑﻄﻮل ﻣﻮﺟﻲ ﻳﺒﻠﻎ 532 ﻧﺎﻧﻮﻣﺘﺮ. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير لوحات حساسة للحرارة للاستخدام مع أشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء.

  وتشمل أسواق الليزر للاستشعار عن بعد تجنب اصطدام السيارات ، والكشف عن المواد الكيميائية في الغلاف الجوي ، والكشف عن حركة الهواء. يوفر نطاق الليزر خرائط الارتفاع التفصيلية للأرض بما في ذلك حركات كتلة اليابسة والكتلة الحيوية والسحابة والتغطية بالضباب وتطور الغطاء الجليدي. الليزر الذي يتراوح من الأقمار الصناعية يمكن أن يحقق دقة تحت الأرض لميزات الارتفاع وحركة كتلة اليابسة على الأرض. القمر ، المريخ ، والكواكب الأخرى يتم تخطيطها أيضاً بواسطة الليزر. بالنسبة للكواكب ، تتراوح دقة القياس بين الأمتار والسنتيمترات. وقد تم في الآونة الأخيرة رسم خرائط للميزات التفصيلية للغطاء الجليدي على سطح المريخ وكذلك الغيوم القريبة من حافة الغطاء الجليدي.

إن تطبيقات الليزر في الأبحاث ومسح الباركود والتفتيش والفن والترفيه هي أسواق صغيرة ولكنها كبيرة. أما الليزرات التي بيعت لأبحاث أساسية في عام 1997 فقد بلغت إيراداتها 132 مليون دولار. يتم استخدام استهلاك الطاقة المنخفض ، ومصادر الصمام الثنائي المضاعفة التردد التي تصدر في اللون الأخضر عند مستويات الطاقة بالقرب من 10 واط ، مثل ليزرات المضخة لليزرات التي يمكن ضبطها بالتردد مثل ليزر الياقوت Ti: ومكبرات الصوت الضوئية. حتى أن الليزر البحثي على سطح المنضدة يمكن أن يصل إلى نظام الطاقة ذروة البيتووات مع مضخمات بصرية كبيرة الحجم. وتؤدي هذه النبضات القصيرة للغاية والقابلة للانضغاط إلى التقدم في العديد من المجالات البحثية.

  IV.LASERS IN COMMUNICATIONS

  أحدثت مصادر الضوء بالليزر ثورة في صناعة الاتصالات. زادت الاتصالات الصوتية من الطلب على قدرة نقل المعلومات بوتيرة ثابتة حتى منتصف السبعينيات. كان الوقت المضاعف لطاقة الإرسال خلال هذه الفترة حوالي 8 سنوات. وكان معدل البيانات الأساسي يتراوح بين 10 و kHz 80 استناداً إلى الإرسال الصوتي. خلال هذه الفترة كانت أولى أسلاك النحاس ثم الميكروويف هي تقنيات الاتصالات الأساسية. ثم في ثمانينيات القرن العشرين ، بدأت زيادة في معدل المعلومات المتفجرة ، مع إضافة البيانات والفاكس والصور إلى تدفق المعلومات. تم تطوير التكنولوجيا الجديدة للاتصالات البصرية باستخدام مصادر ضوء الليزر لمواكبة هذا الطلب الجديد. أدى ظهور الإنترنت العالمي إلى انفجار مفاجئ أكثر في الطلب على السعة. في مصدر البيانات ، تستخدم محطات الكمبيوتر للوصول إلى الإنترنت في المنازل والشركات في جميع أنحاء العالم ، مما يؤدي إلى معدلات بيانات آخذة في الزيادة باطراد. مع اقتراب معدلات الكمبيوتر في محطة العمل 1000 MIPS ، ستكون هناك حاجة إلى وصلات الاتصالات الليفية إلى الكمبيوتر في نطاق 1000 ميجا بايت / ثانية. لاحظ مصادفة هذه المعدلات وأن كلاهما يزداد أضعافا مضاعفة. من الواضح أنه سيستمر الطلب المتزايد بشكل كبير على قدرة نقل المعلومات. واستجابة لهذا الطلب ، زادت قدرة المعلومات على ألياف بصرية واحدة خلال السنوات الأربع الماضية ، بين 1994 و 1998 ، 160 مرة في الأنظمة التجارية من 2.5 جيجابت / ثانية إلى 400 جيجابت / ثانية.

  وقد تم تحقيق هذه الزيادة المذهلة باستخدام ما يصل إلى 100 طول موجي ليزر مختلف (مضاعفة تقسيم الطول الموجي الكثيف ، DWDM) على كل ليف. زادت معدلات البيانات عند طول موجة واحدة من عشرات ميغابت / ثانية في السبعينات إلى 10 غيغابت / ثانية في الوقت الحاضر ، ومن المحتمل أن يكون 40 غيغابت / ثانية قيد الاستخدام قبل نهاية القرن.

  إن ثورة المعلومات هذه تعيد تشكيل المجتمع العالمي بنفس القوة التي أعادت بها ثورة الصحافة الطباعية والثورة الصناعية تشكيل عالمهم. اثنين من التقنيات الأساسية التي تدعم ثورة المعلومات هي ليزر دايود شبه الموصل والمضخم الضوئي للألياف المشبعة بالإربيوم. إن الضوضاء المنخفضة والكثافة العالية وعروض الخطوط الضيقة المرتبطة بمذبذبات ومضخمات الليزر ضرورية للغاية لنظم الاتصالات بالليف البصري. إن عرض النطاق الترددي الواسع غير المتماسك مثل الثنائيات الباعثة للضوء أو المصادر الحرارية لا يقصر عن الكثافة المطلوبة وخط العرض الطيفي في العديد من المرات من حيث الحجم.

تم عرض ثنائيات ليزر أشباه الموصلات لأول مرة في عام 1962 في مختبرات جنرال إلكتريك ، وآي بي إم ، ولينكولن كأجهزة متجانسة تعتمد على المواد III-V. يمكن العثور على تاريخ من هذه الليزرات والمراجع ذات الثنائيات المبكرة في Agrawal و Dutta (1993) .عندما تم إجراء أول درجة حرارة متباينة في GaAs / AlGaAs ، تم تشغيل ليزر دايود الموجي المستمر في عام 1970 بواسطة Hayashi و Panish (Hayashi et al.، 1970) في بيل مختبرات وفيرفوف (الفيروف وآخرون ، 1970) في روسيا ، تم قياس أعمارهم في غضون دقائق. ازدادت اعتمادية ليزر الديود بشكل كبير منذ ذلك الوقت. ويقدر عمر الليزر ديود في الوقت الحاضر أن مئات السنين ، وثبات الطول الموجي أكبر من 0.1 نانومتر خلال فترة 25 سنة. هذه الثغرات المدهشة ضرورية لأنظمة DWDM الجديدة مع أكثر من 100 قناة طول الموجة تمتد لنطاقات الطول الموجي 100 نانومتر. مع زيادة الطول الموجي الأمثل لفقدان منخفض في ألياف السيليكا في طول موجة من 800 نانومتر إلى 1500 نانومتر خلال 1970s ، الأطوال الموجية ليزر ديود تليها تتطور من GaAs إلى نظام InGaAsP. خلال أواخر الثمانينات وأوائل التسعينات ، استبدلت الآبار الكمومية أشباه الموصلات في منطقة الكسب البصري النشط من أجل تحسين خصائص التشغيل بالليزر. يعرض الشكل 2 مخططًا تخطيطيًا لليزر ذي الصمام الثنائي المتصل بالاتصالات السلكية واللاسلكية في الوقت الحاضر والمدمج مع مُشِكِل امتصاص كهربائي. ويتم قياس الأبعاد الكلية أقل من 1 ملم. وتحدد منطقة مؤشر الانكسار المرتفعة ودوارة التغذية المرتدة الموزعة (DFB) ، أسفل الآبار الكمومية النشطة ، التجويف البصري الليزري وطول موجة الليزر ، على التوالي.

  كما تعتمد أنظمة اتصالات الألياف الضوئية بقوة على مضخم الألياف المشبعة بالإربيوم الذي تم تطويره في أواخر الثمانينات (Urquhart، 1988). هذه مكبرات الصوت لديها عالية

تين. 2. رسم تخطيطي لثنائي ليزر ليزر أشباه الموصلات مع مُغيِّر الإمتصاص الكهربائي المستخدم في أنظمة الاتصالات البصرية. (بإذن من آر. إل. هارتمان ، لوسنت تكنولوجيز) ، عادة ما تكون قريبة من 25 ديسيبل ، وأرقام ضوضاء منخفضة بالقرب من حد الضوضاء الكمومية البالغ 3 ديسيبل لمضخم الصوت غير الطوري في الطور. ويمكن تحقيق مكاسب في مكبرات الصوت هذه عبر عروض نطاق تصل إلى 100 نانومتر ، تغطي ما يقرب من ربع نافذة الألياف السيليكا منخفضة الخسارة بين 1.2 و 1.6 ميكرومتر. يمكن جعل أنظمة الألياف الضوئية "شفافية" على مدى آلاف الكيلومترات باستخدام مضخمات الألياف erbiumdoped متباعدة بمسافات حوالي 80 كم ، حيث تقارب الألياف 20 ديسيبل.

  مع اقتراب نهاية القرن ، نقترب بسرعة من الحدود المادية الأساسية للليزرات ومكبرات الصوت البصرية وألياف السيليكا. خطوط العرض بالليزر في نطاق 10 ميغاهرتز ، محدودة بسبب تقلبات الانبعاثات العفوية الأساسية وكسب اقتران مؤشر في مواد أشباه الموصلات. يقترب عدد الفوتونات في معلومة معلومة من الحد الأساسي لما يقرب من 60 فوتونا مطلوبة عند استخدام حقول ضوء الليزر المترابط من أجل الحفاظ على معدل خطأ أقل من جزء واحد في 109. كفاءة استخدام عرض نطاق ترددي بمعدل 1 بت / وقد ثبت مؤخرا ثانية / هرتز. لا تغطي عروض نطاق المضخم البصري بعد عرض 400 نانومتر من النافذة الليفية ذات الخسارة المنخفضة ، ولكنها تتوسع بسرعة. فالحدود الأساسية التي تفرضها التشوهات اللاخطية والتشتت في ألياف السيليكا تجعل عملية النقل بمعدلات بيانات أكثر من 40 غيغابت / ثانية صعبة للغاية على مسافات طويلة. يمكن استخدام solitons ضوئية لموازنة هذه التشوهات ، ولكن حتى مع solitons تبقى حدود أساسية لمعدل بت عالي ، أنظمة متعددة الطول الموجي. حدود سعة القناة المفروضة من قبل نظرية المعلومات هي في الأفق. من الواضح أن هناك تحديًا في القرون القادمة للعثور على مزيد من المعلومات حول قدرة الإرسال على الرغبة المتنامية في التواصل.

خامسا - تصنيع المواد وتقييدها

  يتم استخدام ليزر CO2 و Nd: YAG عالي الطاقة لمجموعة متنوعة من تطبيقات النقش ، القطع ، اللحام ، اللحام ، والنماذج ثلاثية الأبعاد. إن أشعة الليزر CO2 المحززة ، المحجوزة ، متوفرة تجارياً ولديها صلاحيات ناتجة في نطاق من 10 إلى 600 واط ولها عمر يزيد عن 000 10 ساعة. تتضمن تطبيقات القطع بالليزر شراعية ، ومظلات ، ومنسوجات ، وأكياس هوائية ، ودانتيل. إن عملية القطع سريعة ودقيقة للغاية ، ولا يوجد تفريق في الحافة ، ويتم الحصول على حافة مدمجة نظيفة تقضي على تشويه المادة. تصمم التصاميم المعقدة في الخشب والزجاج والاكريليك والطوابع المطاطية ولوحات الطباعة والبلاستيكات الزجاجية واللافتات والجوانات والورق. تصنع نماذج ثلاثية الأبعاد بسرعة من البلاستيك أو الخشب باستخدام ملف الكمبيوتر CAD (التصميم بمساعدة الكمبيوتر).

  الليزرات الليفية (روسي ، 1997) هي إضافة حديثة إلى مجال معالجة المواد. تم عرض ليزر الليف الأول في مختبرات Bell باستخدام ألياف كريستالية في محاولة لتطوير أشعة الليزر لاتصالات الموجات الضوئية تحت سطح البحر. وسرعان ما طورت ليزرات الليف السيليكا المنصهرة. خلال أواخر الثمانينات من القرن العشرين ، ابتكر الباحثون في شركة Polaroid Corp. وفي جامعة Southampton أجهزة ليزر الليف الضخامة. ويساعد الزجاج المحيط بالنواة التوجيهية في هذه الليزرات على توجيه الضوء في قلب الوضع المفرد وكمرسل متعدد الأنودات لضوء المضخة الذي يقتصر انتشاره على الكسوة الداخلية من خلال تكسر بوليمر خارجي منخفض الانكسار. تستعمل أنظمة التشغيل النموذجية حاليًا قضيب ليزر ديود 20 واط متعدد الأوضاع يتزاوج بكفاءة في منطقة الكسوة الداخلية ذات القطر الكبير ويتم امتصاصه بواسطة المنطقة الأساسية المشبعة على طولها (عادة 50 م). يمكن أن تكون dopants في قلب الألياف التي توفر الكسب هي الإربيوم لمنطقة الطول الموجي 1.5 أوم أو الإيتربيوم لمنطقة 1.1 ميكرومتر. يتم ترسيب مرايا تجويف عالية الجودة مباشرة على أطراف الألياف. هذه الليزرات الليفية هي فعالة للغاية ، مع الكفاءة العالية تصل إلى 60 ٪. جودة الشعاع وكفاءة التسليم ممتازة لأن المخرج يتكون كإخراج وضع واحد للألياف. تتمتع هذه الليزرات الآن بقدرات إنتاج في نطاق 10 إلى 40 واط وأوقات حياة تصل إلى 5000 ساعة تقريبًا. وتشمل التطبيقات الحالية لهذه الليزرات المكوِّنات الميكانيكية الصغرية ، وقطع أجزاء من الصلب غير القابل للصدأ بسماكة تتراوح من 25 إلى 50 ميكرومتر ، والتلحيم اللاصق ، واللحام للأجزاء الميكانيكية المعقدة ، ووضع علامات على المكونات البلاستيكية والمعدنية ، وطباعتها.

  وبدأت ليزرات (Excimer) في لعب دور رئيسي في الطباعة الضوئية المستخدمة في تصنيع رقائق VLSI (دارة متكاملة كبيرة الحجم). ومع انخفاض قواعد التصميم IC (من الدوائر المتكاملة) من 0.35 ميكرومتر (1995) إلى 0.13 ميكرومتر (2002) ، يجب أن يقل الطول الموجي لمصدر الضوء المستخدم في الزخرفة الليثوغرافية الضوئية من 400 نانومتر إلى أقل من 200 نانومتر. وأثناء أوائل التسعينات ، أنتج الإشعاع القوسي الزئبقي طاقة كافية بأطوال موجية قصيرة بما فيه الكفاية تبلغ 436 نانومتر و 365 نانومتر لمعدلات إنتاج عالية لأجهزة IC مزخرفة بقواعد تصميم تبلغ 0.5 ميكرومتر و 0.35 ميكرومتر على التوالي. مع إغلاق القرن مصادر ليزر excimer مع متوسط ​​قدرة الإخراج في نطاق 200 W تحل محل أقواس الزئبق. خطوط عرض الليزر excimer واسعة بما فيه الكفاية لمنع تشكيل نمط رقطة ، ولكن ضيق بما فيه الكفاية ، وعرضه أقل من 2 نانومتر الطول الموجي ، لتجنب المشاكل الرئيسية مع التشتت في التصوير البصري. يعتمد إشعاع ليزر اكسيمر الفلوريد (KF) (KF) عند طول موجة 248 نانومتر على تصميم قواعد 0.25 ميكرومتر ، ومن المحتمل أن يتم استخدام انتقال ليزر ARF في 193 نانومتر بدءًا من قواعد التصميم البالغة 0.18 ميكرومتر. حتى في قواعد التصميم الأصغر ، إلى 0.1 ميكرومتر بحلول عام 2008 ، فإن الطول الموجي ليزر F2 excimer عند 157 نانومتر هو مرشح محتمل ، على الرغم من عدم وجود مقاومة للضوء طورت لهذا الطول الموجي في الوقت الحاضر. إن القوى العاملة الأعلى لليزرات الحالة الصلبة هي أيضًا احتمالات كمصادر UV عالية الطاقة. حتى في الأطوال الموجية الأقصر ، من الصعب جدًا على العناصر البصرية والمصورين أن يفيوا بمتطلبات أنظمة الطباعة الحجرية. لا يزال يجري النظر في الحزم الإلكترونية والأشعة السينية وأشعة السنكروترون لقواعد التصميم 70 نانومتر المتوقعة لعام 2010 وما بعده.

VI.LASERS IN MEDICINE

  يتم استخدام الليزر بأطوال موجية من الأشعة تحت الحمراء عبر الأشعة فوق البنفسجية في الطب لكل من التطبيقات التشخيصية والعلاجية (دويتش ، 1997). يتفاعل الليزر مع الأنسجة غير المتجانسة من خلال الامتصاص والتشتت.

  ممتصات تشمل صبغة الجلد الميلانين ، والهيموغلوبين في الدم ، والبروتينات. في الطول الموجي أطول من 1 ميكرومتر الممتص الأساسي هو الماء. يمكن أيضا إدخال الأصباغ في الأنسجة من أجل الامتصاص الانتقائي. على سبيل المثال ، في العلاج الضوئي الديناميكي ، يمكن إدخال مضادات الحساسية الصبغة الدموية التي تمتص في نطاق 630 نانومتر إلى 650 نانومتر الطول الموجي في النظام وتستخدم لعلاج أورام السرطان بالتشعيع بالليزر المحلي في المسالك البولية أو المريء. التناثر في الأنسجة يحد من تغلغل الإشعاع ؛ على سبيل المثال ، عند طول موجة من حدود تشتت ميكرومتر 1 ، فإن عمق الاختراق يصل إلى بضعة ملليمترات. تتم دراسة عمليات التشتت على أمل الحصول على أعمار إيم عالية الدقة لفحص سرطان الثدي. يعتمد تفاعل الليزر مع الأنسجة على ما إذا كان الليزر نابضًا أم CW. يمكن استخدام نبضات الليزر القصيرة حيث لا يحدث أي انتشار حراري أثناء النبض لضبط عمق تأثيرات الليزر. يتم استخدام هذه الظاهرة جنبا إلى جنب مع ضبط انتقائي لطول الموجة الليزر في الأمراض الجلدية لعلاج الآفات الجلدية وفي إزالة الأوردة العنكبوت والوشم والشعر. تلعب التفاعلات غير الخطية دورًا مهمًا أيضًا. على سبيل المثال ، يتم استخدام كسر الليزر المستحثة لتفتيت حصى الكلى والمرارة.

  بما أن داخل العين يمكن الوصول إليه بسهولة باستخدام الضوء ، كانت التطبيقات العينية أول استخدام واسع الانتشار لليزر في الطب. وقد استخدمت الآن ليزر الأرجون لسنوات عديدة لعلاج انفصال الشبكية والنزيف من الأوعية الشبكية. إن انتشار ليزر ليزر ثاني أكسيد الكربون و Nd: YAG على نطاق واسع هو الذي يقطع الأنسجة بينما يخثر في الوقت نفسه الأوعية الدموية مما أدى إلى استخدامها المبكر في الجراحة العامة. تم إدخال ليزر YAG مؤخراً لاستخدامه في طب الأسنان مع وعد بحدوث انخفاض كبير في الألم ، وبالتأكيد مساهمةً رائعة من تكنولوجيا الليزر.

  تتكاثر الإجراءات التشخيصية باستخدام الليزر بسرعة. تستخدم بعض التقنيات على نطاق واسع في الممارسة السريرية. على سبيل المثال ، يستخدم مقياس التدفق الخلوي حزمة من أشعة الليزر المركزة لإثارة تألق الجزيئات الخلوية أو الجزيئات المتدفقة في السائل عبر فوهة. يمكن استخدام إشارات الفلورسنت المقاسة لفرز الخلايا أو تحليلها. وتشمل التطبيقات السريرية الروتينية لقياس التدفق الخلوي immunophenotyping وقياس محتوى الحمض النووي. يتم استخدام أجهزة قياس التدفق الخلوي لفصل أعداد كبيرة من الكروموسومات البشرية. توفر الكروموزومات التي تم فرزها قوالب DNA لبناء مكتبات الحمض النووي المؤتلف لكل كروموسوم بشري. هذه المكتبات هي مكون هام في الهندسة الوراثية.

  هناك تقنية جديدة للتصوير الطبي القائم على الليزر (Guill- érmo et al.، 1997) تعتمد على تقنية الليزر تسمى التصوير المقطعي التماسي البصري (OCT) وهي تحقيق الدقة المكانية للأنسجة في نطاق 10 ميكرومتر. يتم تحديد دقة التصوير بالرنين المغناطيسي والموجات فوق الصوتية (MRI) إلى نطاق 100 ميكرومتر إلى 1 ملم. تقنية OCT الجديدة عالية الدقة حساسة بما فيه الكفاية للكشف عن التشوهات المرتبطة بالسرطان وتصلب الشرايين في المراحل المبكرة. تشبه تقنية OCT التصوير بالموجات فوق الصوتية ، ولكنها تستفيد من مصدر ضوء أشعة تحت الحمراء بعرض نطاق طيفي واسع مشرق مع طول تماسك بالقرب من 10 ميكرومتر ، مما يؤدي إلى تحسين ترتيب الحجم على الأقل في الدقة عبر تقنيات الصوت والتصوير بالرنين المغناطيسي MRI. يمكن أن يكون مصدر الصمام الثنائي السوبر الانارة ، Cr: ليزر forsterite ، أو ليزر Ti: الياقوت. ﻳﻘﻮم OCT ﺑﺈﺟﺮاء ﻣﻘﺎﻳﻴﺲ ﺑﺼﺮﻳﺔ ﻓﻲ اﻷﻧﺴﺠﺔ ﺑﺎﺳﺘﺨﺪام ﻣﻘﻴﺎس اﻟﺘﻴﻔﺮ ﻣﻦ اﻷﻟﻴﺎف اﻟﺒﺼﺮﻳﺔ. وبما أن التداخل يلاحظ فقط عندما تتطابق أطوال المسير البصري للعينة والأذرع المرجعية لمقياس التداخل مع طول التماسك في المصدر ، يتم الحصول على قياسات الدقة الدقيقة. ويتم الحصول على اتساع الإشارة المنعكسة / المتفرقة كدالة للعمق عن طريق تغيير طول الذراع المرجعية لمقياس التداخل. يتم إنتاج صورة مقطعية متقاطعة عند تسجيل انعكاس / نثر متسلسل محوري متسلسل أثناء فحص موضع الحزمة عبر العينة. وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن OCT يمكن أن يصور مورفولوجيا معمارية في الأنسجة شديدة التشتت مثل الشبكية ، والجلد ، ونظام الأوعية الدموية ، والجهاز الهضمي ، وتطوير الأجنة. يظهر في الشكل 3 صورة لقصبة أرانب تم الحصول عليها باستخدام هذه التقنية مقترنة بالمنظار القسطرة. ويستخدم OCT سريريًا لتشخيص مجموعة واسعة من أمراض الشبكية البقعية.

يجري الآن تصميم تقنية بصرية أنيقة وجديدة باستخدام الغازات spinpolarized (Mittleman et al. ، 1995) لتحسين صور التصوير بالرنين المغناطيسي للرئتين والدماغ. يتم محاذاة يدور النووية في Xe و 3He الغازات باستخدام أشعة الليزر المستقطبة دائريا. هذه النوى المحاذية لها مغناطيسات تقرب من 105 مرات للبروتونات التي تستخدم عادة في التصوير بالرنين المغناطيسي. يستخدم زينون كمسبار دماغي لأنه قابل للذوبان في الدهون. في المناطق مثل الرئتين ، التي لا تحتوي على مياه كافية لصور التصوير بالرنين المغناطيسي عالية التباين ، يوفر 3He صور عالية التباين. يمكن للمرء حتى مشاهدة تدفق 3He في الرئتين للتشخيص الوظيفي.

  VII.LASERS IN BIOLOGY

  يمكن توضيح تطبيقات الليزر في علم الأحياء مع مثالين ، ملاقط الليزر و micros- اثنين من الفوتون

تين. 3. صور التصوير التماسك البصري من القصبة الهوائية الأرنب في الجسم الحي. (أ) تسمح هذه الصورة بالتصوير للطبقات الراسخة المميزة ، بما في ذلك الظهارة (e) والسدى المخاطي (m) والغضروف (c) والنسيج الشحمي (a).

  يمكن تحديد عضلة القصبة الهوائية (tm) بسهولة. (ب) الأنسجة المقابلة. شريط ، 500 ميكرون نسخة. عندما يتم تركيز ضوء الليزر المتزامن قرب أو داخل جسم عازف صغير مثل خلية بيولوجية ، يؤدي انكسار الضوء في الخلية إلى تأثير العدسة. يتم نقل القوة إلى الخلية عن طريق نقل الزخم من شعاع ضوء الانحناء. وجد آرثر أشكين في مختبرات بل (أشكين ، 1997) أنه من خلال تغيير شكل وموضع الحجم البؤري في ترتيب مجهري ، يمكن نقل الخلية بسهولة أو حبسها باستخدام هذه "قواطع الليزر" باستخدام شدة الضوء بالقرب من 10 واط / CM2. عند هذه المستويات الخفيفة والأطوال الموجية في الأشعة تحت الحمراء القريبة ، لا يوجد تلف كبير أو تدفئة مكونات الخلية. يتم الآن استخدام ملاقط الليزر لنقل الأجسام التحت خلوية مثل الميتوكوندريا داخل الخلية (Sheetz ، 1998). يمكن أيضًا استخدام تقنيات الملقط لتمديد خيوط الحمض النووي في تكوينات خطية للدراسات التفصيلية. يمكن استخدام اثنين من أشعة الليزر لتثبيت خلية ثم يمكن استخدام شعاع ليزر ثالث على طول موجة مختلفة ، للدراسات الطيفية أو الديناميكية. يتم استخدام أشعة الليزر النبضي كـ "مقصات" لإجراء تعديلات محددة في بنية الخلية أو لعمل ثقوب صغيرة في أغشية الخلايا بحيث يمكن إدخال الجزيئات أو المواد الجينية بشكل انتقائي في الخلية.

تين. 4. (لون) اثنين من الفوتون مبائر متحد البؤر صورة نيون من خلية Purkenji الحية في شريحة الدماغ. أبعاد الخلية هي من أجل 100 ميكرون.

  يعد المسح المجهري واثنين من الفحص المجهري للفوتون مثالين ممتازين لمساهمة تقنية الليزر في علم الأحياء. التصوير ثلاثي الأبعاد للخلايا العصبية ما يقرب من 200 ميكرومتر إلى أدمغة عاملة وتطوير الأجنة هو الآن حقيقة واقعة. المجاهر البؤرية العملية جاءت على نطاق واسع في أواخر الثمانينات كنتيجة لمصادر ضوء الليزر الموثوقة. يتم استخدام دقة العدسة في مجهر متحد البؤر لتركيز الضوء على بقعة محدودة الحيود ثم مرة أخرى لتصوير فوتونات الإشارة في المقام الأول ، أي تلك التي لا تتشتت بقوة من العينة ، إلى الفتحة. على الرغم من الحصول على صور ثلاثية الأبعاد عالية الدقة ، فإن هذا المخطط الفوتوني المفرد هو استخدام مهدر للضوء المضيء لأن جزءًا كبيرًا مبعثرًا عن الفتحة أو تمتصه العينة. في المجهر الفلوري ، يعد التفريد الضوئي إلى الفلوروفور عاملاً محددًا بشكل خاص للفحص المجهري للفوتون الأحادي.

تم إدخال المسح المجهري المسح المجهري في عام 1990 ويحل العديد من مشاكل تقنيات الفوتون المفرد. يستعمل مجهران فوتونيان نموذجيان نبضات قصيرة تبلغ 100 fs من ليزر Ti في نمط الياقوت المقاس في متوسط ​​مستويات القدرة قرب 10 mW. كثافة عالية في ذروة كل نبضة يسبب قوي امتصاص الفوتون اثنين ومضان فقط داخل حجم البؤري الصغير ، ويمكن جمع كل إشعاع الفلورسنت لكفاءة عالية. يتم اختيار الضوء المثير للحصول على الحد الأدنى من امتصاص الفوتون الواحد والضرر ، بحيث يكون لتقنيتي الفوتون قرارًا عاليًا جدًا ، وأضرارًا منخفضة ، واختراقًا عميقًا.

  ويظهر الشكل 4 (Denk and Svoboda 1997) صورة فوتونية جميلة فوتونية لخلية بوركينجي حية في شريحة دماغية. وقد تم تصوير الخلايا العصبية الهرمية القشرية الحديثة في الطبقات 2 و 3 من القشرة الحسية الجسدية الفئران على أعماق 200 ميكرومتر تحت سطح الدماغ. أكثر إثارة للإعجاب هي الصور المتحركة لتطور الأجنة. المجهر الجنيني حساس بشكل خاص للإخطار الضوئي وتقنية الفوتونين تفتح آفاقا جديدة في هذا المجال.

  VIII.LASERS في الفيزياء

وقد حفزت تكنولوجيا الليزر نهضة في الطيف في جميع أنحاء الطيف الكهرومغناطيسي. سمح عرض النطاق الضيق بالليزر ، والقوى الكبيرة ، والنبضات القصيرة ، ومجموعة واسعة من الأطوال الموجية بدراسات ديناميكية وطيفية جديدة للغازات والبلازما والنظارات والبلورات والسوائل. على سبيل المثال ، ازدهرت دراسات رامان التشتتية لفونونات ، ومغنونات ، وبلازمونات ، وتناوب ، وإثارة في غازات الإلكترون ثنائية الأبعاد منذ اختراع الليزر. وقد أدت الطيف الليزري غير الخطي إلى زيادات كبيرة في قياس الدقة كما هو موضح في مقالة في هذا المجلد (Ha¨ nsch and Walther 1999).

  وقد أدت ليزرات الصبغة التي استقرت التردد والليزر ديود بدقة ضبطها إلى التحولات الذرية في الذرات ultracold وكثافات بوز آينشتاين ، كما هو موضح في هذا الحجم (Wieman وآخرون ، 1999). لقد وصلت مراقبة الحالة الذرية وقياسات عدم التكافؤ في مجال التعايش الذري إلى دقة تسمح باختبار النموذج القياسي في فيزياء الجسيمات بالإضافة إلى عمليات البحث الحاسمة للفيزياء الجديدة بخلاف النموذج القياسي. في تجارب عدم المحافظة على التكافؤ الحديثة (Wood et al.، 1997) يتم تحضير ذرات Ce في حالات إلكترونية محددة أثناء مرورها عبر أشعة ليزر ثنائية ثنائية اللون. ثم تدخل هذه الذرات المحضرة رنانة تجويف ضوئي حيث يتم تحريك الذرات إلى مستوى طاقة أعلى بواسطة ضوء أخضر عالي الكثافة يتم حقنه في التجويف من ليزر dy-e stabilized frequency. يمكن عكس المجالات الكهربائية والمغناطيسية التطبيقية في منطقة الإثارة هذه لخلق بيئة معكوسة للذرات.

  بعد خروج الذرة من منطقة الإثارة ، يتم قياس معدل إثارة الذرة بواسطة ليزر دايود أحمر ثالث. تغييرات صغيرة جدا في معدل الإثارة هذا مع انعكاس المجالات الكهربائية والمغناطيسية المطبقة تشير إلى عدم التكافؤ في التكافؤ. لقد تطورت دقة قياس nonconservation التكافؤ على مدى عدة عقود إلى مستوى 0.35 ٪. تقابل دقة القياس هذه أول عزلة نهائية لانتهاك التعايش الذري المعتمد على السبين النووي. عند مستوى الدقة هذا ، من الواضح أن أحد مكونات التفاعل الإلكتروني النووي يرجع إلى لحظة anapole النووية ، وهي لحظة مغنطيسية يمكن تصورها على أنها تنتجها توزيعات حلقية حالية في النواة.

  كما يساهم الليزر في مجال الفيزياء الفلكية. سيتم استخدام ليزر NAG: Nd: YAG عند طول موجة 10.6 µm في التجارب الأولى لمحاولة الكشف عن الموجات الجاذبية من مصادر مثل السوبرنوفا والنجوم النيوترونية المدارية.

  تستخدم هذه التجارب مقاييس التداخل التي يجب أن تكون قادرة على قياس تغير في الطول بين ذراعي التداخل إلى دقة جزء واحد في 1022. ومن المتوقع حدوث تشوه فضاء بهذا الحجم لإشعاع الجاذبية من مصادر الفيزياء الفلكية. تسمى التجارب الأرضية LIGO (مرصد موجة جاذبية التداخل الضوئي) في الولايات المتحدة وجي إي في أوروبا. وهناك أيضا تجربة فضائية تسمى LISA (هوائي الفضاء التداخل في الضوء). يبلغ طول أذرع قياس التداخل في LIGO 4 كلم. يتطلب وجود مصدر ضوئي مستقر ، مستقر ، منخفض الضوضاء ، ذو جودة عالية مكانية ، بمستوى قدرة 10 وات. تشكل مرايا التجويف من الرنانات في كل ذراع التداخل الذي يزيد من القوة في الفجوات إلى 1 كيلو واط تقريبًا. أربعة قضبان: YAG YAG ، كل جانب يضخ من خلال قضبان ثنائية 20 W ، تضخيم خرج تردد واحد لمذبذب حلقة غير خطية من 700 mW إلى 10 على الأقل. تحقيق الحساية المطلوبة للكشف عن موجات الجاذبية يعني حل كل هامش تداخل إلى واحد جزء في 1011 ، وهو هدف هائل ، ولكن يمكن تحقيقه.

IX.FUTURE LASER TECHNOLOGIES

  تُعتبر مسرعات الليزر والليزر الإلكترونية المجانية من الأمثلة على تطوير تقنيات الليزر التي قد يكون لها تأثير كبير في القرن المقبل. يعتمد ليزر الإلكترون الحر (FEL) على الكسب البصري من شعاع الالكترونات النسبي المتموج في مجال مغناطيسي دوري (Sessler and Vaugnan، 1987). يجري تطوير تسارع الشعاع الإلكتروني القائم على تجاويف الموجات الدقيقة فائقة التوصيل في مركز FEL جديد في مختبرات جيفرسون. هذه التجاويفات المتسارعة تولد مجالات عالية في نطاق 10 إلى 20 ميلفر / متر وتسمح بتوليد كفاءة عالية جدًا لضوء FEL الذي يمكن ضبطه من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية العميقة بمتوسط ​​مستويات القدرة في نطاق الكيلوواط (Kelley et al.، 1996) . وفي الوقت الحاضر ، يقترب متوسط ​​FEL بقدرة 1 kW من الأشعة تحت الحمراء من الانتهاء ، ويجري التخطيط لترقية UV FEL قوية وعميقة. في هذه القوى الهائلة ، قد يكون عددًا من التقنيات الجديدة مثيرًا للاهتمام تجاريًا. قد تسمح نبضات FEL القصيرة والمكثفة بالتسخين الحراري السريع وتنظيف الأسطح المعدنية. قد ينتج عن التلدين بالليزر النبضي زيادة في المقدار في الصلابة لأدوات الماكينة تقريبًا. قد تكون القوى العالية لمتوسط ​​FEL كافية لجعل الإنتاج التجاري للأدوات المحسّنة بالليزر حقيقة واقعة. سوق كبير آخر يتطلب قوى عالية لمعالجة كميات كبيرة من البوليمرات والأغطية. في هذه الحالة ، يمكن أن تحرض نبضات FEL المكثفة على نطاق واسع من خواص البوليمر المعدلة بما في ذلك أسطح البوليمر المضادة للبكتيريا التي يمكن استخدامها لملحقات الطعام والملابس ذات القوام الممتع والمتانة المحسنة. كما تعتبر القوى المتوسطة العالية وقابلية الطول الموجي مهمة أيضًا لنقش أدوات micromaching كبيرة المساحة المستخدمة لصمغ أنماط البطاقات البلاستيكية.

  قد توفر أجهزة ليزر Petawattclass الأساس لجيل جديد من مسرعات الجسيمات. من المحتمل أن يكون عدد مرات تسريع معالجات مجال الموجات الميكروية المستخدمة في الوقت الحاضر محدودًا من خلال الاستيقاظ الذاتية إلى أقل من 100 جيجا هرتز حيث تصل الحقول المتسارعة إلى نطاق 100 ميجابت / متر. يتم استخدام أشعة الليزر المكثفة لتوليد مجالات أعلى بكثير في نطاق الـ GeV / m 100 (Madena et al.، 1995). على سبيل المثال ، تستخدم تقنية واحدة حزمتين ليزريتين يتم ضبط ترددهما على تردد البلازما للغاز المتأين بالليزر. يمكن توليد تسريع الحقول التي تصل إلى 160 جي / م بين مناطق الشحن الفضائية الدورية لموجة البلازما. يمكن تصميم سرعات الانتشار في هذه الحقول العملاقة لتتناسب مع السرعات النسبية للجسيمات المتسارعة. لا يزال هناك الكثير من العمل من أجل تحقيق مسرعات عملية ، ولكن قد تم بالفعل إثبات المبدأ.

  إن تطوير تقنيات الليزر ومساهماتها في العلوم كثيرة للغاية بحيث لا يمكن تغطيتها بشكل كافٍ في هذا الاستعراض الموجز. تعتبر الاتصالات بالليزر بين الشبكات الساتلية والمركبات الفضائية التي تعمل بالليزر والانصهار بالليزر أمثلة إضافية لتطوير تقنيات الليزر. في العلوم الأساسية ، هناك العديد من التجارب الجديدة التي يتم تمكينها بواسطة تقنية الليزر بما في ذلك تصحيح التشوهات الجوية في علم الفلك باستخدام انعكاسات الليزر من طبقة الصوديوم في الغلاف الجوي العلوي ودراسات الديناميكا الكهربية الكميّة باستخدام أشعة الليزر المكثفة. وكما كان من الصعب تصور إمكانات تقنيات الليزر في الستينيات والسبعينيات ، يبدو من الواضح أننا لا نستطيع الآن تصور العديد من التطورات الجديدة في مجال الليزر وسوف نرى تطبيقاتها في القرن المقبل. من المؤكد أن مصدر الضوء الليزري الجديد سوف يلمسنا جميعًا ، سواء في حياتنا العادية أو في عالم العلم.