مقدمة
يعد تجميع شعاع الليزر جانبًا أساسيًا في العديد من الطرق التحليلية، حيث غالبًا ما يتم استخدام ليزر الموجة المستمرة (CW) كمصدر للإثارة. تستخدم تقنيات مثل الفلورسنت وتشتت رامان والامتصاص وتشتت رايلي الليزر لنقل الطاقة إلى الجزيئات، مما يؤدي إلى إثارة أو استخراج الطاقة. يعد اختيار نوع الليزر أمرًا بالغ الأهمية، لأنه يؤثر على قابلية التركيز وتوحيد شدة الشعاع. بالنسبة لمتطلبات الإضاءة عالية الدقة والموحدة، فإن الأنواع المحددة من ليزر الموجة المستمرة ضرورية.
أنواع الليزر CW للتطبيقات التحليلية
تختلف أنواع الليزر CW من حيث النوع والبنية، وهي مصممة لتطبيقات مختلفة عبر طيف الأشعة المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR). يهيمن نوعان أساسيان: ليزرات الصمام الثنائي وليزرات الحالة الصلبة المضخوخة بالديود (DPSS). ليزرات الصمام الثنائي أكثر إحكاما واقتصادية، في حين غالبًا ما توفر ليزرات الحالة الصلبة المضخوخة بالديود جودة شعاع أعلى. يمكن تكوين كل نوع في وحدات مختلفة مثل المساحة الحرة والألياف أحادية الوضع (SMF) والألياف متعددة الأوضاع (MMF) والألياف المحافظة على الاستقطاب (PMF). يقارن الجدول أدناه ميزات تقنيات التجميع لليزرات الثنائية وليزرات الحالة الصلبة المضخوخة بالديود.
أوضاع مكانية لليزر CW
تعمل أشعة الليزر CW إما في الوضع المكاني الفردي (SM) أو الأوضاع المكانية المتعددة (MM)، والتي يشار إليها أيضًا باسم "الأوضاع العرضية" أو "الأوضاع الشعاعية". تؤثر هذه الأوضاع على ملف تعريف الشعاع وهي بالغة الأهمية في تحديد القدرة على التركيز وجودة الشعاع. غالبًا ما يتم اختيار الليزر بناءً على التطبيق المقصود، حيث توفر أشعة الليزر SM عمومًا جودة شعاع وإمكانية تركيز أفضل، في حين توفر أشعة الليزر MM خرج طاقة أعلى.
طرق تجميع شعاع الليزر
تتضمن عملية تجميع الشعاع ضبط خرج الليزر لتقليل التباعد. وهذا مهم بشكل خاص في المجهر والتحليل الطيفي، حيث يجب أن يكون التباعد أقل من 2 ملي راد. على سبيل المثال، تنتج أشعة الليزر ذات التجويف القصير أشعة شديدة التباعد تتطلب تجميع الشعاع. يستخدم النهج الأكثر مباشرة عدسة كروية واحدة لتقليل التباعد؛ ومع ذلك، غالبًا ما يتم استخدام تكوينات أكثر تعقيدًا مثل أنظمة العدسات المزدوجة، والمعروفة أيضًا باسم التلسكوبات، لتحقيق قدر أكبر من الدقة والتحكم في حجم الشعاع.
الطريقة الأبسط لضبط شعاع الليزر هي استخدام عدسة كروية واحدة. يؤثر البعد البؤري للعدسة بشكل مباشر على قطر الشعاع بعد الضبط، حيث تنتج الأطوال البؤرية الأطول أقطار شعاع أكبر. تُستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع بسبب بساطتها، على الرغم من أنها قد تؤدي إلى حدوث انحرافات إذا لم يتم محاذاتها بشكل صحيح.
أنظمة العدسات الثنائية
يستخدم نظام العدسات المزدوجة، أو التلسكوب، عدسة سلبية وأخرى إيجابية لضبط وتوسيع أو تقليص الشعاع. هذا الإعداد مفضل في التطبيقات التي تتطلب التحكم الدقيق في نصف قطر الشعاع وهو مفيد بشكل خاص لتحسين جودة الشعاع وتقليل اللابؤرية في أشعة الليزر الثنائي.
جودة الشعاع والقياس
غالبًا ما يتم تقييم جودة شعاع الليزر باستخدام عامل جودة الشعاع، M²، والذي يقيس مدى اقتراب الشعاع من ملف تعريف Gaussian. تشير قيمة M² البالغة 1 إلى شعاع Gaussian مثالي، في حين تشير القيم الأعلى إلى الانحرافات. عادةً ما تُظهر ليزرات DPSS منخفضة الطاقة جودة شعاع عالية مع عوامل M² منخفضة، في حين تميل ليزرات DPSS عالية الطاقة وليزرات الصمام الثنائي إلى أن يكون لها جودة شعاع أقل بسبب التأثيرات الحرارية.
تدوير أشعة الليزر الإهليلجية
تصدر أشعة الليزر الثنائية الباعثة للضوء عادةً أشعة ذات مقطع عرضي بيضاوي، مما يتطلب خطوات إضافية لتدوير الشعاع لتطبيقات معينة. يستخدم أحد الأساليب عدستين أسطوانيتين متعامدتين لمعالجة التباعد على طول محاور مختلفة، مما يؤدي إلى الحصول على شكل شعاع أكثر دائرية. تتضمن تقنية أخرى مناشير مشوهة، والتي تضبط شكل الشعاع عن طريق توسيع أو ضغط محور واحد. كل طريقة لها نقاط قوتها وحدودها، كما هو موضح في الجدول.
استقرار التوجيه وتجانس ملف الشعاع
يعد استقرار توجيه الشعاع أمرًا ضروريًا للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية. يمكن لعوامل مثل الاهتزازات الميكانيكية والتمدد الحراري للمكونات أن تسبب تقلبات في الشعاع. يعد المحاذاة الدقيقة للعناصر البصرية والتحكم في درجة حرارة المكونات الساخنة أمرًا بالغ الأهمية لتقليل عدم استقرار التوجيه.
على الرغم من إظهارها أحيانًا لملف شعاع ضعيف في المجال القريب، فإن ليزرات الثنائيات قادرة على تحقيق تركيز جيد على مسافات أطول. ومن خلال الاختبارات الدقيقة، ثبت أن أشعة الليزر تتحسن في التجانس وتصبح أكثر دائرية بالقرب من نقطة التركيز، مما يدعم استخدامها في التطبيقات التي تتطلب تركيزًا عاليًا.
الأفكار النهائية
تختلف تقنيات تجميع الليزر بشكل كبير حسب نوع الليزر ومتطلبات التطبيق. توفر ليزرات الثنائيات حلاً فعالاً من حيث التكلفة للعديد من الاستخدامات ولكنها قد تتطلب مكونات إضافية للحصول على جودة شعاع مثالية. توفر ليزرات DPSS، على الرغم من أنها أكثر تكلفة، جودة شعاع وإمكانية تركيز فائقة. توفر Integrated Optics مجموعة من خيارات التجميع، مع حلول مقترنة بالألياف للتطبيقات عالية الطلب. في النهاية، يجب أن يأخذ الاختيار بين ليزرات الثنائيات وDPSS في الاعتبار عوامل مثل جودة الشعاع وإمكانية التركيز والقيود الميزانية.
