آيونات المعادن الفعالة في ليزر الحالة الصلبة
محتوى المقال
ليزر الحالة الصلبة هو اول ليزر تم بنائه على الاطلاق من بلورة الياقوت الأحمر (solid-state ruby crystal) على يد العالم ثيودور ميمان منذ أكثر من نصف قرن تقريبا. ولا يزال يستخدم الى اليوم في تطبيقات متعددة. هذا لأن ليزرات الحالة الصلبة تتكون من مجموعة متنوعة من المواد وتغطي مجموعة واسعة من الطيف الكهرومغناطيسي. تم اكتشاف العديد من المواد لاستخدامها كوسط فعال، لكن لا يزال الباب مفتوحًا لإضافة مواد جديدة. وعليه، سوف يغطي هذا المقال: العناصر الأرضية النادرة (Rare-Earth Elements) التي يصنع منها ليزر الحالة الصلبة، وأيونات المعادن الانتقالية المستخدمة في بلورات في الليزر بالإضافة إلى جداول تتضمن معلمات اساسية لبلورات الليزر لكل من العناصر الأرضية النادرة وايونات المعادن الانتقالية، المادة المضيفة لأيونات الليزر الفعالة وخصائصها، تكوين البلورات الفوتونية، الشكل الهندسي لبلورات الليزر.
يصنف ليزر أشباه الموصلات أيضا كليزر حالة صلبة، ولكننا سوف نسلط الضوء في هذا المقال على ليزر الحالة الصلبة التقليدي حصرا الذي يستخدم عناصر الأرض النادرة كوسط فعال وايونات المعادن الانتقالية. المخطط في الأسفل يوضح المكونات الأساسية لليزر الحالة الصلبة.
عناصر الأرض النادرة (Rare-Earth Elements)
العناصر الأرضية النادرة (REE) (يشار إليها أحيانًا بالمعادن الأرضية النادرة) هي مجموعة من 17 عنصرًا معدنيًا متشابهًا كيميائيًا، منها 15 عنصر من الانثانيدات بالإضافة الى عنصري المجموعة الثالثة من الجدول الدوري السكانديوم والإيتريوم. تسمح خصائص عناصر الأرض النادرة بمجموعة واسعة من التطبيقات في الإلكترونيات الضوئية ومضخمات الألياف وليزر الحالة الصلبة والاتصالات والاستشعار الحيوي والتحفيز الضوئي، على سبيل المثال لا الحصر. تعتمد جميع هذه التطبيقات على قدرة العناصر الأرضية النادرة على تحسين خصائص المواد المطعمة بها.
تنقسم اللانثانيدات عمومًا إلى: عناصر ذات وزن ذري أقل، من اللانثانوم مرورًا بالجادولينيوم، يشار إليها باسم العناصر الأرضية النادرة الخفيفة (LREE) والعناصر الأرضية النادرة الثقيلة (HREE) – تبدأ من التيريبيوم حتى اللوتيتيوم. عادة ما يتم تصنيف الإيتريوم مع HREE بسبب تشابه خصائصه الكيميائية. ويستخدم مصطلح العناصر الأرضية الوسطية (MREE) أحيانًا للإشارة إلى تلك العناصر بين اليوروبيوم إلى الديسبروسيوم.
الجدول التالي يوضح العناصر الأرضية النادرة الموجودة في الرواسب الطبيعية – “اللانثانيدات” بالإضافة إلى الإيتريوم والسكانديوم وبعض خصائصها ووفرتها في القشرة الأرضية.
| العنصر | الرمز | العدد الذري | الوزن الذري | الكثافة (gcm-3) | درجة الذوبان | الوفرة جزء من مليون |
|---|---|---|---|---|---|---|
| العناصر الأرضية النادرة الخفيفة Light REEs | ||||||
| لانثانوم (Lanthanum) | La | 57 | 138.91 | 6.146 | 918 | 39 |
| سيريوم (Cerium) | Ce | 58 | 140.12 | 8.160 | 798 | 66.5 |
| براسيوديميوم (Praseodymium) | Pr | 59 | 140.91 | 6.773 | 931 | 9.2 |
| نيديميوم (Neodymium) | Nd | 60 | 144.24 | 7.008 | 1021 | 41.5 |
| بروميثيوم (Promethium) | Pm | 61 | 145.00 | 7.264 | 1042 | - |
| سماريوم (Samarium) | Sm | 62 | 150.36 | 7.520 | 1074 | 7.05 |
| يوروبيوم (Europium) | Eu | 63 | 151.96 | 5.244 | 822 | 2.0 |
| جادولينيوم (Gadolinium) | Gd | 64 | 157.25 | 7.901 | 1313 | 6.2 |
| العناصر الأرضية النادرة الثقيلة Heavy REEs | ||||||
| تيربيوم (Terbium) | Tb | 65 | 158.92 | 8.230 | 1356 | 1.2 |
| ديسبروسيوم (Dysprosium) | Dy | 66 | 162.50 | 8.551 | 1412 | 5.2 |
| هولميوم (Holmium) | Ho | 67 | 164.93 | 8.795 | 1474 | 1.3 |
| إربيوم (Erbium) | Er | 68 | 167.26 | 9.066 | 1529 | 3.5 |
| ثوليوم (Thulium) | Tm | 69 | 168.93 | 9.321 | 1545 | 0.52 |
| إيتربيوم (Ytterbium) | Yb | 70 | 173.04 | 6.966 | 819 | 3.2 |
| لوتيتيوم (Lutetium) | Lu | 71 | 174.97 | 9.841 | 1663 | 0.8 |
| سكانديوم (Scandium) | Sc | 21 | 44.95 | 2.989 | 1541 | 22 |
| اتيريوم (Yttrium) | Y | 39 | 88.90 | 4.469 | 1522 | 33 |
معظم العناصر الأرضية النادرة غير نادرة كما يوحي اسم المجموعة لكن تم تسميتها بعناصر “الأرض النادرة” لأن معظمها تم تحديدها خلال القرنين الثامن عشر والتاسع عشر على أنها “أتربة. لعناصر الأرض النادرة خامات وراسب كثيرة جدا لا يتسع المجال لذكرها. سنسلط الضوء فقط على الخامات والبلورات التي تدخل في صناعة الليزر. بعض أوساط الليزر توجد في الطبيعة مثل بلورة الياقوت وبلورة العقيق وبعضها يتم تصنيعه مثل الزجاج المطعم بأيونات أحد العناصر الأرضية النادرة والتي تكون ايونات ذات تكافؤ ثلاثي موجب (لها شحنة ثلاثية موجبة) وأيضا تم استخدام ايونات العناصر الأرضية النادرة ذات التكافؤ الثنائي في حالات خاصة. في معظم الحالات، تحل أيونات الأرض النادرة محل الأيونات الأخرى ذات الحجم المماثل ونفس التكافؤ (حالة الشحن) في الوسط المضيف؛ على سبيل المثال، أيون Nd+3 في بلورة Nd: YAG (عقيق الألومنيوم الإيتريوم) يحل محل أيون الإيتريوم (Y+3).
يكون تركيز الآيونات الأرضية النادرة في الوسط المضيف في معظم الحالات نسبة مولية صغيرة (غالبًا ما تكون 1%). من الخصائص المميزة لأيونات الأرض النادرة ثلاثية التكافؤ أن انتقالاتها الإلكترونية تحدث عادةً داخل غلاف f4، وهو محمي إلى حد ما من الشبيكة المضيفة بواسطة الاغلفة الالكترونية الخارجة غير الفعالة بصريا. باستثناء انتقالات عنصر السيريوم Ce+3 الذي تكون انتقالاته من d5 إلى f4. وهذا يقلل من تأثيرات الشبيكة المضيفة على الأطوال الموجية وعرض النطاق والمقاطع العرضية الانتقالية للتحولات البصرية ذات الصلة. جدير بالذكر أن العناصر الأرضية النادرة تشمل جميع اللانثانيدات باستثناء البرومثيوم المشع، بالإضافة إلى السكانديوم والإيتريوم. جميع أيونات الأرض النادرة هي في الواقع لانثانيدات. لذلك، يطلق على الليزر القائم على وسائط الربح المطعمة بالعناصر الأرضية النادرة أحيانًا باسم ليزر اللانثانيد.
ايونات المعادن الانتقالية
تختلف الخصائص البصرية لأيونات المعادن الانتقالية اختلافًا جوهريًا عن أنواع الايونات الأرضية النادرة. لأن التحولات الإلكترونية في الغلاف 3d هي المسؤولة عن ميزات الامتصاص والانبعاث لأيونات المعادن الانتقالية التي تتفاعل مع المضيف بقوة، على عكس الحساسية النسبية لانتقالات ايونات الأرض النادرة عند الغلاف f4. سنختار على سبيل المثال ايون التيتانيوم Ti+3 ثلاثي الكافؤ الموجود في أوكسيد الالمنيوم Al2O3 (الياقوت الأزرق) لان غلاف التكافؤ يحتوي فقط على الكترون واحد في الغلاف 3d. الكترون الغلاف 3d هو مجال بلوري ينقسم الى حالتين، 2E و2T، بواسطة ستة انيونات اكسجين مجاورة لايون التيتانيوم Ti+3 . يكون تقسيم المجال البلوري تقريبًا من حيث الحجم أكبر منه في إلكترونات الغلاف f4 لأيونات الأرض النادرة. يكون متوسط مسافة Ti-O أكبر قليلاً في حالة 2E، مقارنة بالحالة 2T2. هذا التوسيع مهم بشكل خاص، لأنه ينتج خصائص امتصاص وانبعاث واسعة تميز ليزر أيون المعدن الانتقالي.
يوضح الرسم التخطيطي لإحداثيات التكوين في الشكل في الاسفل كيف تؤدي الاختلافات في المسافة Ti-O في الحالة الأرضية المثارة إلى ظهور ميزات طيفية واسعة. نظرًا لأن الانتقال الإلكتروني إلى الحالة المثارة يحدث بسرعة مقارنة بحركة ذرات Ti-O ، فإن توزيع المسافة Ti-O للحالة الأرضية هذا ببساطة ينعكس عن الجانب الصاعد لسطح طاقة الحالة العليا ، وبالتالي ينتج خاصية امتصاص واسعة. هذه المادة (المعروفة باسم Ti: sapphire) مفيدة للغاية حيث يمكن ضخها بصريًا باستخدام ليزر Nd: YAG أو ليزر Ar، ولأن خرج الليزر يمكن ضبطه على نطاق واسع من 0.66 إلى 1.2 نانومتر. يعمل ليزر الياقوت Ti: بكفاءة ولا يتأثر سلبًا بآليات الخسارة الأساسية.
يشبه ليز ايون الكروم Cr+3 ليزر Ti+3 ، حيث تظهر هذه البلورات ميزات طيفية واسعة. تمتلك البلورات المشبعة بأيونات الكروم ميزة مهمة، من حيث أن لديها ثلاثة نطاقات امتصاص، بدلاً من واحدة، وبالتالي تمتص مصباح التفريغ الكهربي بكفاءة أكبر. فرق مهم آخر بين ليزر Ti+3 و Cr3 يتعلق بعمر الحالة غير المستقرة، والتي تقترب عادةً من 1-10 مايكرو ثانية لـ Ti+3 ، و 50-300 مايكرو ثانية لـ Cr+3 نتيجة لذلك ، يمكن أن تكون ليزرات Cr مرتبة لتخزين طاقة مصباح التفريغ الكهربائي أكثر من ليزر Ti. وأخيرًا، نظرًا لأن حالة الأكسدة ثلاثية التكافؤ لـ Cr مستقرة جدًا، فقد يتم دمجها في مجموعة متنوعة من الوسائط المضيفة.
يظهر ملخص نطاقات الضبط التي حققتها المواد المشبعة Cr+3 في الشكل في الاسفل حيث يُلاحظ أن الأطوال الموجية من 0.70 م إلى 1.25 م يمكن تغطيتها بمواد مضيفة مختلفة. ومع ذلك، من الضروري التأكيد على أن العديد من ليزرات Cr+3 المبلغ عنها ليست مفيدة لأنها معيبة بطرق مختلفة، مثل انخفاض الكفاءة، أو ربما من خلال التلوين الدائم تحت تأثير الأشعة فوق البنفسجية للمصباح الوميضي. أكثر أنواع الليزر الواعدة هي بلورة أوكسيد البيريليوم المطعمة بأيون الكروم Cr3-doped BeAl2O4 وعائلة LiSrAlF6 من المضيفات (المعروفة باسم alexandrite و Cr: LiSAF). يوجد، في المجموع، 30 أيونًا معدنيًا انتقاليًا، بما في ذلك أيونات الصف الأول والثاني والثالث من الجدول الدوري. على الرغم من هذا التنوع، تم استخدام سبعة ايونات فقط في تطبيقات الليزر كمذبذبات بالإضافة إلى التيتانيوم Ti+3 والكروميوم Cr+3 ؛ هذه الأيونات هي الفاندوم V+2 والكروميوم بمختلف تكافؤاته Cr+2 و Cr+4 والكوبلت Co+2 والحديد Fe+2 والمنغنيز Mn+5 والنيكل Ni+.
جدول الليزرات الأكثر شيوعا يتضمن الجدول ليزرات المعادن النادرة والمعادن الانتقالية
| الايون الفعال | المادة المضيفة | الاسم | الصيغة الكيميائية | عمر الانبعاث msec | الطول الموجي µm |
|---|---|---|---|---|---|
| Nd | YAG | Nd: YAG | Nd: Y3Al5O12 | 0.26 | 0.946 ,1.064, 1.31 |
| Nd | YOS | Nd: YOS | Nd: Y2SiO5 | 0.21 | 0.912 , 1.074 |
| Nd | YLF | Nd: YLF | Nd: LiYF4 | 0.48 | 1.047 |
| Nd | YVO | Nd: YVO | Nd: YVO4 | 0.11 | 1.064 |
| Nd | phosphate glass | LG-750 | Nd: BaKAlPO4 | 0.39 | 1.054 |
| Nd | phosphate glass | LG-770 | Nd: AlPO4 | 0.36 | 1.053 |
| Nd | phosphate glass | APG-1 | Nd: AlPO4 | 0.38 | 1.055 |
| Nd | phosphate glass | APG-2 | Nd: AlPO4 | 0.46 | 1.054 |
| Nd | Nd: GSGG | Cr, Nd: GSGG | Cr, Nd:Gd3Sc2Ga3O12 | 0.28 | 1.061 |
| Er | phosphate glass | Er: glass | Er: ALPO4 | 8 | 1.54 |
| Er | silica | Er: SiO | Er: SiO4 | 10 | 1.55 |
| Yb | YAG | Yb: YAG | Yb: Y3Al5O12 | 0.95 | 1.03 |
| Yb | silica | Yb: SiO | Yb: SiO2 | 0.8 | 1.03 |
| Yb | S-FAP | Yb:S-FAP | Yb: Sr5(PO4)3F | 1.1 | 1.047 |
| Tm | YAG | Tm: YAG | Tm: Y3Al5O12 | 11 | 2.01 |
| Ho | Ho: YAG | Tm, Ho: YAG | Tm, Ho: Y3Al4O12 | 9 | 2.09 |
| Ho | Ho: YLF | Tm, Ho: YLF | Tm, Ho: LiYF4 | 16 | 2.05 |
| Ho | Ho: YAG | CTH: YAG | Cr, Tm, Ho: Y3Al5O12 | 9 | 2.09 |
| Er | YAG | Er: YAG | Er: Y3Al5O12 | 0.10 | 2.94 |
| Ti | Sapphire | Ti: Sapphire | Ti: Al2O3 | 0.0032 | 0.66-1.2 |
| Cr | BeAlO | Alexandrite | Cr: BeAl2O4 | 0.26 | 0.70-0.82 |
| Cr | MgSiO | Forsterite | Cr: MgSiO | 0.003 | 1.13-1.37 |
| Cr | LiSAF | Cr: LiSAF | Cr: LiSrAIF6 | 0.067 | 0.78-1.01 |
| Co | MgF | Co: MgF | Co: MgF2 | 0.04 | 1.5-2.3 |
| Cr | ZnSe | Cr: ZnSe | Cr: ZnSe | 0.008 | 2.1-2.9 |
| Ce | LiSAF | Ce: LiSAF | Ce: LiSrAlF6 | 2.8×10-5 | 0.28-0.32 |
المادة المضيفة (host material crystal)
تتمتع المادة المضيفة بخصائص بصرية وميكانيكية وحرارية جيدة جدًا من أجل البقاء في ظروف التشغيل القاسية لليزر.
هناك مجموعة واسعة من الوسائط البلورية التي يمكن أن تكون بمثابة وسائط مضيفة لأيونات الأرض النادرة. المواد البلورية المستخدمة بشكل متكرر هي أكاسيد معينة مثل YAG (أتيريوم المنيوم عقيق)، وYVO4 (أيتريوم اورثوفانادات)، GdVO4 (جادولينيوم اورثوفاندادات، التنجستات KGW (بوتاسيوم جادولينوم تنجسات)، KYW (بوتاسيوم أتيريوم تنجستات)، الفلوريدات YLF (أيتريوم ليثيوم فلورايد)، CaF (كاليسيوم فلورايد)، البورات BOYS، والأباتيت (S-FAP، SYS).
بالمقارنة مع البلورات، عادةً ما يسمح الزجاج المطعم بعناصر الأرض النادرة بعرض نطاق ربح أكبر وبالتالي نطاقات ضبط أطوال موجية أكبر، وأيضًا نبضات فائقة القصر بواسطة تقنية قفل الوضع (passive mode locking). تُستخدم مثل هذه الزجاجات في شكل قطع سائبة أو ألياف بصرية (مثل ألياف السيليكا المطعمة بعناصر بالأرض النادرة). يسمح الحصر البصري العالي في الألياف بالتشغيل حتى في انتقالات الليزر “الصعبة” بكفاءة منخفضة. الألياف الخاصة مثل المصنوعة من زجاج الفلورايد تحتوي على طاقات فونونية منخفضة، مما يؤدي إلى انتقال جيد للأشعة تحت الحمراء المتوسطة وعمر حياة طويل للمستوى شبه المستقر (long metastable level lifetimes).
خصائص المادة المضيفة
- يجب أن يكون للوسط شفافية عالية (امتصاص عالي وتشتت منخفض) في مناطق الطول الموجي للمضخة وإشعاع الليزر، وتجانس بصري جيد. إلى حد ما، يعتمد هذا على جودة المادة، التي تحددها تفاصيل عملية التصنيع.
- يؤثر الوسيط المضيف بقوة على الطول الموجي وعرض النطاق والمقاطع العرضية الانتقالية للمضخة وتحولات الليزر وكذلك عمر الحياة للمستويات العليا (upper-state lifetime).
- يمكن أن يعتمد بشدة أقصى تركيز ممكن للأيونات المضافة على المادة المضيفة وطريقة تصنيعها.
- تختلف المواد البلورية المختلفة اختلافًا كبيرًا فيما يتعلق بصلابتها وخصائصها الأخرى، والتي تحدد بأي الطرق ومدى سهولة قصها وصقلها بجودة جيدة.
- أن تكون ذات توصيلية حرارية عالية وتتحمل درجات حرارة مرتفعة نسبيا.
تكوين البلورات الفوتونية (البصرية)
يتم إنشاء البلورات الضوئية بواسطة نوعين (أو أكثر) من المواد العازلة التي يتم ترتيبها بشكل دوري في الفضاء. وفقًا لذلك، فإن توزيع وظيفة العزل الكهربائي له دورية مكانية. وفقًا للدورات المكانية المختلفة للمواد العازلة، يمكن تصنيف البلورة الضوئية إلى بلورة فوتونية أحادية البعد (1D) وبلورة فوتونية ثنائية الأبعاد (2D) وبلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد (3D).
01. بلورة فوتونية أحادية البعد
تمتلك البلورات الضوئية أحادية البعد دورية العزل في اتجاه واحد فقط، على سبيل المثال، في اتجاه المحور Z. يمكن بناء بلورات ضوئية أحادية البعد عن طريق وضع طبقة عازلة ذات معامل انكسار عالي وطبقة عازلة ذات معامل انكسار منخفض. تمتلك البلورات الضوئية أحادية البعد دورية العزل في اتجاه واحد فقط، على سبيل المثال، في اتجاه المحور Z. يمكن بناء بلورات ضوئية أحادية البعد عن طريق وضع طبقة عازلة ذات معامل انكسار عالي وطبقة عازلة ذات معامل انكسار منخفض.
تمتلك البلورات الضوئية أحادية البعد تكوين طبقات عازلة متعددة. ينشأ تأثير فجوة النطاق الفوتوني لبلورة فوتونية أحادية البعد من الاستطارة المضاعفة القوية في الواجهات بين طبقات معامل الانكسار العالي وطبقات معامل الانكسار المنخفض، والتداخل المدمر اللاحق. عندما تسقط موجة كهرومغناطيسية على طول الاتجاه العمودي على مستوى الطبقات العازلة، سيتم التحكم في حالات انتشار الموجة الكهرومغناطيسية من خلال تأثير فجوة الحزمة الضوئية. ستشهد الموجة الكهرومغناطيسية توزيعًا متجانسًا للوظيفة العازلة عند وقوعها في الاتجاه الموازي لمستوى الطبقات العازلة.
لا يوجد تأثير ذو فجوة نطاق ضوئية يمكن أن يؤثر على عملية انتشار الموجة الكهرومغناطيسية في هذا الاتجاه. لذلك، لا تستطيع البلورات الضوئية أحادية البعد توفير الحصر والتحكم الكاملين للفوتونات في جميع الأبعاد الثلاثة وجميع الاتجاهات. يتم تحديد الخصائص الرئيسية لفجوة النطاق الضوئية للبلورات الضوئية أحادية البعد بشكل أساسي من خلال المعلمات التالية: سمك نوعين من الطبقات العازلة، وثابت الشبكة (المتوافقة مع دورية العزل)، وتباين معامل الانكسار العالي. وطبقات عازلة منخفضة. كما أن لخصائص التشتت للمواد العازلة تأثيرًا مهمًا جدًا على تأثير فجوة النطاق الضوئية للبلورات الضوئية أحادية البعد.
02. بلورة فوتونية ثنائية البعد
تمتلك البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد دورية العزل في اتجاهين مستقلين، على سبيل المثال، اتجاهات المحور X و Y. تحتوي البلورات الضوئية ثنائية الأبعاد على نوعين من التكوينات: نوع قضيب العزل والكريستال الفوتوني ونوع ثقب الهواء. يظهر التركيب التخطيطي لبلورة فوتونية ثنائية الأبعاد في الشكل المرفق. يتم إنشاء بلورات ضوئية ثنائية الأبعاد من نوع العازل الكهربائي بواسطة مصفوفات دورية من قضبان عازلة مع معامل انكسار عالٍ مدمج في مادة الخلفية مع معامل انكسار منخفض. يتم توزيع الوظيفة العازلة للبلورة الضوئية بشكل دوري في الاتجاه العمودي على محور قضبان العزل الكهربائي.
عندما تسقط موجة كهرومغناطيسية على طول المستوى العمودي لقضبان العزل الكهربائي، سيتم التحكم في حالات انتشار الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة تأثير فجوة النطاق الفوتوني الناشئ عن التشتت المضاعف القوي والتداخل في السطح البيني بين القضبان العازلة ومعامل الانكسار المنخفض للمواد الأساسية. ستشهد الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة توزيعًا متجانسًا للوظيفة العازلة عند وقوعها في الاتجاه الموازي للقضبان العازلة. لذلك، لا يوجد تأثير ذو فجوة نطاق ضوئية يمكن أن يؤثر على عملية انتشار الموجة الكهرومغناطيسية في هذا الاتجاه. يمكن إنشاء بلورات ضوئية ثنائية الأبعاد من نوع ثقب الهواء بواسطة صفائف دورية من ثقوب الهواء الأسطوانية المضمنة في مادة خلفية ذات معامل انكسار عالٍ، كما هو موضح في الشكل المرفق.
يتم توزيع الوظيفة العازلة للبلورة الضوئية بشكل دوري في الاتجاه العمودي لاتجاه محور ثقوب الهواء. عندما تسقط موجة كهرومغناطيسية في الاتجاه العمودي لثقوب الهواء، سيتم التحكم في حالات انتشار الموجة الكهرومغناطيسية بواسطة تأثير فجوة النطاق الفوتوني بسبب تشتت وتداخل متعدد قوي في الواجهة بين ثقوب الهواء ومواد الخلفية ذات معامل الانكسار العالي. يتم تحديد خصائص فجوة النطاق الضوئية للبلورة الضوئية ثنائية الأبعاد بشكل أساسي من خلال المعلمات الهيكلية للبلورة الضوئية، وتباين معامل الانكسار بين مادة عازلة عالية ومواد عازلة منخفضة، وبنية العيب البلوري، وخصائص تشتت المواد العازلة . لغرض التطبيقات العملية، يجب أن تكون المادة العازلة شفافة للموجة الكهرومغناطيسية الساقطة. وإلا فإن معظم الموجات الكهرومغناطيسية التي تنتشر في البلورات الضوئية سيتم امتصاصها بقوة بواسطة المواد العازلة.
03. بلورة فوتونية ثلاثية الابعاد
البلورات الضوئية ثلاثية الأبعاد لها دورية العزل في جميع الاتجاهات الثلاثة المستقلة، أي اتجاهات المحور X وY و Z. نظرًا لأن الوظيفة العازلة للبلورة الفوتونية ثلاثية الأبعاد يتم توزيعها بشكل دوري في ثلاث اتجاهات مستقلة، فمن الممكن أن تعاني موجة كهرومغناطيسية في أي اتجاه من التحكم في تأثير فجوة الحزمة الضوئية. لقد وجد أنه عندما يكون التباين الثابت للعازل عاليًا بدرجة كافية، يمكن الوصول إلى فجوة نطاق ضوئية كاملة في بلورة ضوئية ثلاثية الأبعاد.
يتم التحكم في الموجة الكهرومغناطيسية التي تنتشر في البلورة الضوئية ثلاثية الأبعاد بواسطة فجوة النطاق الفوتونية بغض النظر عن الاتجاه الذي تنتشر فيه. لذلك، يمكن تفصيل حالات انتشار الموجة الكهرومغناطيسية بالكامل في جميع الأبعاد الثلاثة باستخدام بلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد. على عكس البلورات الضوئية أحادية وثنائية الأبعاد، فإن البلورة الضوئية ثلاثية الأبعاد لها العديد من التكوينات البلورية المتنوعة، مثل الهيكل المكعب المتمركز على الوجه (fcc)، والهيكل المكعب المتمركز حول الجسم (bcc)، والبنية الماسية، وهكذا. يمكن أن يكون للخلية البلورية أشكال مختلفة، بما في ذلك الكرة والمكعب والخيوط. يظهر الشكل التخطيطي لبلورة فوتونية ثلاثية الأبعاد مع بنية طبقة تلو طبقة في الشكل المرفق.
من أجل تحقيق تأثير فجوة النطاق الفوتوني، يجب أن تكون دورية التوزيع العازل للبلورة الضوئية بنفس ترتيب الطول الموجي لضوء الإشارة الساقط. بالنسبة للبلورة الضوئية التي تقع فجوة نطاقها الضوئية في نطاق الموجات الميكروية، يكون ثابت الشبكة عادةً في حدود عدة مليمترات أو سنتيمترات. وفقًا لذلك، فإن الحجم الإجمالي لعينة من البلورات الضوئية في نطاق الموجات الميكروية كبير نسبيًا، وغالبًا ما يصل إلى عدة مئات من المليمترات. بالنسبة للبلورة الضوئية في النطاق المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة، يجب أن يكون ثابت الشبكة في ترتيب المايكرومتر. عادة ما يكون الحجم الإجمالي للبلورة الفوتونية القريبة من الأشعة تحت الحمراء صغيرًا. لذلك، هناك حاجة إلى تقنيات تصنيع دقيقة.
الشكل الهندسي للوسط الفعال
01. القضيب Rod
تم تصنيع ليزر الحالة الصلبة تقليديًا على شكل قضبان تشبه القلم الرصاص. بلورة القضيب سهلة الاستخدام، وتكلفة التصنيع منخفضة، وسهلة التبريد.
02. اللوح Plate
من الممكن ان توفر الواح الليزر تحسينات كبيرة في الأداء بالمقارنة مع بلورات القضيب، فإن بلورات الألواح المستطيلة لها أسطح تبريد كبيرة.
03. القرص Disc
تم اعتماد المضخمات البصرية ذات القرص الزجاجي الصلب في وقت مبكر جدًا في تطوير أنظمة الليزر النبضي عالي السطوع من أجل حل مشاكل التبريد وحجم الفتحة واكتساب التوحيد وكفاءة الضخ.
04. الحلقي Annular
الوسائط النشطة ذات الشكل الهندسي الحلقي (قناة) لها خصائص حرارية مواتية. يمكن تبريد كمية كبيرة من المادة الفعالة بكفاءة من خلال السطح الكبير للأنبوب. ويمكن ان يوضع مصباح الضخ داخل القضيب .
