بسم الله الرحمن الرحيم
ارتباط الليزر - الذرة
الليزر هو آلة أ و جهاز نتحكم من خلاله بطريقة تحرير الفوتونات المتحررة من الذرات المثارة.
وكلمة الليزر ( LASER ) هي اختصار للحروف الأولى من الجملة :
Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation
وهذه الجملة تصف بدقة كيفية عمل الليزر. وهي تعني :
الضوء المكبرأوالمضاعف بواسطة الإنبعاث المستحث للإشعاع
يوجد العديد من أنواع الليزرات كل منها له مميزات أساسية محددة . وفي الليزر يتعرض الوسط الليزري إلى عملية ضخ ضوئي مناسبة وذلك للحصول على ذرات في الحالة المثارة .
انموذج ليزري :
ومضات ضوئية شديدة جداً أو تفريغ كهربائي يسلط على الوسط الليزري وذلك لإيجاد مجموعة كبيرة من الذرات في الحالة المثارة ( ذرات بإلكترونات ذات طاقة عالية ) وتلك العملية ضرورية للحصول على مجموعة كبيرة من الذرات في الحالة المثارة لعمل الليزر بكفاءة .
وعلى العموم : الذرات المثارة يجب أن تكون مثارة إلى مستويين أو ثلاث مستويات فوق المستوى الأرضي ( ground-state ) . لأن ذلك يزيد من درجة ما يسمى بالانقلاب السكاني ( population inversion ) .
والانقلاب السكاني يعني عدد الإلكترونات التي في الحالة المثارة في مقابل التي تكون في الحالة الارضية .
وكما ذكرنا سابقاً : الوسط أو المادة الليزرية تحتوي على مجموعة من الذرات تكون إلكتروناتها موجودة في المستويات الإثارية . والإلكترونات المثارة تمتلك طاقة أكثر من معظم الإلكترونات المسترخاة . وبالمثل كما أن الإلكترون يمتص بعض الطاقة ليصل للمستوى المثار كذلك يستطيع أن يحرر هذه الطاقة .
كما تلاحظ في الشكل والذي يشير إلى أن الإلكترون يستطيع ببساطة الاسترخاء ويخلص نفسه من بعض الطاقة . هذه الطاقة المتحررة تكون على شكل فوتونات ( طاقة ضوئية ) . والفوتون المنبعث يكون له طول موجي محدد جداً ( لون محدد ) وهو معتمد على حالة الطاقة الإلكترونية عند انبعاث الفوتون . وإذا كان هناك ذرتان متماثلتان لهما إلكترونات مثارة متماثلة في الحالة فسوف يتحرر منهما فوتونات متماثلة تماماً في أطوالها الموجيه .
ضوء الليزر يختلف جداً عن الضوء العادي . حيث أن ضوء الليزر له الخصائص التالية :
1 - ضوء الليزر احادي . بمعنى أنه يحتوي على طول موجي واحد ( لون واحد محدد ) . وطوله الموجي يعتمد على مقدار الطاقة المحررة عندما يسقط الإلكترون من المستوى العلوي ( الاثاري ) إلى المستوى السفلي . ويمكن الاستفادة من العلاقات التالية في تحديد التردد والطول الموجي للفوتون المنبعث :
طاقة الفوتون = ثابت بلانك * التردد
سرعة الضوء ( الفوتون ) = التردد * الطول الموجي
2 - الضوء المتحرر منه مترابط . أي أن فوتوناته منتظمة . فكل فوتون يتحرك بنفس الخطوة التي تتحرك بها الفوتونات الاخرى . بمعنى أن كل الفوتونات لها مقدمات موجيه متماثلة ( قمة مع قمة ، وقاع مع قاع ) .
3 - ضوء الليزر متفق الاتجاه . بمعنى أن الشعاع محكم وقوي ومركز خلاف الضوء العادي والذي يحرر ضوء في اتجاهات مختلفة فيكون ضعيف وغير مركز ( منتشر )
لكي ننتج تلك الخصائص الثلاث يجب أن يحدث ما يسمى بالانبعاث المستحث . وهذا النوع من الانبعاث لا يحدث في مصادر الضوء العادية والتى تحرر فيها الذرات فوتوناتها بشكل عشوائي ( random ) . بل الذي يحدث في الانبعاث المستحث هو انبعاث فوتونات متفقة وبشكل منتظم .
وكما لاحظت في الشكل السابق أن الفوتون المتحرر من أي ذرة له طاقة محددة تساوي الفرق بين طاقتي المستويين الارضي والمثار . وإذا واجه هذا الفوتون ومر خلال ذرة اخرى لها إلكترون موجود في نفس الحالة الاثارية ففي هذه الحالة يمكن للظاهرة المسماة بالانبعاث المستحث أن تحدث بتقدير الله سبحانه وتعالى . حيث أن الفوتون الاولي سوف يحفز ويحث على نزول الالكترون ومن ثم انبعاث فوتون آخر من الذرة الثانية يكون له نفس التردد والاتجاه للفوتون الساقط ( الاولي ) .
المفتاح الاساسي الآخر في عملية انتاج الليزر هو وجود زوج من المرايا توضعان على طرفي الوسط أو المادة الليزرية . بحيث أن الفوتونات تنعكس عن هذه المرايا وتمر مرة اخرى خلال المادة الليزرية . والذي يحدث في هذه العملية أن الفوتونات المنعكسة تحث إلكترونات مثارة اخرى للنزول إلى المستوى الارضي وبالتالي تسبب انبعاث فوتونات كثيرة لها نفس الطول الموجي والطور . وهذه الظاهرة تتكرر داخل المادة الليزرية . وخلال فترة قصيرة سوف يتوالد لدينا عدد ضخم جداً من الفوتونات لها نفس التردد ومتفقة في الطور والاتجاه . وفي هذه الحالة يجب أن تكون أحد المرآتان على أحد طرفي المادة الليزرية تكون ( نصف منفذة ) . أي أنها تعكس بعض الفوتونات للداخل وتسمح للبعض الآخر بالنفاذ للخارج . والضوء الخارج هو عبارة عن شعاع الليزر الذي نستخدمه .
ويمكنك أن تتصور الاجزاء الاساسية لعمل الليزر في الاشكال التالية والتي تشير وببساطة إلى عمل ليزر الياقوت ( Ruby Laser ) . لاحظ أن الليزر يتكون من انبوب وميضي ( Flash ) مثل المستخدم في كامرة التصوير ، وقضيب من مادة الياقوت ، ومرآتان على الاطراف أحدهما نصف منفذه . لاحظ أن قضيب الياقوت يعتبر الوسط الليزري والنبوب الوميضي سوف يقوم بعملية الضخ الضوئي .
المنظر ( 1 ) يعبر عن الحالة الغير ليزرية ( لا يوجد ليزر )
المنظر ( 2 ) نلاحظ أن الانبوب الوميضي أثار الذرات في الياقوت
المنظر ( 3 ) نشاهد بعض الذرات ينبعث منها فوتونات في اتجاهات مختلفة .
المنظر ( 4 ) نلاحظ أن بعض الفوتونات سوف تتحرك في اتجاه موازي لمحور قضيب الياقوت وبالتالي سوف يحدث لها انعكاس داخل الياقوت بسبب المرآتان الموجودتان في طرفي الليزر . وخلال مرور تلك الفوتونات داخل الياقوت سوف تسبب انبعاث مستحث في الذرات المثارة الاخرى .
المنظر ( 5 ) نشاهد خروج شعاع احادي التردد ومتفق الطور ومتماسك يخرج من قضيب الياقوت من خلال المرآة النصف منفذه وهذا هو شعاع الليزر
------------------ دار الارتقاء في علوم الفيزياء ----
بسم الله الرحمن الرحيم
أنواع الليزرات : Types of Lasers
توجد أنواع مختلفة من الليزرات ، فالمادة الليزرية المستخدمة لانتاج الليزر يمكن أن تكون جامدة أو غازية أو سائلة أو شبه موصلة . وكل أنواع الليزرات عدة تسمى حسب نوعية المادة الليزرية المستخدمة فيه .
1 - ليزارات الحالة الصلبة ( Solid - state lasers )
هذا النوع تكون فيه المادة الليزرية موزعة على شكل خليط جامد . ومن أمثلته ليزر الياقوت (Ruby ) أو ليزر العقيق ( neodymium-YAG )
وكلمة YAG هي اختصار لـ ( yttrium aluminum garnet )
- ليزر العقيق ( YAG ) يصدر اشعة ليزرية طولها الموجي 1.064 نانومتر ( nm ) وهي اشعة في المنطقة تحت الحمراء .
- ليزر الياقوت يعطي شعاع ليزر طوله 694 نانومتر ( nm )
- ملاحظة ( نانومتر = 10-9 متر )
2 - ليزرات الحالة الغازية ( Gas - state lasers )
اشهر ليزرات الحالة الغازية هي ليزر الهيليوم وليزر الهيليوم نيون ( HeNe ) وتعطي شعاع ليزري في منطقة الاحمر المرئي . وهناك ليزر ثاني اكسيد الكربون ( CO2 ) يصدر شعاع ليزري في منطقة تحت الحمراء البعيدة ، وهو مستخدم لقطع المواد الصلبة .
3 - ليزر الاكسيمر ( Excimer lasers )
وهذا الاسم مشتق من الكلمتين ( excited ) و ( dimer ) . وهذا النوع يستخدم غازات تفاعلية مثل كلوراين ( chlorine ) والفلوراين ( flurine ) تكون مخلوطة مع غازات خاملة ( inergases ) مثل غاز الارجون أو الكريبتون أو غاز الزينون . فعندما يحدث التحفيز الكهربائي له يتكون جزئ زائف . وعندما يحدث له عملية الليزر ينتج ضوء في منطقة الفوق بنفسجية .
4 - ليزرات الصبغة ( سائلة ) ( Dye lasers )
يستخدم هذا النوع صبغات عضوية مركبة مثل ( rhodamin 6G ) في محلول سائل أو معلق وذلك ليكون وسط ليزري .
هذا النوع من الليزرات يعطي شريحة واسعة من الأطوال الموجية .
5 - ليزرات أشباه المصلات ( Semiconductor lasers )
هذا النوع أحياناً يسمى بليزر الدايود ( الثنائي ) . وهو لا يعتبر من ليزرات الحالة الصلبة لأنه عبارة عن آلة أو أداة إليكترونية . وتكون بشكل عام صغيرة الحجم وتحتاج إلى قدرة صغيرة . وهو مستخدم في الطابعات الليزرية وفي قارئات القرص المدمج ( CD-room )
لاحظ أخي الكريم أن الوسط الليزري يمكن أن يكون كقاعدة اساسية في اختيار الطول الموجي أو القدرة أو الفترة النبضية المطلوبة . وبعض الليزرات تكون فائدتها عظيمة مثل ليزر co2 والذي يمكن استخدامه في قطع الحديد . وبالاضافة لفائدته تلك فهو خطر لأنه يصدر ضوء ليزري في منطقة تحت الحمراء ومنطقة الماكرويف من الطيف ، فالاشعة تحت الحمراء عبارة عن حرارة لذلك هذا النوع من الليزرات تمتص طاقته خلال المنطقة التي تسلط عليه .
- هناك ليزرات مثل ليزر الدايود ( الثنائي ) تكون قدرتها ضعيفة وتستخدم كثيراً في الاشارة إلى الاشياء . وهذ النوع يصدر شعاع ليزري أحمر اللون له طول موجي بين 630 - 680 نانومتر .
- تستخدم الليزرات في الصناعة وفي البحوث لعمل الكثير من الأشياء مثل استخدام ضوء الليزر الشديد لإثارة الجزيئات في المادة ، ومن ثم متابعة وملاحظة ما يحدث لها .
وإليك أخي الكريم جدول يوضح بعض أنواع الليزرات وأطوالها الموجية المنبعثة :
الطول الموجي ( نانومتر ) نوع الليزر
Argon fluoride (UV) 193
Krypton Fluoride (UV) 248
Nitrogen (UV) 337
Argon (blue) 488
Argon (green) 514
Helium neon (green) 543
Helium neon (red) 633
Rhodamine 6G dye (tunable) 570-650
Ruby (CrAlO3) (red) 694
Nd: YAG (NIR) 1064
Carbon Dioxide (FIR) 10600
----------- دار الارتقاء في علوم الفيزياء ----------
