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 .
شكل ( 1 )
شكل ( 2 )
شكل ( 3 )
شكل ( 4 )
شكل ( 5 )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 .
الثلاثاء ديسمبر 28, 2010 9:56 am