إختر أحد أقسام الموقع

 

Researches

الأبحاث

 

الليــــــزرLASER

 

أساسيات ذرية :

يوجد في الطبيعة التي خلقها الله سبحانه وتعالى حوالي 100 نوع الذرات المختلفة عن بعضها البعض . وكل ما نراه حولنا من الأشياء مكون من تلك الأنواع المائة من الذرات على شكل عدد غير محدود من المركبات . ومعرفتنا لكيفية ترتيب وارتباط الذرات مع بعضها البعض يحدد لنا حالة وهيئة الذرات المكونة لكأس الماء أو لقطعة معدنية أو الفوران الصادر من علبة المياه الغازية .

والذرات تكون دائماً في حالة حركة مستمرة . فهي تهتز وتنتقل وتدور . إذاً فالذرات المكونة للكرسي الذي نجلس عليه تكون في حالة حركه!!!.

الذرات يمكن أن تكون في حالات مختلفة من الإثارة !!! ، بمعنى أنه يمكن لها أن تأخذ طاقات مختلفة . فإذا أعطينا الذرة كمية من الطاقة فإنها تنتقل من مستوى طاقة الحالة الأرضية إلى المستوى الإثاري . علماً أن الوصول للمستوى الإثاري يعتمد على قيمة الطاقة المعطاه للذرة بواسطة الحرارة أو الضوء أو الكهرباء .

 

الشكل السابق يبين أن الذرات تتكون من نواة ( تحتوي على بروتونات ونيوترونات ) وسحابة إلكترونية . ويمكن تصور الإلكترونات في هذه السحابة تدور حول النواة في مدارات مختلفة . والكثير من العروض الحديثة للذرة لا ترسم المدارات المنفصلة للإلكترون ، بل من المفيد تصورها كمستويات طاقة مختلفة للذرة . فمثلاً إذا أعطينا الذرة بعض الحرارة فإن الإلكترونات في المستويات الطاقة المنخفضة سوف تنتقل إلى مستويات طاقة عالية بعيداً إلى حد ما عن النواة . وهذا العرض يعتبر أفضل عرض تبسيطي ، ولكن بالتأكيد أنه يحمل قلب أو جوهر كيفية عمل الذرات في حدود الليزر .

 

لاحظ في الشكل السابق أحد الإلكترونات ينتقل إلى مدار طاقة عال ، وهذا الإلكترون لا يلبث وأن يعود إلى مداره الأرضي . وعندما يعود الإلكترون يحرر طاقته على شكل فوتون ( جسيم ضوئي ) . طبعاً أنت سوف ترى الذرات تحرر الطاقة على شكل فوتونات طوال الوقت . فمثلاً المادة المسخنة والتي تشع ضوء أحمر ، فإن ذراتها هي السبب في ظهور اللون الأحمر حيث حدث لها إثارة بالحرارة ثم حررت فوتونات حمراء . وأيضاً الصورة التي تظهر على شاشة التلفاز ، فما تشاهده هو عبارة عن انبعاث ألوان مختلفة من الضوء بسبب ذرات الفوسفور عندما تصطدم بها الإلكترونات السريعة جداً . وبشكل عام كل الأشياء التي تنتج أو تصدر ضوء ، تقوم بعملها ذلك عندما تغير إلكتروناتها من مداراتها فتتحرر الفوتونات الضوئية .

 

انتقالات الإلكترون بين المستويات :

يمكن تصنيف إنتقالات الإلكترون بين المستويات للذرة والتي تتضمن أشعاعات كهرومغناطيسية إلى ثلاثة أصناف أو أنواع كالتالي :

1 - الامتصاص المستحث Induced absorption

عندما يكون الإلكترون في الذرة موجود في مستوى أرضي من الطاقة ط1 E1 فإنه يمكن له الانتقال لمستوى أعلى ط2 E2 وذلك بامتصاص فوتون له طاقة قدرها

ط2 - ط1 .........................E2 -E1

وتسمى هذه العملية بالامتصاص المستحث.

 

2 - الإنبعاث التلقائي Spontaneous emission

عندما يكون الإلكترون في مستوى عال فإنه يمكن له أن يعود إلى مستوى أوطأ ط1 ( E1 ) وذلك باشعاع فوتون له طاقة قدرها

ط2 - ط1 ............... ( E2 - E1 )

وتسمى هذه العملية بالإنبعاث التلقائي

 

3 - الانبعاث المستحث Induced emission

عندما يسقط فوتون طاقته ط2 - ط1 ( E2 - E1 ) على ذرة ( مثارة ) إلكتروناتها موجودة في مستوى عال ط2 ( E2 ) فإن هذ الف

 

وتون سوف يستحث الإلكترونات على الإنتقال إلى مستوى أوطأ ط1(E1 ) مسبباً إنبعاث فوتونات متفقة مع الفوتون الساقط في التردد والطور والإتجاه . وتسمى هذه العملية بالإنبعاث المستحث .

 

 

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 .

 

 يعبر عن الحالة الغير ليزرية ( لا يوجد ليزر )

انلاحظ أن الانبوب الوميضي أثار الذرات في الياقوت

انشاهد بعض الذرات ينبعث منها فوتونات في اتجاهات مختلفة .

انلاحظ 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

 

 

 

 

Top