الخواص الطبيعية لليزر

موضوع: الخواص الطبيعية لليزر 2010-04-29, 05:00

قبل البدء بدراسة خواص الليزر ، ينبغي تحديد معنى كلمة الليزر . كلمة الليزر هي لفظة مشتقة من أوائل كلمات العبارة التالية :

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation LASER .

ومعناها : » التكبير ( التضخيم ) الضوئي بوساطة الإشعاع المنبعث المحتث « وتستخدم كلمة الليزر للتعبير عن أية منطقة من مناطق الطيب ، ولمعرفة الليزر يجب في الواقع التعرف على الطيف الكهرومغنيطي والذي يبدأ من الموجات الطويلة إلى الموجات القصيرة لأشعة جاما العالية الطاقة .

وكما هو معروف فإن المنطقة الضيقة من الطيف ، والمعروفة لنا بالمرئيات أو الضوء الأبيض ، تتكون من الألوان الضوئية التالية : أحمر ، برتقالي ، أصفر ، أخضر ، أزرق ، وبنفسجي . كما أن ترددات هذه الإشعاعات وأطوالها الموجية مختلفة ومضطربة ، فهي أشبه بالضوضاء بمقارنتها مع الموجات الصوتية ، بينما نجد أن ضوء أشعة الليزر منظم ومركز مثل النوتة الموسيقية الواضحة بالمقارنة مرة أخرى بالموجات الصوتية .

وفي الليزر عمل الاضطراب الطبيعي للمومجات على ترابطها حيث تنبعث الفوتونات الوحدمات الأساسية لكل الإشعاعات الطيفية على شكل دفعات منتظمة ذات تردد واحد، ونظراً لأن الموجات تترابط فإن الفوتونات تقوي بعضها البعض وتزيد من قدرتها على نقل الطاقة .

يتميز شعاع الليزر ، أي كانت مادته أو منطقة طيفه ، بالخواص الرئيسية التالية :-

] أحادي اللون Monochromatic ، أي ذو عرض طيفي ضيق ينتج عنه تردد مفرد نقي، وهذه الصفة الموجبة كانت تتميز بها الأشعة الراديووية دون سواها .

] توازي الحزم الضوئية COLLIMATION ، أي يكاد التشتت أو التفريق في الحزمة يكون معدوماً .

] الترابط Coherence ، الترابط بين موجات الحزمة الواحدة مكانياً وزمانياً يساعد الموجات الضوئية أو الفوتونات في تقوية بعضها البعض لتعطي طاقة وقدرة عالية للحزمة الواحدة .

] الشدة Intensity ، شدة الشعاع عالية ومركزة في خزمة ذات قطر ضيق لا يتجاوز الواحد مليمتر ، وعند استخدام البصريات الملائمة يمكن تعريضها وفق الحاجة .

1- فوائد شعاع الليزر :-

] الحزمة الضوئية لشعاع الليزر لا تمتلك كتلة ، نظراً لأن كتلة الفوتونات المؤلفة لها تساوي صفراً .

] يمكن أن تكون الحزمة الضوئية مستمرة التدفق أو نبضية وتتخذ هذه النبضات أشكالاً متعددة ومعدلات إعادة مختلفة تبدا من نبضة في الثانية الواحدة أو أجزائها إلى ملايين النبضات في الثانية .

] سهولة السيطرة على حزمة الليرز خصوصاً ذات الترددات الضوئية المرئية للعين المجردة .

] سهولة إدارة وإدامة اليزر إذا ما قورنت بالإشعاعات الذرية والنووية الأخرى.

2- المعوقات في استخدام الليزر :-

] حزمة خطرة وخصوصاً عند تعرضها لحاسة البصر . .

] تحتاج إلى قدرة عالية للتشغيل ، وحيث أن طرق الحث يمكن أن تأخذ أشكالاً متنوعة ، وهي في مجملها تحويل الطاقات المختلفة إلى طاقة ضوئية . .

] تحتاج إلى دقة متناهية في تطابق المستويات البصرية لبدء بالانبعاث الليزري . . .

إن العصر الليزري يحمل في طياته القدرة على النفاذ في أغوار المواد سواء كانت غازية ، أو صلبة ، أو سائلة لتسخير ذراتها وجزيئاتها حث كل منهما أو ( تحفيزهما ) لإنتاج وبعث شعاع فريد في صفاته الفيزيائية ، نحيد في مميزاته التطبيقية ، فائق الجودة في خواصه ـ يتألف من دقائق ضوئية ( تسمى بالفوتونات ) ، ذات ترددات أو أطوال موجية معتمدة على نوع المادة المحتثة (المثارة ) ، والطبقة المستخدمة في الحث ( الإثارة ) . هذا الشعاع قد يكون مرئياً للإنسان أو غير مرئي ، مستمر التدفق أو متقطع ( نبضي ) .

من المعروف في علم المواد ، أن المواد المختلفة تتكون من ذرات عنصر أو أكثر من عناصر الجدول الدوري والتي لا يتجاوز عددها (104) تتحد ذرات هذه العناصر بصور متنوعة لتؤلف عدداً لا يحصى من الجزئيات التي بدورها تكون المركبات المختلفة ، معطية الصفات المعروفة للمواد . ومن الممكن نظرياً بعث شعاع الليزر من كل هذه العناصر أو مركباتها ، وعملياً تستوجب هذه العملية ايجاد طرق الحث المناسبة ، وقد تم فعلاً التوصل خلال الأعوام القليلة الماضية إلى تكوين شعاع اليزر من عدد كبير من الذرات والجزئيات سواء كانت على شكل مركبات غازية ، أو صلبة ، أو سائلة . ومن هذه الأجهزة ما يباع تجارياً ومنها ما هو قيد التجربة والبحث وتمتاز هذه الأجهزة بأشكالها وأحجامها وطاقاتها المختلفة ، إلا أن أساسيات تصميمها واحدة وهي توافر ثلاثة عناصر رئيسية مشتركة :

» الوسط المادي ، مصدر الطاقة ، المرنّن «

1- الوسط المادي :

أو توفر المادة الفعالة بالكمية المناسبة ، وقد تكون مكونة أو محاطة بالمرنن .

ومن أمثلة المواد الفعالة الشائعة الاستعمال حالياً :

] البلورات الصلبة ، مثل الياقوت الصناعي وعقيق الألمنيوم والزجاج المسمى بالياج

] المواد الغازية ، مثل خليط غاز الهليوم والنيون وخليط غاز الهليوم والكادميوم وبخار الماء

] الغازات المتأينة مثل غاز الأرجون وغاز الكربتون .

] الجزئيات الغازية مثل غاز أول أكسيد الكربون وغاز ثاني أوكسيد الكربون .

] الصبغات السائلة ، وهي صبغات كيميائية عضوية مختلفة مذابة في الماء .

] المواد الصلبة نصف الموصلة ، مثل أرسنيك الجاليوم .

2- مصدر الطاقة :

وهي التي تحدد طريقة الحث لإثارة المادة الفعالة وحثها على بعث إشعاع الليزر .. وتتنوع مصادر الطاقة المستخدمة حالياً ومنها :

استخدام مصادر للترددات الراديوية R.F كطاقة داخلية . أو استخدام التفريغ الكهربائي في التيار المستمر مثال ذلك ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون - وليزر الهليوم / نيون ، وليزر غاز الأرجون ….. الخ .

] الطاقة الضوئية ، والمعروفة باسم الضخ الضوئي ، ويمكن أن تنبعث من مصدرين رئيسين :

استخدام المصابيح الوهاجة ذات القدرة الكبيرة كما في ليزر الياقوت . أو استخدام شعاع ليزرية كثيرة في مناطق الطيف المختلفة ، ومثال ذلك ليزرات الصبغات السائلة Dye المتوفرة تجارياً .

] الطاقة الحرارية ، يمكن أن يتسبب كل من الضغط الحركي للغازات والتغيرات في درجات الحرارة في حث وإثارة المواد لتبعث أشعة الليزر . . .

] الطاقة الكيميائية ، بين مزيج من الهيدروجينH₂والفلور F₂طاقة مسببة لحث هذه الجزئيات على بعث الإشعات الليزري ، وكذلك مع خليط فلوريد الديتريوم DF ، وثاني أوكسيد الكربون …… مثال ذلك الليزرات الكيميائية .

المرنن :-

وهو الوعاء الحاوي والمنشط لعملية التكبير ، وفي العادة يستخدم إما :

] المرنن الخارجي : وهو مرآتان متوازيتان في نهاية الأنبوب الحاوي للمادة الفعالة ، وتكون الانعكاسات المتعددة بينهما هي الأساس في عملية التكبير الضوئي ، كما في الليزرات الغازية .

] المرنن الداخلي : ويتمثل في طلاء نهايات المادة الفعالة لتعمل عمل المرآة ، كما في ليزرات بلورات الياقوت وليزر عقيق الألمنيوم والزجاج ، وفي الليزرات الصلبة بصورة عامة .

وفي كلا الحالتين يجب أن تكون إحدى المرآتين عاكسة كلياً للفوتونات الضوئية والأخرى تسمح بالنفاذ الجزئي لكي يتسنى لشعاع الليزر الخروج منها خارج المرنن .

3- مثال ليزر بلورات الياقوت :

استخدم في تصميم أول ليزر ، قضيب من بلورات الياقوت الصناعي ( المخضب بذرات الكروم ) ، كمادة فعالة طوله بوصتان وقطره نصف بوصة . طليت نهايتا هذا القضيب بالفضة ليكوّن غرفة عاكسة للضوء داخله مكونه بذلك مرنن من نفس المادة وقد طليت إحدى النهايتين لتكون أقل انعكاساً للضوء عن الأخرى ، وذلك للسماح لبعض الأشعة المنعكسة الداخلية بالنفاذ خارج القضيب الياقوتي . . . أحيط هذا القضيب الياقوتي بأنبوب حلزوني يحوي غاز الزينون Xe الذي يعطي وميض ضوئي متقطع إلى البلورة الياقوتية عند تشغيله بفعل التفريغ الكهربائي . وكما يلاحظ فإن طريقة الحث هنا تتم بواسطة مصدر ضوئي للطاقة .

عند أمتصاص الياقوت لهذه الطريقة الوميضية تبدأ ذرات الكروم في التهيج ، حيث إن اكتساب ذارات الكروم لهذه الطاقة يرفعها إلىمستويات طاقة أعلى مما كانت عليه .

للحصول على أشعة الليزر من الضروري توفر ثلاثة شروط أساسية وهي :

1) حدوث التعداد المعكوس .

2) توفر الانبعاث المحتث .

3) إيحاد التكبير الضوئي .

ولو وصف مثل هذه الظواهر ، يجب أن نعيد إلى الذاكرة أن كل المواد المتوفرة في الطبيعة ، بدون تميز ، سواء كانت في حالة صلبة أو سائلة أو غازية ، تتألف من عنصر أو أكثر على شكل جزيئات أو ذرات . . .

تتألف هذه الجزئيات والذرات من إليكترونات وبروتونات وجسيمات نووية أخرى . توجد جميع هذه الجسيمات في الطبيعة في حالة استقرار ، أو في حالة تهيج ، ونعبر عن ذلك بوجد هذه الجسيمات في مستويات طاقة مختلفة ، ومستويات الطاقة هي المميزة لذرة عن أخرى أو جزيئة عن أخرى . وعلم الطيف يعتبر المفتاح لدراسة ومعرفة هذه المستويات المختلفة . ومن المعروف بأنه قد نجد مثلاً في غاز الأكسجين عدداً كبيراً من ذرات الأكسجين في مستويات طاقة منخفضة ( ويعرف أحياناً بالأرضية ) ، بالإضافة إلى عدد يسير من ذراته في حالة تهيج ،أي في مستويات طاقة عالية .

1- الانبعاث المحتث :

تحت الظروف الطبيعية ( العادية ) تكون غالبية الذرات في مستوى الذرات في مستوى الطاقة الأقل ، وعدد قليل منها يكون في المستويات العليا . للتخلص من حالة التهيج ، أي الطاقة الزائدة وللنزول إلى مستويات طاقة أقل ، ومثل هذه العملية تكون عشوائية الحدوث ، والفوتونات المنبعثة لا تكون مترابطة مع بعضها البعض ، أي لا تكون بنفس الطور .

يوجد نوع أخر من الانبعاث يلعب الدور المهم المسمى بالانبعاث المحتث وهو عند اصطدام فوتون طاقته مساوية للفرق بين مستويين للطاقة مع ذرة في مستوى طاقة عليا ، يعمل هذا الفوتون على حث الذرة في بعث فوتون آخر يملك نفس طاقة الفوتون الأول ويكون في حالة ترابط طوري معه ^{(.htm#_ftn6][6])} .

2-التعداد المعكوس

ويتطلب أبعاث أشعة اللزر العمل على زيادة عدد الذرات في مستويات الطاقة العليا ، أي زيادة تعدادها عن الحالة الطبيعية فيها باستخدام طاقة خارجية مثلاً . وعندما يكون عدد الذرات في مستويات الطاقة العليا أكثر من عدد الذرات في مستويات الطاقة الدنيا نستطيع القول بأنه حصل انقلاب في التعداد أو عكس التعداد ، وهو ما سميناه بالتعداد المعكوس .

3- التكبير الضوئي :

عندما تُجبر مجموعة من الذرات أو الجزئيات لتكون في وضع متهيج ، أي تملك طاقة عالية ، بمعنى آخر الحصول على تعداد كثيف في مستويات الطاقة العليا ، فإن انبعاث فوتون مفرد خلال انتقال الذرة أو الجزيئة إلى متسوى أقل سوف يحث غالبية الذرات الأخرى الموجودة في نفس مستويات الطاقة للانتقال وبعث الطاقة الزائدة على شكل فوتون حسب الترتيب الموضح .

يسمى الليزر بالليزر النبضي Pulse laser وفيها يجب ضخ النظام مرة أخرى للحصول على تعداد معكوس آخر ونبضة ليزرية أخرى وذلك بعد إكمال عملية الانبعاث المحتث ورجوع غالبية الذرات المهيجة إلى وضع الاستقرار .

4 - مثال ليزر غاز الهليوم - نيون

يمثل هذا النوع أحد الليزرات المتوفرة تجارياً على نطاق واسع ، حيث نيتج ضوءاً طوله الموجي 632.8 نانومتر ، وهو أحمر اللون ، والمادة الفعالة لهذا الليزر هي خليط من غاز الهليوم والنيون ، كما أن غالبية ذرات هذين الغازين تقع في المستويات الإلكترونية n=1 و n=2 على التناظر ، وعند إثارة هذه الذرات إلى مستويات طاقة عليا فإنها يجب أن تعود إلى المستوى 1S في الهيوم ، 2S في النيون لإعادة الإستقرار في مستويات الطاقة الأرضة .

موضوع: رد: الخواص الطبيعية لليزر 2010-04-30, 08:22

شكراااا

» الكوارث الطبيعية
» التوازنات الطبيعية
» درس فيديو حول المناعة الطبيعية IMMUNITE NATURELLE
» مجموعة الأعداد الصحيحة الطبيعية و مبادئ في الحسابيات الجذع المشترك