|
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 .
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 .
|
