أقرأ أيضاً
التاريخ: 16-3-2016
2988
التاريخ: 14-4-2016
3833
التاريخ: 26-1-2021
1047
التاريخ: 2-2-2021
1832
|
ضوء الليزر
تتكون حزمة الضوء العادي من مجموعة من الموجات المنفردة الصادرة عن ذرات منفردة بالمصدر الضوئي. وعلى الرغم من كون الموجات المكونة لحزمة ضوء وحيد اللون ذات طول موجي واحد، إلا أن الموجات التي تبثها المنفردة ليست متفقة في الطور؛ فهي لا تحتفظ بعلاقات طور بين بعضها البعض. وبعبارة أخرى لا تكون هذه الموجات مترابطة. ويشير التحليل الإحصائي إلى أنه إذا كانت سعة كل موجة هي A، فإن سعة الموجة الناتجة من جمع عدد N من مثل هذه الموجات هي
افترض ــ مع هذا ــ أننا استطعنا جعل الذرات تتزامن عند إطلاق موجات الضوء وحيد اللون في مصدر ضوئي ما، بحيث كان لتلك الموجات نفس الطور وأصبحت الموجات مترابطة. عندئذ تكون سعة الموجة المحصلة للعدد N من الموجات المترابطة والمتفقة في الطور ولكل منها سعة A هي مجموع سعات الموجات أو AN. وإذا قارنا هذه السعة مع سعة الموجات غير المترابطة لوجدنا أن النسبة بين السعتين هي وحيث أن شدة الموجة تتناسب مع مربع سعتها، فإننا نجد أن:
أي أن الحزمة المكونة من N موجة ستكون أشد N مرة عندما تكون الموجات مترابطة عما لو كانت الموجات غير مترابطة. ولأن حزمة نموذجية قد تتكون من مليون موجة منفردة عند نقطة ما، فإن الحزمة المترابطة قد تكون أشد بنحو مليون مرة من حزمة مماثلة ولكنه غير مترابطة.
ولم يتم ابتكار مصدر ضوئي للموجات المترابطة إلا في الخمسينيات من القرن العشرين. وكان هذا المصدر هو ما سمى الليزر (وهو مكون من الحروف التي تبدأ بها كلمات ــ تكبير الضوء بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع ــ باللغة الإنجليزية).
Light Amplification by stimulated Emission of Radiation
وتستخدم في هذا المصدر الحقيقة التي أشار إليها أينشتين عام 1917: من الممكن للذرات الموجودة في حالة مستثارة أن تستحدث لكي تقفز إلى مستوى طاقة أدنى عندما يرتطم بها فوتون في ضوء ساقط عليها إذا كانت طاقته تماثل الفرق بين مستويي الطاقة الواردة في عملية القفز. أي أن الإلكترون يطلق فوتوناً له طول موجي يماثل الطول الموجي للفوتون الساقط. وينطلق كل من الفوتونين، الساقط والمنبعث بعيداً عن الذرة وهما متفقين في الطور.
وهذه العملية التي يطلق عليها الانبعاث المستحث، موضحة في الشكل 1)). وسنرى الآن كيف أمكن الاستفادة من هذه الظاهرة في الليزر.
الشكل 1)): ينتج الانبعاث المستحث موجات مترابطة.
إن الإلكترونات لابد أن تكون في حالة مستثارة حتى يمكنها إطلاق طاقة عندما تستحث بواسطة فوتونات ساقطة. ولذلك لزم أن تكون هناك وسيلة للاستثارة كما أنه للحصول على شدة كبيرة للانبعاث المستحث، لابد من وجود عدد من الإلكترونات في الحالة المستثارة أكبر من العدد الموجود في الحالة الأرضية. وهذا الموقف هو ما يطلق عليه انقلاب توزيع الإلكترونات. ولكي يتحقق هذا الانقلاب فإن الإلكترون الموجود في حالة مستثارة عليه أن يظل بها لبعض الوقت قبل أن يعود تلقائياً إلى الحالة الأرضية والحالة المستثارة هذه يقال أنها حالة استقرار مؤقت أو حالة شبه مستقرة: وهي الحالة التي يكون فيها الإلكترون مستقراً بشكل غير عادي، ومنها يهبط الإلكترون إلى حالة أدنى بعد فترة طويلة نسبياً.
نستطيع الآن، في ضوء الاعتبارات السابقة، أن نلخص العمل الأساسي لليزر بالرسم البياني لمستويات الطاقة كالمبين في الشكل 2)). وتستثار الإلكترونات بوسيلة ما من الحالة الأرضية E1 إلى حالة مستثارة E3(الشكل (2)(أ) ، (ب) ) ثم تقفز معظم الإلكترونات إلى الحالة شبه المستقرة E2 حيث تظل هناك لفترة ما ولا تعود تلقائياً إلى E1 مباشرة مما ينشأ عنه تراكم الإلكترونات في E2 أي انقلاب في توزيع الإلكترونات بالنسبة للحالة الأرضية. فإذا مر فوتون طاقته E2-E1 خلال الذرة، فإنه يكون قادراً على حث إلكترون لكي يقفز منة E2 إلى E1 خلال الذرة، فإنه يكون قادراً على حث إلكترون لكي يقفز من E2 إلى E1 (الشكل (2 جـ) ). وينشأ عن هذه القفزة فوتون مطابق للفوتون الساقط ومتفق معه في الطور (الشكل (2 د) ) وبتكرار هذه العملية ذاتياً العديد من المرات فإن عدد الفوتونات يتنامى بمتوالية هندسية ويحدث تكبير لشدة الضوء.
من أجهزة الليزر الشائعة ليزر هليوم ــ نيون، الذي يتكون من أنبوبة تفريغ كهربي مستقيمة جداً، وتحتوي على 15% من حجمها من غاز الهليوم و 85% من غاز النيون. ويضم النظام الذرى الهليوم والنيون ثلاثة مستويات للطاقة ذات أهمية خاصة: هي
E1 ، E2 و E3 يوضحها الشكل 27-21 و E3 هي حالة الاستقرار المؤقت للهليوم وتقع عند 20,61 eV فوق E0، أما E2 فهي حالة الاستقرار المؤقت للنيون وتقع عند 20.61 eV فوق E0. والحالة E1 تمثل مستوى طاقة في النيون عند 1.96 eV أسفل E2.
الشكل 2)): لابد من توافر انقلاب في التوزيع وحالات استقرار مؤقت، وانبعاث مستحث في أي جهاز ليزر.
تكون معظم إلكترونات النظام تقريباً في الحالة الأرضية قبل تنشيط التفريغ الكهربي ثم يستثار بعضها ليقفز إلى المستويين E2 و E3 بواسطة تفريغ ذي جهد مرتفع وتقوم التصادمات بين ذرات الهليوم والنيون بنقل طاقة إلكترونات الهليوم المستثارة إلى E2 مما يخلق انقلاباً في توزيع الإلكترونات بين E2 و E1.
سنفترض الآن أن عدداً قليلاً من ذرات النيون المستثارة قد قام بالانتقال تلقائياً من E2 إلى E1، مطلقاً بهذا فوتونات طولها الموجي 632,8 nm، تناظر قفزة في الطاقة مقدارها 1.96 eV. ويمكن لهذه الفوتونات أن تمتص بواسطة الإلكترونات القليلة في المستوى E1 فتستثار إلى E2. كما أنها تستطيع ــ كما في الشكل 3)). ان تجعل الإلكترونات تهبط من E2 إلى E1 مفضية بهذا إلى حدوث انبعاث مستحث لموجات مطابقة للموجات الساقطة. ونظراً لوجود انقلاب التوزيع فإن الانبعاث المستحث يكتسح أي امتصاص تال للفوتونات وتأخذ شدة الموجات المنبعثة في الازدياد كلما مرت خلال الغاز. وتكون النتيجة النهائية هي حزمة مترابطة تمر خلال أنبوبة التفريغ.
الشكل 3)): الرسم البياني لمستويات الطاقة في ليزر الهليوم ــ نيون. تستثار الإلكترونات إلى المستويين E2 وE3 بواسطة تفريغ كهربي. تم تقوم التصادمات بين ذرات الهليوم تستثير المزيد من الإلكترونات Ne إلى المستوى E2 خالفة بهذا انقلاب في التوزيع في هذه الحالة شبه المستقرة. ثم تستحث إلكترونات المستوى E2 لكي تقفز إلى المستوى E1 الذي يقع عند 1.96 eV إلى أسفل E2.
الشكل 4)): رسم تخطيطي يبين كيفية تراكم الانبعاث المستحث، لكي يكون موجة مترابطة قوية في أنبوبة الليزر.
ويتكون طرفاً انبوبة التفريغ من مرآتين مستويتين ومتوازيتين إلى أقصى حد (الشكل 4))). إلا أن المرآة اليمنى تفضض بشكل طفيف فقط لدرجة أنها لا تعكس إلا نحو 99% من الضوء فقط. إن العديد من ذرات النيون المستثارة تقوم بإطلاق فوتونات متماثلة ومتفقة في الطور كما يدل على ذلك الشكل (4). وما هي إلا فترة صغيرة حتى تمتلئ الأنبوبة بالموجات المترابطة التي تتحرك يمنة ويسرة بين المرآتين الموجودتين عند طرفي الأنبوبة، وبذلك تنشأ حزمة قوية جداً ووحيدة اللون ومترابطة في نفس الوقت داخل الانبوبة. ويخرج كسر صغير من الحزمة المترابطة من الأنبوبة عبر المرآة "ذات التسريب" عند أحد طرفي الانبوبة.
وحزمة الضوء الصادرة من جهاز الليزر قوية للغاية، وذلك لأن جميع الموجات التي تخرج من طرف أنبوبة الليزر تكون مترابطة. ويكون الطول الموجي للحزمة محدداً بشكل قاطع وهو 632.8 nm لأن جميع الموجات متطابقة. وليست الحزمة قوية ومترابطة فحسب ولكنها دقيقة جداً ومستقيمة لا تتفرق إلا بقدر ضئيل. ويرجع ذلك إلى أن أية أشعة داخل الانبوبة، تتعرض لتفرق شديد بعيداً عن المحور، سنفقد في الجوانب خلال رحلاتها العديدة جيئة وذهاباً. وهناك أهمية عملية عظيمة، نابعة من حقيقة أن الحزمة ليست متفرقة بشكل ملموس؛ وخلافاً لما يحدث في حالة بصيلة مصباح عادي، فإن طاقة حزمة الليزر لا تأخذ شكل المروحة وهي تنتشر في الفضاء؛ وإنما تنطلق في الفضاء عبر أسطوانة دقيقة وتحتفظ بشدتها لمسافات طويلة جداً.
على الرغم من أنك قد تكون معتاداً على استخدام ليزر الهليوم ــ نيون، الذي يبلغ خرجة نحو ميللي وات فحسب، إلا أن هناك عدداً كبيراً من أنواع الليزر المتاحة حالياً؛ وجميعها تحتاج إلى تواجد حالة مؤقتة الاستقرار حتى يتكون انقلاب التوزيع، ويؤدي الانبعاث المستحث، من ثم إلى ظهور مجموعة مترابطة من الموجات المتفقة في الطور. وتتفاوت هذه الأنواع من حيث الطول الموجي الذي يتراوح بين الأشعة تحت الحمراء البعيدة وأشعة إكس الطويلة. كما تتراوح قدراتها من كسر صغير من الميللي وات (في حالة الليزر المستخدم في الأجهزة الصوتية لأسطوانات مدمجة مثلاً) إلى ملايين الواتات.
لقد أصبح الليزر ــ بعد أربعين سنة منذ افتتاحه ــ واحداً من أكثر المنتجات التطبيقية للبحوث الفيزيائية انتشاراً. ويتيح ترابط ضوئه تسجيل معلومات ذات طور وشدة فوتوغرافياً من خلال عملية صارت تعرف باسم هولوجرافياً (أو التصوير الهولوجرافي).
وتبرز الصور الهولوجرافية الأبعاد الثلاثة للجسم الذي التقطت له الصورة. كما يسمح ترابط الأشعة بتركيزها في بؤرة ذات مساحة صغيرة للغاية، مما يوفر حزمة ضوئية دقيقة وذات شدة بالغة في نفس الوقت. وهذا ما أتاح للجراحين أن يدمروا الأنسجة المصابة في نقط محددة بعناية أو أن يقوموا "بلحام" الأنسجة الممزقة، كما في حالة الانفصال الشبكي. كما أن حزمة الليزر قادرة على اختراق المواد بشكل أسرع وأدق من آلات الثقب المألوفة. واستقامة حزمة الليزر، تجعلها ذات فائدة في عمل المسح والتحكم في عمليات الآلات المختلفة والعمليات الصناعية التي يستخدم فيها " الإنسان" الآلي.
وترتبط اجهزة الليزر حالياً مع اجهزة الكومبيوتر بطرق عديدة، كما في حالة قراءة شفرة القضبان (باركورد) المثبتة على معظم البضائع التي نشتريها. وتستخدم اجهزة ليزر الحالة الصلبة في أنظمة الأقراص المدمجة المسموعة والمرئية، حيث ينعكس شعاع الليزر من على الأشكال المرقمة المحفورة على القرص، ثم تحول إلى إشارات إلكترونية يقوم الكومبيوتر بتحليلها وتحويلها إلى أشكال من إشارات الجهود الكهربية التي تدير مكبرات الصوت وخرج أجهزة تسجيل الفيديو.
وستظهر تطبيقات جديدة لليزر بشكل متنامي في المستقبل، مثل نقل الإشارات عن طريق تضمين (تعديل) الضوء المرئي وتخزين الذاكرة البصرية في اجهزة الكومبيوتر.
|
|
دراسة تحدد أفضل 4 وجبات صحية.. وأخطرها
|
|
|
|
|
جامعة الكفيل تحتفي بذكرى ولادة الإمام محمد الجواد (عليه السلام)
|
|
|