أشعة الليزر ومبدأ توليدها Laser
مبدأ توليد أشعة الليزر Laser
*كيف تم اكتشاف أشعة الليزر:
في عام 1917م تنبأ العالم اينشتاين بأنه يمكن تضخيم الضوء كما يضخم الصوت .وفي عام 1954م تم تطوير جهاز لتضخيم الأمواج القصيرة غير المرئية (الميكروية ) ، سميت هذه الأشعة المضخمة بأشعة الميزر .
في عام 1960 م استطاع العالم ثيودور ميمان من تصميم أول جهاز لتضخيم الأمواج الضوئية المرئية مستخدماً بلورة الياقوت . وتسمى الأشعة المرئية المضخمة بأشعة الليزر .
*ـ معنى الميزر: هي الأحرف الأولى للعبارة الإنجليزية التالية Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ومعناها تكبير الموجات القصيرة غير المرئية (الميكروية) بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع .
*ـ معنى الليزر: هي الأحرف الأولى للعبارة الإنجليزية التالية : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ومعناها تضخيم الضوء المرئي بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع.
*ـ فكرة الحصول علي أشعة الليزر: تعتمد على الانبعاث المستحث للإشعاع .
1ـ ليزر الحالة الصلبة
2ـ ليزر الحالة السائلة
3ـ ليزرالحالة الغازية
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
ملاحظة: للذرة مستويات طاقة أدناها هو مستوى الطاقة الأرضي (طا1) وتكون الذرة فيه مستقرة ، ويليه مستويات الطاقة (طا2 ، طا3 ، ... ) وتكون هذه المستويات للذرة غير مستقرة (أي أنها مستويات مثارة ) ، ولكن هنالك ذرات يكون مستواها الثاني شبه مستقر ( أي أن الإلكترونات تستقر فيها لبعض الوقت ، ثم تعود إلى المتسوى الأرضي المستقر وهذه الذرات هي التي تولد أشعة الليزر.
1ـ الامتصاص المستحث : عند قذف ذرة وهي في حالة مستقرة (طا1) بفوتون ضوئي طاقته تساوي الفرق في الطاقة بين المستويين (hf= طا2- طا1) فإن الذرة تمتص طاقة الفوتون مما يؤدي إلى انتقال الإلكترون من مستوى الطاقة (طا1)إلى المستوى (طا2)( أي أن الذرة تصبح مثارة) تسمى هذه العملية بالامتصاص المستحث.
تعريف الامتصاص المستحث : هي عملية امتصاص الذرة لطاقة فوتونات ضوئية تكفي لنقل بعض الكتروناتها من مستوى الطاقة الأرضي إلى مستويات طاقة أعلى .ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
2ـ الانبعاث التلقائي(الطبيعي): عندما تعود الذرة من الحالة المثارة في المستوى(طا2) إلى حالتها المستقرة في مستوى الطاقة (طا1) من تلقاء نفسها فإنها تبعث بالطاقة التي امتصتها عند إثارتها على شكل إشعاع ضوئي يتميز بأن
1ـ له نفس تردد الفوتونات الساقطة (الفوتون المسبب للإثارة)
2ـ أما التردد والطورللفوتونات المنبعثة فهما غير محددين(قد تكون متفقة أو مختلفة)
3ـ تكون هذه الأشعة في اتجاهات مختلفة مثل الأشعة المنبعثة من المصابيح الكهربائية (علل) لأن كل ذرة تبعث بأشعتها بشكل مستقل عن الأخرى وتكون هذه الأشعة منتشرة في اتجاهات مختلفة .
* تعريف الانبعاث التلقائي: هي عملية انبعاث أشعة مختلفة في الطور والاتجاه من الذرات المثارة عند عودتها إلى حالتها المستقرة في مستوى طاقة أدنى بصورة تلقائية ( أي دون مؤثر خارجي يؤثر عليها).
*ـ تعريف الانبعاث المستحث:عبارة عن عملية انبعاث فوتونات من الذرات بحيث تكون متفقة في الطور والاتجاه والتردد مع الفوتون الذي يحثها على العودة من المستوى شبه المستقر إلى المستوى الأرضي .
ومعناها تكبير الموجات القصيرة غير المرئية (الميكروية) بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع .
*ـ معنى الليزر: هي الأحرف الأولى للعبارة الإنجليزية التالية : Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ومعناها تضخيم الضوء المرئي بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع.
*ـ فكرة الحصول علي أشعة الليزر: تعتمد على الانبعاث المستحث للإشعاع .
***************************************
*ـ أنواع الليزرات :
هنالك أنواعاً من الليزرات لمواد مختلفة مثل :1ـ ليزر الحالة الصلبة
2ـ ليزر الحالة السائلة
3ـ ليزرالحالة الغازية
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
ملاحظة: للذرة مستويات طاقة أدناها هو مستوى الطاقة الأرضي (طا1) وتكون الذرة فيه مستقرة ، ويليه مستويات الطاقة (طا2 ، طا3 ، ... ) وتكون هذه المستويات للذرة غير مستقرة (أي أنها مستويات مثارة ) ، ولكن هنالك ذرات يكون مستواها الثاني شبه مستقر ( أي أن الإلكترونات تستقر فيها لبعض الوقت ، ثم تعود إلى المتسوى الأرضي المستقر وهذه الذرات هي التي تولد أشعة الليزر.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
مبدأ توليد أشعة الليزر
تتفاعل المادة مع الإشعاع الساقط عليها بثلاث عمليات أساسية (وهذه العمليات هي مبدأ توليد أشعة الليزر) وهي :1ـ الامتصاص المستحث : عند قذف ذرة وهي في حالة مستقرة (طا1) بفوتون ضوئي طاقته تساوي الفرق في الطاقة بين المستويين (hf= طا2- طا1) فإن الذرة تمتص طاقة الفوتون مما يؤدي إلى انتقال الإلكترون من مستوى الطاقة (طا1)إلى المستوى (طا2)( أي أن الذرة تصبح مثارة) تسمى هذه العملية بالامتصاص المستحث.
2ـ الانبعاث التلقائي(الطبيعي): عندما تعود الذرة من الحالة المثارة في المستوى(طا2) إلى حالتها المستقرة في مستوى الطاقة (طا1) من تلقاء نفسها فإنها تبعث بالطاقة التي امتصتها عند إثارتها على شكل إشعاع ضوئي يتميز بأن
1ـ له نفس تردد الفوتونات الساقطة (الفوتون المسبب للإثارة)
2ـ أما التردد والطورللفوتونات المنبعثة فهما غير محددين(قد تكون متفقة أو مختلفة)
3ـ تكون هذه الأشعة في اتجاهات مختلفة مثل الأشعة المنبعثة من المصابيح الكهربائية (علل) لأن كل ذرة تبعث بأشعتها بشكل مستقل عن الأخرى وتكون هذه الأشعة منتشرة في اتجاهات مختلفة .
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
3ـ الانبعاث المستحث: عند قذف ذرة مثارة في مستوى الطاقة (طا2) بفوتون طاقته ( hf= طا2- طا1) فإنه يدفع الذرة (أي يحثها بالقوة)على الانتقال إلى المستوى الأرضي (طا1) وينتج عن ذلك انبعاث فوتون آخر (أي غير الساقط) يكون له نفس طاقة وطور واتجاه الفوتون الساقط. وهذا الانبعاث هو أساس توليد أشعة الليزر.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
*ملاحظة: لا يحدث الانبعاث المستحث في الطبيعة وإنما تنبأ بحدوثه أينشتاين إذا توفرت شروط وخصائص معينة في مستويات الطاقة لذرات أو جزيئات عنصر معين ومن هذه الخصائص هو أن يكون هنالك مستويات شبه مستقرة للذرات
ومن هذه الشروط اللازم توفرها :
1ـ أن يكون عدد الذرات المثارة في مستوى الطاقة (طا2) أكبر من عدد الذرات في المستوى الأرضي (طا1) ( الاستيطان العكسي ).
ولتحقيق ذلك يجب أن يكون المستوى(طا2) شبه مستقر (أي تستطيع الذرات الاستقرار فيه مدة زمنية أطول نسبياً (علل)وذلك حتى تتراكم الإلكترونات في هذا المستوى لفترة زمنية تكفي لحدوث عملية توليد أشعة الليزر) ويسمى تواجد الذرات في المستوى المثار(طا2) بالاستيطان العكسي (علل) لأنه عكس الاستيطان الطبيعي الذي يحدث في المستوى الأرضي (طا1) .
2ـ إجراء ترتيبات معينة تجعل خروج معظم الفوتونات متفقة في الطور والتردد والاتجاه.
* تعريف الاستيطان العكسي : هو عملية زيادة عدد الإلكترونات في مستوى الطاقة(طا2) عن عددها في المستوى (طا1) وهو شرط إنبعاث أشعة الليزر.
ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
س: ما المبدأ الذي يقوم عليه توليد الأشعة الليزرية. وزراي (2004ـ 2005م)
جـ : مبدأ توليد أشعة الليزر :
1 ـ الامتصاص المستحث
2 ـ الانبعاث التلقائي
3 ـ الانبعاث المستحث
**************************************