مقالات

تداخل الضوء .. مقياس فابري بيرو للتداخل

Fabry Perot Interference

روابط إعلانية

قال تعالى: (أَلَمْ تَرَ إِلَى رَبِّكَ كَيْفَ مَدَّ الظِّلَّ وَلَوْ شَاءَ لَجَعَلَهُ سَاكِناً ثُمَّ جَعَلْنَا الشَّمْسَ عَلَيْهِ دَلِيلاً ثُمَّ قَبَضْنَاهُ إِلَيْنَا قَبْضاً يَسِيراً) (الفرقان:46).

ينبعث الضوء من الشمس، ويسير عبر الفراغ الكوني بخطوط مستقيمة، حتى إذا اصطدم بعضه بالهواء الأرضي، ذي الكثافة العالية بالنسبة للفضاء، انحرف ليسير في خط مستقيم آخر يشكل خط سيره في الفراغ زاوية ما. هذا ما يسمى بانكسار الضوء، حيث أن الضوء يغير مساره (ينكسر) إذا انتقل بين وسطين مختلفين في الكثافة، وهذه الظاهرة تفسر سبب قبض الظل قبضا يسيرا.

نعلم أن الضوء هو عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي يمثل جزءاً ضيقاً من الطيف الكهرومغناطيسي؛ هذا الجزء من الطيف يمكن للعين أن تدركه، وهو يتراوح بين الطول الموجي 700 نانومتر للضوء الأحمر والطول الموجي 400 نانومتر للضوء البنفسجيّ. إذاً الضوء موجة، لها عدة خصائص سواءً أكانت خصائص بصرية، مثل: الانعكاس، والانكسار، والحيود، والاستقطاب، والانتشار، أو خصائص موجية، فهو يمتلك تردد وطول موجي وطاقة وسعة. وهناك أيضاً ظاهرة تداخل الضوء التي تنتج عن التقاء قطارين من الموجات وتداخلهما معاً، وتتزايد شدة الموجات أو تنقص في مناطق أخرى.

يبقى السؤال، لماذا ندرس تقنية تداخل الضوء؟

قياس التداخل (interferometry) هو تشخيص خصائص اثنين أو أكثر من الموجات بدراسة نمط التداخل الناتج من تراكبهم، ونستخدم أداة مقياس التداخل (interferometer) لذلك. هذه التقنية مهمة جداً في علم الفلك، بصريات الألياف، علم القياس الهندسي، علم المحيطات، وفيزياء البلازما. وهناك عدة مقاييس للتداخل منها (Michelcon interferometer) ،(Double slit interferometer)،(Diffraction grating interferometer )،(Fabry Perot interferometer).ويعد تداخل (Fabry Perot)  أكثر المقاييس دقة.

إن أفضل وسيلة لفهم فكرة عمل وتركيب مقياس التداخل يكون من خلال الإجابة على سؤال ما هو التداخل interference

إذا قمت مرة من المرات بإلقاء حجر في بركة من الماء الراكد فإنك قد لاحظت تكون أمواج من حلقات دائرية مركزية تتحرك مبتعدة عن مركز سقوط الحجر في الماء. إذا تقاطعت حلقتان أو أكثر من هذه الحلقات مع بعضها البعض ينتج تغير في شكل الموجة المحصلة. هذا التغير في شكل الموجة الناتج عن موجتين متقاطعتين هو ما يعرف بظاهرة التداخل . Interference هناك نوعان من التداخل، التداخل البناء (constructive interference)، والتداخل الهدام (destructive interference)، ويحدث التداخل البناء عندما تندمج قمة موجة مع قمة موجة ثانية، مما ينتج عنهما موجة جديدة لها قمة تساوي حاصل جمع قمتي الموجتين. أما في التداخل الهدام فتتلقى قمة الموجة الأولى مع قاع الموجة الثانية، وهنا تتلاشى الموجتان مع بعضهما البعض.

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

روابط إعلانية

إذاً ما هو مقياس (Fabry Perot)؟ ولماذا يعد من أكثر المقاييس دقة لقياس الأطوال الموجية؟ وما هي آلية عمله؟ وما هي أهم تطبيقاته؟ دعونا نتعرف على هذا المقياس لنجيب عن هذه التساؤلات.

صمم هذا الجهاز العالمان شارل فابري وألفرد بيرو عام 1899 لدراسة ظاهرة التداخل بين الحزم الضوئية المتعددة.

وصف الجهاز

يتكون مقياس فابري بيرو للتداخل من زوج من الألواح السميكة من الزجاج عاكسة بنسبة 95% من الداخل، تفصلهما مسافة (micrometers to centimeters ) تنعكس عنها الموجات الساقطة انعكاسات عديدة، وتكون المرآتان متوازيتين بحيث يمكن التحكم في المسافة بينهما، أما الوجهان الخلفيان فيكونان غير عاكسين وذلك لمنع تكون الهدب. ويشبه مقياس فابري بيرو المرنان الليزري من حيث التركيب والعمل. يسمى هذا الجهاز (interferometer) إذا كانت المسافة بين اللوحين متغيرة، ويسمى أيضاً (etalon) إذا كانت المسافة بينهما ثابتة. كذلك يتكون من عدسة محدبة لتجميع الضوء الناتج عن الانعكاسات المتعددة، وكذلك شاشة لتتجمع عليها الأشعة ونرى عليها التداخل.

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

يعد مقياس فابري بيرو من أدق المقاييس المستخدمة لقياس الأطوال الموجية ودراسة تركيب الخطوط الطيفية، وذلك لأن مواضع الأهداب الحلقية المضيئة المتكونة في مقياس فابري بيرو لا تختلف عن مواضع الأهداب المضيئة الناجمة عن تداخل حزمتين بل أنها تمتاز عنها بأنها دقيقة جداً إلى البعد الهدبي، وتصل دقته إلى أن يميز بين ضوئين يختلفان بمقدار .0042 أنغستروم فيظهر طيفاهما منفصلين انفصالاً واضحاً.

كيف يعمل مقياس فابري بيرو للتداخل؟

من المعلوم أنه إذا انتقل شعاع ضوئي بين وسطين مختلفين في الكثافة فإنه يحدث له انكسار، مثل انتقاله من الهواء لوسط زجاجي، ومن خلال قانون سنل فإنه إذا انتقل لوسط أكبر في الكثافة فإنه ينكسر باتجاه العمودي، أي أن الزاوية بين الشعاع تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو      تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

هنا في مقياس فابري بيرو، بمجرد سقوط شعاع الضوء على المرآة الثانية، ينفصل الشعاع إلى جزئين، جزء صغير يحدث له نفاذ خلال المرآة، وجزء كبير يحدث له انعكاس.

روابط إعلانية

بالإضافة إلى حدوث تغيرين:

1.تغير في السعة، وذلك نتيجة حدوث فصل لشعاع الضوء الساقط، وتكون سعة الشعاع الساقط أكبر من المنعكس، اكبر من النافذ (incident>reflected>transmitted)

2.تغير في طور الشعاع المنعكس بمقدار (λ/2)، والسبب في ذلك هو أن جزء من الشعاع والذي ينعكس يذهب إلى وسط أكبر في الكثافة الضوئية من الوسط الذي كان يسير فيه.

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

بعد ذلك يحدث انعكاسات عديدة، وتتداخل العديد من الموجات الثانوية النافذة مع بعضها البعض، ثم يظهر على الشاشة مناطق مضيئة نتيجة التداخل البناء، ومناطق معتمة نتيجة التداخل الهدام، ومع زيادة أو نقصان المسافة الفاصلة بين اللوحين الزجاجيين، فإن آلية ظهور الهدب تكون مختلفة.

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو   تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

لكن، ما الهدف من وجود المرآتين المفصولتين بمسافة صغيرة؟

الهدف هو إيجاد فرق في المسار بين أي شعاعين نافذين، والذي يمكن حسابه كالتالي:

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

ولضمان حدوث التداخل البناء، وتكون الهدب المضيئة على الشاشة، يجب أن يكون فرق المسار مساوياً لأعداد صحيحة من الأطوال الموجية.

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

هذا يؤدي إلى إنتاج دقة عالية (high resolution).

تقاس الدقة في مقياس فابري بيرو من خلال العلاقة الآتية:

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

m: هي رتبة التداخل وتساوي 2d/λ عند زاوية السقوط الصغيرة.

r: انعكاسية سطح فابري بيرو.

أقل فصل بين الطولين الموجيين لخطي الطيف يتم الحصول عليه من خلال العلاقة:

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

إذاً مقياس تداخل فابري بيرو يمتاز بان نطاق الطيف من الأطوال الموجية غير محددة، وأن نتيجة التغير في الطول الموجي يحدث إزاحة للحلقات الناتجة وفق العلاقة التالية:

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

وهذا يجعل مقياس فابري بيرو ذا دقة عالية.

أهم التطبيقات

1.شبكات الاتصالات (telecommunication)

2.علم الفلك (axtronomy): لمعرفة التفاصيل الدقيقة داخل المجرات، ولدمج الإشارات التي تلتقطها التلسكوبات.

3.الكشف عن أمواج الجاذبية، حيث يتم باستخدام تجويف فابري بيرو لتخزين الفوتونات لمدة مللي ثانية أثناء ارتدادها للأعلى وللأسفل بين المرايا مما يزيد من الوقت الذي يمكن أن تتفاعل فيه موجة الجاذبية مع الضوء مما يؤدي إلى حساسية أفضل عند الترددات المنخفضة.

4.التحكم في الأطوال الموجية المختلفة للضوء وقياسها، وكذلك الليزر.

5. علم القياس الهندسي، وعلم المحيطات.

6.يستخدم في صناعة مرشحات ثنائية اللون التي تتواجد في الكاميرات والمعدات الفلكية وأنظمة الليزر التي تعمل على عكس الأطوال الموجية غير المرغوب فيها.

7.صناعة مطياف قادر على مراقبة تأثير زيمان.

إذاَ، عند وصول شعاع الضوء إلى اللوح الزجاجي الثاني من اللوحين المكونين لمقياس فابري بيرو، فإنه يحدث له نفاذ وانعكاس بين اللوحين الزجاجين، أي ينقسم لشعاعين، ثم يحدث عدة انعكاسات للأشعة النافذة والتي تتجمع لتعطي حلقات ضيقة، وهذا يجعل هذا المقياس ملكاً في عصره، وقد تفوق على مقياس مايكلسون لأن حلقاته أكثر حدة وبالتالي تعطي قياسات أكثر دقة.

“وقل اعملوا فسيرا الله عملكم ورسوله والمؤمنون” .

الحمد لله، له الشكر وله الحمد، لقد وفقني الله إلى هذا المقال، وإنني قد عرضت رأيي فقط، داعين الله عز وجل أن يكون المقال عند حسن ظنكم وينال رضاكم بإذن الله عز وجل.

تداخل الضوء ومقياس تداخل فابري بيرو

Thank you

روابط إعلانية
المصدر
Fabry-Perot InterferometerFabry–Pérot interferometer
الوسوم

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى
تحتاج مساعدة...
ارسل إلى الواتساب
إغلاق
إغلاق