محاضرة 5 فيزياء الليزر مقدمة في الليزر

تعتبر تكنولوجيا الليزر من العلوم المتطورة التي تدخل في العديد من التطبيقات مثل استخدام الليزر في التطبيقات الطبية والاتصالات والأبحاث العلمية والهندسية والعسكرية. وأي مستخدم لليزر مهما اختلف تخصصه فهو بحاجة إلى فهم مبدأ عمل الليزر أي ما يعرف بفيزياء الليزر.

إن الليزر هو عبارة عن جهاز يحول الطاقة من مصادر مختلفة إلى صورة أشعاع كهرومغناطيسي.  وهذا تعريف بسيط للبدأ في الموضوع وتوضيح فكرة عمل الليزر حيث أننا نحصل في النهاية على شعاع كهرومغناطيسي (ضوء) يمتلك العديد من الخواص التي تميزه عن أي مصدر ضوئي.

وقد جاءت تسمية كلمة ليزر من الأحرف الأولي لفكرة عمل الليزر أي أن :

The word LASER is an acronym for

                Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

وتعني تكبير الضوء بواسطة الانبعاث الاستحثاثي للإشعاع الكهرومغناطيسي.  وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت اينشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث الاستحثاثي stimulated emission وتم تصميم أول جهاز ليزر في 1960 بواسطة العالم T.H. Maiman باستخدام بلورة الياقوت ويعرف بليزر الياقوت Ruby laser.

Light: All light is a form of electromagnetic radiation that is visible to the human eye.
Amplification: This is simply the process of making something bigger or or more powerful. When you turn up the volume on a radio, you are amplifying the sound; but with lasers, amplification makes the light brighter.
Stimulated: To stimulate means to stir to action. Laser light is created when a burst of light (electricity) excites the atoms in the laser to emit photons. These photons then stimulate the creation of additional identical photons to produce the bright laser light.
Emission: The word “emission” refers to something that is sent out or given off. Stimulated laser emission consists of large numbers of photons that create the intense laser light.
Radiation: The laser light is a form of energy that radiates, or moves out, from the laser source.

مزيد من المعلومات عن تاريخ تطور الليزر

• 1864 – 1940 : History of Astronomical Spectroscopy

• 1917 : Einstein postulates photons and stimulated emission

• 1954 : First microwave laser

• 1960 : First optical laser

• 1965 : Microwave laser discovered in the Orion nebula

  اعلانات جوجل

• 1965 : Discovery of cosmic background radiation using microwave laser

• 1966 : First gas dynamic laser

• 1970 : First postulate of laser action in stars

• 1973 : Discovery of laser action in quasars

  اعلانات جوجل

• 1979 : Near Infrared laser star found in Orion nebula

• 1981 : Carbon dioxide laser discovered in atmosphere of mars and venus

• 1984 : First x-ray laser

• 1993 : Gas contact plasma laser

• 1994 : Artificial laser guide stars

• 1995 : Far infrared laser star discovered by Kuiper Airborne Observatory

• 1996 : Ultraviolet laser star discovered by Hubble Space Telescope

• 2000 : Survey of the worlds most powerful research and military lasers

لفهم مبدأ عمل الليزر نحتاج إلى توضيح مفهوم كل مصطلح من مصطلحات الواردة في التعريف وهي

خصائص شعاع الليزر

شعاع الليزر يمتلك خصائص تميزه عن أية مصدر من مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي وهذه الخصائص هي:

Monochromaticity

تعني أن الليزر أحادي اللون وهذا ما يميزه عن الضوء العادي حيث أن بتحليل الضوء الأبيض الصادر من الشمس أو من مصباح ضوئي فإنه يحتوي على العديد من الأطوال الموجية، كما هو واضح عند تحليل الضوء باستخدام المنشور Prism

Directionality

الضوء الصادر عن الليزر له اتجاه واحد بحيود مهمل بالمقارنة بالضوء الصادر من مصباح كهربي حيث أن الضوء ينبعث في كافة الاتجاهات وبحيود كبير كما في الشكل التالي.

Coherence

حيث أن الشعاع الكهرومغناطيسي يمتلك خاصية موجية يمكن وصفها بالمعادلة التالية:

y = Acos(wt+f)

A = Amplitude.
w = Angular Frequency.
f = Initial Phase of the wave (Describe the starting point in time of the oscillation).
(wt+f) = Phase of the wave.

الخاصية الفيزيائية Coherent تعني أن هنالك علاقة ثابتة في فرق الطور بين الأمواج المتداخلة مما تسبب في ظاهرة التراكب البناء.

Coherent waves are waves that maintain the relative phase between them.

الشكل التالي يوضح كيف أن ثلاث موجات لها نفس الطور Phaseتعطي تراكب بناء Constructive بينما تلك التي تخلف في الطور تكون المحصلة هي تلاشي الموجة Destructive.

Superposition of waves

In Summary: Laser Radiation Properties

1. Very small divergence of the beam. The beam is almost a parallel beam and move in one direction in space – Directionality.

2. High degree of monochromaticity. The radiation is almost one wavelength, as can be measured by the very narrow spectral width.

3. Coherence.

The combination of these properties gives the laser radiation many advantages, like achieving very high power densities, not available from other sources.

المكونات الاساسية لجهاز الليزر

In order for most laser to operate, three basic conditions must be satisfied

(1) The active medium: Collections of atoms, molecules or ions in the form of solid or liquid or gas.

(2) population inversion

(3) Optical feed back

المواضيع التالية من الأساسيات التي يجب أن تكون قد درستها مسبقا وهي على النحو التالي:

1. Basic elements of the structure of matter – the atom.

2. electromagnetic waves.

3. The interaction of electromagnetic radiation with matter.