عيماني89
03-02-2007, 09:42 PM
تقرير عن
فكرة عمل الليزر
المقدمة
دخلت أشعة الليزر فيالعديد من المنتجات التكنولوجية فتجدها عنصر اساسي في أجهزة تشغيل الأقراص المدمجةأو في ألات طبيب الأسنان أو في معدات قطع ولحام الحديد أو في أدوات القياس وغيرهامن المجالات. كل تلك الأجهزة تستخدم الليزر ولكن ما هو الليزر وما الذي يجعل الليزرمميز عن غيره من المصادر الضوئية. في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كل ما يتعلقبالليزر بشكل مبسط وواضح.
الموضوع:
اساسيات فيزيائية حولالذرة
يوجد في الكون 100 نوع مختلف من الذرات وكل شيء حولنا هو مكون من الـ 100ذرة تلك، ولكن كيف تتحد وتترابط الذرات مع بعضها البعض لتكون المواد مثل الماءالمكون من ذرتين هيدروجين وذرة اكسجين أو كيف تكونت قطعة من الحديد أو النحاس. إنالذرات في حركة مستمرة حيث تتذبذب الذرات حول موضع استقرارها في المادة كما أنالذرات لها حركة دائرية أو حركة انتقالية أيضاً. فلو نظرت إلى طاولة خشبية مثلاًوبالرغم من أنها ثابتة في مكانها إلى أنها ذراتها التي كونت الخشب في حركةمستمرة.
نتيجة لحركة الذرات التي تكتسبها من الطاقة الحرارية فإنها تتواجد فيحالات مختلفة من الأثارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة مابكمية من الطاقة فإن الذرة تنتقل من المستوى الأرضي ground state الذي تتواجد فيهإلى مستوى طاقة أعلى يسمى بمستوى الإثارة excited state. يعتمد مستوى الإثارة علىكمية الطاقة التي ذودت بها الذرة ومصدر الطاقة إما حرارة أو ضوء أو كهرباء.
فيالشكل التالي نموذج توضيحي لمكونات الذرة
نموذج بسيط لتمثيل شكل الذرة يتكونمن النواة والالكترونات التي تدور في مدارات حول النواة.
تحتوي الذرة على النواة (المكونة من البروتونات والنيوترونات) والإلكترونات التي تدور حول النواة في مداراتمختلفة كل مدار هو عبارة عن مستوى طاقة.
امتصاص الطاقة Absorbing Energy
إذا ذودت الذرة بطاقة حرارية لأو طاقة من مصدر ضوئي أو كهربائي فإن بعضالإلكترونات في الذرة سوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة الأدنى إلى مدار طاقتهأعلى وابعد من النواة.
امتصاص الطاقة
تمتص ذرة الطاقة من الحرارة أوالضوء أو الكهرباء. تنتقل الإلكترونات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقةأعلى.
هذه فكرة السابقة هي مبسطة عن امتصاص الطاقة في الذرة ولكن تعتبرالاساس في دور الذرة لانتاج الليزر.
عندما ينتقل الإلكترون إلى المدار ذو مستوىالطاقة الأعلى فإنه ما يلبث إلا أن يعود وينتقل إلى المستوى الطاقة الأدنى، وعندهافإن الإلكترون يحرر طاقة في صورة فوتون (ضوء).
تصدر الإلكترونات الفوتونات عنداثارتها وعلى سبيل المثال عند تسخين معدن مثل سلك السخان الكهربي فإنه يتحول لونهمن اللون المعتم إلى اللون المتوهج وهذا التوهج ناتج من الفوتونات التي انطلقت بعداثارة ذرات مادة سلك السخان الكهربي. كذلك لو فكرنا في فكرة عمل شاشة التلفزيون فهيتعطي الصورة من خلال الفوتونات التي تنتجها مادة الشاشة (الفوسفور) عند اثارتهابشعاع إلكتروني.
اذا نستنتج ان الضوء ينتج من الفوتونات المنبعثة من اثارةالكترونات الذرة وتعتمد لون الفوتون (لون الضوء) على طاقة الفوتون.
علاقةالذرة بالليزر
لتعريف مبسط لليزر نقول معتمدين على الشرح السابق أنه جهاز يقومبالتحكم في كيفية تحرير الذرات للفوتونات.
وكما ذكرنا فإن كلمة ليزر هي اختصارللجملة light amplification by stimulated emission of radiation والتي معناها يشرحبالتفصيل فكرة عمل الليزر والذي يعتمد على إن الليزر ماهو إلا ضوء مكبر بواسطةعملية تسمى الإنبعاث الإستحثاثي للإشعاع وهذا ما قصدنا به التحكم بكيفية تحريرالذرة للفوتون.
بالرغم من وجود عدة أنواع من الليزر إلا انهم جميعاً يشتركونفي نفس الخصائص. ففي الليزر يوجد المادة التي تنتج الليزر يتم اثارتها بواسطة عمليةضخ pumping للإلكترونات من المستوى الأرضي إلى مستوى الإثارة. يستخدم للضخالإلكتروني ضوء فلاش قوي أو بواسطة التفريغ الكهربي ويساعد هذا الضخ على تزويد أكبرقدر ممكن من الإلكترونات لتنتقل إلى مستويات الطاقة الأعلى فتصبح مادة الليزر مكونةمن ذرات ذات إلكترونات مثارة ونسميها بالذرة المثارة. ومن الجدير بالذكر أن أنه منالضروري جداً إثارة عدد كبير من الذرات للحصول على ليزر وتسمى هذه العملية بإنقلابالتعداد population inversion أي جعل عدد الذرات المثارة في مادة الليزر أكبر منعدد الذرات الغير مثارة.
قلب التعداد هو الذي يجعل الضوء الذي تنتجه المادةليزراً وإذا لم نصل إلى مرحلة انقلاب التعداد نحصل على ضوء عادي.
وكما امتصتالإلكترونات طاقة كبيرة من خلال عملية الضخ فإن الإلكترونات هذه تطلق الطاقة التيامتصتها في صورة فوتونات أي ضوء.
الفوتونات المنبعثة لها طول موجي محدد (ضوءبلون محدد) يعتمد على فرق مستويات الطاقة التي انتقل بينها الإلكترونات المثارة. وإذا كان الإنتقال لكافة الإلكترونات بين مستويين طاقة محددين كما هز موضح غب الشكلأدناه فإن كل القوتونات المنبعثة سيكون لها نفس الطول الموجي.
الإلكترونباللون الأحمر مثار ينتقل إلى مستوى طاقة أدنى (الإلكترون باللون الأزرق) ويفقدطاقته في صورة فوتون
ضوء الليزر
ضوء الليزر يختلف عن الضوء العادي حيث يكونله الخصائص التالية:
الضوء المنبعث أحادي اللون monochromatic أي أن له طول موجيواحد. يحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته.
الضوء المنبعث من الليزريكون متزامن coherent أي ان الفوتونات كلها في نفس الطور مما يجعل شدة الضوء كبيرةفلا تلاشي الفوتونات الضوئية بعضها البعض نتيجة لاختلاف الطور بينها.
الضوءالمنبعث له اتجاه واحد directional حيث يكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة منالفوتونات في مسار مستقيم بينما الضوء العادي يكون مشتت وينتشر في أنحاءالفراغ.
المسؤول عن هذه الخصائص هي عملية الانبعاث الإستحثاثي stimulated emission بينما في الضوء العادي يكون الإنبعاث تلقائي حيث يخرج كل فوتون بصورةعشوائية لا علاقة له بالفوتون الآخر.
في الشرح التالي سنرى مكونات الليزر منخلال شرح عمل ليزر الياقوتruby laser .
ليزر الياقوت Ruby Laser
مكونات ليزرالياقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وساق من الياقوت ومرأتين مثبتتين على طرفي الساقاحدى هاتين المرأتين لها مقدار انعكاس 90%. يعتبر المصدر الضوئي مسؤولاً عن عمليةالضخ وساق الياقوت هو مادة انتاج الليزر.
نظام ليزر ثلاثيالمستويات
الشكل التالي يوضح تفاصيل عملية انتاج الليزر من خلال نظام ذو ثلاثمستويات للطاقة
أنواع الليزر
ليزر الحالة الصلبة solid-state laser هوالليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليطالالومنيوم واليتريم والنيودينيم neodymium:yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ TAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء.
ليزر الغاز Gas laser وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكسيد الكربون وتكوناطوالها الموجية في مدى الاشعة تحت الحمراء وتستخدم في قطع المواد الصلبة لطاقتهاالعالية.
ليزر الإكسيمر Excimer laser وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدمالغازات الخاملة مثل غاز الكلور أو الفلور أو الكربتون أو الأرجون وتنتج هذهالغازات اشعة ليزر ذات أطوال موجية في مدى الأشعة فوق البنفسجية.
ليزرالأصباغDye laser وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامين rhodamine 6G مذابةفي محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه.
ليزر أشباهالموصلاتSemiconductor laser ويطلق عليه احياناً بليزر الديود ويعتمد على الموادشبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في الأجهزةالدقيقة مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر.
تصنيفات الليزر
يصنف الليزرباربعة تصنيفات تعتمد على خطورتها على الخلايا الحية. فعند التعامل مع الليزر يجبالانتباه الى الاشارة التي توضح التصنيف.
التصنيف الأول Class I هذا يعني أنشعاع الليزر ذو طاقة منخفضة ولا يشكل درجة من الخطورة.
التصنيف الأول Class IA هذا التصنيف يشير إلى أن الليزر يضر العين إذا نظرنا في اتجاه الشعاع ويستخدم فيالسوبرماركت كماسح ضوئي وتبلغ طاقة الليزر الذي يندرج تحت هذا التصنيف 4mW.
التصنيف الثاني Class II هذا يشير إلى ليزر ضوئه مرئي وطاقته لا تتعدى 1mW.
التصنيف الثالث Class IIIA طاقة الليزر متوسطة وتبلغ 1-5mW وخطورته علىالعين إذا دخل الشعاع المباشر في العين. ومعظم الأقلام المؤشرة تقع في هذاالتصنيف.
التصنيف الثالث Class IIIB طاقة هذا الليزر أكثر منالمتوسط.
التصنيف الرابع Class IV وهي انواع الليزر ذات الطاقة العالية وتصل إلى 500mW للشعاع المتصل بينما لليزر النبضات فتقدر طاقته بـ 10 J/cm2 ويشكل هطورة علىالعين وعلى الجلد واستخدام هذا الليزر يتطلب العديد من التجهيزات وإجراءاتالوقاية.
الخاتمة
ان الليزر اكتشاف مثير غير الكثير من حياتنا , لذلك يجب الاستفادة منه في تسهيل الامور وحفظ الوقت وذلك عن طريق تشجيع البحثالعلمي و الاختراع في وطنا العربي لنتمكن من الوصول الىالقمم.
فكرة عمل الليزر
المقدمة
دخلت أشعة الليزر فيالعديد من المنتجات التكنولوجية فتجدها عنصر اساسي في أجهزة تشغيل الأقراص المدمجةأو في ألات طبيب الأسنان أو في معدات قطع ولحام الحديد أو في أدوات القياس وغيرهامن المجالات. كل تلك الأجهزة تستخدم الليزر ولكن ما هو الليزر وما الذي يجعل الليزرمميز عن غيره من المصادر الضوئية. في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كل ما يتعلقبالليزر بشكل مبسط وواضح.
الموضوع:
اساسيات فيزيائية حولالذرة
يوجد في الكون 100 نوع مختلف من الذرات وكل شيء حولنا هو مكون من الـ 100ذرة تلك، ولكن كيف تتحد وتترابط الذرات مع بعضها البعض لتكون المواد مثل الماءالمكون من ذرتين هيدروجين وذرة اكسجين أو كيف تكونت قطعة من الحديد أو النحاس. إنالذرات في حركة مستمرة حيث تتذبذب الذرات حول موضع استقرارها في المادة كما أنالذرات لها حركة دائرية أو حركة انتقالية أيضاً. فلو نظرت إلى طاولة خشبية مثلاًوبالرغم من أنها ثابتة في مكانها إلى أنها ذراتها التي كونت الخشب في حركةمستمرة.
نتيجة لحركة الذرات التي تكتسبها من الطاقة الحرارية فإنها تتواجد فيحالات مختلفة من الأثارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة مابكمية من الطاقة فإن الذرة تنتقل من المستوى الأرضي ground state الذي تتواجد فيهإلى مستوى طاقة أعلى يسمى بمستوى الإثارة excited state. يعتمد مستوى الإثارة علىكمية الطاقة التي ذودت بها الذرة ومصدر الطاقة إما حرارة أو ضوء أو كهرباء.
فيالشكل التالي نموذج توضيحي لمكونات الذرة
نموذج بسيط لتمثيل شكل الذرة يتكونمن النواة والالكترونات التي تدور في مدارات حول النواة.
تحتوي الذرة على النواة (المكونة من البروتونات والنيوترونات) والإلكترونات التي تدور حول النواة في مداراتمختلفة كل مدار هو عبارة عن مستوى طاقة.
امتصاص الطاقة Absorbing Energy
إذا ذودت الذرة بطاقة حرارية لأو طاقة من مصدر ضوئي أو كهربائي فإن بعضالإلكترونات في الذرة سوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة الأدنى إلى مدار طاقتهأعلى وابعد من النواة.
امتصاص الطاقة
تمتص ذرة الطاقة من الحرارة أوالضوء أو الكهرباء. تنتقل الإلكترونات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقةأعلى.
هذه فكرة السابقة هي مبسطة عن امتصاص الطاقة في الذرة ولكن تعتبرالاساس في دور الذرة لانتاج الليزر.
عندما ينتقل الإلكترون إلى المدار ذو مستوىالطاقة الأعلى فإنه ما يلبث إلا أن يعود وينتقل إلى المستوى الطاقة الأدنى، وعندهافإن الإلكترون يحرر طاقة في صورة فوتون (ضوء).
تصدر الإلكترونات الفوتونات عنداثارتها وعلى سبيل المثال عند تسخين معدن مثل سلك السخان الكهربي فإنه يتحول لونهمن اللون المعتم إلى اللون المتوهج وهذا التوهج ناتج من الفوتونات التي انطلقت بعداثارة ذرات مادة سلك السخان الكهربي. كذلك لو فكرنا في فكرة عمل شاشة التلفزيون فهيتعطي الصورة من خلال الفوتونات التي تنتجها مادة الشاشة (الفوسفور) عند اثارتهابشعاع إلكتروني.
اذا نستنتج ان الضوء ينتج من الفوتونات المنبعثة من اثارةالكترونات الذرة وتعتمد لون الفوتون (لون الضوء) على طاقة الفوتون.
علاقةالذرة بالليزر
لتعريف مبسط لليزر نقول معتمدين على الشرح السابق أنه جهاز يقومبالتحكم في كيفية تحرير الذرات للفوتونات.
وكما ذكرنا فإن كلمة ليزر هي اختصارللجملة light amplification by stimulated emission of radiation والتي معناها يشرحبالتفصيل فكرة عمل الليزر والذي يعتمد على إن الليزر ماهو إلا ضوء مكبر بواسطةعملية تسمى الإنبعاث الإستحثاثي للإشعاع وهذا ما قصدنا به التحكم بكيفية تحريرالذرة للفوتون.
بالرغم من وجود عدة أنواع من الليزر إلا انهم جميعاً يشتركونفي نفس الخصائص. ففي الليزر يوجد المادة التي تنتج الليزر يتم اثارتها بواسطة عمليةضخ pumping للإلكترونات من المستوى الأرضي إلى مستوى الإثارة. يستخدم للضخالإلكتروني ضوء فلاش قوي أو بواسطة التفريغ الكهربي ويساعد هذا الضخ على تزويد أكبرقدر ممكن من الإلكترونات لتنتقل إلى مستويات الطاقة الأعلى فتصبح مادة الليزر مكونةمن ذرات ذات إلكترونات مثارة ونسميها بالذرة المثارة. ومن الجدير بالذكر أن أنه منالضروري جداً إثارة عدد كبير من الذرات للحصول على ليزر وتسمى هذه العملية بإنقلابالتعداد population inversion أي جعل عدد الذرات المثارة في مادة الليزر أكبر منعدد الذرات الغير مثارة.
قلب التعداد هو الذي يجعل الضوء الذي تنتجه المادةليزراً وإذا لم نصل إلى مرحلة انقلاب التعداد نحصل على ضوء عادي.
وكما امتصتالإلكترونات طاقة كبيرة من خلال عملية الضخ فإن الإلكترونات هذه تطلق الطاقة التيامتصتها في صورة فوتونات أي ضوء.
الفوتونات المنبعثة لها طول موجي محدد (ضوءبلون محدد) يعتمد على فرق مستويات الطاقة التي انتقل بينها الإلكترونات المثارة. وإذا كان الإنتقال لكافة الإلكترونات بين مستويين طاقة محددين كما هز موضح غب الشكلأدناه فإن كل القوتونات المنبعثة سيكون لها نفس الطول الموجي.
الإلكترونباللون الأحمر مثار ينتقل إلى مستوى طاقة أدنى (الإلكترون باللون الأزرق) ويفقدطاقته في صورة فوتون
ضوء الليزر
ضوء الليزر يختلف عن الضوء العادي حيث يكونله الخصائص التالية:
الضوء المنبعث أحادي اللون monochromatic أي أن له طول موجيواحد. يحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته.
الضوء المنبعث من الليزريكون متزامن coherent أي ان الفوتونات كلها في نفس الطور مما يجعل شدة الضوء كبيرةفلا تلاشي الفوتونات الضوئية بعضها البعض نتيجة لاختلاف الطور بينها.
الضوءالمنبعث له اتجاه واحد directional حيث يكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة منالفوتونات في مسار مستقيم بينما الضوء العادي يكون مشتت وينتشر في أنحاءالفراغ.
المسؤول عن هذه الخصائص هي عملية الانبعاث الإستحثاثي stimulated emission بينما في الضوء العادي يكون الإنبعاث تلقائي حيث يخرج كل فوتون بصورةعشوائية لا علاقة له بالفوتون الآخر.
في الشرح التالي سنرى مكونات الليزر منخلال شرح عمل ليزر الياقوتruby laser .
ليزر الياقوت Ruby Laser
مكونات ليزرالياقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وساق من الياقوت ومرأتين مثبتتين على طرفي الساقاحدى هاتين المرأتين لها مقدار انعكاس 90%. يعتبر المصدر الضوئي مسؤولاً عن عمليةالضخ وساق الياقوت هو مادة انتاج الليزر.
نظام ليزر ثلاثيالمستويات
الشكل التالي يوضح تفاصيل عملية انتاج الليزر من خلال نظام ذو ثلاثمستويات للطاقة
أنواع الليزر
ليزر الحالة الصلبة solid-state laser هوالليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليطالالومنيوم واليتريم والنيودينيم neodymium:yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ TAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء.
ليزر الغاز Gas laser وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكسيد الكربون وتكوناطوالها الموجية في مدى الاشعة تحت الحمراء وتستخدم في قطع المواد الصلبة لطاقتهاالعالية.
ليزر الإكسيمر Excimer laser وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدمالغازات الخاملة مثل غاز الكلور أو الفلور أو الكربتون أو الأرجون وتنتج هذهالغازات اشعة ليزر ذات أطوال موجية في مدى الأشعة فوق البنفسجية.
ليزرالأصباغDye laser وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامين rhodamine 6G مذابةفي محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه.
ليزر أشباهالموصلاتSemiconductor laser ويطلق عليه احياناً بليزر الديود ويعتمد على الموادشبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في الأجهزةالدقيقة مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر.
تصنيفات الليزر
يصنف الليزرباربعة تصنيفات تعتمد على خطورتها على الخلايا الحية. فعند التعامل مع الليزر يجبالانتباه الى الاشارة التي توضح التصنيف.
التصنيف الأول Class I هذا يعني أنشعاع الليزر ذو طاقة منخفضة ولا يشكل درجة من الخطورة.
التصنيف الأول Class IA هذا التصنيف يشير إلى أن الليزر يضر العين إذا نظرنا في اتجاه الشعاع ويستخدم فيالسوبرماركت كماسح ضوئي وتبلغ طاقة الليزر الذي يندرج تحت هذا التصنيف 4mW.
التصنيف الثاني Class II هذا يشير إلى ليزر ضوئه مرئي وطاقته لا تتعدى 1mW.
التصنيف الثالث Class IIIA طاقة الليزر متوسطة وتبلغ 1-5mW وخطورته علىالعين إذا دخل الشعاع المباشر في العين. ومعظم الأقلام المؤشرة تقع في هذاالتصنيف.
التصنيف الثالث Class IIIB طاقة هذا الليزر أكثر منالمتوسط.
التصنيف الرابع Class IV وهي انواع الليزر ذات الطاقة العالية وتصل إلى 500mW للشعاع المتصل بينما لليزر النبضات فتقدر طاقته بـ 10 J/cm2 ويشكل هطورة علىالعين وعلى الجلد واستخدام هذا الليزر يتطلب العديد من التجهيزات وإجراءاتالوقاية.
الخاتمة
ان الليزر اكتشاف مثير غير الكثير من حياتنا , لذلك يجب الاستفادة منه في تسهيل الامور وحفظ الوقت وذلك عن طريق تشجيع البحثالعلمي و الاختراع في وطنا العربي لنتمكن من الوصول الىالقمم.