السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
كيف يعمل الليزر؟؟
في هذا الفصل
تعلمينا قواعد الفيزياء والبصريات التي توضح لنا كيف يعمل الليزر في الفصل السابق .
وفي هذا الفصل سوف نتعلم خبايا الليزر وكيف يتم تزويده بالطاقة وكيف ينتج الاشعاعات ، هنا سوف نتعلم المبادئ الأساسية لتشغيل الليزر وفيما بعد سوف نتعلم خصائص وخصوصية الليزر .
إنتاج عكسية التعداد
في الفصل السابق رأينا أنكم في حاجة إلى عكسية التعداد لعمل الليزر إذا كان هناك اكثرية من الذرات والجزيئات في المستوى الأدني لمادة متفرقة حرارياً قابله للأشتعال بمستوي أعلى يحدث هنا امتصاص للطاقة المنبثقة أما إذا كان هناك الثريه من الذرات فيحدث هنا طرد للاشعاعات المنبثقة ، لأن الانبعاث إلى المستوى الأدني فيحدث هنا طرد للاشعاعات المنبعثة ، لأن الانبعاث يكون أكثر من الامتصاص , لذلك يكون فوتون ذو طاقه انتقالية محتمل يواجه حالة محفزه وانبعاث مثار قبل أن يتم امتصاصه الذرات والجزيئات عندها عده مستويات طاقه محتملة يحدث فيها مثل هذا ولكنك في حوجه إلى عكسية التعداد في انتقالية واحده لعلم الليزر .
هناك طريقتين اساسيتين لإنتاج الليزر مثل عكسية التعداد وحوجتنا إليها أكثر في إثارة الذرات أو الجزئيات إلى حالة أعلى .
على كل حال يمكن أيضاً اخلأ المستوى الأدني او اختيار النظام عندما يكون المستوي الأدني غير ثابت أو غير مستقر .
لذا هنالك أعداد قليلة من الذرات في المستوى الدني ، لكي يعمل الليزر بصورة مستمرة ، نجد أن هنالك أهمية لعدد الذرات في المستوى الأعلى والأدني ، لأن تراكمها يعمل على إنهاء عكسية التعداد وبالتالي إيقاف عمل الليزر .
ميكانيكية التحفيز :-
الطريقة المثلى لانتاج عكسية التعداد هي تزايد الذرات والجزيئات بالطاقة وحثها للانتقال بمستوى اعلى . على كل حال أن تزويد هذه الذرات بالطاقة بواسطة تسخين المواد ليس كافياً بقدر ما تبقى المواد في ديناميكا حرارة ذات اتزان نجد بمجرد تسخينها تزداد عدد الذرات في المستوى الأدني . وتكون النسبة للذرات في مستوى الطاقة ( 1 ) إلى مستوى الطاقة ( 2 ) في درجة الحرارة T كالتالي :-
N2/N1 = exp [ – ( E2 – E1 ) / KT ]
N1 و N2 هما عدد الذرات في مستوى الطاقة E1 و E2 ، و K هو ثابت بولتزمان ( 1.38054 x 10-23 جول لكل درجة كالفن ) طالما E1 يكون الناتج دائماً بالساين . تسحين المادة يعمل على زيادة متوسط الطاقة ولكنه لا يجعل N2 أكبر من N1 لإنتاج عكسية التعداد يجي تحضير الذرات والجزيئات بانتقالية في مستوى طاقة معين . وهذا يتطلب بعض البراعة كما سوف ترى فيما بعد . على كل حال فإن الطريقة يجعل درجة الحرارة سالبه .
تحضير الليزر بواسطة الضوء والكهرباء تقنياً هما الأكثر انتشاراً , وهما يعملان بطريقة غير مباشرة بتحضير الذرات للمستوى الأعلى والتي منها تسقط إلى مستوى الليزر الأعلى ، أو ربما تقوم بإثارة ذرات أخرى التي تنقل الطاقة إلى باعثي الضوء الذري أو الجزئ ، كما سنرى فيما بعد ، أكثر الطرق الرنانة تقصيراً غالباً ما تنتج ليزر أفضل .
حالات شبه مستقرة ومدى فتراتها في البقاء :-
تقنيات التحضير هذه تعمل فقط عندما تكون الذرات والجزئيات في وضع صحيح من مستويات الطاقة وعادة تكون حالة حدوث التحضير هذه في جزء من المليون في الثانية وتحدث بانبعاث تلقائي . حالات التحضير ذات العمر القصير ليست كافية لتحفيز الطاقة وأكثرها ينتج عن انبعاث تلقائي .
مثل هذه الحالات تسمى شبه مستقرة لأنها عادة تكون غير ثابتة في الجدول الذري ، وتبقي على حالتها هذه جزء من الألف في الثانية او ما يكرو ثانية . وهي مهمة جداً في فيزياء الليزر لأنها تنتج نوع افضل من أنواع الليزر وتبقي الذرات والجزئيات لفترة كافية في وضع تحفيز تثعيه ثابت لإنتاج كميات من انبعاثات مثاره .
على أكثر القواعد الكمية ، يتجلى عمل الليزر بناء التعداد في مستوى الليزر العالي يكون هذا ممكناً إذا تم إنتاج الليزر بصورة أسرع من انحلاله . لذا فوق المستوى الأعلى للتعداد المستوى الأدني تحافظ الذرات او الجزئيات على أطوال فترات الليزر الانبعاثية التلقائية ومعدل الإنحلال المنخفض والأسهل للحصول على التعداد العكسي ومخرجات الليزر .
نبضات كهربائية ونظامين مسطحين :-
عملية تشغيل الليزر مجهده إذا ما نظرنا لبعض الأمثلة كما ذكرنا آنفاً أن تشالز تونيز ضع أول نبضات كهربائية من جامعة كولمبيا قبل عدة سنوات من صنع أول ليزر تتطلب النبضات الكهربائية عكسية التعداد المتبعة في عمل الليزر ، على كلٍ اعتمد توتر على الخدعة غير المعتادة ، بدأ تونز باشعاع جزئيات الامونيا التي تحتوى على جزئيات في حالة مثارة وغير مثارة لأن آخر عينة له احتوت من جزيئات مثارة وكان عنده عكسية التعداد وكان باستطاعته كشف عمل النبضات الكهربائية.
لم تدم الخدعة طويلاً قبل أن يكتشف العلماء طرق أخرى لصناعة النبضات الكهربائية ، لعبت قواعدها الهامة في تطوير النبضات الكهربائية وتطوير الليزر بواسطة تحسين عكسية التعداد التي انتجت فيما شك فيه العلماء الفيزيائون .
ليزرات مستوى ثالث أو رابع :-
تتركب نبضات الأمونيا الكهربائية الأولى لتوتر من مستوين للطاقة تتطلب أنظمة الليزر العملية ثلاث أو أربع مستويات للطاقة معتمدة على كيفية تحويل الطاقة.
النوع الأبسط لتركيب مستوى الطاقة هو مستوى الليزر الثالث كما في الشكل [ 1-3 ]
للتبسيط نفترض ان كل الذرات تبدأ من الحالة الطبيعية والتي تكون في المستوى الأدني لليزر والتي تثار إلى مستوى طاقة عالي قصير الأجل ثم تسقط بسرعة إلى مستوى أدني غير ثابت والذي يبقي فيه لفترة أطول . وهنا تتجمع منتجة عكسية التعداد بين الحالة غير الثابتة والحالة الطبيعية الخاملة والتي تكون فيها المستويات الدنيا والعليا لليزر مأخوذة في الاعتبار لأن عكسية التعداد تعني أن اكثر الذرات تكون مفيدة في الحالة العليا للانبعاث المحفز أكثر منه في المستوى الأدنى للامتصاص يسيطر الانبعاث المحفز على إرسال الليرز .
يا قوت ميمنز هو ياقوت مهم لمشروع المستويات الثلاث بالرغم من أن النظام يعمل لكنه غير مثالي وهنالك مشكلة واحدة و هي في الحالة الطبيعة وأيضاً في المستوى المنخفض لليزر ، معظم الذرات يجي أن تثار لمستوى الليزر العلى لكى ينتج عكسية التعداد .
هذه هي متطبعات الطاقة المحفزة لكثافة والتي استخدمها ميمنز في المصباح المضئ عكسية التعداد صعبه التحمل لذا مستويات أربعة مستويات من الطاقة على الأقل كما عرض في الشكل [ 2-3 ]
كم في المستوى الليزر الثالث ، ترفع الطاقة المثارة الذرة او الجزئ من الحالة الطبيعية إلى مستوي عالى قصير الأجل يسقط الذره او الجزئ بسرعة في مستوى الليزر الأعلى غير المستقر يأخذ انتقال أو أرسال الليزر الذرات أو الجزئيات إلى الحالة المنخفضة التي تكون في الحالة الطبيعية أعلاه . تفقد الذرات او الجزيئات بقية طاقتها الزائدة بواسطة الانبعاث التلقائي أو عمليات أخرى و تسقط إلى الحالة الطبيعية . الاختلاف الرئيسي هو ان المستوى الأدني لا يكون فى الحالة الطبيعية ، لماذا يكون هذا مهماً لأن من الطبيعي معظم الذارات او الجزئيات تكون في الحالة الطبيعية .
إذا كانت الحالة الطبيعية هي حالة مستوى الليزر الأدني تكون الطريقة الوحيدة لأنتاج عكسية الليزر هي إثارة معظم الذرات أو الجزئيات إلى المستوى الأعلى وهذه هي متطلبات الطاقة الزائدة المكثفة استخدم مصباح ميمنز المضئ لإثارة الليزر الياقوتي .
نفترض أن 1% تكون هناك إعداد قليلة من الذرات أو الجزئيات في مستوى الليزر المنخفض يمكن إنتاج عكسية التعداد بواسطة الإثارة بنسبة 2% فقط من الذارات إلى مستوى الليزر الأعلى ذلك أكثر سهولة من ثارة نصف الذرات من حالتها الطبيعية .
إنفصال مستوى الليزر الأدني من الحالة الطبيعية يجلب فائدة أكثر ، حيث تسقط الذرات اوالجزئيات في مستوى الليزر تلقائياً من مستويات الليزر الأدني إلى الحالة الطبيعية . إذاً عند مستوى الليزر الأدني ذو الأجل الأقصر من المستوى الأعلى هذا النضوب الثاني يساعد تحمل عكسية التعداد بواسطة تحاشي تجميع الذرات او الجزئيات في المستوى الأدني ، هذا الليزر ينتج شعاع مستمر غالباً يسمى بإصدار الموجة الـمستمرة نلاحظ أن المستوى الأدني ذو الحياة الأطول من اللازم تتجمع هناك ، أخيراً ينهون عكسية التعداد وإيقاف إصدار الليزر هذا يحدث في ليزرات قليلة ، المحدودة بواسطة نبض العملية .
إذا أمعنت النظر في عملية الليزرات الحقيقية الموصوفة في الفصول السابقة ، سنرى أن تركيبات مستوى الطاقة الفعلية أكثر تقصيراً . الإثارة لم تكن دائماً هي الوحيدة المستوى العام ربما قد تكون في مجموعة مستويات التي تحلل إلى مستوى الليزر الأعلى نفسه . حقاً غنها أخبار ساره لأنها تسمح بالإثارة لمعدل الطاقة التي ترفع الذرة إلى حاله منفردة والصورة السابقة لمستوى الطاقة سوف تكون اكثر تقصيراً وخاصة إخلاء التعداد من مستوى الليزر الأدني ذو اهمية . مستويات الليزر العليا والدنيا ستكون من الحالة الطبيعية المشار إليها في الرسم [ 2-3 ] والتي تجعله سهلاً .
