شبكة صدفة - ( كيف يعمل الليزر) بحث متكامل

السلام عليكم
هذا بحث عن طريقة عمل الليزر

كيف يعمل الليزر؟؟

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 .

لمراقبة تعدادهم لكن التجديدات تتجاوز عملية الاكتفاء الفعلي وأيضاً نعتبر فقط المستويين الأعلى والدني الفرديين هنالك مستويات كثيرة في معظم الليزرات مثال لذلك ربما يكون هناك مستويين عاليين بطاقات مختلفة كلاهما يؤدي إلى الآخر أو إلى مستويات ادني منها هذه يمكن أن تنتج تحويلات متعددة وفي عدة ليزرات أخرى تكون ممكنة مثال أننا احياناً نعتقد أن ليزر النيون هيليوم كانه ينبعث فقط بلون أحمر فردي لكن البصريات المناسبة يمكن ان تنبعث بالأشعة تحت الحمراء على اطوال موجات الخضراء والصفراء والبرتقالية وليزرات اخرى مثل ثاني أكسيد الكربون يمكنها ان تشغل في آن واحد على العديد من أطوال الموجات لأن امستويات العليا والدنيا قسمت لعده مستويات فرعية .

هناك حقيقة هامة هي أن لوسائل النشطة العملية الليزرات تحتوى على اكثر من نوع الذرات والجزئيات ربما تنزع احد الأنواع الطاقة المثارة كالعادة ثم تنتقل الطاقه إلى انواع أخرى لإنتاج عكسية التعداد وعمل الليزر . مثال لذلك ليزر الينوم – هليليوم حينما ينتزع ذره الهيليوم الطاقه من الالكترونات من الغاز وثم تنتقل الطاقه إلى ذرات النيون مولده بذلك عكسية التعداد . في بعض الليزارت أو ربما يضاف غاز آخر لاخلاء المستوى الأدني لليزر في حالة الليزرات الصلبة تثبت الذره الباعثة للضوء عادة في البلوربة والتي تنتج ضوئاً .

النبضات الكهربائية والليزرات الطبيعية :-

السبب الرئيسي خلال أكثر من أربعة عقود بين تنبوء اينشتاين للانبعاث المثار وعمل او ليز كان هو اعتقاد الفزيائيين بأنه من الصعب عمل عكسية التعداد لم يدركوا على ما يبدو أن المسألة ما هي الا توازن حراري سيخريه فقط بعد أن بدأ الناس في عمل النبضات الكهربائية والليزرات الأخرى الذي اكتشف النبضات الطبيعية في الفضاء الخارجي . أصبح تشالريز تونز القائد في جامعة كالفورنيا في تدريس النبضات الكهربائية الكونية .

النبضات الكهربائية الطبيعية عبارة عن سحي من الغاز التي تكون بالقرب من النجوم الملتهبة . يثير ضوء النجوم جزئيات الغاز لمستويات طاقة عليا ، وتسقط الجزئيات إلى مستوى طاقة غير مستقر إذا كان مستوى الليزر الأدنى مستقر يمكنه أن ينتج عكسية التعداد وعمل الليزر يعتقد بعض العلماء أن حصول عمليات مشابهه في غلاف كوكب المريخ التي تولد الأشعة تحت الحمراء في الأطوال الموجيه نفسها مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون الصناعي .

تنتج النبضات الكهربائية الكونية انبعاثات مثارة بنفس الطريقة الصناعية لعمل النبضات الكهربائية والليزر ولكن هنالك اختلاف في عدة طرق مهمة بالرغم من أنها تشع كميات هائلة من الطاقة ، إلا أن النبضات الكهربائية الكونية لا تنتج أشعة أنها تبدو بدون أي أدوات خاصة كسحي من الغاز . كما اعتقده الفلكيون الأوائل . لم يكتشف الفلكيون طبيعتها الخاصة إلا بعد أن حللوا الضوء الصادر من السحي الغازيه . تبعث النبضات الكهربائية الكونية بقوة في أطوال الموجيه المشتعلة من جزئيات محددة مثل أول أكسيد الكربون .

يبعث غاز حار طيفا مستمراً واسعاً مثل انبعاث الضوء الأبيض من المصباح .

التجويف المرنات

لا تؤخذ كل عكسية التعداد لتشغيل الليزر يحدث هناك انفجار الفقاقيع في غاز حار مع معكوس التعداد ، فينبعث الضوء في كل اتجاه . مثل المضخات الكويبة الكونية ربما يكون للضوء انبعاث مثار ويكون طوله الموجي منفرد ولكن لا يوصل باشعة الليزر إذا أحست الميثا بالطول الموجي الصحيح ، فذلك الانبعاث المحفز يشبه الضوء الملوث المألوف ان استخلاص الطاقة بكفاءة من الوسط بعكسيه التعداد ويجعل شعاع الليزر . أنك تحتاج فجوة وكانه تساعد في انشأ انبعاث محفز بواسطة التغذية المرجعه يعكسها في وسط الليزر لرؤية ما يحدث ، دعنا نبدأ بالنظر إلى عملية التكبير

التكبير والربح او الكسب

الانبعاث المثار يمكنه تضحيم الضوء كما أن فوتون واحد في نفس طاقة انتقال الليزر يمكنه ان يثير انبعاث سقوط الفوتونات الأخرى في نفس اطول الموجي . يمكنك أن تعتقد بأن الفوتونات الأولى مثل الأشارة التي تضخم بواسطة الانبعاث المحفز تستخدم انبعاثات الكهربائية في تكبير اشارات المايكرويف الضعيفة وهذه العمليه مجاده لأنها تضخم سلسلة من الترددات الضعيفة مع تجاهل الضجة الخلفية المحدثة .

الضوء المكبر بواسطة الانبعاثات المثارة للإشعاع يمكنه إنتاج شعاع قوى .. عملية تضخيم الليزر موضحة في الشكل [ 3-3 ] يأتي الفوتون الأول من الانبعاث التلقائي لإنتقال الليزر عندما تواجه موجه الضوء الذره في مستوى الليزر الأعلى تثار كى تبعث ضوء و تسقط في مستوى الليزر الأدني إذا واجهت الذره في مستوى الليزر الأدني ، يمكن أن يتم أمتصاصها . [ الانبعاث المثار والامتصاص لا يكون أوتوماتيكياً . ولكن احتمالات مساويه إذا واجه الفوتون الذي في حاله صحيحة ] ، بالرغم من اننا عندنا عكسيه التعداد أكثر الذرات تكون في المستوى الأعلى لليزر أكثر منه في المستوى الأدني ويكون احتمال انبعاث الضوء أو أكثر من احتمال أمتصاصه بعد الانبعاث المثار الأول ومثل انبعاث الفوتون التلقائي الأساسي كل منهما احتماله أكثر في أن يواجه الذرات في المستوى الليزر الأعلى وأكثر منه في المستوى الأدني ثم إحتماله أكبر من إنتاج انبعاثات مثارة لذا الفوتونات يتم انتاجها بإعداد كبيرة بواسطة الانبعاث المحفز الذي يزداد بسرعه جداً .

يقيس علماء الليزر درجة التكبير المكتسب وكمية الانبعاث المثار بالكسب 2/cm يعني أن كل فوتون يولد أكثر من فوتوتيى لكل سنتمر في حركته كسب 0.05/cm يعنى أن كل فوتون يولد متوسط

0.05 فوتون منبعث مثار لكل سنتمر في حركته

Output / input = Amplificarion = ( 1+9 ain )LENGTH

الشكل 3-3 بعث اول فوتون تلقائياص يحفز انبعاث الفوتون الآخر الذي يحفز انبعاث أكثر ألخ ...

لذلك كسب 0,05سم يرفع عامل التضخيم (1,05) إلى قوة الطول المقاس باستثمر . مع ذلك هذا الكسب ربما يكون صغيراً ، يمكن مجموع التكبير أن يزيد بتكرار لكل 15سم يكون التكبير 1,63 لكل 20سم يكون التكبير 2.65 ولكل 50سم يكون التكبير 11.5.

ذلك التعبير هو من الحقيقة تقريب للناتج لدرجة التكبير السبب في ذلك هو أن فترة الربح تعتمد على كميـة إعـداد الذرات أو الجزئيات في المتسويات العليا والدنيا و ( أيضاً تعتمد على احتمال الانبعاث الثار وعلى بعض العناصر التي تشمل كثافه ودرجة حرارة وسط الليزر ) .

تبقى القليل من الذرات من المستوى الأعلى لليزر لكل تحدث الكثير من الانبعاث المثار . إعداد الذرات والجزيئات في المستوى الليزر الأعلى يمكنها أن تحفز لتبعث ضوء ساقط وبينما الرقم في المستوى الأدني الذي يمكنه أن يمتص الزيادة الضوئية هذا انقص معامل الربح ونبضات الليزر العديدة ، وفي الآخر يقوم بالغاءها وإيقاف جملة الانبعاثات المثارة .

فترات الربح مفيدة في دراسة الليزرات ، ولكنها مهمة لفهم معناها القيمة المعطاة لربح الليزر ما يسمى ربح الإشارة الصغير ، عندما تكبر الأشارة تصبح قويه يمكن لربح الليزر أن يصل لحاله التشبع لأن الليزر يعمل على تخفيض الانبعاث المثار في مسافة حركته خلال وسط الليزر النقطة الهامة التي ينبغي تذكرها هي أن زيادة كمية حجم التكبير نجده مع مسافة حركته الضوء في مادة الليزر .

هذا يزيد من الربح في نفس المسافة يساعد العنصر في نتائج الليزر المركزة ، كما هو موضح في الشكل ( 3-4 ) إذا كان وسط الليزر هو قضيب محدد ، سوف تأتي كثير من النتائج القوية في نهايات القضيب كما في الشكل [ 3-4A] هذه نتيجة الطول المركز حفزت الانبعاث في زاوية u التي حددت بواسطة وظيفة ارسني :

u = arcsin ( Dn/ 2l )

عندما تكون D هي قطر القضبين ، L هي الطول ، n هي معامل افنكسار يفقد الضوء في الخارج ، ولكن بكمية قليلة لأنه يتحرك مسافة صغيرة قبل أن يغادر القضيب .

يمكن زيادة الربح والقدرة بوضع المرايا عند مؤخرة وسط الليزر كما في الشكل [ 3-4 B ] هذا يقوم بعكس الضوء الواصل إلى مؤخرة القضيب إلى داخله عملياً يقوم بزيادة طوله زاوية افنبعاث المضئ عي صغيرة لحد ما في مرايا الليزر الوحيدة

u = arcsim ( Dn / 4L )

الشكل 3-4 يمكن لعلم الهندسة وحده تركيز الأصدارات او الانبعاثات المحفزة القضيب

بسبب المرآة :

القليل من الليزرات هي ذات ربح عالي وخصوصاً شبه الموصل وليزرات اكسمر التي مع ذلك يمكنها ان تشغل بهذه الطريقة بعض الليزر الطهراني واتقاص في نهاية زوج المرآة ذلك من المرنان البصرى الذي يساعد على تعريف الليزر القياسي .

المرايات وفجوات الليزر وتذبذت :-

<FONT face="Comic Sans MS"><FONT color=purple>معظم الليزرات لها زوج من المرآة موضوع بشكل مقابل في القضيب المحدد لوسط الليزر . المرآيات من مرنان ليزر ، فجوة أدني فكرة الذبذبة مهمة جداً لأنها مثل الذبذبة الإلكترونية يمكنها توليد إشارات ذاتية ( من ليزر العالم فترة التكبير لها مع