أهداف التعلم

• تقارن بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث.
• تذكر خصائص شعاع الليزر وتفسر تميزه عن الضوء العادي.
• تشرح الإسكان المعكوس والتجويف الرنيني ونظرية عمل الليزر.
• تذكر العناصر الأساسية لجهاز الليزر وتصف ليزر الهيليوم–نيون.
• تذكر تطبيقات الليزر.

شرح الدرس

الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث

للذرة مستويات طاقة أدناها المستوى الأرضي $E_1$، وما يليه مستويات الإثارة $E_2, E_3, \dots$. إذا قُذفت ذرة في حالتها العادية بفوتون طاقته $E_2 - E_1$ امتصت هذه الطاقة وانتقلت إلى المستوى المثار (إثارة الذرة). وبعد فترة وجيزة تسمى فترة العمر تتخلص من طاقة الإثارة بإشعاع فوتون وتعود إلى حالتها العادية، وهذا الانبعاث التلقائي وهو السائد في مصادر الضوء العادية؛ تردده يساوي تردد فوتون الإثارة لكن الاتجاه والطور عشوائيان.

وبيّن أينشتين أن هناك إشعاعًا آخر مستحثًا وهو السائد في مصادر الليزر: إذا سقط فوتون طاقته $h\nu = E_2 - E_1$ على ذرة مثارة بالفعل قبل انتهاء فترة عمرها، دفعها إلى إشعاع طاقة إثارتها فوتونًا آخر له نفس التردد والاتجاه والطور وعادت إلى المستوى الأرضي. فيوجد فوتونان (الأصلي والمستحث) يتحركان معًا بالطور والاتجاه نفسيهما.

خصائص شعاع الليزر

1. النقاء الطيفي (أحادي الطول الموجي): في الضوء العادي يحتوي كل خط على مدى كبير من الأطوال الموجية، أما الليزر فيعطي خطًا طيفيًا واحدًا بمدى ضئيل جدًا.
2. توازي الحزمة: تنتشر في حزمة متوازية لمسافات طويلة دون تشتت يذكر وقطرها ثابت، بينما يزداد قطر حزمة الضوء العادي بالتشتت. وقد أُرسل شعاع ليزر إلى عاكس على القمر (نحو 380 ألف كيلومتر) واستُقبل على الأرض لقياس المسافة.
3. الترابط: تنطلق الفوتونات في اللحظة نفسها وتحتفظ بفرق طور ثابت زمانيًا ومكانيًا، فتكون أشد وأكثر تركيزًا، بخلاف الضوء العادي غير المترابط.
4. الشدة: لا تخضع شدة الليزر لقانون التربيع العكسي فتبقى ثابتة لوحدة المساحات.

نظرية عمل الليزر

1. الوصول بالوسط الفعال إلى الإسكان المعكوس: عدد الذرات في مستويات الإثارة العليا أكبر من عددها في الأدنى (وفي الحالة العادية الأرضي أكبر عددًا). وهذا يعطي فرصة لفوتونات الانبعاث المستحث لأن يتضخم عددها. ويُحقَّق بمستوى شبه مستقر له فترة عمر طويلة نسبيًا تتراكم فيه الذرات المثارة.
2. انطلاق الطاقة من الذرات المثارة بالانبعاث المستحث.
3. تضخيم الإشعاع داخل التجويف الرنيني: مرآتان متقابلتان تنعكس بينهما الفوتونات ذهابًا وإيابًا فيحث كل مرور مزيدًا من الذرات المثارة فيتضاعف عدد الفوتونات. إحدى المرآتين شبه منفذة يخرج منها شعاع الليزر.

العناصر الأساسية لجهاز الليزر

1. الوسط الفعال: المادة المنتجة لليزر: بلورات صلبة (ياقوت)، أو أشباه موصلات (السيليكون)، أو صبغات سائلة، أو غازات (هيليوم–نيون، أرجون، ثاني أكسيد الكربون).
2. مصدر الطاقة (الإثارة): يكسب الذرات طاقة إثارتها: بالطاقة الكهربية (مصدر ترددات راديوية أو تفريغ كهربي بفرق جهد عال، وهو الغالب في الليزر الغازي)، أو بالطاقة الضوئية (الضخ الضوئي) بمصابيح وهاجة (ليزر الياقوت) أو بشعاع ليزر آخر (الصبغات)، أو بالطاقة الحرارية، أو الكيميائية.
3. التجويف الرنيني: خارجي (مرآتان تحصران الوسط الفعال كما في الليزر الغازي) أو داخلي (طرفا بلورة الوسط الفعال مصقولان ومطليان فيعملان مرآتين، كما في الياقوت).

ليزر الهيليوم–نيون

ليزر غازي وسطه خليط من الهيليوم والنيون (بنسبة نحو $10:1$ تحت ضغط منخفض) في أنبوبة كوارتز، وفي طرفيها مرآتان متوازيتان إحداهما شبه منفذة. واختير العنصران لتقارب طاقة مستوييهما شبه المستقرين. عمله:

1. يثير التفريغ الكهربي ذرات الهيليوم.
2. تصطدم المثارة منها بذرات النيون فتثيرها لتقارب المستويات.
3. تتراكم ذرات النيون المثارة في مستوى شبه مستقر فيتحقق الإسكان المعكوس.
4. تهبط مجموعة منها فتشع فوتونات في اتجاهات عشوائية، والتي تتحرك على محور الأنبوبة تنعكس بين المرآتين.
5. تحث الفوتونات المنعكسة ذرات النيون المثارة فيتضاعف عددها وتتضخم الحزمة.
6. حين تصل الشدة حدًّا معينًا يخرج جزء منها من المرآة شبه المنفذة (طول موجته $632.8\ \text{nm}$).
7. تفقد ذرات النيون المتبقية طاقتها وتعود للأرضي ثم تثيرها ذرات هيليوم أخرى، وتعود ذرات الهيليوم بالتفريغ، فتستمر العملية.

تطبيقات الليزر

• التصوير المجسم (الهولوجرافي): تسجل الصورة العادية الشدة فقط، أما الهولوجرام فيسجل الشدة والطور: يُلتقى شعاع منعكس عن الجسم بشعاع مرجعي من الليزر نفسه على لوح فوتوجرافي فتتكون هدب تداخل (هولوجرام) هو نوع من محزوز الحيود، وبإنارته بالليزر نفسه ونظره بالعين المجردة نرى الجسم بأبعاده الثلاثة. واقترح الفكرة جابور عام 1948.
• الطب: لحام الشبكية المنفصلة بتسليط الليزر عبر إنسان العين في أجزاء من الثانية وعلاج قصر وطول النظر.
• الاتصالات والصناعة (القطع واللحام وتبخير الحديد وثقب الماس) والمجالات العسكرية والتسجيل على الأقراص المدمجة والطابعة الليزرية وعروض الليزر وأبحاث الفضاء.

أسئلة للتدريب

1. ما المقصود بكلمة ليزر؟
2. قارن بين الانبعاث التلقائي والمستحث.
3. ناقش خاصيتين من خصائص الليزر بالتفصيل.
4. ما دور التجويف الرنيني في إنتاج شعاع الليزر؟
5. اشرح كيف يتم التصوير المجسم باستخدام الليزر.