أسئلة: الليزر

الإجابة الصحيحة: من تلقاء نفسها دون أي مؤثر خارجي

هذا هو تعريف الانبعاث التلقائي.

الإجابة الصحيحة: غير مترابطة الطور، وتخرج في اتجاهات عشوائية

هذا سبب كون الضوء العادي (كضوء المصابيح) غير مترابط الطور.

الإجابة الصحيحة: ذرة موجودة بالفعل في حالة مثارة

هذا هو شرط حدوث الانبعاث المحفز.

الإجابة الصحيحة: الطاقة والطور والاتجاه معًا

هذا التطابق التام هو أساس التضخيم الضوئي في الليزر.

الإجابة الصحيحة: فوتونان متطابقان تمامًا يخرجان معًا

هذا هو مبدأ التضخيم الضوئي الذي يقوم عليه عمل الليزر.

الإجابة الصحيحة: تضخيم الضوء بالانبعاث المحفز للإشعاع

هذا هو أصل تسمية "ليزر" (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

الإجابة الصحيحة: أكبر دائمًا من عدد الذرات في المستوى المثار

هذا هو التوزيع الطبيعي لعدد الذرات عند الاتزان الحراري.

الإجابة الصحيحة: تُمتص أكثر مما تُحفّز انبعاثًا محفزًا

ولذلك لا يحدث تضخيم ضوئي صافٍ في الأحوال الطبيعية.

الإجابة الصحيحة: الانعكاس السكاني

هذا هو تعريف الانعكاس السكاني.

الإجابة الصحيحة: تفوق الانبعاث المحفز على الامتصاص وتحقيق تضخيم ضوئي صافٍ

دون تحقق الانعكاس السكاني لا يمكن حدوث تضخيم ضوئي صافٍ.

الإجابة الصحيحة: مستوى طاقة مثار طويل العمر نسبيًا مع ضخ طاقة مستمر من مصدر خارجي

هذان الشرطان معًا يحافظان على تفوق عدد الذرات المثارة باستمرار.

الإجابة الصحيحة: المادة التي يحدث فيها الانعكاس السكاني والانبعاث المحفز

تحدد طبيعة الوسط الفعال الطول الموجي لضوء الليزر الناتج.

الإجابة الصحيحة: تزويد ذرات الوسط الفعال بالطاقة اللازمة للحفاظ على الانعكاس السكاني

مصدر الضخ مسؤول عن إثارة الذرات والحفاظ على الانعكاس السكاني.

الإجابة الصحيحة: مرآتين متقابلتين، إحداهما عاكسة تمامًا والأخرى عاكسة جزئيًا

هذا هو تركيب تجويف الرنين الضوئي في جهاز الليزر.

الإجابة الصحيحة: المرآة العاكسة جزئيًا

المرآة العاكسة تمامًا تحبس الفوتونات، بينما تسمح المرآة العاكسة جزئيًا بخروج جزء منها.

الإجابة الصحيحة: يتكون عمليًا من تردد واحد (أو مدى ضيق جدًا من الترددات)

لأنه ناتج عن انتقال محدد بين مستويي طاقة معينين فقط.

الإجابة الصحيحة: متطابقة تمامًا في الطور فيما بينها

هذه الخاصية ناتجة عن طبيعة الانبعاث المحفز نفسها.

الإجابة الصحيحة: ينتشر في حزمة ضيقة جدًا متوازية تقريبًا فلا يتشتت بسرعة مع المسافة

هذه إحدى الخصائص المميزة لشعاع الليزر عن الضوء العادي.

الإجابة الصحيحة: تركّز الطاقة في حزمة ضيقة جدًا أحادية اللون ومترابطة الطور

اجتماع الخصائص الثلاث الأخرى ينتج عنه الشدة العالية.

الإجابة الصحيحة: قراءة وتخزين البيانات كما في الأقراص المدمجة

هذا مذكور صراحة ضمن تطبيقات الليزر.

الإجابة الصحيحة: خليط من غازي الهيليوم والنيون

في أنبوبة كوارتز تحت ضغط منخفض.

الإجابة الصحيحة: طاقتي مستوييهما شبه المستقرين متقاربتان

فتنتقل الإثارة بالتصادم من الهيليوم إلى النيون.

الإجابة الصحيحة: الضخ الضوئي بمصابيح وهاجة

أما الليزر الغازي فيستخدم غالبًا التفريغ الكهربي.

الإجابة الصحيحة: الشدة الضوئية والطور معًا

فتظهر الصورة بأبعادها الثلاثة.

الإجابة الصحيحة: شعاع منعكس عن الجسم مع شعاع مرجعي من الليزر نفسه على لوح فوتوجرافي

فتتكون هدب تداخل مشفرة هي الهولوجرام.

الإجابة الصحيحة: طاقته الحرارية تلحم الجزء المنفصل في أجزاء صغيرة من الثانية

ويُصوَّب خلال إنسان العين.

الإجابة الصحيحة: حزمته متوازية مترابطة فلا تتشتت فتبقى الشدة ثابتة لوحدة المساحة

فيمكن إرساله إلى القمر واستقباله.

الإجابة الصحيحة: غاز ثاني أكسيد الكربون

وكذلك الأرجون وخليط الهيليوم والنيون.

الانبعاث التلقائي هو انتقال ذرة مثارة إلى حالة أدنى طاقة من تلقاء نفسها دون أي مؤثر خارجي، في زمن عشوائي، وتكون الفوتونات الناتجة عنه في ذرات مختلفة غير مترابطة الطور وتخرج في اتجاهات عشوائية. أما الانبعاث المحفز فيحدث عندما يمر فوتون له طاقة تساوي بالضبط الفرق بين مستويي طاقة ذرة موجودة بالفعل في حالة مثارة، فيحفّزها على الانتقال الفوري وتُصدر فوتونًا ثانيًا مطابقًا تمامًا للفوتون المحفِّز في الطاقة والطور والاتجاه.

الانعكاس السكاني هو حالة غير طبيعية يصبح فيها عدد الذرات في مستوى مثار معين أكبر من عدد الذرات في المستوى الأدنى منه، بخلاف التوزيع الطبيعي عند الاتزان الحراري (حيث يغلب عدد ذرات المستوى الأرضي). وهو شرط أساسي لعمل الليزر لأنه يجعل الانبعاث المحفز يتفوق على الامتصاص، فيحدث تضخيم ضوئي صافٍ لعدد الفوتونات المتماثلة؛ فبدونه يغلب الامتصاص على الانبعاث المحفز ولا يحدث أي تضخيم.

يتحقق الانعكاس السكاني عمليًا باستخدام مستوى طاقة مثار طويل العمر نسبيًا (تبقى فيه الذرات فترة أطول من المعتاد قبل الانتقال التلقائي)، إلى جانب ضخ طاقة مستمر من مصدر خارجي لتعويض الذرات التي تعود إلى المستوى الأرضي، بما يحافظ على تفوق عدد الذرات المثارة باستمرار طوال عمل الجهاز.

الوسط الفعال: المادة التي يحدث فيها الانعكاس السكاني والانبعاث المحفز، وتحدد طبيعتها الطول الموجي لضوء الليزر. مصدر الضخ: مصدر طاقة خارجي يزوّد ذرات الوسط الفعال بالطاقة اللازمة لإثارتها والحفاظ على الانعكاس السكاني. تجويف الرنين الضوئي: مرآتان متقابلتان (إحداهما عاكسة تمامًا والأخرى عاكسة جزئيًا) تعكسان الفوتونات ذهابًا وإيابًا لتضخيم الانبعاث المحفز.

تعكس المرآتان المتقابلتان الفوتونات ذهابًا وإيابًا خلال الوسط الفعال مرارًا وتكرارًا، فيحفّز كل مرور مزيدًا من الانبعاث المحفز ويضخّم عدد الفوتونات المتماثلة تضخيمًا متتاليًا مع كل مرور إضافي، حتى يخرج جزء من هذه الفوتونات المتراكمة كشعاع ليزر نهائي من خلال المرآة العاكسة جزئيًا فقط (بينما تحبس المرآة العاكسة تمامًا كل الفوتونات الساقطة عليها).

أحادية اللون: تردد واحد تقريبًا أو مدى ضيق جدًا من الترددات. الترابط الطوري (التشاكه): فوتونات متطابقة تمامًا في الطور. الاتجاهية (التوازي): حزمة ضيقة جدًا متوازية الأشعة تقريبًا لا تتشتت بسرعة. الشدة العالية: كثافة طاقة عالية جدًا حتى بقدرة كلية معتدلة، نتيجة اجتماع الخصائص الثلاث السابقة.

ينتج شعاع الليزر عن الانبعاث المحفز المتكرر لانتقال محدد بين مستويي طاقة معينين فقط في ذرات الوسط الفعال، فتكون كل الفوتونات الناتجة متساوية الطاقة تقريبًا ومن ثمّ متساوية التردد (أحادية اللون تقريبًا)؛ بخلاف الضوء العادي الناتج عن انبعاث تلقائي عشوائي من ذرات في حالات إثارة وانتقالات مختلفة متعددة، فينتج طيفًا من ترددات متنوعة.

الاستخدامات الطبية (كالجراحة الدقيقة وتصحيح النظر)، والاستخدامات الصناعية (كقطع المعادن ولحامها بدقة عالية)، واستخدامات الاتصالات (كنقل المعلومات عبر الألياف الضوئية لمسافات طويلة بأقل فقد ممكن)؛ إضافة إلى قراءة وتخزين البيانات (كالأقراص المدمجة) وأجهزة القياس الدقيق للمسافات.

عند الاتزان الحراري الطبيعي يكون عدد الذرات في المستوى الأرضي أكبر دائمًا من عدد الذرات في أي مستوى مثار أعلى منه. ولأن الفوتونات العابرة تتفاعل مع الذرات الأكثر عددًا بمعدل أكبر، يغلب على هذه الفوتونات أن تُمتص (لرفع ذرات المستوى الأرضي الكثيرة إلى مستوى مثار) أكثر بكثير مما تُحفّز انبعاثًا محفزًا (من الذرات المثارة القليلة العدد نسبيًا)، فيحدث امتصاص صافٍ للضوء لا تضخيم صافٍ، ولذلك لا يمكن حدوث تأثير ليزري في هذه الحالة الطبيعية دون تدخل خارجي.

يحفّز الفوتون الداخل إحدى الذرات المثارة الكثيرة العدد على الانتقال الفوري إلى المستوى الأرضي (انبعاث محفز)، فتصدر فوتونًا ثانيًا مطابقًا تمامًا للفوتون الأصلي في الطاقة والطور والاتجاه؛ ولأن الانعكاس السكاني محقق (ذرات مثارة كثيرة)، تتكرر هذه العملية مع فوتونات أخرى أكثر مما تُمتص، فيحدث تضخيم ضوئي صافٍ ينتج عددًا كبيرًا من الفوتونات المتطابقة. بخلاف ذلك، لو لم يتحقق الانعكاس السكاني (كما في الحالة الطبيعية)، لغلب امتصاص الفوتونات الداخلة على الانبعاث المحفز، فلا ينتج أي تضخيم صافٍ رغم إمكانية حدوث بعض الانبعاث المحفز الفردي.

الضخ إمداد الوسط الفعال بطاقة لإثارة ذراته. الإسكان المعكوس: عدد الذرات في المستوى المثار أكبر من عددها في الأدنى. ويستخدم مستوى شبه مستقر لطول فترة عمره فتتراكم فيه الذرات المثارة فيتحقق الإسكان المعكوس.

تُثار ذرات الهيليوم بالتفريغ الكهربي ثم تصطدم بذرات النيون فتنقل إليها طاقتها لأن مستوييهما شبه المستقرين متقاربان، فتتراكم ذرات النيون المثارة ويتحقق الإسكان المعكوس.

يثير التفريغ ذرات الهيليوم فتثير النيون، ويتحقق الإسكان المعكوس بمستوى شبه مستقر. تشع بعض ذرات النيون عشوائيًا، والفوتونات على محور الأنبوبة تنعكس بين المرآتين فتحث ذرات مثارة أخرى على إشعاع فوتونات مطابقة فيتضاعف العدد، ثم يخرج جزء من المرآة شبه المنفذة شعاع ليزر.

تسجل الصورة العادية الشدة فقط. في الهولوجرافي يلتقي على لوح فوتوجرافي شعاع منعكس عن الجسم (يحمل الشدة والطور) مع شعاع مرجعي من الليزر نفسه فتتكون هدب تداخل مشفرة (الهولوجرام). وبإنارته بالليزر نفسه ننظر خلاله فنرى الجسم بأبعاده الثلاثة دون عدسات.

الضوء العادي: فوتونات غير مترابطة تنطلق في لحظات مختلفة بفرق طور غير ثابت، وكل خط يضم مدى كبيرًا من الأطوال، وحزمته تتشتت فيزداد قطرها. الليزر: مترابط بطور ثابت، أحادي الطول الموجي تقريبًا، وحزمته متوازية ثابتة القطر.