المناهج الدراسية
تسجيل الدخول

المناهج الدراسية

الفيزياء

الفصل الأول - التيار الكهربي وقانون أوم وقانونا كيرشوف

0/36

الفصل الثاني - التأثير المغناطيسي للتيار الكهربي وأجهزة القياس

0/32

الفصل الثالث - الحث الكهرومغناطيسي

0/45

الفصل الرابع - دوائر التيار المتردد

0/23

الفصل الخامس - ازدواجية الموجة والجسيم

0/31

الفصل السادس - الأطياف الذرية والأشعة السينية

0/17

الفصل السابع - الليزر وتطبيقاته

0/17

الفصل الثامن - الإلكترونيات الحديثة

0/25

دروس إضافية

0/145
نص الدرس

الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون

الفيزياء

الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون

مقدمة

مقدمة

  • معنى كلمة ليزر، والانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث والمقارنة بينهما.
  • خصائص شعاع الليزر الأربع، وعناصر جهاز الليزر وفكرة عمله (الإسكان المعكوس والتجويف الرنيني).
  • ليزر الهيليوم-نيون وتطبيقات الليزر في التصوير المجسم والطب والاتصالات والصناعة وغيرها.

🌳 شجرة المفاهيم

الدرس الأولخصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون
├── أولًامقدمة عن الليزر
├── ثانيًامستويات الطاقة والانبعاث التلقائي

│ ├── مستويات الطاقة

│ ├── الإثارة

│ └── الانبعاث التلقائي

├── ثالثًا←الانبعاث المستحث
│ └── ما يشترط لحدوثه
├── رابعًامقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث
├── خامسًاخصائص شعاع الليزر

│ ├── 1) النقاء الطيفي (Monochromaticity)

│ ├── 2) توازي الحزمة الضوئية (Collimation)

│ ├── 3) الترابط (Coherence)

│ ├── 4) الشدة العالية (Intensity)

│ └── أسئلة "علل"

├── سادسًا←العناصر الرئيسية لجهاز الليزر

│ ├── 1) الوسط الفعال (Active Medium)

│ ├── 2) مصادر الطاقة (Sources of Energy)

│ └── 3) التجويف الرنيني (Resonant Cavity)

├── سابعًا←فكرة عمل الليزر — الإسكان المعكوس

│ ├── الإسكان المعكوس (Population Inversion)

│ ├── خطوات توليد الليزر

│ └── الإسكان المعكوس عن طريق مستوى ثالث

├── ثامنًا←ليزر الهيليوم-نيون (He-Ne)

│ ├── التركيب

│ ├── طريقة العمل

│ └── أسئلة "علل"

└── تاسعًا←تطبيقات الليزر

├── أ) التصوير المجسم (الهولوجرافي)

├── ب) في الطب

└── ج) تطبيقات أخرى

الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 1 / 17
أولًا: مقدمة عن الليزر

أولًا: مقدمة عن الليزر

شكل 1: رسم توضيحي — النقطة 1: مقدمة عن الليزر يقدم الشكل مدخلًا لليزر عبر مجسم لتجويف رنيني بصري لليزر الهيليوم-نيون، يتكون من أنبوبة تفريغ بها خليط الغازين ومرآتين متوازيتين إحداهما شبه منفذة. ويُنتج هذا الجهاز شعاعًا متوازيًا أحادي الطول الموجي نحو 632.8 نانومتر، وهو مدخل لفهم خصائص الليزر وتطبيقاته الواسعة.
شكل 1: رسم توضيحي — النقطة 1: مقدمة عن الليزر يقدم الشكل مدخلًا لليزر عبر مجسم لتجويف رنيني بصري لليزر الهيليوم-نيون، يتكون من أنبوبة تفريغ بها خليط الغازين ومرآتين متوازيتين إحداهما شبه منفذة. ويُنتج هذا الجهاز شعاعًا متوازيًا أحادي الطول الموجي نحو 632.8 نانومتر، وهو مدخل لفهم خصائص الليزر وتطبيقاته الواسعة.
  • 🧊 مجسم ثلاثي الأبعاد للتجويف الرنيني البصري لليزر الهيليوم-نيون

D Scientific Model

  • شكل 2 مجسم ثلاثي الأبعاد للتجويف الرنيني البصري لليزر الهيليوم-نيون
  • يوضح المجسم أنبوبة التفريغ المملوءة بخليط الهيليوم والنيون بنسبة 10:1، ومرآتي التجويف الرنيني، إحداهما معامل انعكاسها 99.9% والأخرى 98% وهي شبه منفذة.
  • ويبين كيف يتضخم الضوء داخل التجويف بالانبعاث المستحث حتى يخرج شعاع متوازٍ من المرآة شبه المنفذة.
  • مجسم واقعي ثلاثي الأبعاد يوضح أنبوبة التفريغ الكهربي المليئة بخليط He-Ne بنسبة 10:1، مرآتي التجويف الرنيني المتوازيتين (مرآة عاكسة 99.9% والأخرى شبه منفذة 98%)، وحدوث الإسكان المعكوس وتضخيم الفوتونات بالانبعاث المستحث لإنتاج شعاع متوازي أحادي الطول الموجي λ = 632.8 nm.
  • قلّما ترك اكتشاف علمي أثرًا مثل اكتشاف الليزر، فقد شملت تطبيقاته البصريات والفيزياء والكيمياء والجيولوجيا والبيولوجيا والطب والهندسة، وبالأخص الاتصالات.
  • كلمة ليزر (LASER) هي الحروف الأولى من:
  • Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
  • أي تضخيم (تكبير) الضوء بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع.
  • في عام 1960 صنع العالم الأمريكي ميمان (Maiman) أول ليزر باستخدام بلورة من الياقوت المطعّم بالكروم.
  • بعدها بشهور أمكن تركيب الليزر الغازي مثل ليزر الهيليوم-نيون، ثم توالت أنواع الليزر المختلفة.
مجسم ثلاثي الأبعاد للتجويف الرنيني البصري لليزر الهيليوم-نيون
مجسم ثلاثي الأبعاد للتجويف الرنيني البصري لليزر الهيليوم-نيون
مجسم ثلاثي الأبعاد للتجويف الرنيني البصري لليزر الهيليوم-نيون←أولًا: مقدمة عن الليزر
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 2 / 17
ثانيًا: مستويات الطاقة والانبعاث التلقائي

ثانيًا: مستويات الطاقة والانبعاث التلقائي

شكل 3: رسم توضيحي — النقطة 2: مستويات الطاقة والانبعاث التلقائي يشرح الرسم مستويات الطاقة في الذرة، إذ تمتص الذرة في حالتها الأرضية فوتونًا طاقته تساوي الفرق بين مستويين E₂ − E₁ فتنتقل إلى مستوى الإثارة. ثم تشع الذرة المثارة فوتونًا تلقائيًا بعد نحو 10⁻⁸ ثانية، وهي الفترة التي تُعرف بزمن العمر.
شكل 3: رسم توضيحي — النقطة 2: مستويات الطاقة والانبعاث التلقائي يشرح الرسم مستويات الطاقة في الذرة، إذ تمتص الذرة في حالتها الأرضية فوتونًا طاقته تساوي الفرق بين مستويين E₂ − E₁ فتنتقل إلى مستوى الإثارة. ثم تشع الذرة المثارة فوتونًا تلقائيًا بعد نحو 10−8 ثانية، وهي الفترة التي تُعرف بزمن العمر.

مستويات الطاقة

  • لكل ذرة مستوى طاقة أدنى يسمى المستوى الأرضي (Ground State) وطاقته E₁، وهو الذي توجد فيه الذرة في حالتها العادية.
  • المستويات التي تليه E₂ وE₃ … تسمى مستويات الإثارة، والذرة الموجودة في أحدها ذرة مثارة.

الإثارة

  • إذا قذفنا ذرة في حالتها العادية بفوتون طاقته تساوي (E₂ − E₁) تمتص هذه الطاقة وتنتقل إلى مستوى الإثارة E₂.
  • تسمى العملية إثارة الذرة.

الانبعاث التلقائي

  • تتخلص الذرة المثارة من طاقة الإثارة بعد فترة وجيزة جدًا (نحو 10−8 s) تسمى فترة العمر (Lifetime)، بإشعاعها على شكل فوتون، وتعود إلى حالتها العادية.
  • يسمى هذا الانبعاث التلقائي (Spontaneous Emission)، وهو الانبعاث السائد في مصادر الضوء العادية.
  • يكون للفوتون المنبعث تردد يناسب فرق الطاقة، أما اتجاهه وطوره فعشوائيان.
  • الانبعاث التلقائي انطلاق إشعاع من الذرة المثارة عند انتقالها من مستوى أعلى إلى أقل بعد انتهاء فترة العمر، تلقائيًا ودون تدخل خارجي.
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 3 / 17
ثالثًا: الانبعاث المستحث

ثالثًا: الانبعاث المستحث

شكل 4: رسم توضيحي — النقطة 3: الانبعاث المستحث يصور الرسم الانبعاث المستحث، إذ يسقط فوتون طاقته E₂ − E₁ على ذرة مثارة قبل انتهاء زمن عمرها، فتشع فوتونًا جديدًا له التردد والاتجاه والطور نفسها للفوتون الساقط. وبذلك يصبح لدينا فوتونان متماثلان، وهذه الظاهرة هي أساس تضخيم الضوء في الليزر.
شكل 4: رسم توضيحي — النقطة 3: الانبعاث المستحث يصور الرسم الانبعاث المستحث، إذ يسقط فوتون طاقته E₂ − E₁ على ذرة مثارة قبل انتهاء زمن عمرها، فتشع فوتونًا جديدًا له التردد والاتجاه والطور نفسها للفوتون الساقط. وبذلك يصبح لدينا فوتونان متماثلان، وهذه الظاهرة هي أساس تضخيم الضوء في الليزر.
  • في عام 1917 بيّن أينشتاين أنه إلى جانب الإشعاع التلقائي هناك إشعاع آخر من الذرة هو الإشعاع المستحث (Stimulated Emission)، وهو الانبعاث السائد في مصادر الليزر.
  • إذا سقط فوتون طاقته (E₂ − E₁) على ذرة مثارة بالفعل (موجودة في مستوى الإثارة E₂ ولم تنته فترة عمرها)، فإن هذا الفوتون يدفع الذرة إلى أن تشع طاقة إثارتها في صورة فوتون آخر.
  • للفوتون الجديد نفس التردد والاتجاه والطور للفوتون الساقط، وتعود الذرة إلى المستوى الأرضي.
  • هكذا يوجد في حالة الانبعاث المستحث فوتونان (الأصلي والمستحث)، لهما التردد نفسه، ويتحركان معًا بالطور نفسه وفي الاتجاه نفسه.
  • الانبعاث المستحث انطلاق إشعاع من ذرة مثارة نتيجة اصطدامها بفوتون خارجي له نفس طاقة الفوتون المنبعث، قبل انتهاء فترة عمرها، فتخرج فوتونات مترابطة.
  • تجمع هذه الكيفية الفوتونات في حزم متوازية مترابطة تنتقل لمسافات طويلة بتركيز عالٍ من دون تشتت.

ما يشترط لحدوثه

  • طاقة الفوتون الساقط تساوي بالضبط فرق الطاقة بين المستويين h ν = E2 – E1 .
  • أن تكون الذرة ما زالت في حالة الإثارة (قبل انتهاء فترة العمر).
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 4 / 17
رابعًا: مقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث

رابعًا: مقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث

  • شكل 5 رسم توضيحي — النقطة 4: مقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث
  • يقارن الجدول بين الانبعاث التلقائي والمستحث في سبب الحدوث واتجاه الفوتونات وطولها الموجي وطورها وشدتها.
  • فالتلقائي عشوائي الاتجاه والطور ويشمل مدى طيفيًا واسعًا، أما المستحث فيُنتج فوتونات متماثلة في الطول الموجي والاتجاه والطور، وتظل شدته ثابتة تقريبًا لمسافات طويلة.
مقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث
مقارنة بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث
وجه المقارنة الانبعاث التلقائي الانبعاث المستحث
سبب الحدوث انتقال تلقائي دون مؤثر بعد انتهاء فترة العمر تأثير فوتون خارجي مماثل قبل انتهاء فترة العمر
الفوتونات المنبعثة تغطي مدى طيفيًا كبيرًا من الأطوال الموجية طول موجي واحد فقط (أحادية اللون)
اتجاه الحركة عشوائي تمامًا اتجاه واحد (حزمة متوازية)
الطور عشوائي (غير مترابطة) الطور نفسه (مترابطة)
الشدة أثناء الانتشار تقل شدتها عكسيًا مع مربع المسافة (قانون التربيع العكسي) تظل ثابتة تقريبًا لمسافات طويلة
المصدر السائد مصادر الضوء العادية مصادر الليزر
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 5 / 17
خامسًا: خصائص شعاع الليزر

خامسًا: خصائص شعاع الليزر

شكل 6: رسم توضيحي — النقطة 5: خصائص شعاع الليزر يعرض الشكل خاصيتين أساسيتين لشعاع الليزر، هما النقاء الطيفي أي وجود طول موجي واحد تتركز عنده الشدة، والتوازي الذي يحافظ على ثبات قطر الحزمة لمسافات طويلة. ولهذا تنتقل الطاقة الضوئية للشعاع إلى مسافات بعيدة دون فقد ملحوظ، وهو ما يجعله مفيدًا في القياس والاتصالات.
شكل 6: رسم توضيحي — النقطة 5: خصائص شعاع الليزر يعرض الشكل خاصيتين أساسيتين لشعاع الليزر، هما النقاء الطيفي أي وجود طول موجي واحد تتركز عنده الشدة، والتوازي الذي يحافظ على ثبات قطر الحزمة لمسافات طويلة. ولهذا تنتقل الطاقة الضوئية للشعاع إلى مسافات بعيدة دون فقد ملحوظ، وهو ما يجعله مفيدًا في القياس والاتصالات.

1) النقاء الطيفي (Monochromaticity)

  • كل خط من خطوط الطيف في مصادر الضوء العادية يحتوي مدى كبيرًا من الأطوال الموجية تتفاوت شدتها، ولذلك نرى تعدد درجات اللون الواحد بالعين.
  • مصادر الليزر تنتج طولًا موجيًا واحدًا فقط له مدى ضئيل جدًا، وتتركز الشدة عنده، أي أنه ضوء أحادي الطول الموجي.

2) توازي الحزمة الضوئية (Collimation)

  • في الضوء العادي يزداد قطر الحزمة أثناء الانتشار بسبب التشتت.
  • في الليزر يظل قطر الحزمة ثابتًا لمسافات طويلة، فتنتقل الطاقة الضوئية دون فقد ملحوظ.
  • مثال أمكن إرسال شعاع ليزر من الأرض إلى عاكس على سطح القمر (على بعد نحو 384000 km) واستقباله ثانية على الأرض دون تشتت يذكر، ويستعمل ذلك في قياس المسافات الفلكية.

3) الترابط (Coherence)

  • تنطلق فوتونات الضوء العادي بصورة عشوائية غير مترابطة، في لحظات مختلفة وبفروق طور غير ثابتة.
  • في الليزر تنطلق الفوتونات بصورة مترابطة زمانيًا ومكانيًا في اللحظة نفسها وبفرق طور ثابت أثناء الانتشار.
  • هذا يجعلها أكثر شدة وتركيزًا.

4) الشدة العالية (Intensity)

  • أشعة المصادر العادية تخضع لقانون التربيع العكسي فتقل الشدة الساقطة على وحدة المساحة كلما بعد السطح عن المصدر.
  • أشعة الليزر تحتفظ بشدة عالية لوحدة المساحات ولا تخضع لقانون التربيع العكسي.
أسئلة "علل"
شعاع الليزر أحادي اللونلأن الانبعاث المستحث ينتج فوتونات لها التردد (الطول الموجي) نفسه.
لا تخضع شدة الليزر لقانون التربيع العكسيلأن حزمته متوازية لا تتفرق ولا تتشتت.
يتميز الليزر بشدة عاليةلأن فوتوناته مترابطة ومتوازية ومركزة في مساحة صغيرة.
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 6 / 17
سادسًا: العناصر الرئيسية لجهاز الليزر

سادسًا: العناصر الرئيسية لجهاز الليزر

  • شكل 7 رسم توضيحي — النقطة 6: العناصر الرئيسية لجهاز الليزر
  • يلخص الرسم العناصر الثلاثة الأساسية في أي جهاز ليزر، وهي الوسط الفعال الذي ينتج الليزر، ومصدر الطاقة الذي يثير ذراته، والتجويف الرنيني المكون من مرآتين يضخمان الإشعاع.
  • وتختلف مواد الوسط الفعال من بلورات صلبة إلى غازات وصبغات، لكن هذه العناصر الثلاثة تبقى مشتركة في كل الأجهزة.
العناصر الرئيسية لجهاز الليزر
العناصر الرئيسية لجهاز الليزر
  1. تتضمن أجهزة توليد الليزر
  2. على اختلاف أحجامها وأشكالها
  3. ثلاثة عناصر رئيسية مشتركة.

1) الوسط الفعال (Active Medium)

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
•
  • هو المادة الفعالة لإنتاج الليزر
  • وقد يكون
المادةالفعالةلإنتاجالليزر
بلورات صلبةمثل الياقوت الصناعيالياقوتالصناعي
مواد شبه موصلةمثل بلورات السيليكونبلوراتالسيليكون
صبغات سائلةمثل الصبغات العضوية المذابةالصبغاتالعضويةالمذابة
ذرات غازيةمثل خليط الهيليوم والنيونخليطالهيليوموالنيون
غازات متأينةمثل أيونات الأرجونأيوناتالأرجون
جزيئات غازيةمثل غاز ثاني أكسيد الكربونثانيأكسيدالكربون

2) مصادر الطاقة (Sources of Energy)

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةمثالكلمات مفتاحية
•مسؤولة عن إكساب ذرات أو أيونات الوسط الفعال طاقة الإثارة اللازمة—مسؤولةإكسابذراتأيونات
الإثارة بالطاقة الكهربية
  • باستخدام مصادر الترددات الراديوية
  • أو التفريغ الكهربي بفرق جهد عال مستمر (يُستخدم غالبًا في الليزرات الغازية كثاني أكسيد الكربون والهيليوم-نيون والأرجون)
—باستخداممصادرالتردداتالراديوية
الإثارة بالطاقة الضوئية (الضخ الضوئي)
  • باستخدام مصابيح وهاجة عالية القدرة (كما في ليزر الياقوت)
  • أو شعاع ليزر كمصدر للطاقة (في ليزر الصبغات السائلة)
—باستخداممصابيحوهاجةعالية
الإثارة بالطاقة الحراريةالتأثير الحراري الناتج عن الضغط الحركي للغازات—التأثيرالناتجالضغطالحركي
الإثارة بالطاقة الكيميائيةالهيدروجين والفلور) تعطي طاقة تحث الجزيئات على إنتاج الليزرتفاعلاتموادالهيدروجينوالفلور

3) التجويف الرنيني (Resonant Cavity)

  • الوعاء الحاوي للمادة الفعالة، وبه مرآتان عاكستان تحصران بينهما المادة الفعالة.
  • تكون الانعكاسات المتعددة بين المرآتين هي الأساس في عملية التكبير الضوئي.
  • نوعان:
  • تجويف رنيني خارجي مرآتان خارج الأنبوبة، كما في الليزرات الغازية.
  • تجويف رنيني داخلي تُطلى نهايتا المادة الفعالة نفسها لتعملا كمرآتين، كما في الليزرات الصلبة (ليزر الياقوت).
  • تكون إحدى المرآتين شبه منفذة لتسمح بمرور بعض أشعة الليزر المتولدة إلى الخارج.
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 7 / 17
سابعًا: فكرة عمل الليزر — الإسكان المعكوس

سابعًا: فكرة عمل الليزر — الإسكان المعكوس

  • شكل 8 رسم توضيحي — النقطة 7: فكرة عمل الليزر — الإسكان المعكوس
  • يوضح الرسم فكرة عمل الليزر وهي الوصول إلى الإسكان المعكوس، أي أن يزيد عدد الذرات في مستوى الإثارة العليا على عددها في المستوى الأدنى، وهو عكس الحالة العادية.
  • ويتحقق ذلك غالبًا بوجود مستوى شبه مستقر ذي عمر طويل تتجمع فيه الذرات المثارة، ثم يبدأ تضخيم الإشعاع بالانبعاث المستحث.
فكرة عمل الليزر — الإسكان المعكوس
فكرة عمل الليزر — الإسكان المعكوس

الإسكان المعكوس (Population Inversion)

  • الإسكان المعكوس الحالة التي يكون فيها عدد الذرات في مستويات الإثارة العليا أكبر من عددها في المستويات الأدنى.
  • في الحالة العادية تكون معظم الذرات في المستوى الأرضي، فلا بد من إثارتها بكثرة لتحقيق الإسكان المعكوس.
  • يتحقق ذلك غالبًا بوجود مستوى شبه مستقر (Metastable) ذي فترة عمر طويلة نسبيًا تتجمع فيه الذرات المثارة.

خطوات توليد الليزر

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الوصول إلى الإسكان المعكوسبإثارة ذرات الوسط الفعالبإثارةذراتالوسطالفعال
انطلاق الطاقةمن الذرات المثارة بالانبعاث المستحثالذراتالمثارةبالانبعاثالمستحث
تضخيم الإشعاع
  • داخل التجويف الرنيني: تتحرك الفوتونات ذهابًا وإيابًا بين المرآتين فتحث ذرات أخرى على مسارها لتصدر فوتونات جديدة
  • فيتضاعف عددها تدريجيًا
داخلالتجويفالرنينيتتحرك
خروج الشعاع
  • عند وصول شدة الإشعاع داخل الوسط إلى حد معين يخرج جزء منه من المرآة شبه المنفذة في صورة شعاع ليزر
  • ويبقى الباقي داخل الوسط لاستمرار الانبعاث المستحث
وصولالإشعاعداخلالوسط

الإسكان المعكوس عن طريق مستوى ثالث

  • تُثار الذرات من المستوى الأرضي إلى مستوى علوي، ثم تهبط سريعًا إلى مستوى شبه مستقر ذي عمر طويل.
  • تتراكم الذرات في هذا المستوى فيتحقق الإسكان المعكوس بالنسبة للمستوى الأرضي.
  • يؤدي سقوط فوتون على الذرات المثارة إلى انبعاث مستحث فيضاعف الفوتونات.
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 8 / 17
ثامنًا: ليزر الهيليوم-نيون (He-Ne)

ثامنًا: ليزر الهيليوم-نيون (He-Ne)

شكل 9: رسم توضيحي — النقطة 8: ليزر الهيليوم-نيون (He-Ne) يصف الرسم ليزر الهيليوم-نيون، وهو ليزر غازي وسطه الفعال خليط من الهيليوم والنيون بنسبة 10:1 داخل أنبوبة كوارتز تحت ضغط منخفض، ويُثار بمجال كهربي عالي التردد أو بفرق جهد عالٍ. وقد اختير هذان الغازان لأن مستويات الإثارة شبه المستقرة في ذرتيهما متقاربة في الطاقة.
شكل 9: رسم توضيحي — النقطة 8: ليزر الهيليوم-نيون (He-Ne) يصف الرسم ليزر الهيليوم-نيون، وهو ليزر غازي وسطه الفعال خليط من الهيليوم والنيون بنسبة 10:1 داخل أنبوبة كوارتز تحت ضغط منخفض، ويُثار بمجال كهربي عالي التردد أو بفرق جهد عالٍ. وقد اختير هذان الغازان لأن مستويات الإثارة شبه المستقرة في ذرتيهما متقاربة في الطاقة.
  • هو أحد أنواع الليزرات الغازية، والوسط الفعال خليط من غازي الهيليوم والنيون بنسبة 10 : 1.

التركيب

  • أنبوبة من زجاج الكوارتز بها خليط الغازين تحت ضغط منخفض نحو 0.6 mmHg.
  • اختير الهيليوم والنيون لأن مستويات الإثارة شبه المستقرة في ذرات كل منهما متقاربة الطاقة.
  • عند نهايتي الأنبوبة مرآتان مستويتان متوازيتان ومتعامدتان على محور الأنبوبة، معامل انعكاس إحداهما نحو 99.9% والأخرى شبه منفذة ومعامل انعكاسها نحو 98%.
  • مصدر طاقة مجال كهربي عالي التردد أو فرق جهد كهربي عال مستمر يُسلَّط على الغازين لإحداث تفريغ كهربي.

طريقة العمل

  • يؤدي فرق الجهد الكهربي داخل الأنبوبة إلى إثارة ذرات الهيليوم إلى مستويات الطاقة العليا.
  • تصطدم ذرات الهيليوم المثارة بذرات النيون، فتنقل لها طاقتها (لتقارب طاقة مستويات الإثارة شبه المستقرة في الذرتين) فتثار ذرات النيون.
  • تتراكم ذرات النيون المثارة في مستوى شبه مستقر ذي فترة عمر طويلة نسبيًا، فيتحقق الإسكان المعكوس لذرات النيون.
  • تهبط أول مجموعة من ذرات النيون المثارة تلقائيًا إلى مستوى طاقة إثارة أقل، فتشع فوتونات طاقتها تساوي فرق الطاقة، وتنتشر عشوائيًا.
  • الفوتونات التي تتحرك في اتجاه محور الأنبوبة تصادف إحدى المرآتين فترتد داخل الأنبوبة.
  • أثناء حركتها بين المرآتين تصطدم ببعض ذرات النيون في المستوى شبه المستقر التي لم تنته فترة عمرها، فتحثها على إصدار فوتونات لها نفس الطاقة والاتجاه، فيتضاعف العدد.
  • تتكرر الخطوة فيتضاعف العدد مرة أخرى حتى تتم عملية التضخيم.
  • عندما تصل الشدة إلى حد معين يخرج جزء من الإشعاع من المرآة شبه المنفذة شعاع ليزر (لونه أحمر وطوله الموجي 632.8 nm).
  • تفقد ذرات النيون التي هبطت إلى المستوى الأقل باقي طاقتها وتعود إلى المستوى الأرضي، فتصطدم بها ذرات هيليوم مثارة وتعيد إثارتها، وتعود ذرات الهيليوم لتُثار بالتفريغ الكهربي مرة أخرى.
أسئلة "علل"
يستخدم الهيليوم مع النيونلتقارب طاقة مستويات الإثارة شبه المستقرة بينهما فيمكن نقل الطاقة بالتصادم.
توجد مرآتان عند طرفي الأنبوبةلتجعل الفوتونات تتحرك ذهابًا وإيابًا فتضخم الإشعاع بالانبعاث المستحث.
إحدى المرآتين شبه منفذةليخرج منها جزء من الإشعاع على هيئة شعاع ليزر.
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 9 / 17
تاسعًا: تطبيقات الليزر

تاسعًا: تطبيقات الليزر

شكل 10: رسم توضيحي — النقطة 9: تطبيقات الليزر يعرض الرسم بعض تطبيقات الليزر، ومنها التصوير المجسم (الهولوجرافي) الذي يسجل فرق الطور بين الأشعة المنعكسة عن الجسم فتظهر الصورة ثلاثية الأبعاد. كما يُستخدم الليزر في القطع والثقب لتركيز طاقته في نقطة دقيقة، ويعتمد ذلك على توازي الحزمة وأحادية طولها الموجي.
شكل 10: رسم توضيحي — النقطة 9: تطبيقات الليزر يعرض الرسم بعض تطبيقات الليزر، ومنها التصوير المجسم (الهولوجرافي) الذي يسجل فرق الطور بين الأشعة المنعكسة عن الجسم فتظهر الصورة ثلاثية الأبعاد. كما يُستخدم الليزر في القطع والثقب لتركيز طاقته في نقطة دقيقة، ويعتمد ذلك على توازي الحزمة وأحادية طولها الموجي.
  • يغطي ضوء الليزر مناطق عديدة من الطيف الكهرومغناطيسي من المرئي إلى فوق البنفسجي وتحت الحمراء.
  • بعض أجهزة الليزر يركز الضوء في نقطة تكفي لصهر الحديد وتبخيره وثقب الماس، وبعضها يبعث طاقة تكفي لتدمير الصواريخ والطائرات.

أ) التصوير المجسم (الهولوجرافي)

  • الصورة العادية تسجل اختلاف الشدة الضوئية فقط، فتكون مستوية ثنائية الأبعاد، أي أنها جزء من المعلومات التي تحملها موجات الضوء.
  • تحمل الأشعة المنعكسة عن الجسم أيضًا اختلافًا في طول المسار (فرق الطور) بسبب تضاريس سطح الجسم.
  • اقترح العالم المجري جابور عام 1948 طريقة لتسجيل هذه المعلومات باستخدام شعاع مرجعي له الطول الموجي نفسه يلتقي مع الشعاع المنعكس عن الجسم على اللوح الفوتوغرافي فيحدث تداخل.
  • بعد تحميض اللوح تظهر هدب التداخل، وهي صورة مشفرة تسمى الهولوجرام، وهو نوع من محزوز الحيود.
  • بإنارة الهولوجرام بليزر له الطول الموجي نفسه ننظر خلاله فنرى صورة مماثلة للجسم في أبعاده الثلاثة دون عدسات.
  • لا يتحقق ذلك إلا بمصدر مترابط الفوتونات، وهو متوفر فقط في الليزر.

ب) في الطب

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
التحام الشبكية
  • عند انفصال أجزاء من شبكية العين تُصوَّب حزمة رفيعة من الليزر عبر إنسان العين إلى الجزء المنفصل
  • وتعمل طاقتها الحرارية على التحامه بالطبقة تحته
  • فتتم حماية العين من فقد الإبصار
انفصالأجزاءالعينحزمة
علاج قصر النظر وطولهفيستغني المريض عن النظارةفيستغنيالمريضالنظارة
المناظير الطبيةيستخدم الليزر مع الألياف الضوئية في التشخيص والعلاجيستخدمالليزرالأليافالضوئية

ج) تطبيقات أخرى

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الاتصالاتيستخدم الليزر والألياف الضوئية بديلًا عن كابلات التليفوناتيستخدمالليزروالأليافالضوئية
الصناعةوخاصة الصناعات الدقيقة (القطع واللحام)وخاصةالصناعاتالدقيقةالقطع
المجالات العسكرية
  • توجيه الصواريخ بدقة عالية
  • والقنابل الذكية
  • ورادار الليزر
توجيهالصواريخبدقةعالية
التسجيل على الأقراص المدمجة(CD)
الطابعة الليزريةيرسم شعاع الليزر الصورة على أسطوانة حساسة للضوء ثم يُطبع على الورق بالحبر (Toner)يرسمشعاعالصورةأسطوانة
الفنون والعروض الضوئية
أعمال المساحةلتحديد المساحات والأبعاد بدقةلتحديدالمساحاتوالأبعادبدقة
أبحاث الفضاء
•
  • egp-ex{margin:18px 0
  • border:1px solid rgba(79
  • 224
  • border-radius:16px
  • overflow:hidden
  • background:#fff}.egp-ex-h{padding:10px 16px
  • font-weight:800
  • background:linear-gradient(90deg
  • #4f3fe0
  • #22c1c3)
  • color:#fff}.egp-ex-tabs{display:flex
  • flex-wrap:wrap
  • gap:6px
  • padding:10px 12px
  • background:#f7f6ff}.egp-ex-b{border:1px solid rgba(79
  • 224
  • background:#fff
  • border-radius:20px
  • padding:5px 14px
  • font-weight:700
  • cursor:pointer}.egp-ex-b.on{background:#4f3fe0
  • color:#fff}.egp-ex-p{padding:12px 16px}function egpEx(b
  • k){var w=b.closest(‘.egp-ex’)
  • w.querySelectorAll(‘.egp-ex-b’).forEach(function(x
  • i){x.classList.toggle(‘on’
  • i===k)})
  • w.querySelectorAll(‘.egp-ex-p’).forEach(function(x
  • i){x.hidden=i!==k})}
margin18pxbordersolid
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 10 / 17
الموسوعة التعليمية الشاملة والمصطلحات الدقيقة — خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون (كتب الوزارة + الامتحان + المعاصر + الوسام)

الموسوعة التعليمية الشاملة والمصطلحات الدقيقة — خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون (كتب الوزارة + الامتحان + المعاصر + الوسام)

  • 📖
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 11 / 17
📌 قاموس المفاهيم والمصطلحات العلمية الدقيقة:

📌 قاموس المفاهيم والمصطلحات العلمية الدقيقة:

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
الليزر (LASER)تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)تضخيمالضوءبواسطةالانبعاث
الانبعاث التلقائي (Spontaneous Emission)
  • انبعاث فوتون من ذرة مثارة تلقائياً بعد انتهاء فترة العمر (10−8 ثانية) دون أي مؤثر خارجي
  • وتكون الفوتونات عشوائية ومشتتة وغير مترابطة (كالضوء العادي)
فوتونمثارةتلقائياانتهاء
الانبعاث المستحث (Stimulated Emission)
  • انبعاث فوتون من ذرة مثارة قبل انتهاء فترة العمر بفعل سقوط فوتون خارجي طاقته تساوي تماماً طاقة الإثارة
  • فيخرج الفوتونان معاً متفقين تماماً في الطور والتردد والاتجاه والاستقطاب (أساس الليزر)
فوتونمثارةانتهاءفترة
الإسكان المعكوس (Population Inversion)
  • حالة تكون فيها نسبة الذرات في مستويات الإثارة العليا شبه المستقرة أكبر من نسبة الذرات في المستويات الأدنى في الطاقة
  • وهو الشرط الأساسي لحدوث الفعل الليزري
حالةتكونفيهانسبة
وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
المستوى شبه المستقر (Metastable State)
  • مستوى إثارة طاقي يتميز بفترة عمر طويلة نسبياً (حوالي 10−3 ثانية) مقارنة بفترة العمر العادية (10−8 ثانية)
  • مما يتيح تراكم الذرات فيه وتحقيق وضع الإسكان المعكوس
إثارةطاقييتميزبفترة
التجويف الرنيني (Resonant Cavity)
  • الوعاء الحاوي للوسط الفعال والمحدد للاتجاه
  • يتكون من مرآتين متوازيتين متعامدتين على محور الأنبوبة إحداهما عاكسة تماماً (99.5%) والأخرى شبه منفذة (98%) لحدوث الانعكاسات المتتالية وتضخيم الإشعاع
الوعاءالحاويللوسطالفعال
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 12 / 17
⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:

⚖️ القوانين والعلاقات الرياضية والفيزيائية الحاكمة:

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
طاقة الفوتون المنبعثE = E₂ – E₁ = h ν = h c / λ
•فترة العمر للمستوى شبه المستقر = 10−3 ثانية (أطول 100000 مرة من المستوى العادي 10−8 s)فترةالعمرللمستوىالمستقر
النسبة المئوية لانعكاس المرآة العاكسة99.5% | المرآة شبه المنفذة: 98%المنفذة
طول موجة ليزر الهيليوم-نيون الأحمرλ = 632.8 nm (ضوء مرئي)مرئي
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 13 / 17
🔍 الشرح المستفيض والتعليلات العلمية المعتمدة (“علل”):

🔍 الشرح المستفيض والتعليلات العلمية المعتمدة (“علل”):

وجه المقارنةالفكرة الأساسيةكلمات مفتاحية
علل: لا تخضع أشعة الليزر لقانون التربيع العكسي في الضوء؟
  • لأن حزمة أشعة الليزر متوازية وذات انفراجية ضئيلة جداً
  • فتحتفظ بشدتها الضوئية لمسافات شاسعة دون تشتت ملحوظ
حزمةمتوازيةوذاتانفراجية
علل
  • يُضاف غاز الهيليوم بنسبة 10 إلى 1 من غاز النيون في ليزر الهيليوم-نيون؟ لتقارب مستويات الطاقة شبه المستقرة في ذرات الهيليوم (20.61 eV) وذرات النيون (20.66 eV)
  • مما يتيح نقل طاقة الإثارة من الهيليوم المثار إلى النيون بالتصادم غير المرن وتحقيق الإسكان المعكوس في النيون
الهيليومبنسبةالنيونليزر
علل: ضوء الليزر يتميز بالنقاء الطيفي العالي؟لأن فوتونات الليزر تنتج عن انبعاث مستحث بين مستويي طاقة محددين فتكون كلها أحادية الطول الموجي وتتطابق في التردد والطورفوتوناتتنتجانبعاثمستحث
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 14 / 17
📊 مقارنة شاملة بين الضوء العادي وأشعة الليزر:

📊 مقارنة شاملة بين الضوء العادي وأشعة الليزر:

وجه المقارنة الضوء العادي (مثل مصباح التنجستين) ضوء الليزر (Laser Light)
نوع الانبعاث السائد انبعاث تلقائي عشوائي انبعاث مستحث مترابط
النقاء الطيفي يحتوي على مدى واسع من الأطوال الموجية أحادي الطول الموجي بدقة متناهية (Monochromatic)
الترابط الطوري فوتونات غير مترابطة زمانياً ومكانياً فوتونات مترابطة ومتفقة تماماً في الطور
توازي الحزمة وتشتتها تنتشر في جميع الاتجاهات بزاوية انفراج كبيرة حزمة متوازية جداً وذات قطر وانفراجية شبه ثابتة
الخضوع لقانون التربيع العكسي تخضع؛ فتقل الشدة عكسياً مع مربع المسافة لا تخضع؛ فتحتفظ بشدتها لمسافات هائلة
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 15 / 17
💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027:

💡 كبسولة الفنيات وتريكات الامتحانات والأسئلة الوزارية 2026/2027:

  • الوسط الفعال في ليزر He-Ne هو غاز النيون فقط؛ أما غاز الهيليوم فدوره مجرد وسيط مساعد لنقل طاقة الإثارة إلى النيون.
  • التصوير المجسم ثلاثي الأبعاد (الهولوجرام) يسجل سعة وطور الموجات معاً باستخدام أشعة ليزر مرجعية متداخلة مع الأشعة المنعكسة عن الجسم.
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 16 / 17
🔬 مخططات ورسوم علمية تخصصية داعمة للفهم

🔬 مخططات ورسوم علمية تخصصية داعمة للفهم

  • نقدم في هذا القسم رسوماً ومخططات بيانية توضيحية معتمدة لتعميق الاستيعاب البصري وتثبيت المفاهيم العلمية الأساسية وفق أحدث النماذج التعليمية التفاعلية.
شكل 11: مستويات الطاقة الذرية وانتقال الإلكترونات في ذرة الهيدروجين يبيّن المخطط مستويات الطاقة المتدرجة في ذرة الهيدروجين، وانتقال الإلكترون بين هذه المستويات بامتصاص فوتون عند الصعود أو بانبعاث فوتون عند الهبوط. ويرتبط ذلك بمبدأ عمل الليزر، لأن الطاقة المنبعثة عند الهبوط تساوي فرق الطاقة بين المستويين.
شكل 11: مستويات الطاقة الذرية وانتقال الإلكترونات في ذرة الهيدروجين يبيّن المخطط مستويات الطاقة المتدرجة في ذرة الهيدروجين، وانتقال الإلكترون بين هذه المستويات بامتصاص فوتون عند الصعود أو بانبعاث فوتون عند الهبوط. ويرتبط ذلك بمبدأ عمل الليزر، لأن الطاقة المنبعثة عند الهبوط تساوي فرق الطاقة بين المستويين.
  • يعرض المنحنى توزيع شدة الإشعاع الصادر عن الجسم الأسود بدلالة الطول الموجي عند درجات حرارة مختلفة، ويُظهر أن قمة المنحنى تنتقل إلى أطوال موجية أقصر كلما زادت الحرارة وفق قانون فين.
  • وقد فسّر بلانك هذا المنحنى بفرض أن الطاقة تُشع في كمات محددة، وكانت هذه بداية الفيزياء الحديثة.
  • يمثل المنحنى العلاقة بين تيار الخلية الكهروضوئية والجهد المسلط عليها، فيثبت التيار عند قيمة التشبع مع زيادة الجهد الموجب لأن كل الإلكترونات المنبعثة تصل إلى الأنود.
  • أما جهد الإيقاف فهو أقل جهد عكسي يوقف أسرع الإلكترونات الضوئية، وهو يرتبط مباشرة بطاقتها الحركية العظمى.
  • يوضح الرسم علاقة خطية بين أقصى طاقة حركية للإلكترونات الضوئية وتردد الضوء الساقط، فتكون الطاقة صفرًا عند تردد العتبة.
  • ويساوي ميل الخط ثابت بلانك h، وتعبّر عنه العلاقة Kmax = h(f − f₀)، حيث f₀ تردد العتبة.
الدرس الأول: خصائص الليزر والانبعاث المستحث وليزر الهيليوم-نيون · 17 / 17