أهداف الدرس

1. • أن يشرح الطالب مبدأ الانبعاث المستحث.
2. • أن يوضح شرط الإسكان المعكوس.
3. • أن يذكر خصائص شعاع الليزر وتطبيقاته.

تعريف الليزر

• الليزر ضوء مكبر بالانبعاث المستحث للإشعاع، وهو شعاع متماسك وأحادي اللون وموازٍ تقريباً.
• كلمة «ليزر» مكونة من الحروف الأولى للعبارة الإنجليزية Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation، ومعناها تضخيم شدة الضوء بواسطة الانبعاث المستحث.
• وقد صنع العالم الأمريكي ميمان أول ليزر عام 1960 باستخدام بلورة الياقوت المطعّمة بالكروم، ثم توالى تطوير أنواع أخرى من الليزر، مثل ليزر الهيليوم نيون الغازي.

الانبعاث المستحث

• عندما يصطدم فوتون بذرة موجودة في حالة إثارة، فإنه يحفزها على إصدار فوتون مماثل له في التردد والطور والاتجاه.
• يصبح لدينا فوتونان، ثم أربعة، فيحدث تضاعف متسارع للضوء.

• يتطلب حدوث الانبعاث المستحث أن تكون طاقة الفوتون الساقط مساوية تماماً لطاقة الإثارة، وأن يصطدم بالذرة قبل انتهاء فترة عمرها، وهي الفترة التي تبقى خلالها الذرة مثارة، وتبلغ نحو 10-8 ثانية.
• فإذا انتهت هذه الفترة قبل وصول الفوتون، تهبط الذرة تلقائياً بالانبعاث التلقائي دون أن يحدث تحفيز.

شرط الإسكان المعكوس

• لكي يحدث التضاعف يجب أن يكون عدد الذرات في الحالة المثارة أكبر من عددها في الحالة الأقل طاقة.
• وتحقيق ذلك يحتاج إلى ضخ طاقة مستمر من مصدر خارجي، ويتم في وسط فعال بين مرآتين متوازيتين إحداهما شبه منفذة.
• يُعد الإسكان المعكوس شرطاً أساسياً لإنتاج الليزر، ويتحقق بضخ الطاقة إلى ذرات الوسط بإحدى الطرق الثلاث: الضخ الضوئي أو الكهربي أو الكيميائي.
• وتكون الذرات المثارة في مستويات إثارة شبه مستقرة.
• ويتكون التجويف الرنيني من مرآتين متوازيتين متعامدتين على محور الأنبوبة، إحداهما عاكسة تماماً والأخرى شبه منفذة تسمح بخروج الشعاع.
• وبتكرار انعكاس الفوتونات بين المرآتين تمر بمليارات الذرات المثارة، فيتضخم الشعاع حتى يخرج منها.

خصائص شعاع الليزر

• • أحادي اللون طول موجي واحد تقريباً.
• • متماسك موجاته متوافقة في الطور.
• • اتجاهي حزمة رفيعة تنتشر مسافة كبيرة دون تفرق ملحوظ.
• • شديد الكثافة تركيز طاقة عالية في مساحة صغيرة.
• يتميز الشعاع بعدم انفراج زاويته تقريباً، فيظل حزمة متوازية لا تتفرق مع المسافة، .
• كما أن ترابطه يكون مكانياً وزمانياً معاً، أي أن موجاته متوافقة في الطور عبر المكان والزمن.
• ومن الخطأ أن يُعد الليزر لوناً واحداً تماماً، فهو أحادي اللون تقريباً بطول موجي واحد تقريباً.

أنواع الليزر

• تختلف أنواع الليزر باختلاف الوسط الفعال الذي يُنتج الضوء؛ فقد يكون بلورة صلبة كالياقوت، أو غازاً كالهيليوم والنيون وثاني أكسيد الكربون (CO2)، أو مادة شبه موصلة، أو صبغة سائلة.
• وتتميز ليزرات أشباه الموصلات بصغر حجمها، ولذلك تُستخدم في الأجهزة الإلكترونية.

تطبيقات الليزر

مقارنة سريعة

• الضوء العادي غير متماسك ومتعدد الألوان وينتشر في كل الاتجاهات، أما شعاع الليزر فمتماسك وأحادي اللون واتجاهي، ولهذا يستطيع حمل طاقة مركزة لمسافات بعيدة.
• يحدث في الضوء العادي الانبعاث التلقائي، إذ تهبط كل ذرة مثارة بمفردها بعد مدة قصيرة وتطلق فوتوناً في اتجاه وطور عشوائيين، وهذا هو السائد في المصابيح العادية.
• أما في الليزر فيسود الانبعاث المستحث، ويوضح الجدول الفرق بين النوعين.

تقييم سريع

1. 1- ما الفرق بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث؟
2. 2- لماذا يلزم الإسكان المعكوس لعمل الليزر؟
3. 3- اذكر ثلاثة تطبيقات لليزر في الطب والصناعة والاتصالات.