[فيديو] كتشف سر قوة الليزر: تعرف على خصائصه المدهشة، ومكوناته الاساسية، وكيف يعمل؟
مرحباً بكم أعزائي المشاهدين والمتابعين لسلسلة تبسيط مفاهيم الفيزياء على قناة الفيزياء التعليمية على اليوتيوب وفي هذه الحلقة الرابعة سوف نستكشف معا عالم الليزر المذهل!
الليزر ليس مجرد أداة عادية، بل هو ابتكار أحدث ثورة في العديد من المجالات. مما جعله يلعب دورًا محوريًا في حياتنا. فتطبيقات الليزر متنوعة وتدخل في كل المجالات من أشعة الليزر التي تُستخدم قراءة الباركود للسلع الغذائية في السوبرماركت، إلى استخدام الليزر في النقش والكتابة على مختلف المواد مثل الزجاج والمعادن إلى استخدامه في الجراحات الطبية الدقيقة التي تُنقذ الأرواح، وصولاً إلى التطبيقات العسكرية مثل توجيه الصواريخ الذكية وحتى حرب النجوم.
الليزر غيّر العالم من حولنا بطرق لا تُحصى.
هل تساءلتم يومًا عن كيف يعمل الليزر؟ كيف يمكن لشعاع ضوء أن يكون بهذه القوة والدقة؟ في هذا الفيديو، سنأخذكم في رحلة عبر مبادئ الفيزياء التي تجعل من هذا الجهاز الرائع ممكنًا. سنستعرض كيف تحوّلت فكرة اقترحها ألبرت أينشتاين إلى تقنية تُستخدم في كل شيء.
لنستعد لاستكشاف عالم الليزر المذهل ومعرفة السر وراء هذه الأشعة المبهرة والتي تعتبر واحدة من أعظم اختراعات القرن العشرين وأصبحت جزءًا لا يتجزأ من حياتنا اليومية.
في البداية لنبدأ من نبذة تاريخية عن الليزر،
في عام 1917، اقترح ألبرت أينشتاين فكرة الانبعاث المستحث للفوتونات، والتي تعتبر جوهر شعاع الليزر وسنرى بعد قليل ما هي عملية الانبعاث المستحث للفوتونات. وبعد ٣٧ عام من فكرة اينشتاين توصل العالم تشارلز تاونز في عام ١٩٥٤ لأول جهاز عرف باسم الميزر لانه كان يعمل في نطاق اشعة الميكروويف وحرف ام هو اول حرف في كلمة ميكروويف.
ومباشرة في عام 1960، طور العالم ثيودور ميمان أول جهاز ليزر مصنوع من بلورة الياقوت يعمل في مجال الاشعة تحت الحمراء وحينها لم يتمكن العلماء من إطلاق كلمة ميزر على الجهاز لانه يعمل في نطاق مختلف عن الميكروويف فتم الاتفاق على ان تتحول كلمة ميكروويف لتشمل كل أطياف الاشعة الكهرومغناطيسية وتصبح كلمة ضوء هي المعتمدة في التسمية والضوء بالانجليزية هي لايت وحينها استبدل الحرف ام بالحرف ال لتصبح كلمة ليزر هي المعتمدة لجهاز تكبير الضوء، اما باقي احرف كلمة ليزر فهي جاءت من فكرة عمله حيث ان لكل حرف من ليزر يعكس علم واسع يتطلب شرحه ساعات وساعات لكن هنا سوف نبسط الامر لكم .
فكلمة ليزر جاءت من اول حرف من كلمات
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
وتعني تكبير الضوء بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع الكهرومغناطيسي.
حسنًا، لماذا يعتبر الليزر مفيدًا؟ لماذا هو موجود في كل مكان؟ يمكن تقسيم الإجابة إلى ثلاث خصائص فريدة يحملها الليزر.
في البداية يجب ان نؤكد على ان شعاع الليزر ما هو الا ضوء مكبر يمتلك خصائص فريدة نلخصها في ٣ خصائص
الخاصية الأولى ضوء الليزر أحادي اللون monochromatic أي أن له طول موجي واحد. يحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته.
اما الخاصية الثانية فهي الاتجاهية أي ان ضوء الليزر له اتجاه محدد تنطلق في خط مستقيم يمكن ان يصل شعاع الليزر إلى القمر ويبقى محافظا على تماسكه وهذا بخلاف الضوء العادي الذي ينتشر في كل مكان مما يعني ان فوتونات الضوء تنطلق بشكل عشوائي في حين ان فوتونات اشعة الليزر تحافظ على تماسكها وترابطها لمسافات كبيرة
والخاصية الثالثة هي ان فوتونات شعاع الليزر متزامنة أي لها خاصية تعرف باسم coherent والتي تعني ان جميع فوتونات شعاع الليزر لها نفس الطور مما يجعل شدة الضوء كبيرة لانها متناغمة مع بعضها البعض وكل فوتون يتداخل مع الاخر تداخلا بناء على خلاف فوتونات الضوء العادي الذي لا يحافظ على أي علاقة تزامن بين فوتوناته فتتداخل تداخلا هداما مما يجعل شدة الضوء اقل.
هذه الخصائص الثلاثة جعلت من شعاع الليزر متميزا عن أي ضوء عادي سواء كان ضوء من مصباح او من الشمس حتى مصابيح الليد الحمراء مثلا وهنا قد تعتقد ان مصابيح الليد هي ليزر أقول لك انها ليست كذلك لان ضوئها ليس متماسكا وليس متزامنا مع انه قد يكون احادي اللون. يجب ان يمتلك الليزر الخصائص الثلاثة ليكون ليزر.
دعونا الان نلقي نظرة على عملية الانبعاث المستحث التي اكسبت الضوء خصائص الليزر.
في البداية دعوني اطرح عليكم التساؤل التالي
ما هو المصدر الرئيسي لاي ضوء؟
أتمنى منكم الان إيقاف الفيديو والتفكير في الإجابة!
فكر في أي مصدر قد يكون على سبيل المثال مصباح عادي او مصباح ليد او حتى الشمس ان المصدر الرئيسي للضوء الصادر عن هذه الأمثلة هو اثارة الكترونات الذرة. ماذا يعني هذا وما علاقته بالليزر
يصدر الضوء من خلال عمليتي الامتصاص والانبعاث وفي عملية الامتصاص تثار الالكترونات لمستويات طاقة اعلى من مستوى الطاقة الأرضي وبعد مرور فترة قصيرة من الزمن يحدث الانبعاث وهنا نسميه انبعاث تلقائي
ولكن هذا لم يعجب اينشتاين وذكر انه يجب ان تكون هناك عملية أخرى لعودة الالكترون المثار من مستوى الطاقة الأعلى الى مستوى الطاقة الأرضي من خلال عملية تسمى الانبعاث الاستحثاثي وهي أساس عملية الليزر لنوضح هذا الامر بشكل من التفصيل
ونبدأ بعملية الامتصاص
أولاً، الامتصاص المستحث.
لدينا نواة لاحد الذرات هنا. تحتوي على نيوترونات وبروتونات. حول هذه النواة، سيكون لدينا إلكترونات كما هو موضح في نموذج ذرة بور.
يمكن أن تكون الذرات في مستويات طاقة منخفضة أو عالية اعتمادًا على الطاقة التي تمتلكها. كل ذرة لها حالة أرضية تكون مستقرة وحالة مثارة تكون غير مستقرة. إذا توفر فوتون يحمل طاقة تعادل فرق الطاقة بين مستويات الذرة أي ١ واي ٢، فإن الذرة ستمتص الطاقة من الفوتون وتنتقل إلى الحالة المثارة. هذه هي عملية الامتصاص ونطلق عليها امتصاص مستحث أحيانا لان الالكترون لم ينتقل إلى مستوى الطاقة الأعلى من تلقاء نفسه.
الآن، سننتقل إلى العملية التالية وهي الانبعاث التلقائي حيث يعود الالكترون المثار إلى مستوى الطاقة الأرضي أي ١ من تلقاء نفسه بعد مرور فترة زمنية محددة تعرف باسم عمر مستوى الطاقة….. نعم مستوى الطاقة له عمر وهو الفترة الزمنية التي يبقى فيه الالكترون في حالة الاثارة والتي تقدر بنحو ١٠٠ نانوثانية فقط، وبعد انقضاء هذه الفترة الزمنية يعود الالكترون المثار إلى الحالة الأرضية ويحرر الطاقة التي اكتسبها في صورة فوتون وتساوي فرق الطاقة بين المستويين. ولا يوجد أي قيود على اتجاه او طور هذا الفوتون بالنسبة للفوتونات الأخرى التي تحررت من الذرات الأخرى وهذا هو مصدر الضوء العادي أي ان الضوء العادي جاء من عملية الانبعاث التلقائي للذرات المثارة. وهنا أقول ذرات مثارة او الكترونات مثارة وهي مصطلحات لها نفس المعنى فاثارة الكترون الذرة يجعل الذرة غير مستقرة ويمكن ان نقول ذرة مثارة أيضا.
اما عملية الابنعاث الاستحثاثي والتي توقع بحدوثها اينشتاين ولكن لم يكن احد قد رصدها هي العملية العكسية لعملية الامتصاص أي ان الالكترون يجب ان يبقى في مستوى الاثارة لحين ان يستحثه فوتون لينتقل من المستوى المثار إلى المستوى الأرضي وكان العلماء يعتقدون سابقا ان عملية الانبعاث التلقائي هي العملية العكسية الوحيدة الا ان اينشتاين كان له وجهة نظر أخرى وهي طالما ان الامتصاص حدث بفعل مؤثر خارجي فان الانبعاث قد يحدث بفعل مؤثر خارجي أيضا. وعندما تبين للعلماء بعد مرور ٣٧ عاما عن توقع اينشتاين وجود مستويات طاقة لها عمر كبير يصل إلى الف مرة اكبر من عمر مستويات الطاقة العادية والتي تعرف باسم ميتاسيت فان الالكترون المثار يبقى في حالة الاثارة إلى ان يتوفر فوتون يحمل طاقة تعادل فرق مستويات الطاقة فيستحث هذا الفوتون الالكترون المثار للانتقال إلى مستوى الطاقة الأرضي، وحينها يتحرر فوتون اخر له نفس خصائص الفوتون الأول من ناحية الاتجاه والطور والطاقة وبالتالي تمكنا من تكبير الفوتون ليصبح فوتونين ومع تكرار عملية الانبعاث المستحث لباقي الذرات في المادة يصبح لدينا الكثير من الفوتونات التي تحمل نفس الخصائص.
هذا هو الفرق الرئيسي بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث. الفوتون المنبعث في الانبعاث التلقائي يمكن أن يذهب في أي اتجاه عشوائي بينما الفوتون في الانبعاث المستحث سيسافر في اتجاه الفوتون الساقط. هذه هي الميزة الأساسية لليزر.
ولتعزيز عملية الانبعاث الاستحثاثي للحصول على مصدر ليزر علينا ان نختار مادة سواء كانت غازية او سائلة او صلبة تمتلك مستويات طاقة ذات عمر كبير. وعلينا ان نقوم باثارة ذارت هذه المادة في عملية تعرف باسم انقلاب التعداد اي ان تصبح عدد الذرات المثارة اكبر من عدد الذرات الغير مثارة. وتتم هذه العملية بواسطة اثارة خارجية من مصدر طاقة سواء كانت كهربائية او الكترونية او فوتونية وتعرف بعملية الضخ لحدوث انقلاب التعداد تمام كما يتم ضخ الماء من خزان ارضي إلى خزان فوق سطح المنزل. ويضاف أيضا على جانبي مادة الليزر مرأتين احدهما تعكس الاشعاع بنسبة ١٠٠٪ والأخرى تعكس الاشعاع بنسبة اقل قد تكون ٩٩٪ وهذا يعمل على تعزيز حدوث عملية الانبعاث الاستحثاثي فوظيفة المرايا هي عكس الفوتونات التي تسقط عمودية عليها وتعيدها الى مادة الليزر او انبوبة الليزر او تجويف الليزر حتى تستغل هذه الفوتونات في احداث المزيد من عملية الانبعاث الاستحثاثي وعندما تصل شدة الفوتونات في مادة الليزر إلى قيمة معينة تستطيع ان تخرج من المرآة الأقل عاكسية في صورة شعاع ليزر.
اذا أي جهاز ليزر يتكون من مادة الليزر والتي تحدث فيها عملية الانبعاث المستحث وقد تكون هذه المادة في صورة غازية او سائلة او صلبة ومستويات الطاقة لهذه المادة هي التي تحدد الطول الموجي لشعاع الليزر ويضاف لمادة الليزر وسيلة ضخ للحصول على انقلاب في التعداد ومرايا لتعزيز عملية الانبعاث المستحث هذه الاجزء الثلاثة هي التي تشكل أي جهاز ليزر.
وفي نهاية هذا الفيديو أتمنى ان أكون قد تمكنت من توضيح اختلاف الضوء العادي عن ضوء الليزر وكيف لخصائص الليزر الفريدة جعلت منه جهاز له تطبيقات واسعة أتمنى ان أكون قد قدمت لكم معلومة مفيدة وان كنتم قد وصلتم إلى هذه النقطة فانا احييكم على حبكم للعلم وأتمنى منكم الاعجاب والتعليق ومشاركة الفيديو بين زملائكم والانضمام لعضوية القناة ليصلكم كل جديد وحتى نلتقي في الحلقة القادمة استودعكم الله والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته.
