المساعد الشخصي الرقمي

مشاهدة النسخة كاملة : أنواع الليزرات



حنونه
, Thu, 18 Oct 2007 08:47:51 +0200
أنواع الليزرات .



http://www.hazemsakeek.com/Physics_Lectures/Laser/laserimages/LaserBasicAn.gif



لمحة تاريخية :



يعود اكتشاف الليزر إلى عام 1960 ، و يعتبر آينشتاين الأب الأول لها ، فهو الذي وضع الأسس النظرية للموضوع .

اما الأب الثاني ، و الذي يليه ، فهو العالم السوفياتي فابريكانت
( V.A.Fabrikant ) الذي كان قد اقترح منذ عام 1940 " تضخيم " الاشعة عن طريق ال " سيزيوم " ، و في عام 1958 م بدأ التسابق العلمي بمقالين نشرتهما في وقت واحد تقريباً مجموعتا عمل ، الأولى امريكية تضم ( شارلز . تاونسنز ، آرثرل . شادلو " Charles H . Townes & Arthur L . Schadlow " ) و الثانية سوفيتية تضم إي . إم بروخوري ، نيكولاس . باسوف ( A . M . Prokhory & Nicola C . Basov ) . و عرضتا الظاهرة و إمكانية التوصل إلى اشعة ما . و في يوليو من عام 1960 لاحظ ميمان ( T . H . Maiman ) الومضات الأولى لهذه الأشعة الخارجة من جهازه . و كان هذا الجهاز يتألف من قضيب من الياقوت الأحمر طوله بضعة سنتيمترات ، أطرافه مسطحة و متوازية تماماً و جوانبه المسطحة مغطاة بطبقة معدنية عاكسة و قد لف حول القضيب و بشكل حلزوني انبوب ( Xenon ) كانت الغاية من استعماله أن يعطي ومضات من الأشعة البيضاء بقوة شديدة . و حين كان تفريغ الشحنة في الأنبوب يتخطى حداً معيناً من القوة ، كان القضيب يعطي بشكل عنيف حزمة من الأشعة الحمراء ، لا يزيد قطرها عن بضعة سنتيمترات و ذات خصائص معينة هكذا بدأت ولادة اشعة الليزر . و بعد ستة اشهر قام الباحثون بنيرت ، هيروه ، علي جافان ( W . P . Bennert & D . R . Herrioh & Ail Javan ) تجارب اظهروا فيها أن ليزرات غازية مثل ( هليوم – نيون ) قادرة على ارسال اشعتها بطريقة متواصلة لا بشكل ومضات متتالية . كذلك لاحظ الأمريكيان ( Bonnert & Herrioh ) في ذلك العام ، عندما كانا يتكلمان بالقرب من مرايا جهاز الليزر ، أن اهتزازات اصواتهما تدخل تنوعات في ارسالات حزمة اشعة الليزر و هكذا اظهرا قدرة الليزر على نقل الاصوات .

و كلمة ليزر – LASER - مصطلح مأخوذ من الأحرف الأولى من

Light Amplification
Stimulated Emission
Radiation

و هذا يعني تضخم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للأشعة .


وقد ظهر الليزر كحل مثالي للمشاكل التي لم تجد لها حلاً حتى عام 1960 .
فالليزرات ذات الطاقات العالية تستطيع أن تدمر الطائرات و هي في الجو و تقطع المعادن ، الليزرات الدقيقة تستخدم كأداة في يد الجراحين و الأنواع الصغيرة منها تستخدم في المحالات التجارية لقراءة الأسعار على البضائع ، و أنواع أخرى منها لقياس المسافات بدقة ، و السيطرة على أنواع التفاعلات الذرية ، و الاندماج النووي للحصول على مصادر جديدة و اقتصادية للطاقة .



أسس عمل الليزر .
PRINCIPLES OF LASER ACTION



إن كلمة ليزر تنطوي على مبدأ مهم لعملها هو التضخيم بواسطة الانبعاث المحتث للإشعاع . و الانبعاث المحتث هو انبعاث كم ضوئي مقداره (hv) ( حيث أن ( h ) هو ثابت بلانك و ( v ) التردد ) من ذرة متهيجة بتأثير موجة كهرومغناطيسية ذات تردد و طور معينين .


الامتصاص و الانبعاث Absorption and Emission :
drawGradient()

من المعروف ان الالكترون الذي يدور بسرعة عظيمة حول النواة يبدو كما لو كانت شحنته موزعة على طول المسار و يبدو مركز هذه الشحنة الموزعة كما لو كان منطبقاً مع النواة الموجبة التي تقع عادة في المركز . و الذرة المتهيجة يكون فيها الالكترون الذي نتكلم عنه في مستوى طاقة أعلى مما لو كانت الذرة في حالة الاستقرار ذات المستوى الارضي للطاقة ( Ground state ) . و هو اوطأ مستوى ممكن للطاقة . عندما تتعرض ذرة إلى مجال خارجي يحدث فيها استقطاب و هو يعني ظهور قطبية على الذرة نتيجة لإنحراف موقع مركزي الشحنتين الموجبة و السالبة عن بعضهما البعض . فإذا كان الجال الخارجي موجة كهرومغناطيسية ذات تردد يكافئ التردد ( v ) الذي ينطبق عليه شرط الفرق بين منسوبي طاقة الذرة في حالة التهيج و الحالة الأوطأ فأن :


E=E2-E1=hv دلتا

و إذا حصل أن كان طور الموجة الكهرومغناطيسية يعاكس طور الدالة الموجية التي تصف حركة الالكترون و هو في حالة التهيج ، احدث الاستقطاب اضطراباً في حركة الالكترون وحفزه على الانتقال إلى المستوى الاوطأ فعندئذ ينبعث عن الذرة كم ضوئي ذو طور يعاكس طور الدالة الموجية للالكترون المنتقل . يعني ذلك أن طور الكم الضوئي المنبعث و تردده هو نفس طور و تردد الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة فتضاف طاقته إلى طاقتها ينتج عنه تضخيم الموجة الساقطة و إذا كان الوسط مليء بالذرات المتهيجة يحصل لكل منها ما حصل لتلك الذرة ينتج عن ذلك تضخيم كبير جداً .
لذلك كلما كان عدد الذرات في المستوى العلوي كبيراً كان التضخيم كبيراً و شدة الانبعاث المحفز عالية .
أن الذرات إذا كانت في المنسوب الواطئ للطاقة و تعرضت للمجال نفسه و كان طور الدالة الموجية التي تصف حركة الالكترون بنفس طور الموجة الكهرومغناطيسية للمجال فإن ذلك سيحدث رنيناً ( Resonance) في الحركة الموجية للالكترون يؤدي به إلى اكتساب طاقة مقدارها كم ضوئي قيمته (hv) تمثل الفرق بين منسوبي الطاقة الواطئ و العلوي و اكتساب الطاقة يسمى امتصاص (Absorption ) وهو ما يؤدي إلى توهين ( Attenuation) المجة المارة في الوسط و بالاضافة إلى عمليتي الانبعاث المحفز و الامتصاص فهناك انبعاث عشوائي يسمى بالانبعاث التلقائي ( Spontaneous Emission ) و هو وجوب عودة المنظومة المتهيجة إلى حالة الاستقرار ( Equilibruim ) حتى عند عدم وجود انبعاث محتث اذ أن هناك متوسط زمني تمكث فيه الذرة المتهيجة يسمى عمر الحالة ( Life Time ) تعود بعده إلى حالتها الطبيعية . أن الانبعاث التلقائي يسبب نقصاً في عدد الذرات المتهيجة ينعكس سلباً على مقدار التضخيم الناتج عن الانبعاث المحفز. فهو يمثل مقدارا اضافياً من التوهين يضاف إلى التوهين الذي يسببه الامتصاص .
(http://www.makphys.com/vb3/redirector.php?url=http://www.colorado.edu/physics/2000/lasers/lasers2.html)

لاحظ أنه عندما يكون انبعاث الفوتونات قليل فإن الانبعاث يكون عشوائي وبزيادة معدل الفوتونات ننتقل إلى حالة الانبعاث الاستحثاثي



التوزيع المعكوس ( Population Inversion ) :
drawGradient()

يعتمد مقدار التضخيم على الانبعاث التلقائي من جهة و الامتصاص من جهة اخرى . و هناك عتبة لابد من تجاوزها لكي يكون الكسب الكلي اكثر من واحد و هو أن يتغلب مقدار التضخيم على مجموعة التوهين . و هذا لا يحدث الا اذا كان عدد الذرات في حالة التهيج العليا أكثر من عدد الذرات التي في حالة الاستقرار .
أي أن يكون التوزيع معكوساً و أن العدد في المنسوب العلوي اكثر من العدد في المنسوب الواطئ و هذا الوضع يسمى بالتوزيع المعكوس
( Population Inversion ) . و تطلق عليه تسمية المعكوس لأن تعداد الحالات ذات المستويات الواطئة للطاقة في حالة الاتزان الحراري في العادة
(Thermal Equilibrium ) اكبر من تعداد الحالات ذات المستويات العالية للطاقة و كلما ارتفع مستوى الطاقة ، قل تعداد الحالات حسب دالة احصائية تعتمد على درجة الحرارة المطلقة للوسط تسمى توزيع ماكسويل – بولتزمان . في الظروف الاعتبارية تتساوى احتمالية انتقال الذرات من المستوى (E1) إلى (E2) و من (E2) إلى (E1)من خلال امتصاص أو انبعاث فوتون طاقته تساوي ( E1-E2) لذلك يعتمد اتجاه الانتقال على عدد الذرات في كل مستوى و يكون باتجاه المستوى ذي العدد الأقل ، أما في حالة التوازن الحراري فتكون نسبة عدد الذرات في المستويين كما يلي :

[N2/N1=exp[-(E2-E1)/KT

حيث :
K : هو ثابت بولتزمان . و عند درجة حرارة الغرفة اذ كان فرق الطاقة بين المستويين = KT = 0.25 الكترون فولت ( E2-E1=KT-0.25 ev ) فإن N2=N1/e=0.37N1 أي أن (N2) في الظروف الاعتيادية تكون أصغر من (N1) ولأجل الحصول على نسبة عالية للانتقال المحتث عند الاطوال الموجية الضوئية لابد من زيادة (N2) جعله أكبر من (N1) و ذلك بواسطة ضخ طاقة مناسبة إلى الوسط الفعال لرفع طاقة الذرات في المستوى (E1) إلى المستوى (E2) .

أن الاعتماد على درجة الحرارة يعني أن تعداد الحالات ذات المستويات العالية يرتفع بإرتفاع درجة الحرارة يعني انخفاضاً في تعداد الحالات ذات المستويات الواطئة ويستمر الحال على هذا المنوال حتى يتساوى تعداد جميع الحالات من الناحية النظرية عندما تبلغ درجة الحرارة قيمة لانهائية .

أما حالة التوزيع المعكوس فتعني وفق هذا المنطق أن درجة الحرارة تكون ذات قيمة سالبة . و لما كان ذلك المفهوم غير مستساغ لمفاهيم الانسان السائدة عن درجة الحرارة فإن هذا الوضع يصف المنظومة في حالة من عدم الاتزان الحراري .



كما يمكن الحصول على توزيع معكوس بعدة طرق و هي :
drawGradient()

1. الضخ البصري أي بواسطة المصباح الوميضي حيث تستخدم هذه الطريقة لليزر الحالة الصلبة و ليزر الحالة السائلة بشكل واسع .
2. الضخ الكهربائي أي بواسطة تسليط مجال كهربائي عالي بين قطبين و تستخدم هذه الطريقة بشكل واسع في الليزرات الغازية .
3. الضخ الكيماوي و هي تفاعلات كيماوية للمواد يمكننا الحصول من خلالها على الليزر و تحضر هذه العملية فقط في الليزرات الكيماوية .
4. الضخ بالليزر حيث يمكن الحصول على طول موجي جديد من خلال ضخ مادة معينة لليزر معين و تستخدم هذه الطريقة في حالة الليزرات السائلة و ليزر الحالة الصلبة حيث يضخ عن طريق ليزر أشباه الموصلات .



أشعة الليزر و الضوء العادي :


أشعة الليزر و الضوء العادي كلاهما أشعة كهرومغناطيسية و لكنهما يختلفان في الآتي :


1. الضوء العادي يشع الطاقة الضوئية بأطوال موجية مختلفة موزعة على مدى عريض من الطيف و لا يمكن الحصول على ضوء أحادي الطول الموجي بينما شعاع الليزر هو احادي الطول الموجي و متجانس .
2. أن قوة شدة شعاع الليزر تبلغ مليون مرة من قوة شعاع الشمس .
3. يصعب بصورة عامة تجميع الضوء العادي في حزمة ضيقة مركزة أما شعاع الليزر فينبعث بحزم مركزة يمكن أن تصل كثافة القدرة فيها إلى حدود مليون ( واط ) للسنتيمتر المربع .
4. أن الليزر عبارة عن موجة ضوئية تقع بين الاشعة تحت الحمراء و الاشعة فوق البنفسجية و بترددات عالية جداً .


خصائص أشعة الليزر :



(http://www.makphys.com/vb3/redirector.php?url=http://www.colorado.edu/physics/2000/lasers/index.html)

يمكنك تغيير المصدر الضوئي في الشكل أعلاه ومشاهدة تأثير تغيير الطول الموجي على الضوء المنبعث


1. احادية الطول الموجي : يعطي الليزر أشعة بلون صافي واحد بخلاف الضوء العادي الذي يتكون من عدة ألوان حيث أن بتحليل الضوء الأبيض الصادر من الشمس أو من مصباح ضوئي فإنه يحتوي على العديد من الأطوال الموجية، كما هو واضح عند تحليل الضوء باستخدام المنشور Prism ، و تمتاز أشعة الليزر بأن عرض شعاعها يبلغ حوالي واحد من المليون فقط من عرض شعاع الضوء العادي ، و سبب ذلك هو ان ذبذبة واحدة فقط من الشعاع الساقط يجري تكبيرها في جهاز توليد الليزر . و هذه الخاصية من خواص اشعة الليزر مهمة جداً في الاستخدامات التي تتطلب توفر اشعاع رفيع ( آحادي الذبذبة ) ، كالجاجة إلى احداث تفاعل كيميائي معين دون غيره من التفاعلات في مركب واحد .

http://www.hazemsakeek.com/Physics_Lectures/Laser/laserimages/1-6.jpg

2. التماسك ( التشاكة ) : و هذه من أهم خواص أشعة الليزر و هذه الخاصية تعني أن قابلية التشتت في أشعة الليزر اقل بكثير منها في حالة اشعة الضوء العادية ، حتى انه يمكن اطلاق شعاع ليزر من سطح الأرض ليصل بدائرة قطرها حوالي الميل على سطح القمر ، بينما يتشتت الضوء العادي مهما كانت شدته بعد امتار او كيلومترات على الأكثر .
3. استقامة الاتجاه : ينبعث الضوء العادي من مصدره عادة في جميع الاتجاهات ، و لكي يوجه الضوء العادي في اتجاه معين فإننا نستخدم الفتحات الضيقة و العدسات و ما شابه ذلك ، أما أشعة الليزر فإنها تنطلق بطبيعتها من الجهاز المولد لها في اتجاه واحد بحزم دقيقة جداً و متوازية الجانبين إلى حد كبير و خاصية الاستقامة هذه تستخدم في قياس المسافات بدقة عالية و في صناعة الرادار المبني على الليزر .

http://www.hazemsakeek.com/Physics_Lectures/Laser/laserimages/1-8.jpg

الضوء الصادر عن الليزر له اتجاه واحد بحيود مهمل بالمقارنة بالضوء الصادر من مصباح كهربي حيث أن الضوء ينبعث في كافة الاتجاهات وبحيود كبير كما في الشكل.


4. البريق و اللمعان : نتيجة لخاصية استقامة الاتجاه في أشعة الليزر اصبحت درجة بريقها عالية لدرجة لا يصل اليها أي ضوء عادي مهما كان مصدره فلأشعة الليزر سلم قوة يتراوح من الجزء من الواط عند استخدام ليزر ذي وسط مادي شبه موصل ، كالذي يستعمل في نقل الاتصالات الهاتفية ، إلى المليار واط لأشعة ليزر غاز الفحم الذي يستعمل في الاندماج النووي الحراري . فلأشعة الليزر قوة هائلة ، لذلك يوليها العسكريون الاهتمام البالغ حتى انهم لقبوها ب " أشعة الموت " .

إن هذه المجموعة من الخواص لأشعة الليزر جعلت منها أداة يستعملها الانسان لم تكن في متناوله من قبل ، إذ أمكن ثقب الماس و الفلزات بأشعة الليزر ، و اجراء العمليات الجراحية الدقيقة في أي جزء داخل جسم الانسان ، إلى غير ذلك من التطبيقات .


أنواع الليزر


يأتي الليزر بأنواع مختلفة حسب الاستخدامات وتنوع الليزر يأتي من تنوع المادة المستخدمة لإنتاجه فهناك من المواد الصلبة والسائلة والغازية، ويعتبر نوع المادة الأساس الاكثر استخداماً للتميز بين الأنواع المختلفة. ويسمى الليزر من خلال نوع المادة المستخدمة فمثلاً ليزر الهيليوم نيون He-Ne يعني ان المادة المستخدمة هي خليط من الهيليوم والنيون وليزر الياقوت يعني ان المادة المنتجة لليزر هي الياقوت وهكذا لباقي الأنواع الأخرى. ولنأخذ بعض الأمثلة لأنواع مختلفة لليزر:




أنواع الليزرات .
drawGradient()

1. ليزرات الحالة الصلبة .
Solid State Lasers .
• ليزر النيديميوم .
The Neodymium Laser .

• ليزر الياقوت .
Ruby laser .

2. ليزرات اشباه الموصلات .
Semi Conductor Lasers .

3. ليزرات الغاز .
Gas Lasers .

• ليزر الهيليوم – كادميوم .
The Helium – Cadmium Laser
• ليزر الهليوم – نيون .
The Helium – Neon Laser .

• ليزر الكريبتون .
The Krypton Laser .

• ليزر الأرغون .
The Argon Laser .

• ليزر الاكسايمر .
Excimer Laser .

• ليزر ثاني اكسيد الكربون .
The Carbon Dioxide Laser .

4. الليزرات الكيماوية .
Chamical Lasers .

5. ليزر الصبغة .
Dye Laser .



ليزر الحالة الصلبة solid-state laser

هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليط الالومنيوم واليتريم والنيودينيم neodymium:yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ TAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء.


ليزر الغاز Gas laser

وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكسيد الكربون وتكون اطوالها الموجية في مدى الاشعة تحت الحمراء وتستخدم في قطع المواد الصلبة لطاقتها العالية.


ليزر الإكسيمر Excimer laser

وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدم الغازات الخاملة مثل غاز الكلور أو الفلور أو الكربتون أو الأرجون وتنتج هذه الغازات اشعة ليزر ذات أطوال موجية في مدى الأشعة فوق البنفسجية.


ليزر الأصباغDye laser

وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامين rhodamine 6G مذابة في محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه.


ليزر أشباه الموصلاتSemiconductor laser

ويطلق عليه احياناً بليزر الديود ويعتمد على المواد شبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في الأجهزة الدقيقة مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر.

يتميز الليزر بطوله الموجي فمثلا الطول الموجي لليزر الياقوت هو 694nm، ويتم أختيار مادة الليزر بناء على الطول الموجي المطلوب ، فمثلاً يستخدم ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون في قطع المعادن الصلبة لأن طوله الموجي في مدى الأشعة تحت الحمراء وهي أشعة حرارية إذا سقطت بتركيز على سطح معدن تذيبه.




تصنيفات الليزر



يصنف الليزر بأربعة تصنيفات تعتمد على خطورتها على الخلايا الحية. فعند التعامل مع الليزر يجب الإنتباه إلى الإشارة التي توضح تصنيفه.

http://www.hazemsakeek.com/QandA/Laser/laser-warning.gif

إشارة تحذير بوجود ليزر


التصنيف الأول Class I

هذا يعني أن شعاع الليزر ذو طاقة منخفضة ولا يشكل درجة من الخطورة.



التصنيف الأول Class IA

هذا التصنيف يشير إلى أن الليزر يضر العين إذا نظرنا في اتجاه الشعاع ويستخدم في السوبرماركت كماسح ضوئي وتبلغ طاقة الليزر الذي يندرج تحت هذا التصنيف 4mW.



التصنيف الثاني Class II

هذا يشير إلى ليزر ضوئه مرئي وطاقته لا تتعدى 1mW.



التصنيف الثالث Class IIIA

طاقة الليزر متوسطة وتبلغ 1-5mW وخطورته على العين إذا دخل الشعاع المباشر في العين. ومعظم الأقلام المؤشرة تقع في هذا التصنيف.



التصنيف الثالث Class IIIB

طاقة هذا الليزر أكثر من المتوسط.



التصنيف الرابع Class IV

وهي انواع الليزر ذات الطاقة العالية وتصل إلى 500mW للشعاع المتصل بينما لليزر النبضات فتقدر طاقته بـ 10 J/cm2 ويشكل هطورة على العين وعلى الجلد واستخدام هذا الليزر يتطلب العديد من التجهيزات وإجراءات الوقاية.




تطبيقات الليزر :



تتركز استخدامات ليزرات الحالة الصلبة في المجالات العسكرية فتستخدم في مقدرات المدى و مميزات الاهداف ، و تستخدم كذلك في المجالات الصناعية كمعالجة المعادن ، و في المجالات الطبية و السريرية و في مجالات الابحاث الصرفة وتستخدم ليزرات الغاز في العديد من التطبيقات الطبية بينما تستخدم ليزرات الصبغة بصورة واسعة في المجالات الابحاث اذ يعد طولها الموجي القابل للتنغيم أداة فعالة في دراسة الاطياف و الكيمياء الضوئية و كذلك تستخدم في عملية فصل النظائر و خاصة نظائر اليورانيوم .
:z028:تحياتي لكم:z028:

Aяcнιтεcт tammy
, Thu, 18 Oct 2007 14:49:02 +0200
عاشت يداك ملدعتي على الطرح الجميل
موضوع جميل و مفيد ..

lovely
, Thu, 18 Oct 2007 22:37:56 +0200
و كلمة ليزر – LASER - مصطلح مأخوذ من الأحرف الأولى من

Light Amplification
Stimulated Emission
Radiation

مشكورة عيني على المعلومة هاية جديدة علية هههههه

Saydia
, Thu, 18 Oct 2007 22:38:38 +0200
موضوع مهم فعلا بس الليزر يكولون يسوي سرطان ما ادري بعد

شكرا عيوني

saydia