مقدمة و مفاهيم اساسية عن الليزر

لليزر المرحلة الرابعة أ.م.د.عبد الامير خلف عرط
المحاضرة الاولى

المقدمة
ان بدايات ظهور الليزر كانت في أواخر خمسينات القرن العشرين حيث اقترح الباحثون تصميمات لنبيطه تستخدم الإشعاع المحفز لتضخيم الضوء وينسب إنشاء التصميم الأساسي لليزر الى عدد من الأشخاص منهم تاونز والفيزياوي الأمريكي آرثر شاو لود والفيزيائيان الروسيان الكسندر بروخروف ونيكولاي باسوف والمخترع الأمريكي جوردن جولد . وقد شيد الأمريكي ثيودر مايمان اول ليزر في عام 1960 حيث استخدم قضيبا من الياقوت وسطا فعالا وفي أواخر عام 1960 شيد الفيزيائي الأمريكي علي جافان اول ليزر غازي وفي عام 1962 تم تشغيل اولى ليزرات اشباه الموصلات ونذكر كذلك بنى الفيزيائي بيتر سوركين اول ليزر صبغي وعن طريق هؤلاء الفيزيائيين وتجاربهم اكتشفت انواع الليزرات وكذلك تم التعرف على صفات الليزر لقد صنفت أنواع الليرات حسب حالة المادة الفعالة المستخدمة وهي ثلاث أنواع رئيسية هي ليزر الحالة الصلبة وليزر الغاز وليزر السائل إضافة إلى هذه الأنواع هنالك أنواع أخرى مثل ليزر أشباه الموصلات والليزر الكيميائي وسنذكر الأنواع الأخرى في المحاضرة القادمة .
سندرج في هذه المحاضرة لكل صنف من أصناف الليزر وبصورة عامة المعلومات المشتركة حولها ثم نذكر ليزر الغاز بشيء من التفصيل وفيما يخص استخدامات الليزر نذكر إن أوائل سبعينات القرن العشرين حدث تقدم هائل في تقنية الليرات واستخداماتها وذلك بفضل صفات أشعة الليزر الخاصة واليوم وبفضل سعة نقل المعلومات الهائلة للألياف البصرية ينفتح عصر جديد في مجالات الترويح المنزلي والاتصالات وغيرها من الاستخدامات التي سيتم ذكرها في المحاضرات القادمة .


مفاهيم أساسية
الليزر LASER) ) هو تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للاشعاع .
الفوتون (Photon ) هو مقدار الطاقة الضوئية في الموجة الكهرومغناطيسية ويمتلك تردد ( Frequency ) ( v) وطول موجي ( Wavelength ) خاص به.
المحور البصري (Optical Axis ) هو الخط المستقيم الواصل ما بين عنصرين بصريين كما في الشكل .


الطور(Phase):هو حالة الموجة الكهرومغناطيسية عند نقطة معينة في الفضاء ولحظة زمنية معينة.
التداخل(Interference):هو حالة وجود موجتين كهرومغناطيسيتين(أو أكثر)على مسار بصري واحد بوجود أو عدم وجود فرق بالطور بين الموجتين.
التداخل البناء(Constructive Interference):هو التداخل الذي لا يكون فيه فرق بالطور بين الموجتين ومحصلة السعة هي ناتج جمع السعتين.وهو شرط مرايا الليزر ذات الطبقات المتعددة0
التداخل الهدام(destructive Interference) : هو التداخل الذي يوجد فيه فرق بالطور بين الموجتين حيث تقوم إحدى الموجتين بإضعاف الموجة الثانية او إلغائها تماما . وهذا التداخل يضر بالليزر.
المرنان(resonator) : هو منظومة مكونة من مرآتين على محور بصري مشترك حيث تنتقل فوتونات الليزر بين المرآتين ذهابا وإيابا من اجل تضخيمها.
تكون إحدى هاتين المرآتين ذات انعكاسية تماما(الخلفية)(100%)(back)(rear) والمرآة الأخرى تكون ذات انعكاسية جزئية(الأمامية) (Front)(output coupler)
الانفراجية: هي مقدار انحراف شعاع الليزر عن المحور البصري عند انتقاله خارج المرنان، وكما في الشكل الاتي حيث ان الشعاع الاول ليس لديه انفراجية بينما الشعاع الثاني لديه انفراجية واضحة عن المحور البصري:

الانماط المستعرضة: وهي التوزيعات المجال الكهرومغناطيسي للموجة الضوئية(الليزر) بشكل عمودي على المحور البصري للمرنان ، وكما في الشكل الآتي:





يسمى النمط (TEM00) بالنمط الأساس أو النمط الكاوسي. يحتوي هذا النمط على حوالي (85%) من طاقة شعاع الليزر الناتج وهو دائري الشكل (منتظم) ويعتبر النمط الأكثر تفصيلا في تشغيل منظومات الليزر بصورة عامة.
يسمى النمط(TEM01) بنمط الكعكة. ينتج هذا النمط بسبب وجود شوائب او جسيمات على سطح المرآة أو داخل الوسط الفعال.
يكون النمط ذو المرتبة الأعلى أكثر انفراجا من النمط الأقل مرتبة.
س/ كيف نسحب قيمة الانفراجية(O div) لشعاع الليزر؟
ج/ بالنسبة للنمط الأساسي (TEM00) نحسبها كالآتي:

حيث هو الطول ألموجي لشعاع الليزر w0 هو اقل نصف قطر لحزمة الليزر داخل المرنان.
التشاكه: هو حالة وجود موجتين كهرومغناطيسيتين(فوتونين) أو بنفس الطور الفضائي أو ألزماني.وهو صفة من صفات الليزر.
استيطان المستوى: وهو عدد الذرات أو الجزيئات من المادة الموجودة في حالة أو مستوي طاقة معين ويرمزله N
فرق الطاقة():هو الفرق ما بين قيمة الطاقة للمستوي الأعلى (E2) والمستوي الأوطأ(E1) حيث E=E2-E1
دالة الشغل(Work Function) للمادة():هي الطاقة اللازمة لتحرير إلكترون واحد من سطح المادة إذا سقط عليها فوتون ضوئي واحد.

تحويل وحدات الطاقة:

تحويل وحدات الطول ألموجي: