lecture in all sides of laser

الاسم/ عطية محمد حامد مصطفى
السكشن/ 6 الفرقة الثالثة (تحكم)
مسلسل/ 173

Lecture (1): Introduction to Laser

تعتبر تكنولوجيا الليزر من العلوم المتطورة التي تدخل في العديد من التطبيقات مثل استخدام الليزر في التطبيقات الطبية والاتصالات والأبحاث العلمية والهندسية والعسكرية. وأي مستخدم لليزر مهما اختلف تخصصه فهو بحاجة إلى فهم مبدأ عمل الليزر أي ما يعرف بفيزياء الليزر.
إن الليزر هو عبارة عن جهاز يحول الطاقة من مصادر مختلفة إلى صورة أشعاع كهرومغناطيسي. وهذا تعريف بسيط للبدأ في الموضوع وتوضيح فكرة عمل الليزر حيث أننا نحصل في النهاية على شعاع كهرومغناطيسي (ضوء) يمتلك العديد من الخواص التي تميزه عن أي مصدر ضوئي.
وقد جاءت تسمية كلمة ليزر من الأحرف الأولي لفكرة عمل الليزر أي أن :
The word LASER is an acronym for
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.
وتعني تكبير الضوء بواسطة الانبعاث الاستحثاثي للإشعاع الكهرومغناطيسي. وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت اينشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث الاستحثاثي stimulated emission وتم تصميم أول جهاز ليزر في 1960 بواسطة العالم T.H. Maiman باستخدام بلورة الياقوت ويعرف بليزر الياقوت Ruby laser.
________________________________________
Light: All light is a form of electromagnetic radiation that is visible to the human eye.
Amplification: This is simply the process of making something bigger or or more powerful. When you turn up the volume on a radio, you are amplifying the sound; but with lasers, amplification makes the light brighter.
Stimulated: To stimulate means to stir to action. Laser light is created when a burst of light (electricity) excites the atoms in the laser to emit photons. These photons then stimulate the creation of additional identical photons to produce the bright laser light.
Emission: The word "emission" refers to something that is sent out or given off. Stimulated laser emission consists of large numbers of photons that create the intense laser light.
Radiation: The laser light is a form of energy that radiates, or moves out, from the laser source.
________________________________________
مزيد من المعلومات عن تاريخ تطور الليزر
• 1864 - 1940 : History of Astronomical Spectroscopy
• 1917 : Einstein postulates photons and stimulated emission
• 1954 : First microwave laser
• 1960 : First optical laser
• 1965 : Microwave laser discovered in the Orion nebula
• 1965 : Discovery of cosmic background radiation using microwave laser
• 1966 : First gas dynamic laser
• 1970 : First postulate of laser action in stars
• 1973 : Discovery of laser action in quasars
• 1979 : Near Infrared laser star found in Orion nebula
• 1981 : Carbon dioxide laser discovered in atmosphere of mars and venus
• 1984 : First x-ray laser
• 1993 : Gas contact plasma laser
• 1994 : Artificial laser guide stars
• 1995 : Far infrared laser star discovered by Kuiper Airborne Observatory
• 1996 : Ultraviolet laser star discovered by Hubble Space Telescope
• 2000 : Survey of the worlds most powerful research and military lasers
________________________________________

لفهم مبدأ عمل الليزر نحتاج إلى توضيح مفهوم كل مصطلح من مصطلحات الواردة في التعريف وهي
LASER Light Amplification
Stimulated Emission
Radiation
خصائص شعاع الليزر
شعاع الليزر يمتلك خصائص تميزه عن أية مصدر من مصادر الإشعاع الكهرومغناطيسي وهذه الخصائص هي:
هذه الخصائص جعلت لشعاع الليزر العديد من التطبيقات في كافة المجالات Monochromaticity.
Directionality.
Coherence.

________________________________________

يمكنك تغيير المصدر الضوئي في الشكل أعلاه ومشاهدة تأثير تغيير الطول الموجي على الضوء المنبعث
Source of the demo: http://www.colorado.edu/physics/2000/index.pl
________________________________________

Monochromaticity
تعني أن الليزر أحادي اللون وهذا ما يميزه عن الضوء العادي 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






Directionality
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 التالي.


Coherence
حيث أن الشعاع الكهرومغناطيسي يمتلك خاصية موجية يمكن وصفها بالمعادلة التالية:
y = Acos(wt+f)
A = Amplitude.
w = Angular Frequency.
f = Initial Phase of the wave (Describe the starting point in time of the oscillation).
(wt+f) = Phase of the wave.
الخاصية الفيزيائية Coherent تعني أن هنالك علاقة ثابتة في فرق الطور بين الأمواج المتداخلة مما تسبب في ظاهرة التراكب البناء.
Coherent waves are waves that maintain the relative phase between them.

الشكل التالي يوضح كيف أن ثلاث موجات لها نفس الطور Phase تعطي تراكب بناء Constructive بينما تلك التي تخلف في الطور تكون المحصلة هي تلاشي الموجة Destructive.

Superposition of waves
________________________________________
In Summary: Laser Radiation Properties
1. Very small divergence of the beam. The beam is almost a parallel beam and move in one direction in space - Directionality.
2. High degree of monochromaticity. The radiation is almost one wavelength, as can be measured by the very narrow spectral width.
3. Coherence.
The combination of these properties gives the laser radiation many advantages, like achieving very high power densities, not available from other sources.
________________________________________
المكونات الاساسية لجهاز الليزر
In order for most laser to operate, three basic conditions must be satisfied
(1) The active medium: Collections of atoms, molecules or ions in the form of solid or liquid or gas.
(2) population inversion
(3) Optical feed back

________________________________________
المواضيع التالية من الأساسيات التي يجب أن تكون قد درستها مسبقا وهي على النحو التالي:
1. Basic elements of the structure of matter - the atom.
2. electromagnetic waves.
3. The interaction of electromagnetic radiation with matter.













The Interaction of Electromagnetic Radiation with Matter
(Emission and Absorption of Radiation)
نعلم أن الذرة تكتسب طاقة وتفقدها بصورة مستمرة وإن انتقال الطاقة إلى الذرة يتم بواسطة طريقتين هما:
1. Collisions with other atoms, and the transfer of kinetic energy as a result of the collision. This kinetic energy is transferred into internal energy of the atom.
2. Absorption and emission of electromagnetic radiation
وحيث أن عملية الليزر تعتمد على انتقال الطاقة من خلال امتصاص Absorption الاشعاع الكهرومغناطيسي ثم تكبيره وانبعاثه emission على شكل شعاع ليزر، لذا سندرس ظاهرة الامتصاص والانبعاث.




How the First Ruby Laser Works
سنعرض فكرة عمل أول ليزر تم اكتشافه وهو Ruby Laser لتوضيح العناصر الأساسية لمبدأ عمل الليزر قبل الشروع في دراسة تأثير كل عنصر على حدى. في الشكل التالي نلاحظ ساق بلورة الياقوت محاطاً بانبوب الفلاش الحلزوني وهو مصدر الطاقة التي ستعمل على إثارة الذرات. كما نلاحظ شعاع الليزر الأحمر.

في الشكل التوضيحي التالي نوجز مراحل توليد اشعة الليزر في 4 خطوات على النحو التالي:

	فرق جهد عالي يعمل على تزويد الفلاش بالطاقة الكافية لتوليد ضوء ذو شدة عالية ولفترة زمنية قصيرة. هذا الضوء يعمل على اثارة الذرات في بلورة الياقوت إلى مستويات الطاقة الأعلى.
عند بعض من مستويات الطاقة تقوم بعض الذرات باطلاق فوتونات عند انتقالها إلى مستويات طاقة ادنى. هذه الفوتونات تنبعث في البداية في كافة الاتجاهات. ولكن فوتونات من بعض الذرات تقوم بعملية stimulate emission لفوتونات من ذرات أخرى وعندها يبدأ تكبير الضوء.
	تقوم مرأتين علىطرفي ساق بلورة الياقوت بعمل المكبر حيث ينعكس عندها الفوتونات إلى داخل ساق بلورة الياقوت لتعمل المزيد من stimulate emission وتستمر عملية التكبير للضوء.
يتم تصميم احدى هاتين المرأتين بحيث تعكس 98% من الضوء والباقي ينفذ وهو شعاع الليزر.

فرق جهد عالي يعمل على تزويد الفلاش بالطاقة الكافية لتوليد ضوء ذو شدة عالية ولفترة زمنية قصيرة. هذا الضوء يعمل على اثارة الذرات في بلورة الياقوت إلى مستويات الطاقة الأعلى.
عند بعض من مستويات الطاقة تقوم بعض الذرات باطلاق فوتونات عند انتقالها إلى مستويات طاقة ادنى. هذه الفوتونات تنبعث في البداية في كافة الاتجاهات. ولكن فوتونات من بعض الذرات تقوم بعملية stimulate emission لفوتونات من ذرات أخرى وعندها يبدأ تكبير الضوء.

تقوم مرأتين علىطرفي ساق بلورة الياقوت بعمل المكبر حيث ينعكس عندها الفوتونات إلى داخل ساق بلورة الياقوت لتعمل المزيد من stimulate emission وتستمر عملية التكبير للضوء.
يتم تصميم احدى هاتين المرأتين بحيث تعكس 98% من الضوء والباقي ينفذ وهو شعاع الليزر.