8.7: الليزر

Last updated
Save as PDF

Page ID: 196731

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

أهداف التعلم

في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:

وصف العمليات الفيزيائية اللازمة لإنتاج ضوء الليزر
اشرح الفرق بين الضوء المتماسك وغير المترابط
وصف تطبيق الليزر على مشغل أقراص CD وBlu-Ray

الليزر هو جهاز يصدر ضوءًا متماسكًا وأحادي اللون. يكون الضوء متماسكًا إذا كانت الفوتونات التي يتكون منها الضوء في الطور، وأحادية اللون إذا كانت الفوتونات ذات تردد واحد (لون). عندما يمتص غاز في الليزر الإشعاع، ترتفع الإلكترونات إلى مستويات طاقة مختلفة. تعود معظم الإلكترونات على الفور إلى الحالة الأرضية، بينما يظل البعض الآخر في ما يسمى بالحالة غير المستقرة. من الممكن وضع غالبية هذه الذرات في حالة غير مستقرة، وهي حالة تسمى الانعكاس السكاني.

رسم توضيحي لتضخيم الضوء في الليزر. يظهر مستويان من الطاقة كخطوط منقطة، أحدهما فوق الآخر في ثلاث أوقات مختلفة. تكون الإلكترونات في الحالة العليا وهي حالة غير مستقرة، وتنتقل إلى الحالة الدنيا. تصل موجة ضوئية ذات طاقة h f، مما يتسبب في انخفاض الإلكترون إلى الحالة السفلية. ينبعث فوتونان متطابقان في الطور من الطاقة h f ويمتصهما المزيد من الإلكترونات في الحالة غير المستقرة. تنخفض هذه الإلكترونات إلى الحالة السفلية وتصدر أربع صور متطابقة في الطور للطاقة h f، والتي تمتصها بعد ذلك المجموعة الثالثة من الإلكترونات. تنتقل الإلكترونات إلى الحالة الأدنى وتصدر ثمانية فوتونات متطابقة في الطور من الطاقة h f. — الشكل\(\PageIndex{1}\): فيزياء الليزر. يتسبب الفوتون الساقط بتردد f في سلسلة من الفوتونات من نفس التردد.

عندما يزعج فوتون الطاقة إلكترون في حالة غير مستقرة (الشكل\(\PageIndex{1}\))، ينخفض الإلكترون إلى مستوى الطاقة المنخفضة وينبعث منه فوتون إضافي، وينطلق الفوتونان معًا. هذه العملية تسمى الانبعاثات المحفزة. يحدث ذلك باحتمالية عالية نسبيًا عندما تكون طاقة الفوتون الوارد مساوية لفرق الطاقة بين مستويات الطاقة المثارة و «غير المثيرة» للإلكترون (\(\Delta E = hf\)). وبالتالي، فإن الفوتون الوارد والفوتون الناتج عن إزالة الإثارة لهما نفس الطاقة، hf. وتواجه هذه الفوتونات المزيد من الإلكترونات في الحالة غير المستقرة، وتتكرر العملية. والنتيجة هي تفاعل تسلسلي أو متسلسل من عمليات إزالة الإثارة المماثلة. ضوء الليزر متماسك لأن جميع موجات الضوء في ضوء الليزر تشترك في نفس التردد (اللون) ونفس المرحلة (أي نقطتين على طول خط عمودي على اتجاه الحركة تقعان على «نفس الجزء» من الموجة»). يوجد رسم تخطيطي لنمط موجة الضوء المتماسك وغير المتماسك في الشكل\(\PageIndex{2}\).

رسم توضيحي لنمط موجة الضوء المتماسك ونمط موجة الضوء غير المتماسك. يتكون الضوء المتماسك من موجات لها نفس الطول الموجي والطور والسعة، بحيث تتم محاذاة جميع القمم ومحاذاة جميع الأحواض. يتكون الضوء غير المتماسك من موجات ذات أطوال موجية ومراحل وسعة مختلفة، مما يؤدي إلى تداخل القمم وأحواض الموجات المختلفة. — الشكل\(\PageIndex{2}\): يحتوي نمط الموجة الضوئية المتماسك على موجات ضوئية من نفس التردد والمرحلة. يحتوي نمط موجة الضوء غير المتماسك على موجات ضوئية بترددات ومراحل مختلفة.

يستخدم الليزر في مجموعة واسعة من التطبيقات، مثل الاتصالات (خطوط الهاتف بالألياف الضوئية)، والترفيه (عروض ضوء الليزر)، والطب (إزالة الأورام وأوعية الكي في شبكية العين)، وفي مبيعات التجزئة (قارئات الباركود). يمكن أيضًا إنتاج الليزر بواسطة مجموعة كبيرة من المواد، بما في ذلك المواد الصلبة (على سبيل المثال، كريستال الياقوت) والغازات (خليط غاز الهيليوم) والسوائل (الأصباغ العضوية). في الآونة الأخيرة، تم إنشاء ليزر باستخدام الجيلاتين - ليزر صالح للأكل! نناقش أدناه تطبيقين عمليين بالتفصيل: مشغلات الأقراص المضغوطة ومشغلات Blu-Ray.

مشغل سي دي

يقوم مشغل الأقراص المضغوطة بقراءة المعلومات الرقمية المخزنة على قرص مضغوط (CD). القرص المضغوط هو قرص قطره 6 بوصات مصنوع من البلاستيك يحتوي على «نتوءات» صغيرة و «حفر» تقترب من سطحه لتشفير البيانات الرقمية أو الثنائية (الشكل\(\PageIndex{3}\)). تظهر النتوءات والحفر على طول مسار رقيق جدًا يتصاعد للخارج من مركز القرص. عرض المسار أصغر من 1/20 من عرض الشعر البشري، وارتفاعات النتوءات أصغر حتى الآن.

رسم توضيحي لتفاصيل القرص المضغوط. يضرب شعاع الليزر القرص من الأسفل بزوايا قائمة. يتكون القرص من ثلاث طبقات. الطبقة السفلية عبارة عن طبقة بلاستيكية من البولي كربونات مع حفر ونتوءات متناوبة. يتم ترسيب طبقة رقيقة من الألومنيوم فوق الطبقة البلاستيكية. طبقة من الطلاء تغطي القرص، وتملأ النتوءات والحفر وتشكل سطحًا علويًا أملسًا. يبلغ سمك القرص بأكمله، بما في ذلك الطبقات الثلاث، 1.2 متر. — الشكل\(\PageIndex{3}\): القرص المضغوط هو قرص بلاستيكي يستخدم نتوءات بالقرب من سطحه لترميز المعلومات الرقمية. يحتوي سطح القرص على طبقات متعددة، بما في ذلك طبقة من الألومنيوم وطبقة من بلاستيك البولي كربونات.

يستخدم مشغل الأقراص المضغوطة الليزر لقراءة هذه المعلومات الرقمية. ضوء الليزر مناسب لهذا الغرض، لأنه يمكن تركيز الضوء المتماسك على بقعة صغيرة للغاية وبالتالي التمييز بين المطبات والحفر في القرص المضغوط. بعد المعالجة بواسطة مكونات المشغل (بما في ذلك محزوز الحيود والمستقطب والموازاة)، يتم تركيز ضوء الليزر بواسطة عدسة على سطح القرص المضغوط. الضوء الذي يضرب نتوءًا («الأرض») ينعكس فقط، لكن الضوء الذي يضرب «الحفرة» يتداخل بشكل مدمر، لذلك لا يعود الضوء (تفاصيل هذه العملية ليست مهمة لهذه المناقشة). يتم تفسير الضوء المنعكس على أنه «1" ويتم تفسير الضوء غير المنعكس على أنه «0". يتم تحويل الإشارة الرقمية الناتجة إلى إشارة تناظرية، ويتم إدخال الإشارة التناظرية في مضخم يعمل على تشغيل جهاز مثل زوج من سماعات الرأس. يظهر نظام الليزر الخاص بمشغل الأقراص المضغوطة في الشكل\(\PageIndex{4}\).

صورة للعمل الداخلي لمشغل الأقراص المضغوطة — الشكل\(\PageIndex{4}\): مشغل الأقراص المضغوطة ومكون الليزر الخاص به.

مشغل بلو-راي

مثل مشغل الأقراص المضغوطة، يقوم مشغل Blu-Ray بقراءة المعلومات الرقمية (الفيديو أو الصوت) المخزنة على القرص، ويتم استخدام الليزر لتسجيل هذه المعلومات. تكون الفتحات الموجودة على قرص Blu-Ray أصغر بكثير ويتم تجميعها معًا بشكل أوثق مقارنة بالقرص المضغوط، لذلك يمكن تخزين المزيد من المعلومات. ونتيجة لذلك، يجب أن تكون قوة حل الليزر أكبر. يتم تحقيق ذلك باستخدام ضوء الليزر الأزرق ذي الطول الموجي القصير (\(λ=405\,nm\)) - ومن هنا جاء اسم «Blu-» Ray. (تستخدم الأقراص المضغوطة وأقراص DVD ضوء الليزر الأحمر.) يوضح الشكل أحجام الفتحات المختلفة وتكوينات أجهزة المشغل الخاصة بمشغل الأقراص المضغوطة وأقراص DVD وBlu-Ray\(\PageIndex{5}\). تبلغ أحجام الفتحات الموجودة على قرص Blu-Ray أكثر من ضعف أحجام الفتحات الموجودة على قرص DVD أو CD. على عكس القرص المضغوط، يخزن قرص Blu-Ray البيانات على طبقة البولي كربونات، مما يجعل البيانات أقرب إلى العدسة ويتجنب مشاكل القراءة. يتم استخدام طبقة صلبة لحماية البيانات لأنها قريبة جدًا من السطح.

تم توضيح أحجام الفتحات المختلفة وتكوينات أجهزة المشغل لمشغل الأقراص المضغوطة وأقراص DVD ومشغل Blu-Ray. في كل حالة، تكون الحفر أصغر من حجم البقعة التي يصنعها شعاع الليزر على سطح وسيط التخزين. على اليسار، يظهر مشغل الأقراص المضغوطة بسعة تخزين 0.7 جيجابايت. يحتوي ليزر CD على طول موجة لامدا يساوي 780 نانومتر، وهو ما يتوافق مع اللون الأحمر. يتم تركيزها بواسطة عدسة تخترق مادة القرص المضغوط حتى عمق 1.2 متر وتشكل بقعة كبيرة نسبيًا على سطح القرص المضغوط. في المنتصف، يظهر مشغل DVD بسعة تخزين 4.7 جيجابايت. يحتوي ليزر DVD على طول موجة لامدا يساوي 650 نانومتر، وهو ما يتوافق مع اللون البرتقالي المحمر. يتم تركيزها بواسطة عدسة تخترق مادة DVD حتى عمق 0.6 متر وتشكل بقعة أصغر على سطح قرص DVD مما رأيناه على القرص المضغوط. على اليمين، يظهر مشغل Blue-Ray بسعة تخزين 25 جيجابايت. يحتوي ليزر بلو راي على طول موجة لامدا يساوي 405 نانومتر، وهو ما يتوافق مع اللون الأزرق. يتم التركيز عليه بواسطة عدسة تخترق مادة قرص الأشعة الزرقاء حتى عمق 0.1 متر وتشكل بقعة صغيرة على سطح القرص. — الشكل\(\PageIndex{5}\): مقارنة دقة الليزر في مشغل CD و DVD و Blu-Ray.