بسم الله الرحمن الرحيم بنواصل محاضرات ال physical
optics واتوقفنا عن موضوع حقيقة مهم للغاية ويستعمل
كثير جدا في مجال العيون اللي هو موضوع ال lasers ال
laser أو ضوء ال laser كيف فكرته وكيف بيعمل وكيف
الاستفادة منه يعني هنبدأ نحكي في المحاضرة هذه
والمحاضرة التالية عن هذا الموضوعبنقول an electron
may stay in metastable state for minutes or longer
يعني بعض الإلكترونات في بعض الظرات لما بتصعد
لمدارات طاقة أعلى .. لمدارات طاقة أعلى من اللي هي
أصلا موجود فيهابتضلها في حالة بنسميها meta stable
state، يعني حالة استقرار نوعًا ما، يعني في مدارتها
الجديدة اللي هي أعلى في الطاقة، بتكون مستقرة وليست
يعني بمجرد ما تصعد بعد اكتسابها طاقة، بتروح فقد
هذه الطاقة بشكل فوري و بتهبط لمدارتها الأساسية،
وإنما بتضلها في meta stable state، بمعنى بتضلها في
المدارات الجديدة في وضع نوعًا ما مستقرHowever, a
photon of appropriate frequency passing near such
an electron will stimulate the electron
immediately to drop to a lower state and radiate
an identical photon ما معنى هذا الكلام؟ هذا الكلام
بيتطرنا للرجوع لرسمة سابقة عساس توضيح هذه القضية
بنقول electron إجاله فوتون إجاله حصة من الطاقةهذه
الحصة من الطاقة خلّت الـ Electron يطلع أو يصعد
لمدار أعلى، الآن بعد ما صعد لمدار أعلى من الطاقة،
ضال فيها مستقر نوعا ما فترة ماهذه الفترة و هو في
المدار الأعلى من الطاقة إجى فوتون إله frequency
مناسبة مر جنب هذا الإلكترون، هيخليه يفقد الطاقة
اللي اكتسبها و يرجع يعود لمداره الرئيسي، إذا فوتون
آخر غير الفوتون اللي اكتسبه الإلكترون عشان يصعد
فوتون آخر مر جنب الإلكترون و هو في المداري الأعلى
فجعله يفقد كمية الطاقة اللي اكتسبها و يرسل فوتون
لي حصة من الطاقة هذه الحصة من الطاقة مماثلة جدا
للفوتون المحفز للفوتون المحفز وهذا الكلام ضروري
نرجع أيها هذه الرسمة بنقول الرسمة Cالرسمة C او ال
part C من الرسمة بنقول ان الاكترون كان في المدار
E0 و اتساعد بفعل طاقة معينة ل E1 لمدار اعلى اصبح
الان مستقر نوعا ما في المدار الاعلى اجا فوتون
طاقته H في Vالو طاقة معينة HPV مر جنب هذا
الالكترون هيحفظه انه يطلق حصة من الطاقة يطلق فوتون
اخر وينزل للمدار الاصلي الفوتون الاخر اللي اطلق من
الالكترون تماما مماثل في ال frequency ل الفوتون
المحفظ يعني هذا الفوتون المحفظ اللي هو طاقة
مقدارها HPV والالكترون اللي صدرهيكون طقته ايضا H
في V فاتنين مع بعض هيكونوا اتنين H في V الغريب او
الاشي المميز لهذا الفوتون اللي صدر عن الالكترون
انه طقته مماثلة تماما مماثلة تمامالطاقة الفوتون
المحفز هدولة two photons totally identical يعني
طولهم الموجي واحد بمعنى ال frequency واحد و
totally in phase بمعنى القمة مع القمة و القاع مع
القاع فبالتالي هدولة يعني
الفوتونين متماثلين تماما هذه الفكرة بنية عليها عمل
الليزر بنية عليها عمل الليزر زي ما هنحكي بعد قليل
وبالتالي بنرجع بنقول لكلام اللي حكيناه قبل شوية
إنه إذا كان في هندي فوتون أو إلكترون عفوا موجود في
higher energy stateفي higher energy state إذا كان
هذا الإلكترون مستقر في higher energy state ومر
جنبه فوتون إله appropriate frequency ضروري يكون
إله طاقة مناسبة passing near such an electronهيحفظ
ال electron انه to drop to a lower state وانه يشعل
an identical photon identical photon لمين؟ للفوتون
المحفظ يعني الفوتون اللي أطلق ال electron و
الفوتون المحفظ متماثلين تماما متماثلين في الطول
الموجي وبالتالي متماثلين في ال frequencyو أيضًا
totally in phase يعني القمة مع القمة و القاع مع
القاع such stimulated emission هذا الإنبعاث المحفظ
الإنبعاث لأن الإنبعاث عندي فوتون الإلكترون أرسل أو
شع أشع فوتون طبعًا ليش أشع فوتون بعد ما .. ما ..
ما الفوتون اللي إيجا يعمله stimulation إذا هذه
stimulated emission يعنيالإشعاع المحفظ is the
basis of light emission in lasers، هذه الفكرة، هذه
الطريقة، بهذه الطريقة ينتج ال laser، بهذه الطريقة
ينتج ال laser ولا توجد طريقة أخرى لإنتاج ال laser
اللي هي سواء ال stimulated emission، ال stimulated
emissionالإلكترون موجود في مدار طاقة أعلى صار له
stimulation بواسطة فوتون خارجي، هذا الفوتون
الخارجي لما عمل stimulation للإلكترون، الإلكترون
هبط لمدار أدنى وأطلق فوتون من عنده، يعني حصة من
الطاقةالفوتون اللى تم إشعاعه من الإلكترون والفوتون
المحفز ميزتهم إن هم مماثلين لبعض من البعض تماما
اول حاجة لهم نفس الطول الموجي نفس ال frequency
التردد و totally in phase يعني لهم نفس الحالة إنه
القمة على القمة و القاع على القى و القاع على القى
إذا بيجي سؤال سواء في الامتحان أو بنسأل من أي يعني
شخص أو في مقابلة إنه إيش الطريقة اللي بينتج فيها
الليزر بطريقة ال stimulated emission stimulated
emission يعني الإشعاع المحفز الإشعاع المحفز أو
الانبعاث المحفزو من هنا أخد ال laser اسمه كلمة
laser هي اختصار هي light amplification
by stimulated emission of radiation يعني تقوية
الضوء وتضخيم الضوء وزيادة قوة الضوء بطريقة ال
stimulated emission of radiation بطريقة انبعاث
الطاقة المحفظ انبعاث الطاقة المحفظ المحفظ بالطريقة
اللي حكينا عنها اذا الكلمة laserاختصار ل light
amplification خدنا حرف ال L وحرف ال A by
stimulated خدنا حرف ال S صار عندي لاز emission E
of radiation R أصبح عندي laser إذا تقوية الضوء
بواسطةالانبعاث المحفز للطاقة الانبعاث المحفز
للطاقة lasers use an active medium ضروري يكون في
عندي مادة معينة أنتج منها ال laser هذه المادة
المعينة بيسموها ال active medium هي اللي هتحفز
ذراتها اللي هتحفز ذراتها عشان تطلع لمدارات أعلى من
الطاقة هذه عندي ال active medium باللون الأصفر
داخل الأنبوب هذه الذرات مرسومة باللون الأزرقطبعا
ملايين ومليارات الذرات في هذه المنطقة بتكون، بس
احنا يعني او الرسمة فيها القليل من الذرات لتوضيح
الفكرة، هذه الذرات بتم تحفيز إلكتروناتها عشان تصعد
لمدارات أعلى من الطاقةتمام؟ بعد ما تصعد لمدارات
أعلى من الطاقة أول شيء هيحصل عندى أنه واحدة من
الذرات electron هينزل لوحده بدون ما حد يعني يحفظه
أنه ينزل و هيطلق فوتون تمام؟ spontaneous emission
.. spontaneous emission ماننساش أنه عندى في تلت
ظواهر بتصير مع قضية ال laser نرجع للرسمة الأولى
واللي هتفيد في توضيح الفكرة الرسم
الأولى أو الرسم رقم اتنين lobbyفي حاجة بسموها
spontaneous emission إلكترون صعد اكتسب طاقة وصعد
لمدار أعلى بعدين فقدها لوحده فقد حصة من الطاقة
بشكل فوتون تردده HPV أو الطاقة بتاعته HPV هذا
بسموه spontaneous emission هذا مش هينتج ال laser
بس هذا هيبدأ العملية زي ما هنشرح بعد قليل اللي
هينتج ال laserاللي هنحكيه بعد شوية اللي هي ال
stimulated emission ال stimulated emission بنقول
كالقادة أول
شيء هيتيم عندي يعني ضخ طاقة نوع من الطاقة طاقة
ضوئية طاقة كهربائية طاقة حرارية بحيث ان معظم
الذرات بتاعة المادةالنشطة اللي هي ال active medium
معظم الذرات إلكترونات هتصعد لمدارات أعلى من الطاقة
طيب بمجرد ما تصعد لمدارات أعلى من الطاقة هيبدأ
العملية ذرة واحدة إنه إلكترون هبط لوحده عمل
spontaneous emissionانبعاث تلقائي لحصة من الطاقة
عشان الالكترون يرجع للمدار اللي اجا منه هذا
الفوتون اللي اطلق من الذره الاوله هيصطدم بالكترون
في ذره تانيه موجود في مدار اعلى فهيجبره او هيحفظه
هيعمله stimulation انه يطلق فوتونلأ عشان ينزل و
هدول الفوتونين الفوتون المحفز اللي إيجا من الذر
الأولى و الفوتون المحفز اللي أطلق من الالكترون رقم
اتنين أصبح عندي فوتونين هدول الفوتونينالهم نفس
التردد و totally in phase هدول الفوتينين هيحفظوا
.. هيحفظوا ذرتين من ال active medium هيصير عندى
أربع فوتونات و الأربعة هيصيروا تمانية و التمانية
هيصيروا ستة عشر و الستة عشر هيصيروا اتنين و تلاتين
و هكذا و كل الفوتونات الناتجةالها نفس ال frequency
الها نفس التردد و totally in phase الان العلماء
حطوا reflecting mirrors يعني مرايا عاكسة على نهاية
الأنبوب هذا الانبوب بيسموه ال optical cavity او ال
laser cavity التجويف او ال .. ال .. ال .. ال انبوب
تاع ال laser تاع إنتاج ال laser حطوا مرايا عاكسة
عشان الفوتوناتالفوتونات اللي هي الضوء أو الطاقة
لما توصل للمراية تنعكس وترجع تمر على الذرات مرة
تانية عشان تطلق منها فوتونات أخرى عشان تطلق منها
فوتونات أخرى ممكن يقول طيب احنا لماالفوتونات عدت
على الذرات خلت الإلكترونات تهبط للمدارات الأساسية
يعني ماضلش عند الإلكترونات طاقة زيادة تتنبعث بنقول
مظبوط هذا الكلام صحيح ولكن بمجرد ما توصل و ترجع
بيكون ال pumping source أو الطاقة اللي بنمد فيها
الذرات سواء طاقة كهربائية أو حرارية أو ضوئية
خارجية بيكون رفعت الإلكترونات مرة أخرى لمدارات
أعلى والعملية بتتكررو بتصير عدد الفوتونات تزيد و
الفوتونات بتنقس بين المرأتين بين ال two mirrors
لغاية ما يصل القضية للحظة معينة و واحدة من ال
mirrors يتم يعني فتحها جزئيا طبعا بوسطة الضغط على
زر الليزر و بالتالي حزمة الليزر تنبعث و هذا الكلام
يعني هنشوفهفي .. ب .. ب simulation مناسب ان شاء
الله تعالى بنقول lasers use an active medium يعني
ال laser بنستعمل في إنتاجه مادة بيسموها المادة
النشطة أو ال active medium اللي منها هننتج ال
laser with an appropriate metastable state يعني في
الهاMeta-stable state مناسبة يعني مدار معين له
طاقة معينة والمدار اللي تحته بيفرج عنه ثرج معين في
الطاقة هو المطلوب للحصول على فوتونات يعني بطاقة
معينة أو laser بطاقة معينة أو بلون معين Energy is
introduced into the active medium in a variety of
ways يعني أنا بقدر أحفظ الذرار تاعت ال active
mediumبطرق متعددة زي ما قلنا بواسطة إما الطاقة
الكهربائية أو الحرارية أو الضوء يعني في وسائل
عديدة للتهفيز في وسائل عديدة للتهفيز هاي عندنا
صورة لجهاز ال laserالـ Optical Cavity أو الـ Laser
Cavity اللي هيتم في داخله إنتاج الـ Laser الـ
Active Medium هي الـ Atoms بتاعتها الذرات بتاعتها
الـ Pumping Source المرسوم باللون الأحمر اللي هو
عبارة عن مصدر لتحفيز الذرات عشان تطلع إلكتروناتها
تكتسب طاقة و تطلع لمدارات أعلى عشان بعد هيك يتم
إسقاطها لمداراتها الأساسية و أخذ الفوتونات منها
بطريق التحفيز
على سبيل المثال، الـ Optical Pumping يستخدم مصادر
الإضاءات الإضاءات المظهرية لإشعال عدد كبير من
الإلكترونات إلى مصادر الـ Stable State طبعاً في
حاجة بيسموها الـ Optical Pumping هنا عند الـ
Pumping Source في Electrical Pumping في Optical
Pumpingفي حالة ما أنا بستعمل optical pumping يعني
أنا بستعمل طاقة ضوئية incoherent light light عادي
عادي مش coherent زي .. زي ال .. الضوء المعتاد بس
بقوة عالية بستعمل bright incoherent light يعني
براق جدا او مشع جدا ضوء عاديSource to excite large
number of electrons يعني بد أحفظ عدد ضخم جدا من
الإلكترونات في ذرات ال active medium عشان تصعد ل
ال meta stable state لل higher energy levelthe
activity .. the active medium is inside a
resonator cavity طبعا ال active medium .. ال
active medium في داخل optical cavity أو ممكن أسميه
laser cavity أو ممكن أسميه resonator cavity ليش؟
ال resonance معناه هرنين أو التردد ليش resonator
cavity؟ لأنه في مرايا في نهاية هذا ال cavity
الإلكترونات أو الفوتونات عفوا اللي أطلقت بواسطة ال
stimulated emissionبتتردد بين ال two mirrors جيئة
و ذهابا مرة و مرة و مرة و مرة و اها كذا ليش هذه
القضية مراد انه يصير resonance يعني تردد و ان ال
.. الفوتونات ما بتوصل لمرأة الأولى تعكسها باتجاه
المرئات التانية عشان يتكرر عدد مرور الفوتونات على
الذرات و تحفيز فوتونات أخرى تطلقها الإلكترونات و
تهبطلهاLower energy state و بعدين بواسطة ال
pumping source يتم تحفيزها مرة تانية و هكذا و هكذا
فبالتالي عشان العملية تتكرر و يتم تقوية للضوء انا
وصل عندى ست عشر فوتون هنا رجعوا اخدوا معاهم كمان
ست عشر صار و اصل عندى اتنين و تلاتين فوتون32 فوتون
عدوا مرة تانية عدد الذرات اللي بتكون حفزت بواسطة
ال pumping source 32 فوتون أصبحوا 64 ال 64 أصبحوا
128 و هكذا يعني بتتم تقوية و amplification للضوء
بواسطة ال stimulated emission وهذا معناه كلمة
laser light amplification by stimulated emission
of radiationالوسيلة المشتركة في داخل محطة
الاريزوناتور التي عادةً تحتوي على مراعاة مفهوم
مفهوم مفهوم مفهوم مفهوم مفهوم مفهوم مفهوم مفهوم
مفهوم مفهوم مفهوم مفهوم مفهوم مفواحدة بتكون ..
واحدة بتكون totally reflecting بتعكس بنسبة مائة
بالمائة كل ما بيصلها من الفوتونات والتانية
partially reflecting بتعكس جزء كبير من الفوتونات
وبتنفذ جزء آخر عشان يسمح لل laser beam لحزمة ال
laser إنها تخرج وإلا لو كانوا ال two mirrors كلهم
totally reflecting سيبقى ال laser داخل اللي هو ال
cavity ومش هيتمكن من إنهيخرج للخارج ومش هنتمكن من
أننا نستفيد منه، اذا this design causes light to
make numerous passes through the active medium
producing more photons by stimulated emission with
each pass، هذا التركيبة أو هذا التصميم بيسمح بأنه
الضوء يتقوىبوسط انعكاسه بين المرقاتين و هيعمل كذا
pass يعني كذا مرة و كذا دورة من الروحة و العودة و
ال photo net بيتضاعف عددها اربعة تمانية ستاشر
اتنين و تلاتين اربع و ستين مية و تمانية عشرين و
هكذا و بالتالي لما بيخرج ال laser من ال partial
reflecting mirror بيكون في اندي حزمة قوية منالضوء
او من ضوء الليزر من ضوء الليزر ب .. فبالتلكيب هاي
طبعا بيسمح بالانعكاس داخل ال cavity بواسطة ال two
mirrors و في نفس الوجد بيسمح لإن في واحدة منهم
partial reflecting بيسمح بمرور الضوء عبر ال
partial reflecting mirror اللي هو ضوء الليزر طبعا
انهي ال laser cavity .. هي ال laser cavity ال
laser medium هنا في .. في هذه ال .. ال .. ال laser
medium او ال .. ال active medium مستخدمين ال Ruby
ال Ruby اللي هو الياقوت .. اللي هو الياقوت هنا
fully reflecting mirrorوهنا partial reflecting
mirror الذرات بتاعة الياقوت بتم تحفيزها بالإفلاق
في .. في .. بواسطة يعني pumping source pumping
source سواء optical pumping أو electrical pumping
أو heat pumping إلى آخرينو بتتم الفوتونات بتنعكس
between the two mirrors جيئة و ذهبا بتحفز
الإلكترونات تانية أنها تطلق تعمل stimulation هنا
للإلكترونات عشان تعمل radiation وبالتالي بتكون
عندى ضوء الليزر وفي النهاية ضوء الليزر بيسمح له
بالمرور كحزمة من ال partial reflecting mirror من
ال partial reflecting mirror ايضا هنا رسمة تمثلية
لجهاز ال laser جهاز ال laser اللي هو ال active
medium بتكون داخلهداخل ال laser cavity أو ال
resonator cavity ال pumping source سواء electrical
pumping أو optical pumping بواسطة ضوء قوي
incoherent light أو heat pumping إلى آخرهم و في
عندي في أطراف ال laser cavity في عندي two mirrors
hundred percent reflecting mirror بتعكس مية في
المية كل ما يصلى من الفوتونات عشان مرة تانية تنعكس
الفوتوناتوتمر على الذرات هي تاخد منها فوتونات
تانية و هنا partially reflecting mirror أيضا بتعكس
جزء كبير طبعا هنا أقل من 100% طبعا مش شرط تكون 50%
يعني ممكن تكون بتعكس 80% و بتمرر 20% وهذا يكفي
ليه؟انه بتعكس كام من الفوتونات يعني اللي يبقى
الفوتونات داخل ال laser cavity بكمية كبيرة عشان
تحفظ إلكترونات تانية انها تطلق فوتونات والعملية
تستمر والعملية تستمر طيب الآن بدنا نحاول نشوف هذه
الفكرة بشكل ال simulation عشان توضح معانا الرؤية
احنا بنقول لو عندنا كالقاتلإننا نفرض ذرّة واحدة
هذه الذرّة موجودة في مدارها الأساسي بدها يمر عليها
طاقة ضوئية هذه الطاقة المحفزة هذا cavity و تخيل
إنها ذرّة واحدة ل active mediumإذا كان اصطدم فيها
فوتون بيصعد بمجرد ما نشوف الدائرة الحمرا معناته
الإلكترون صعد لمدار أعلى اللي هو هنا يعني يمثل هذا
المدار بعدين إذا ملاحظين صعد الآن إيجا فوتون تاني
أصبح فوتونين أطلقوا صعد أطلق فوتونين بنفس التردد
الفوتون المحفز أيوة و الفوتون اللي أطلقوا
الإلكترون لما أطلقوا بيرجع هذا هذه باسمها
stimulated emissionهذا بيسموه absorption، الآن
stimulated emission، two photons
Spontaneous absorption Emission Spontaneous
absorption لاحظين فوتونين المحفز والمحفز لما بيحفز
بتطفى الدائرة الحمراء يعني الإلكترون هبط الإلكترون
هبط فقد فقد فوتون بنفس الطاقة ونفس التردد بنفس
الطاقة ونفس التردد هذا في حالة ذرع واحدة طب لو
احنا عندنا هذا ال cavity مليان ب active medium
مليان ب active medium خلينا احنا هنرجع من البداية
ونشوف إحنا إيش هيصير معنا في ال laser cavity هاي
عندنا إحنا الوضع هي الأساسية مافيش عندي طاقة محفزة
هاي الذرات بتاعة ال active mediumهذه الذرات تاعت
ال active medium مافيش عندي طاقة ال intensity تاعت
الطاقة المحفزة ال pumping source صفر صفر الان بدي
اعطي طاقة لهذه الذرات عشان تصعد لمدارات اعلى
metastable state وبالتالي يتم عندي إنتاج ال laser
يتم عندي إنتاج ال laser وفق طبعاشروط معينة وقاليات
معينة اول حاجة اذا انا بضل بدون mirrors بدون
mirrors معناته انا عندي فيه مشكلة لانه كل
الفوتونات هتفقد زي ما انتوا شايفين هي enable
mirrors الان
هيتم الانعكاس بتاعة الطاقة بشكل هتبدأ
بقى بين ال mirrorsتتكون هذه القضية .. تتكون هذه
القضية زي
ما احنا شايفين لازال
احنا في مرحلة تكوين ال laser
هي بدت .. بدت الطاقة الداخلية ال internal power
تصير كافية احنا هنا لحتى الآن لازم يكون عندي عشان
اسرع في الموضوع اول اشي hundred percent reflecting
mirror ال ten ten hundred percent اللي احنا جينا
في دائرة انه ممكن اعطي laser لان ممكن اعطي laser
لان الان بده اخلي واحدة من ال mirror ال
reflectivity بتاعتها اقل هى بده ضوء ال laser يطلع
عنديبدأ ضوء الليزر يطلع عندى بالشكل طبعا هذه 100%
reflectivity تاعت ال mirror وهذه 71% زي ما بتقشر
طبعا ممكن اقلل اقلل هذه ضوء الليزر عندى لازال ال
photonات بتتردد بين ال two mirrors بعضها بمركض ضوء
ليزر للخارج اللي احنا بنشوفه وبعضها بظل يعني داخل
الادامة ممكن انا هذه ال photonات اشوفها بطريقة
wavesبطريقة ال waves اللي هو ضوء الليزر اللي انا
يعني انتجته بواسطة ال laser cavity هذا ال laser
cavity هذه الذرات اللي تحفز لما درات اعلى ثم
بواسطة ال stimulation بفوتونات مرت جنبها بتطلق
يعني فوتونات identical photons بيسموها ذرات ال
active medium زي ما احنا شايفين في هذه القضية الان
لو حبيت انا اشوفالمنظر الحقيقي للليزر هاي المنظر
الحقيقي للليزر هي ال laser cavityهي ال laser
cavity اللي هو الأنبوبة الزجاجية هاي هنا total
reflecting mirror وهنا partially reflecting mirror
اللي خرج منها ال laser سايفين partially reflecting
يعني تمانية وتسعين في المية بتعكس و بتمرر اتنين في
المية عشان يتظل ال photo net تتردد between the two
mirrors وبالتالي يظل عندى اناإنتاج الليزر مستمر ..
إنتاج الليزر مستمر واضح أنه عندي الفوتونات هنا
بتتردد between the two mirrors وعندي هنا
reflectivity 82% يعني بمر 18% ممكن أخليها هنا مثلا
90%وهي ال laser أيضا بيصعد وبالتالي لازالت العملية
مستمرة لازالت العملية مستمرة وهنا احنا بنتوقف عند
هذه النقطة بنرجع بس لل power point هنحكي المرة
القادمة ان شاء الله عن خصائص ال laser ويعطيكم
العافية والسلام عليكم ورحمة الله وبركاته