كيف تركز الضوء العادي لجعله شعاع ليزر؟

بسم الله الرحمن الرحيم

كيف تركز الضوء العادي لجعله شعاع ليزر؟
شعاع الليزر ليس مجرد ضوء مركّز. شعاع الليزر هو ضوء متماسك. علاوة على ذلك ، لا يمكنك إنشاء شعاع ليزر من خلال التركيز بذكاء على الضوء العادي ، بغض النظر عن مدى صعوبة المحاولة. تقوم بإنشاء شعاع ليزر باستخدام الانبعاث المحفّز. الانبعاث المستحث هو ما يجعل الضوء في شعاع الليزر متماسكًا ، والتماسك هو ما يجعل شعاع الليزر أكثر فائدة من الضوء العادي. في الواقع ، كلمة "ليزر" هي في الواقع اختصار يرمز إلى "تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع" .

ما هو التماسك؟ في أبسط صورة ، يمكنك تصور شعاع من الضوء كحزمة من العديد من موجات جيبية صغيرة تنتقل عبر الفضاء. في هذه الصورة ، يعني التماسك أن جميع القمم ذات الصلة لموجات الجيب المختلفة تصطف في الفضاء ، وتستمر في الاصطفاف أثناء انتقال الأمواج. بعبارة "اصطف" ، فإننا نعني أنه إذا كنت قادرًا على التقاط لقطة في وقت معين لمكونات الموجة المختلفة في شعاع ضوئي ، فستجد أن جميع القمم الأولى في نفس المكان في الفضاء ، وكلها تقع القمم الثانية على نفس المسافة ، إلخ. لكي تظل القمم متوازنة تمامًا في كل مكان ، يجب أن تحدث بعض الأشياء:

يجب أن يكون للموجات نفس الطول الموجي تقريبًا (التماسك الزمني)

إذا كانت إحدى الموجات تفصل بين قممها المتتالية بمسافة 600 نانومتر ، وكانت هناك موجة أخرى تفصل بين قممها مسافة 830 نانومتر ، فيجب أن يكون من الواضح أنك إذا صنفت زوجًا واحدًا من القمم ، فلا يمكنك اصطفاف أي من أزواج القمم الأخرى. من الناحية المثالية ، إذا كانت جميع مكونات الموجة لها نفس الطول الموجي بالضبط (وتم استيفاء المعايير الأخرى المذكورة أدناه) ، فيمكن عندئذٍ اصطفاف جميع القمم بشكل مثالي ، إلى الأبد.

مثل هذا الوضع هو في الواقع مستحيل جسديا. سوف يتطلب الأمر شعاعًا طويلًا بلا حدود من الضوء حتى يكون لجميع مكونات الموجة نفس الطول الموجي بالضبط (الدليل على هذا البيان ليس واضحًا ويتطلب تحليل فورييه). على الرغم من حقيقة أن شعاع الضوء ذو الطول الموجي الأحادي هو أمر مستحيل ماديًا ، يمكننا الاقتراب جدًا جدًا. في الواقع ، وجود شعاع ضوئي قريب جدًا من الطول الموجي الفردي (يسمى "أحادي اللون") هو أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل الليزر مفيدًا جدًا. يمكن أن يسمح لنا استخدام الضوء أحادي اللون بقياس أو إطلاق استجابة محددة جدًا في مادة ما (مثل التحليل الطيفي والتبريد بالليزر).

يجب أن تكون الموجات في طور (الاتساق الطيفي)

تصف مرحلة الموجة أي جزء من دورة الموجة الجيبية موجود في نقطة مرجعية معينة. موجتان خارج الطور بمقدار 180 درجة سيكون لهما ذروة موجة واحدة في نفس النقطة في الفضاء التي تصل فيها الموجة الأخرى إلى قاعها. لذلك ، حتى لو كانت موجتان لهما نفس الطول الموجي ، إذا تم إزاحة موجة واحدة للأمام قليلاً بالنسبة إلى الموجة الأخرى ، فلن يتم محاذاة قممها.

يجب أن تكون مرحلة الموجات المختلفة في الحزمة هي نفسها من أجل محاذاة قممها ولكي تكون الحزمة متماسكة طيفيًا. يمكن أن تكون المرحلة المستقرة للحزمة المتماسكة مفيدة جدًا. تميل مرحلة الموجة إلى التحول عندما تتفاعل مع مادة ، لذا فإن استخدام حزمة ذات طور ثابت يسمح لنا بقياس انزياح الطور بسبب المادة ، وبالتالي معرفة شيء ما عن المادة (مثل قياس القطع الناقص).

يجب أن تتحرك الموجات محليًا في نفس الاتجاه (التماسك المكاني)

إذا أخذت موجة تسافر شمالًا وموجة أخرى تسافر شمالًا شرقًا ، فلا يمكن أن تصطف قممها. فقط إذا كان للشعاع موجاته عند كل نقطة تتحرك في نفس الاتجاه ، يمكن أن تصطف القمم. لاحظ أن بعض الناس يعيدون تأكيد هذا المبدأ على أنه "كل أشعة الضوء متوازية".

مثل هذا البيان مفرط في التبسيط إلى حد أن يكون خاطئًا. إذا كان شعاع الضوء المتماسك مثل شعاع الليزر يتكون من حزم متوازية تمامًا ، فلن تنتشر مثل هذه الحزم أثناء انتقالها. في الواقع ، تنتشر الحزم دائمًا بعيدًا عن حركة الخط المستقيم أثناء انتقالها عبر الفضاء (نسميها "الانعراج").

قد لا تلاحظ تباعد شعاع الليزر بالعين المجردة ، لكنه موجود. بدلاً من قول أن جميع أشعة الضوء في حزمة متماسكة متوازية ، فإن البيان الأكثر دقة هو أن مكونات الموجة عند نقطة معينة في الفضاء تكون متوازية في حزمة واحدة متماسكة ، ولكنها ليست متوازية من نقطة إلى نقطة. أيضًا ، إذا كانت موجتان تسافران في اتجاهات مختلفة ، ولكنهما تستوفي جميع المعايير الأخرى لكونهما متماسكين بشكل مشترك ، فإننا نتعامل مع الموجتين على أنهما حزمتان منفصلتان تمامًا ، ويؤدي الجمع بينهما إلى أنماط تداخل.

بالنسبة للحزمة المتماسكة التي لها عرض شعاع كبير جدًا مقارنة بطول موجتها ، يكون الانعراج صغيرًا جدًا ، بحيث تكون جميع الموجات في مواقع مختلفة قريبة جدًا من التوازي. يمكن أن تكون هذه الحزم مفيدة للتوجيه أو المسح (مثل الطباعة بالليزر ، والمسح بالليزر ثلاثي الأبعاد ، ومسح الرمز الشريطي ، والتوجيه بالليزر للصواريخ ، والليدار).

يجب أن تكون الموجات هي نفس الاستقطاب (استقطاب التماسك)

يصف استقطاب الموجة الضوئية الاتجاه في الفضاء الذي يتأرجح فيه مجالها الكهربائي. إذا كان مجالها الكهربائي لموجة ما يتأرجح لأعلى ولأسفل ، وكان مجالها الكهربائي لموجة أخرى يتأرجح من جانب إلى آخر ، فلا يمكن أن تصطف قممها لأن القمم موجودة في اتجاهات مختلفة.

يجب أن يكون لمكونات الموجة المختلفة في شعاع ضوئي مجالاتها الكهربائية التي تشير في نفس الاتجاه من أجل أن تصطف قممها ولكي يكون الشعاع متماسكًا. يعد الضوء المستقطب مفيدًا لأنه يمكننا أن نتعلم شيئًا عن كائن يصطدم به الضوء بالطريقة التي يغير بها الكائن استقطاب الضوء (مثل قياس الاستقطاب).

إذا تم استيفاء جميع المعايير المذكورة أعلاه ، فسيتم محاذاة جميع القمم في كل مكان وستظل متسقة مع تقدم الوقت. لذلك فإن الشعاع متماسك تمامًا. (لاحظ أن التماسك التام مستحيل ماديًا ، لكن العديد من الحزم مثل أشعة الليزر يمكن أن تكون قريبة جدًا من كونها متماسكة تمامًا). الضوء العادي ، مثل الضوء المنبعث من المصباح المتوهج أو من النار ، غير متماسك.

يحتوي الضوء المنبعث من النار على موجات ضوئية مختلفة ليست بنفس التردد ، وليست في طور ، ولا تسير في نفس الاتجاه ، وليست في نفس حالة الاستقطاب.

تركيز الضوء غير المتماسك ، مثل استخدام عدسة زجاجية ، لا يجعل موجات الضوء لها نفس التردد ، أو نفس المرحلة ، أو نفس الاتجاه المحلي ، أو نفس الاستقطاب. لذلك ، فإن تركيز الضوء غير المتماسك لا يجعله متماسكًا مثل شعاع الليزر. يركز الضوء البؤري فقط على طاقة الضوء في منطقة أصغر.

تعد ظاهرة الانبعاث المحفّز في الليزر مفيدة جدًا لأنها تنتج ضوءًا يكون عادةً متماسكًا مؤقتًا وطيفيًا ومكانيًا واستقطابيًا.

يعني الانبعاث المستحث أن الإلكترون في حالة إثارة عندما يأتي القليل من الضوء (الفوتون) ويقرع الإلكترون إلى الحالة غير المستثارة ، مما يتسبب في إصدار جزء آخر من الضوء (فوتون آخر) في هذه العملية.

في عملية إسقاط الإلكترون ، يتسبب الفوتون الأصلي في تماسك الفوتون الجديد معه. تتكرر العملية بطريقة الدومينو. في كل مرة يُضاف فوتون جديد إلى الحزمة يكون متماسكًا مع الفوتونات الأصلية. الانبعاث المستحث ليس غريبًا كما قد يبدو وفي الواقع يحدث قليلاً طوال الوقت.

الجزء الصعب في تصميم ليزر عامل هو الحصول على انبعاث محفز ليكون الطريقة الرئيسية لإثارة الإلكترون. في جزء منتظم من المادة ، غالبًا ما ينفصل الإلكترون المثار عن طريق الاصطدام بالإلكترونات أو الذرات الأخرى ، وبالتالي فقد طاقته للتسخين ، أو عن طريق إصدار القليل من الضوء غير المتماسك تلقائيًا.

لذلك ، فإن تصميم الليزر ينطوي على جعل انتقال الانبعاث المحفّز للإلكترون المثير محتملاً للغاية ، وجعل احتمالات الانتقال الأخرى أقل احتمالية.

لاحظ أن الانبعاث المستحث ليس الطريقة الوحيدة لعمل حزم متماسكة. بالنسبة للموجات عالية التردد مثل الضوء المرئي ، فإن الانبعاث المستحث هو الطريقة الأكثر فعالية لإنشاء حزم متماسكة. ولكن بالنسبة للموجات ذات التردد المنخفض مثل موجات الراديو ، من الأسهل بكثير إنشاء الحزم المتماسكة ببساطة عن طريق دفع تيار كهربائي بموجة جيبية في الهوائي.

الموجات التي يتم إنشاؤها بواسطة هوائي يتم تشغيله على تردد واحد ، مثل تلك التي تحمل بث محطات الراديو ، تكون متماسكة. هذه الموجات الراديوية الإذاعية من الناحية الفنية ليست أشعة ليزر ، لأنها لا تنشأ عن طريق الانبعاث المحفّز ، ولكن لها كل خصائص التماسك المفيدة لحزم الليزر.

إن بندقية سرعة الرادار الخاصة بضابط الشرطة تشبه إلى حد كبير مؤشر الليزر للعرض مما يدركه معظم الناس. كلاهما من الأجهزة المحمولة باليد التي تطلق شعاعًا من الموجات الكهرومغناطيسية المتماسكة. لا أحد يستخدم التركيز لخلق تماسك الشعاع.

1 ملاحظة: أنا شخصياً أجد أن كلمة "تضخيم" في الاسم "تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع" زائدة عن الحاجة. الانبعاث المستحث ، بحكم التعريف ، هو عملية تضخيم.

الأهم من ذلك هو حقيقة أن الانبعاثات المحفزة تؤدي إلى التماسك. قد يكون الاسم الأكثر دقة لليزر "تماسك الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع". لكني أعتقد أن الاختصار "lcser" لا ينحرف عن اللسان كما هو الحال في اختصار "الليزر".

المصدر : wtamu