A simplified explanation of how lasers work Spontaneous emission and stimulated emission

السلام عليكم ورحمه الله وبركاته مرحبا بكم اعزائي المشاهدين والمتابعين لسلسله تبسيط مفاهيم الفيزياء على قناه الفيزياء التعليميه على اليوتيوب في هذه الحلقه الرابعه سوف نستكشف معا عالم الليزر المنهل الليزر ليس مجرد اداء عاديه بل هو ابتكار احدث ثوره في العديد من المجالات مما جعله يلعب دورا محوريا في حياتنا اليوميه ت قات الليزر متنوعه وعديده من اشعه الليزر التي تستخدم في قراءه الباركود للسلع الغذائيه في السوبر ماركت الى استخدام الليزر في النقش والكتابه على مختلف المواد مثل الزجاج والمعادن الى استخدامه ايضا في الجراحات الطبيه الدقيقه التي تنقذ الارواح وصولا الى التطبيقات العسكريه مثل توجيه الصواريخ الذكيه وحتى حرب النجوم الليزر غير العالم من حولنا بطرق لا تحصى هل تسائلتم يوما عن كيف يعمل الليزر كيف يمكن لشعاع ضوء ان يكون بهذه القوه والدقه في هذا الفيديو سوف ناخذكم في رحله عبر مبادئ الفيزياء التي تجعل من هذا الجهاز الرائع ممكنا سنستعرض سويا كيف تحولت فكره اقترحها العالم البرت اينشتاين الى تقنيه تستخدم في كل شيء لنستعد لاستكشاف عالم الليزر المذهل ومعرفه السر وراء هذه الاشعه المبهره والتي تعتبر واحده من اعظم اخراعات القرن العش واصبحت جزءا لا يتجزا من حياتنا اليوميه في البدايه لنبدا من نبذه تاريخيه عن الليزر في عام 1917 اقترح العالم البرت اينشتاين فكره الانبعاث المستحث للفوتونات والتي تعتبر جوهر شعاع الليزر وسنرى بعد قليل ما هي عمليه الانبعاث المستحث هذه وبعد 37 عاما من فكره اينشتاين توصل العالم تشارلز تاونز في عام 1954 لاول جهاز يعرف باسم الميزر لانه كان يعمل في نطاق اشعه الميكروويف وحرف ام هو اول حرف من كلمه مايكروويف ومباشره في العام 1960 طور العالم ثدور ميمان اول جهاز ليزر مصنوع من بلوره الياقوت يعمل في مجال الاشعه تحت الحمراء وحينها لم يتمكن العلماء من اطلاق كلمه ميزر على الجهاز لانه يعمل في نطاق مختلف عن المايكروويف فتم الاتفاق على ان تتحول كلمه مايكروويف لتشمل كل اطياف الاشعه الكهر مسيه وتصبح كلمه ضوء هي معتمده في التسميه والضوء باللغه الانجليزيه كما نعلم هي لايت وحينها استبدل الحرف ام بالحرف ال لتصبح كلمه ليزر هي المعتمده لجهاز تكبير الضوء اما باقي احرف كلمه ليزر فهي جاءت من فكره عمله حيث ان كل حرف من احرف كلمه ليزر يعكس علما واسعا يتطلب شرحه ساعات وساعات ولكن هنا سوف نبسط الامر لكم فكلمه ليزر جاءت من اول حرف من كلمات الجمله التاليه لايت امبلك وتعني باللغه العربيه تكبير الضوء بواسطه الانبعاث المستحث للاشعاع الكهرومغناطيسي والان اعزائنا المشاهدين لماذا يعتبر الليزر مفيدا لماذا هو موجود في كل مكان ما هي الخصائص الفريده التي جعلته مميزا عن مصادر الضوء العاديه يمكني تلخيص الاجابه في ثلاث خصائص يحملها الليزر ساذكرها عليكم باختصار الخاصيه الاولى ضوء الليزر احادي اللون ونطلق عليه باللغ الانجليزيه مصطلح مونو كروماتيك اي ان فوتونات شعاع الليزر لها طول موجي واحد وهذا يعني ان كل فوتونات الليزر تمتلك نفس مقدار الطاقه اما بالنسبه للضوء العادي فكل فوتون له طول موجي يختلف عن الاخر مما يعطيه الضوء الابيض اما بالنسبه للخاصيه الثانيه فهي الاتجاهيه اي دايركشن لتي والتي تعني ان ضوء الليزر له اتجاه محدد وينطلق في خط مستقيم يمكن ان يصل شعاع الليزر الى القمر ويبقى محافظا على تماسكه وهذا بخلاف الضوء العادي الذي ينتشر في كل مكان ويملا الفراغ مما يعني ان فوتونات الضوء العادي تنطلق بشكل عشوائي في حين ان فوتونات اشعه الليزر تحافظ على تماسكها وترابطها لمسافات كبير الخاصيه الثالثه وهي ان فوتونات شعاع الليزر متزامنه اي ان لها خاصيه تعرف باسم كهير انتت ونعني بالتزامن هنا ان جميع فوتونات شعاع الليزر لها نفس الط وهذا يجعل شده الضوء كبيره لانها متناغمه مع بعضها البعض وكل فوتون يتداخل مع الاخر تداخلا بناء على خلاف فوتونات الضوء العادي الذي لا يحافظ على اي علاقه تزامن بين فوتونات فتتداخل تداخل من هداما مما يجعل شده الضوء العادي اقل هذه الخصائص الثلاثه مجتمعه مع بعضها البعض جعلت من شعاع الليزر متميزا عن اي ضوء عادي دعونا الان نلقي نظره على الانبعاث المتحد هذه العمليه التي اكسر ضد خصائص الليزر في البدايه دعوني اطرح عليكم التساؤل التالي ما هو المصدر الرئيسي لاي ضوء اتمنى منكم الان ايقاف الفيديو والتفكير في الاجابه ان اي مصدر ضوء فكرت فيه على سبيل المثال مصباحا عاديا او مصباح ليد او حتى اشعه الشمس فان المصدر الرئيسي للضوء الصادر عنها هو اثاره الكترونات الذروه ماذا يعني هذا وما علاقته بالليزر صدر الضوء من خلال عمليتي الامتصاص والانبعاث وفي عمليه الامتصاص تثار الالكترونات لمستويات طاقه اعلى من مستوى الطاقه الارضي وبعد مرور فتره قصيره من الزمن يحدث الانبعاث وهنا نسميه انبعاثا تلقائيا ولكن هذا لم يعجب اينشتاين وذكر انه يجب ان تكون هنالك عمليه اخرى لعوده الالكترون المثار من مستوى الطاقه الاعلى الى مستوى الطاقه الارضي من خلال عمليه تسمى الانبعاث الاستحثاث وهي اساس الليزر لنوضح هذا الامر بشكل من التفصيل ونبدا بعمليه الامتصاص لدينا هنا نواه لاحد الذرات تحتوي على نيوترونات وبروتونات وحول هذه النواه يوجد الكترون في مستوى طاقه محدد كما هو موضح في نموذج بور يمكن ان تكون الذرات في مستويات طاقه منخفضه او مستويات طاقه عاليه اعتمادا على الطاقه التي تمتلكها كل ذره لها حاله ارضيه تكون مستقره وحاله مثار تكون غير مستقره اذا توفر فوتون يحمل طاقه تعادل فرق الطاقه ما بين مستويات الذره اي واحد واي اين على سبيل المثال فان الذره ستمتص الطاقه من الفوتون وتنتقل الى الحاله المثاره هذه هي عمليه الامتصاص ونطلق عليها احيانا امتصاص مستحث لان الالكترون لم ينتقل ال مستوى الطاقه الاعلى من تلقاء نفسه الان ننتقل الى العمليه التاليه التي تلي عمليه اختصاص وهي عمليه الانبعاث التلقائي حيث يعود الالكترون من المستوى المثار الى المستوى الارضي من تلقائي نفسه بعد مرور فتره زمنيه محدده تعرف باسم عمر مستوى الطاقه نعم مستوى الطاقه له عمر وهو الفتره الزمنيه التي يبقى فيها الالكترون في حاله الاثاره والتي تقدر بنحو 100 نانو ثانيه وبعد انقضاء هذه الفتره الزمنيه يعود الالكترون المثار الى الحاله الارضيه ويحرر الط الطاقه التي اكتسبها في صوره فوتون تساوي فرق الطاقه بين المستويين اي اين ناقص اي واح ولا يوجد اي خيو على اتجاه او طور هذا الفوتون بالنسبه للفوتونات الاخرى التي تحررت من الذرات المجاوره وهذا هو مصدر الضوء العادي اي ان الضوء العادي جاء من عمليه الانبعاث التلقائي للذرات المثاره وهنا اقول ذرات مثاره او الكترونات مثاره وهي مصطلحات لها نفس المعنى فاثار الكترون الذره يجعل الذره غير مستقره و يمكن ان نقول ذره مثاره ايضا اما عمليه الانبعاث الاستحثاث والتي توقع بحدوثها اشتاين ولكن لم يكن احد قد رصدها هي عمليه العكسيه لعمليه الامتصاص اي ان الالكترون يجب ان يبقى في مستوى الاثاره لحين ان يستحث فوتون اخر لينتقل من المستوى المثار الى المستوى الارضي وكان العلماء يعتقدون سابقا ان عمليه الانبعاث التلقائي هي العمليه العكسيه الوحيده لعمليه الامتصاص الا ان اينشتاين كان له وجهه نظر اخرى وهي طالما ان الامتصاص قد حدث بفعل مؤثر خارجي فان الانبعاث يمكن ان يحدث بفعل مؤثر خارجي ايضا وعندما تبين العلماء بعد مرور 37 عاما عن توقع اينشتاين بوجود مستويات طاقه لها عمر كبير يصل الى 1000 مره اكبر من عمر مستويات الطاقه العاديه والتي تعرف الان باسم متا ستيت فان الالكترون المثار يبقى في حاله الاثاره ينتظر الى ان يتوفر فوتون يحمل طاقه تعادل فرق مستويات الطاقه فيستحي هذا الفوتون الالكترون المثار للانتقال الى مستوى الارض وحينها يتحرر فوتون اخر له نفس خصائص الفوتون الاول من الناحيه الاتجاه والطور والطاقه وبالتالي تمكنا من تكبير الفوتون ليصبح لدينا فوتون ومع تكرار عمليه الانبعاث المستحث لباقي الذرات يصبح لدي الكثير من الفوتونات والتي تحمل نفس الخصائص التي ذكرناها سابقا هذا هو الفرق الرئيسي بين الانبعاث التلقائي والانبعاث المستحث الفوتون المنبعث في الانبعاث التلقائي يمكن ان يذهب في اي اتجاه عشوائي بينما الفوتون في الانبعاث المستحث سيسافر في اتجاه الفوتون الساقط هذه هي الميزه الاساسيه لليزر ولتعزيز عمليه الانبعاث الاستحثاث للحصول على مصدر ليزر علينا ان نختار ماده سواء كانت غازيه او سائله او صلبه تمتلك مستويات طاقه ذات عر كبير وعلينا ان نقوم باثار ذرات هذه الماده في عمليه تعرف باسم انقلاب التعداد اي ان تصبح عدد ذرات المثاره اكبر من عدد الذرات الغير مثاره وتتم هذه العمليه بواسطه اثاره خارجيه قد يكون من مصدر طاقه كهربائيه الكترونيه او ضوئيه وتعرف بعمليه البين او الضخ وحدوث عمليه انقلاب التعداد في الذرات هي تماما مثل قيامك بضخ الماء من الخزان الارضي الى خزان فوق المنزل يضاف على جانبي ماده الليزر مراتين احدهما تعكس الاشعاع بنسبه 100% والاخرى تعكس الاشعاع بنسبه اقل قد تكون 99% وتعمل المراتين على تعزيز حدوث عمليه الانبعاث الاستحداث فوظيفة شده الفوتونات في ماده الليزر الى قيمه معينه تستطيع ان تخرج من المراه الاقل عاكسيه في صوره شعاع ليزر اذا اي جهاز ليزر يتكون من ماده الليزر التي يحدث فيها عمليه الانبعاث المستحث وقد تكون هذه الماده في صوره غازيه او سائل او صلبه والتي توفر مستويات الطاقه لهذه الماده التي تحدد الطول الموجي لشعاع الليزر يضاف الى ماده الليزر وسيله ضخ اللي تعمل على عمليه انقلاب التعداد ومرايا تعزيز عمليه الانبعاث المستحث هذه الاجزاء الثلاثه هي التي تشكل اي جهاز ليزر وفي نهايه هذا الفيديو اتمنى ان اكون قد تمكنت من توضيح اختلاف الضوء العادي عن ضوء الليزر وكيف لخصائص الليزر الفريده جعلت منه جهازا له تطبيقات واسعه اتمنى ان اكون قد قدمت لكم معلومه مفيده وان كنتم قد وصلتم الى هذه النقطه فانا احييكم على حبكم للعلم واتمنى منكم الاعجاب والتعليق والمشاركه و الانضمام لعضويه هذه القناه ليصلكم كل جديد وحتى نلتقي في الحلقه القادمه استودعكم الله والسلام عليكم ورحمه الله وبركاته