فيديو الدرس: خواص ضوء الليزر الفيزياء

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نصف خواص ضوء الليزر، ونستخدم المصطلحات التقنية للإشارة إلى هذه الخواص.

١٩:٢٢

‏نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتناول خواص ضوء الليزر. كما سنرى، الضوء الصادر من أجهزة الليزر لا يشبه الضوء الصادر من مصادر أخرى، مثل المصابيح الكهربية أو حتى الشمس. وفي هذا الدرس، سنحدد خواص ضوء الليزر التي تجعله متفردًا، ونصفها.

كنقطة مرجعية للضوء الصادر من جهاز الليزر، لنبدأ بالتفكير في الضوء الصادر من مصدر أكثر شيوعًا، وليكن هذا المصباح الكهربي المتوهج مثلًا. إذا استطعنا دراسة كل الفوتونات التي تنبعث من هذا المصباح بشكل منفصل، فسنلاحظ أن لها أطوالًا موجية متفاوتة. على سبيل المثال، هذا الفوتون هنا طوله الموجي أطول من هذا الفوتون هنا. وبعض الفوتونات، مثل هذا الفوتون هنا وهذا الفوتون هنا، ليس لها طول موجي محدد. وفضلًا عن ذلك، تتحرك كل هذه الفوتونات في اتجاهات مختلفة. وهكذا فإن الضوء الصادر من هذا المصباح يتفاوت في التردد. كما يتفاوت في الطور والاتجاه.

إذا قارنا هذا الضوء بالضوء الصادر من جهاز ليزر، بافتراض أن هذا هو مصدر ضوء الليزر وهذا هو الليزر الأحمر، فسنلاحظ أن هذه الفوتونات لها التردد نفسه، والطور نفسه، وتتحرك أيضًا في الاتجاه نفسه، وذلك على عكس الضوء الصادر من المصباح الكهربي. ويوصف الضوء الذي يظهر هذا السلوك بأنه ضوء مترابط، وهذه إحدى العلامات المميزة لضوء الليزر. إحدى طرق توضيح الفرق بين الإشعاع المترابط والإشعاع غير المترابط، وهو الضوء الصادر من المصباح الكهربي المتوهج، هي رسم تمثيل بياني لشدة الضوء الصادر من مصدر ما مقابل الطول الموجي لذلك الإشعاع.

إذا رسمنا تمثيلًا بيانيًا لشدة الضوء مقابل الطول الموجي للضوء الصادر من المصباح، فسيبدو كهذا المنحنى، كما نرى، عريضًا إلى حد ما. وهذه إشارة إلى جميع الأطوال الموجية المختلفة التي تشكل هذا الضوء. من ناحية أخرى، قد يبدو منحنى شدة الضوء الصادر من الليزر مقابل طوله الموجي على هذا النحو. لاحظ أن أقصى شدة للضوء تكون أعلى بكثير، كما أن هذا الضوء محصور في نطاق أصغر بكثير من الأطوال الموجية. إذا كان الضوء الصادر من جهاز الليزر له بالفعل الطول الموجي نفسه، فإن عرض منحنى شدة الضوء مقابل الطول الموجي سيساوي صفرًا. وسينضغط في صورة خط عمودي.

لكن أنظمة الليزر الحقيقية ليست أحادية اللون تمامًا. بعبارة أخرى، لا تصدر ضوءًا عند طول موجي واحد محدد، وإنما على نطاق من الأطوال الموجية كما نرى هنا. لكن هذا النطاق صغير جدًا مقارنة بمعظم المصادر الشائعة الأخرى للضوء، فنقول عادة إن أجهزة الليزر تصدر إشعاعًا أحادي اللون. ونحن نستخدم هذا المصطلح واضعين في الاعتبار أنه يعني حقًا، في هذه الحالة، أن الإشعاع يكون في نطاق ضيق جدًا من الأطوال الموجية. إذن، فإن الضوء الصادر من جهاز ليزر يكون ضوءًا مترابطًا، فضلًا عن كونه أحادي اللون. وهذا يختلف عن الإشعاع الصادر من المصباح الكهربي، الذي يكون غير مترابط، ويتضمن، كما رأينا، نطاقًا من الأطوال الموجية، ومن ثم فهو ليس أحادي اللون.

ثم بعد ذلك، إذا نظرنا إلى شعاع ضوء صادر من هذين المصدرين، فسنتعرف على المزيد من خواص ضوء الليزر. إذا حذفنا التمثيل البياني ثم تخيلنا الإشعاع الصادر من كل من هذين المصدرين وهو يواصل الحركة عبر الفراغ، فسنرى أن الضوء الصادر من المصباح الكهربي سيتشتت أثناء تحركه مبتعدًا عن هذا المصدر، في حين يظل ضوء الليزر مقيدًا في حزمة ضيقة. تتمثل إحدى طرق فهم هذا الفرق في تخيل سلسلة من أشعة الضوء تصدر من المصباح الكهربي عند النقطة التي رسمناها كبداية لحزمة الضوء هذه الآخذة في الاتساع.

عندما ننظر إلى كل هذه الأشعة المختلفة التي رسمناها، يمكننا أن نرى أن كل واحد منها يتحرك في اتجاه فردي خاص به. وهكذا، إذا مددنا كل شعاع من الأشعة قليلًا، فسنلاحظ أنه نظرًا لحركة هذه الأشعة في كل هذه الاتجاهات المختلفة، تصبح حزمة الضوء هذه أكثر اتساعًا مع تحرك الأشعة بعيدًا عن المصدر. وسبب حدوث ذلك هو عدم تحرك كل أشعة الضوء هذه من الأساس في الاتجاه نفسه.

وهذا يختلف اختلافًا كبيرًا عن الضوء الصادر من جهاز الليزر. هذا الضوء موجه بالكامل في الاتجاه نفسه منذ بداية انبعاثه. وهذا يعني أنه إذا عرضنا كل شعاع من الأشعة الموجودة في هذه الحزمة الأوسع على حدة، فسنجد أن هذه الأشعة موازية لبعضها البعض. عندما تكون حزمة الضوء بهذه الطريقة، نقول إنها حزمة ضوئية متوازية. ولا يتغير عرض الحزمة المتوازية تمامًا عندما تتحرك الحزمة. ولهذا، بينما يصدر المصباح الكهربي المتوهج حزمة متزايدة الاتساع، يمكننا تمثيل الضوء الصادر من مصدر الليزر في صورة خط مستقيم. وهذا لأن الفوتونات المنفردة تتحرك في الاتجاه نفسه.

ثمة خاصية أخيرة لضوء الليزر يمكننا تناولها الآن. ولتوضيح هذه الخاصية، بدلًا من مقارنة الضوء الصادر من المصباح الكهربي والضوء الصادر من الليزر الأحمر، دعونا نقل الآن إننا نقارن الضوء المنبعث من جهازي ليزر مختلفين، أحدهما يصدر ضوءًا أخضر والآخر هو الليزر الأحمر الأصلي. من منظورنا، نرى كلا شعاعي الليزر من هذا الجانب هكذا. إذن فنحن نرى شعاعي الليزر من الجانب بينما يتحركان عموديًا بالنسبة إلينا. ولاحظ أنه بالنسبة إلى الليزر الأحمر، نرى شعاعًا أحمر ثابتًا ومتصلًا. بينما بالنسبة لليزر الأخضر، فإننا نرى بضع نقاط من الضوء. يرجع الفرق بين مظهر شعاعي الليزر إلى ما يسمى بالتشتت.

لننظر مرة أخرى إلى شعاع الليزر الأحمر. كما ذكرنا، فإنه نظرًا لأن هذا الشعاع يتكون من ضوء صادر من جهاز ليزر، فإن هذا الضوء كله يتحرك في الاتجاه نفسه، على الأقل في البداية. وإذا بقي الضوء على هذا النحو، أي إذا تحرك دائمًا من اليسار إلى اليمين كما رسمناه، فإن أعيننا لن تكون قادرة على رؤية أي من أجزاء هذا الشعاع. الطريقة الوحيدة التي يمكننا بها رؤيته هي إذا تشتتت بعض الفوتونات الموجودة في الشعاع، أي إذا ارتدت بعد اصطدامها بجسم ما في مسارها، مثل جزيء هواء. فلا تصل إلى أعيننا إلا هذه الفوتونات المشتتة، إذا تشتتت بالزاوية المناسبة، وبذلك تتيح لنا رؤية المسار الذي يسلكه شعاع الليزر هذا.

ونظرًا لأن أعيننا قادرة على رؤية هذا الشعاع بأكمله، فهذا يعني حدوث الكثير من التشتت. يشير هذا إلى وجود الكثير من الجسيمات المشتتة في مسار الشعاع. ويمكننا تخيل هذا الأمر من خلال أخذ زجاجة مزودة ببخاخ، على سبيل المثال، وبخ قطرات من الماء في الهواء الذي يمر خلاله شعاع الليزر. وبذلك نضع الكثير من الأجسام المشتتة، وهي جزيئات الماء، في مسار الشعاع. وهكذا، يتشتت المزيد من ضوء الليزر حول هذه الأجسام، ويصل إلى أعيننا، وهو ما يجعل الشعاع مرئيًا.

بمقارنة هذا بالضوء الذي نراه من شعاع الليزر الأخضر، يمكننا القول إنه مقارنة بالشعاع الأحمر، هذا الضوء مشتت بدرجة أقل بكثير. فعند بعض النقاط فقط على طول مسار الشعاع، حيث توجد هذه النقاط الخضراء، يتشتت ضوء الليزر في الشعاع ويصل إلى أعيننا. وعند النقاط الأخرى على طول مسار الشعاع، لا يصل الضوء إلى أعيننا، وهذا إذا كان مشتتًا من الأساس، وهو ما يشير بشكل عام إلى حدوث تشتت قليل نسبيًا.

جدير بالذكر هنا أنه من الممكن أن يكون الضوء الصادر من جهاز الليزر غير مرئي بالكامل عند النظر إليه من الجانب، بالرغم من تعرض ضوء الليزر لقدر كبير من التشتت. وقد يكون تفسير ذلك ببساطة هو أن جهاز الليزر يصدر ضوءًا غير مرئي لأعيننا. إذن يمكننا تحديد مقدار تشتت شعاع الليزر عند النظر إليه من الجانب في حالة الأطوال الموجية المرئية فقط من الإشعاع، مثل الضوء الأخضر والضوء الأحمر. بعد معرفة كل ذلك عن خواص ضوء الليزر، لنتدرب قليلًا الآن من خلال مثال.

يمثل الشكل محصلة الشكل الموجي للموجات المنبعثة من مصدر ضوء ليزر. أي من الشكلين الآتيين يمثل بصورة صحيحة مجموعة الموجات المنبعثة من مصدر ضوء الليزر؟

حسنًا، المقصود بالشكل المذكور في السؤال هو الشكل الموجي الذي نراه هنا باللون الأرجواني. ويخبرنا السؤال أن هذا هو الشكل الموجي الناتج عن جمع سلسلة من الموجات المنبعثة من مصدر ضوء ليزر. يحدثنا السؤال بعد ذلك عن هذين الشكلين الآخرين؛ واحد واثنين، اللذين يوضحان مجموعتين مختلفتين من الموجات. نعرف من المعطيات أن إحدى هاتين المجموعتين تمثل بشكل صحيح الموجات المنبعثة من مصدر الليزر.

لذا، يمكننا صياغة السؤال بهذه الطريقة. عندما نجمع الموجات الموضحة في المجموعة واحد، ونجمع الموجات الموضحة في المجموعة اثنين، أي منهما تنتج عنه الموجة أرجوانية اللون الموضحة هنا؟ يمكننا الإجابة عن هذا السؤال بالنظر عن قرب إلى هذا الشكل الموجي. لاحظ أن الطول الموجي متسق ومنتظم للغاية على طول الشكل الموجي. فضلًا عن ذلك، فإن إزاحة الموجة عن موضع الاتزان تقطع دورات متساوية للغاية. فالموجة تصل دائمًا إلى القيمة العظمى نفسها هنا وهنا وهنا، وهكذا، وكذلك إلى القيم الصغرى نفسها هنا وهنا وهنا، وهكذا.

إذا جمعنا سلسلة من الموجات لتكوين هذه الموجة الناتجة، يجب أن تكون هذه الموجات المنفردة متشابهة إلى حد كبير. فعلى سبيل المثال، يجب أن يكون لها الطول الموجي نفسه. وهذا يؤدي إلى أن يكون لهذه الموجة الناتجة الطول الموجي نفسه دائمًا. وأيضًا يجب أن يحاذي كل منها الآخر بحيث تكون جميع القمم على استقامة واحدة، وجميع القيعان على استقامة واحدة. بعبارة أخرى، يجب أن يساوي فرق الطور بين هذه الموجات صفرًا، أو أن تكون متفقة في الطور مع بعضها البعض.

بمعلومية ذلك، عندما نقارن بين الموجات في الشكل واحد والموجات في الشكل اثنين، نلاحظ أن الموجات في الشكل واحد تستوفي الشروط. فهي متفقة في الطور، ولها الطول الموجي نفسه دائمًا، في حين أن الموجات في الشكل اثنين متباينة الطور من اليسار إلى اليمين ولها أيضًا أطوال موجية مختلفة عن بعضها البعض. من الصعب التنبؤ بدقة بناتج جمع كل هذه الموجات معًا. ولكن يمكننا أن نكون على يقين من أنه لن يكون منتظمًا ومرتبًا مثل هذا الشكل الموجي الناتج. فيتطلب الحصول على مثل هذا الناتج المنتظم جدًا تجميع موجات متشابهة للغاية معًا.

وبذلك، نجد أن الموجات التي في الشكل واحد تمثل بشكل صحيح مجموعة الموجات المنبعثة عن مصدر ضوء الليزر هذا.

لنلق نظرة الآن على مثال آخر.

يوضح التمثيل البياني كيفية تغير شدة الخرج لمصدري ضوء بتغير الطول الموجي للضوء المنبعث منهما. كلا المصدرين يبعثان الضوء بأقصى شدة عند نفس الطول الموجي المناظر للقمة، وينخفض الخرج كلما تغير الطول الموجي عن الطول الموجي المناظر للقمة. أي منحنى ملون يمثل الضوء المنبعث من مصدر ضوء غير مترابط؟ أي منحنى ملون يمثل مصدر ضوء أحادي اللون؟

يشير هذان السؤالان إلى التمثيل البياني الذي نراه؛ حيث تظهر الشدة بوحدة الوات لكل متر مربع مقابل الطول الموجي بوحدة النانومتر. يوضح التمثيل البياني هنا في الأساس مقدار الضوء الصادر من مصدرين مختلفين وفقًا لكل طول موجي لهذا المصدر. إذن، على سبيل المثال، عند قيمة الطول الموجي هذه هنا، أيًا كانت هذه القيمة، يبعث كلا المصدرين الضوء بأقصى شدة لهما. ومن ثم، كما هو موضح في السؤال، عند الابتعاد عن هذا الطول الموجي، تنخفض شدة الضوء الصادر من كلا المصدرين.

لكننا نلاحظ أن هذا الانخفاض يحدث بسرعة أكبر عند هذا الخط الأحمر؛ حيث تنخفض الشدة بسرعة كبيرة عندما نتحرك بعيدًا عن هذا الطول الموجي، مقارنة بشدة الخط الموضح باللون الأزرق. وهو ينخفض في النهاية إلى صفر أيضًا، لكن ليس بنفس سرعة الخط الأحمر. نستنتج من هذا أنه يمكننا القول إن نطاق انتشار الطول الموجي في الخط الأزرق أكبر من نطاق انتشاره في الخط الأحمر. والمصدر الصادر عنه الضوء المشار إلى العلاقة بين شدته وطوله الموجي بالخط الأزرق يبعث الضوء عند عدد أكبر من الأطوال الموجية، مقارنة بالمصدر المشار إلى الضوء الصادر عنه بهذا الخط الأحمر.

السؤال الأول لدينا هو: أي منحنى ملون يمثل الضوء المنبعث من مصدر ضوء غير مترابط؟ دعونا نفرغ بعض المساحة على الشاشة ونتذكر ما يعنيه هذا المصطلح. الضوء غير المترابط هو، بطبيعة الحال، عكس الإشعاع المترابط. إحدى خواص الضوء المترابط هي أنه يتكون من فوتونات لها جميعًا الطول الموجي نفسه. لذا، على سبيل المثال، إذا كان لدينا موجتان من الضوء بهذا الشكل، أي لهما الطول الموجي نفسه، ومتفقتان أيضًا في الطور كما هو موضح في الرسم، يمكننا القول إن هاتين الموجتين مترابطتان.

كل هذا لنصل إلى أنه عندما نتحدث عن الضوء الصادر من مصدر غير مترابط، لا نقول إن هذا الضوء له كله الطول الموجي نفسه، كما هو الحال مع الضوء المترابط. فالضوء الصادر من مصدر غير مترابط ينبعث عبر نطاق من الأطوال الموجية. وبالنظر إلى التمثيل البياني، نرى أن الخط الأزرق يتفق مع هذا. يشير هذا الخط أيضًا، كما رأينا، إلى الضوء الموجود عبر نطاق واسع نسبيًا من الأطوال الموجية. ولهذا السبب، نقول إن المنحنى الأزرق هو الذي يمثل الضوء المنبعث من مصدر غير مترابط. تتميز المصادر غير المترابطة بانتشارها على نطاق واسع من الطول الموجي أو التردد.

الجزء الثاني من السؤال هو: أي منحنى ملون يمثل مصدر ضوء أحادي اللون؟ بالنظر إلى التمثيل البياني مرة أخرى، يمكننا رؤية الإجابة في الحال. ينتشر المنحنى الأحمر عبر نطاق أضيق من الأطوال الموجية، ولذلك فهو أقرب إلى أن يكون أحادي اللون مقارنة بنظيره الأزرق. إذن، المنحنى الأحمر هو الذي يمثل مصدر ضوء أحادي اللون.

لنلخص الآن ما تعلمناه عن خواص ضوء الليزر. في هذا الدرس، درسنا الخواص المميزة لضوء الليزر. ومن هذه الخواص أن ضوء الليزر إشعاع مترابط. بعبارة أخرى، الفوتونات الموجودة في شعاع الليزر لها الطول الموجي نفسه والطور نفسه. بالإضافة إلى ذلك، فإن ضوء الليزر أحادي اللون تقريبًا. هذا يعني أن نطاق انتشار الطول الموجي لضوء الليزر أو نطاق انتشار تردده صغير للغاية.

توصف أشعة الليزر بأنها متوازية. يشير هذا إلى أن الفوتونات في تلك الأشعة تتحرك في الاتجاه نفسه، موازية بعضها لبعض. وهذا يفسر التفرق أو الانتشار الضئيل للغاية في الحزمة بينما ينتشر ضوء الليزر عبر الفراغ. وأخيرًا، عرفنا أن أشعة الليزر يمكن أن تتشتت بطرق مختلفة، وكلما ازداد تشتت شعاع الليزر، صار مرئيًا أكثر للعين. وهذا ملخص لخواص ضوء الليزر.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.