1. الفيزياء
CHAPTER (3)
LASER

2. Lesson Objectives:
 By the end of this chapter, a student will be able to :
1-Name the Lasers (A new light source).
2-Find Types of Lasers (A new light source).
3-Calculate the Spring Force.
4-Classify Principles Of Laser Action.
5-Recognize Low Level Laser Therapy.
6- Find Causes Of Laser Accidents & General Safety Practices.

3. Things you need to know
Before studying about lasers, you must be familiar with basic terms used to describe electromagnetic waves: Wavelength (λ) Frequency (f) Period (T) Velocity of light ( c ) Index of refraction (n)

4. Wavelength (λ)
It is the distance between two points on the wave, which have the same phase

5. Number of complete cycles in one second (Hertz).
Frequency(f)
Number of complete cycles in one second (Hertz).
c = v * f

6. Periodic time (T)
Time required making one complete cycle (S).

7. Speed of the light
c = 300,000 [km/sec] = 3*10 8 [m/sec] = 186,000 [miles/sec]

8. Laser
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

9. laser
الليزر هو تضخيم شدة الضوء بواسطة الانبعاث الأشعاعي وتعني تضخيم الضوء بإلأنبعاث المستحث) عبارة عن حزمة ضوئية ذات فوتونات تشترك في ترددها وتتطابق بحيث تحدث ظاهرة التداخل البناء بين موجاتها لتتحول إلى نبضة ضوئية ذات طاقة عالية نسبيا. الإشعاع المستحث هو انبعاث أشعة ضوئية نتيجة لإقتراب فوتون من ألكترون في مستوى طاقة عالي.

10. laser
1-A laser is a device that emits light (electromagnetic radiation) through a process called stimulated emission. 2-The term laser is an acronym for light amplification by stimulated emission of radiation. 3-Lasers used in research, medicine, industrial, commercial applications.

11. laser

12. laser 1-Monochromatic (one color or wavelength)
Lasers (A new light source).
1-Monochromatic (one color or wavelength)
النقاء الطيفي أحادي اللون (لون واحد أو الطول الموجي)

13. Laser beam is monochromatic

14. وبحيود كبير كما في الشكل التالي.
Laser beam is coherent

15. laser
2-A highly directional beam with low divergence. شدة الشعاع وقلة التشتت

16. laser
3-Capable of being focused into a very small spot. قادرة على أن تركز في بقعة صغيرة جدا 4-Capable of producing short bursts of light of very high intensity (in less than a trillionth of a second). قادرة على إنتاج رشقات نارية قصيرة من ضوء كثافة عالية جدا (في أقل من تريليون من الثانية)

17. 3:Types of Lasers (A new light source).
3-1:Lasers can be described by 1-The electromagnetic spectrum is (Infrared, Visible Spectrum ,Ultraviolet) 2-The length of time the beam is active: (Continuous Wave (CW),Pulsed,Ultra-short Pulsed represented)

18. 3:Types of Lasers (A new light source).
3-2:Types of Lasers. Solid lasers Gas lasers Semiconductor (Diode) Liquid (Dye)

19. laser
قَالَ الَّذِي عِندَهُ عِلْمٌ مِّنَ الْكِتَابِ أَنَا آتِيكَ بِهِ قَبْلَ أَن يَرْتَدَّ إِلَيْكَ طَرْفُك

20. كل مستوى من مستويات الطاقة يتم ترتيبها تصاعديا بدأ من أقرب المستويات للنواة والذي يرقم برقم 1 ويمكن لكل مستوى أن يمتلئ بعدد معين من الإلكترونات :
 المستوى الأول :K تشبع 2 إلكترون
المستوى الثاني :L تشبع 8 إلكترون
المستوى الثالث:M تشبع 8 إلكترون
المستوى الرابع :N تشبع 32 إلكترون

21. 4:Principles Of Laser Action
The basic principle of the laser, as the name ”light amplification by stimulated emission of radiation” indicates, is based on stimulated emission from a higher level f to a lower level i (not necessarily the ground state)

23. 4:Principles Of Laser Action.
1:Spontaneous Emission 2:Stimulated Emission 3:Amplification by Stimulated Emission. 4:Population Inversion 5:The Resonator

24. spontaneous emission
1-when an electron is in an excited energy state, it must decay to a lower level, giving a photon of radiation.
2-The photons is emitted in a random direction and a random phase.
3-The average time is takes for the electron to decay is called the time constant for spontaneous emission, and is represented by τ.
هو انطلاق اشعاع من الذرة المثارة عند انتقالها من مستوى طاقة اعلى الى مستوى طاقة اقل بعد انتهاء فترة العمر تلقائيا وبدون تدخل خارجي(الفوتون كم من الطاقة مركز لة كتلة وكمية حركة ولة طول موجى ويتحرك بسرعة الضوء)

26. stimulated emission
1-if an electron is in energy state E2, and its decay path is to E1, 2-a photon happens to pass by whose energy is approximately E2- E1, there is a probability that the passing photon will cause the electron to decay . 3-a photons is emitted at the exactly the same wavelength, in exactly the same direction, and with exactly the same phase هو انطلاق اشعاع من الذرة المثارة نتيجة اصطدمها بفوتون خارجي لة نفس طاقة الفوتون المسبب لأثارتها لتخرج في النهاية فوتونات لها نفس الطور والأتجاة والتردد

28. Story problems Example .(1):
The visible spectrum wavelength range is: [mm] ( [nm]). The wavelength of the violet light is the shortest, and the wavelength of the red light is the longest. Calculate:
a) What is the frequency range of the visible spectrum?
b) What is the amount of the photon’s energy associated with the violet light, compared to the photon energy of the red light?

29. The frequency of red light:
The frequency of violet light:
The frequency of red light:

30. The difference in frequencies:
The energy of a violet photon:

31. The energy of a red photon:
The difference in energies between the violet photon and the red photon is:
2.15*10-19 [J].

33. Amplification by Stimulated Emission
1-if τ is very long. causing stimulated emission of a coherent photon 2-these two photons then interact with the next 2 atoms in line, and the results is 4 coherent photons. At the end we have 11 coherent photons, 3-identical phases and the same direction.

34. التضخيم بواسطة الانبعاث المستحث
ونحن نفترض أن τ طويلة جدا، وذلك لاحتمال الانبعاث المستحث هو 100 في المئة. والواردة (تحفيز) الفوتون يتفاعل مع ذرة الأولى، مما تسبب بنكوين فوتون متماسك، وهذه الفوتونات 2 ثم تتفاعل مع ذرات، والنتائج هو 4 فوتونات متماسكة. في النهاية لدينا 11 الفوتونات متماسك،

35. Population Inversion
1-not all of the atoms are usually in an excited state. 2-Boltzmann’s principle, states that, when a collection of atoms is at thermal equilibrium, the relative population of any two energy levels is given by: N1 = exp (-E2-E1) N2 KT

36. Where: N2 and N1 are the populations of the upper and lower energy states T is the equilibrium temperature, K is the Boltzmann’s constant

37. سكان انقلاب
• ثابت بولتزمان (k or kB) هو أحد الثوابت الفيزيائية وهو يعطي العلاقة بين طاقة الجزيء أو الذرة في الحالة الغازية ودرجة الحرارة.

38. حيث N2 و N1 هم سكان ولايتي طاقة العلوي والسفلي، على التوالي، T هي درجة الحرارة التوازن، و k هو ثابت في بولتزمان. • وبالنسبة لعدد السكان الطبيعي من ذرات، وسيكون هناك دائما المزيد من الذرات في انخفاض مستويات الطاقة التي هم في الأعلى. منذ احتمال للذرة الفردية لامتصاص الفوتون هو نفس احتمال ذرة مثارة لينبعث فوتون عن طريق الانبعاث المستحث، فإن مجموعة من الذرات الحقيقي سيكون لامتصاص صاف، وليس باعث الصافية، والتضخيم لن يكون ممكن. • وبناء على ذلك، لجعل ليزر، لدينا لإنشاء "انقلاب السكان".

39. 4-5:The Resonator
This is the resonator, a system of mirrors that reflects undesirable (off-axis) photons out of the system and reflects the desirable (on-axis) photons back into the excited population where they can continue to be amplified.

40. 5:Laser Hazard Classes
1-Class 1 - “safe” (CD-ROM players/drives) 2-Class 2/2a -eye hazard (supermarket scanners) 3-Class 3a - eye hazard (laser pointers) 4-Class 3b -eye hazard (research) 5-Class 4 - eye hazard (research, manufacturing).

41. 5:Laser Hazard Classes

42. 6:Low Level Laser Therapy
6-1:Anti-inflammatory effects. 1-Enhance lymphatic drainage. 2-Reduces swelling 3-Reduces mucous it is after irradiation and chemotherapy 4-Reduces lymph edema.

43. تأثيرات مضادة للالتهاب: • تعزيز التصريف اللمفاوي
تأثيرات مضادة للالتهاب: • تعزيز التصريف اللمفاوي. • يقلل من تورم (ارتشاف ورم دموي) • يقلل من التهاب الغشاء المخاطي بعد التشعيع والعلاج الكيميائي • يقلل من الوذمة بعد العملية الجراحية.

44. 6:Low Level Laser Therapy
6-2:Analgesic (pain reduction) effects. 1-Increases ATP production 2-Relaxation of muscle tension 4-Reduces degenerative process on central nervous system. 5-Accelerates neo-visualization.

45. المسكن (الحد من الألم) الآثار: • يزيد من انتاج ATP • تخفيف حدة التوتر في العضلات ويخفف الألم الضغط. • تفعيل الوخز بالإبر • يقلل من عملية التنبية في الجهاز العصبي المركزي. • يسرع التجدد للأوعية الدموية.

46. 6:Low Level Laser Therapy
6-3:Laser therapy as a healing stimulus.
1-Laser can strengthen damaged cells.
2-Using photochemical processes, laser light inserts biophotons into damaged cells.
3-The cells begin to produce energy (ATP), which improve their function, assists their division and strengthens the body's immune system.

47. 4-The tissues are healed and pain disappears.
5- the bio-photons help the division of neighboring cells, generating new tissues and bring about healing.

48. ويمكن ليزر تقوية الخلايا التالفة
ويمكن ليزر تقوية الخلايا التالفة. باستخدام العمليات الكيميائية الضوئية ضوء الليزر، وتدرج الحيوي الفوتونات إلى الخلايا التالفة. تبدأ الخلايا لإنتاج الطاقة (ATP)، التي من شأنها تحسين وظيفتها، ويساعد على ويقوي تلتئم أنسجة الجسم .يقوي جهاز المناعة، ويختفي الألم. وقد تجدد الخلايا التالفة التي يكون ميتا، الفوتونات الحيوي تساعد على تقسيم الخلايا المجاورة، وتوليد أنسجة جديدة، وتجلب . أن الليزر منخفض الطاقة يمكن أن يسرع الكولاجين بسبب تسارع معدل النسخ مرنا من الكولاجين الجين. (هذا يقلل البروستاجلاندين).

49. 7:Causes Of Laser Accidents.
1-Altering beam path 2-Inserting reflective objects into beam path 3-Bypassing interlocks (particularly during alignment) 4-Accidentally turning on power supply 5-Accidental firing of laser 6-Looking back down the beam path

50. 8-General Safety Practices.
1-Wear eyewear 2-Know where the beam is going 3-Use minimum power/energy 4-Reduce laser output with shutters/attenuators, if possible

51. 8-General Safety Practices.
5-Keep beam path away from eye level 6-Don’t put body parts in the beam 7-Don’t wear (rings, watches) . 8-Let other lab members know what you are doing 9-Read the safety of the laser manual

52. ارتداء النظارات المناسبة 2-نعرف أين تسير شعاع 3 استخدام القوة الحد الأدنى / الطاقة من أجل مشروع 4-خفض الانتاج ليزر من المصدر 5-إنهاء شعاع الليزر . 6 إزالة الأشياء غير الضرورية من منطقة ليزر 7 حافظ على مسار شعاع بعيدا عن مستوى العين (الجلوس أو الوقوف) 8 عدم ارتداء المجوهرات (الخواتم والساعات) 10-مطلوب من أعضاء الآخرين معرفة ما تقومون به 11-قراءة الكتالوج او دليل ليزر

53. Solution: The frequency of violet light: The frequency of red light:
The difference in frequencies:
The energy of a violet photon:
The energy of a red photon:
The difference in energies between the violet photon and the red photon is:
2.15*10-19 [J].

54. Example. (2): The velocity of Red light (l0= 0
Example.(2): The velocity of Red light (l0= 0.6 [mm]) in a certain medium is 1.5*108 [m/s]. What is the wavelength of this light in this material?
First find the index of refraction:
Using n, calculate the wavelength in the material:
Conclusion:   The wavelength of Red light in a material with an index of refraction of 2.0, is 0.3 [mm]

56. Qusetions
I)Define each one of the following: LASER:

57. 4)What are the types of Lasers
4)What are the types of Lasers? 5)What are the general safety Protection from Laser beam?

58. Thanks