فهرس المحتوى
ما هو الليزر؟
الليزر، اختصارًا لـ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”، هو جهاز يستخدم لتحفيز الذرات أو الجزيئات لإصدار شعاع ضيق من الضوء ذي أطوال موجية محددة، مثل النانومتر. ويغطي الإشعاع الصادر من الليزر نطاقًا محددًا من الأطوال الموجية المرئية، أو الأشعة تحت الحمراء، أو الأشعة فوق البنفسجية. [١]
تاريخ تقنية الليزر
فكرة الليزر ترجع إلى العالم ألبرت أينشتاين في عام 1916، حيث أشار إلى إمكانية تحفيز الذرات والجزيئات في ظروف معينة لإطلاق الطاقة الزائدة بداخلها على هيئة أشعة من الضوء. وفي عام 1951، فكر العالم تشارلز اتش تاونز في طريقة لتوليد أشعة محفزة من الضوء على ترددات الميكروويف. [١]
ظهر أول جهاز يوضح انبعاث ترددات المايكروويف في نهاية عام 1953، وأطلق عليه اسم “مازر” (Maser)، وتعني “تضخيم موجات الميكروويف عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع”. [١]
ساهم هذا الاكتشاف في حصول ألكسندر ميخائيلوفيتش بروخوروف ونيكولاي جينادييفيتش باسوف وتشارلز إتش على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1964 نتيجة لجهودهم في نظرية تشغيل المازر. [١]
شهد عام 1963 أول استخدام لأشعة الليزر، حيث نجح باحثان في جامعة ميشيغان، هما إيميت ليث وجوريس أوباتنيكس، من صنع أول صورة ثلاثية الأبعاد باستخدام أشعة الليزر. [١]
بعد ذلك، تطورت تقنية الليزر بشكل ملحوظ لتشمل العديد من الاستخدامات، بما في ذلك استخدامها في مجال الطب، مثل لحم شبكية العين. [١]
أنواع أجهزة الليزر
يوجد العديد من أنواع أجهزة الليزر، من أهمها:
الليزر الغازي
الليزر الغازي (بالإنجليزية: Gas Laser) هو جهاز يمر فيه تيار كهربي خلال غاز مثل ثاني أكسيد الكربون أو الهيليوم لتوليد الضوء. يعتبر ليزر ثاني أكسيد الكربون أشهر أنواع الليزر الغازي، ولكن توجد أنواع أخرى مثل ليزر الهيليوم، والنيون، وليزر الأرجون، وليزر الكريبتون، وليزر الإكسيمر. [٣]
تستخدم الليزر الغازي في العديد من التطبيقات مثل التحليل الطيفي، والتصوير المجسم، والجراحة، ومعالجة المواد، ومسح الباركود. [٣]
الليزر السائل
الليزر السائل (بالإنجليزية: Liquid laser) هو صبغة عضوية في شكل سائل. يتميز الليزر السائل، المعروف أيضًا باسم الليزر الصبغي، بالقدرة على توليد نطاق واسع من الأطوال الموجية، مما يجعله قابلًا للضبط والتحكم في طوله الموجي بسهولة أثناء استخدامه. [٣]
يستخدم الليزر السائل في فصل النظائر، وإزالة الوحمات، والتحليل الطيفي، والطب. [٣]
الليزر شبه الموصل
الليزر شبه الموصل (بالإنجليزية: Semiconductor Laser) يحتوي على دايود (بالإنجليزية: Diode) يعمل على تضخيم الفوتونات المتولدة وتحويل التيار الكهربائي إلى أشعة الليزر. [٣]
يستخدم الليزر شبه الموصل في قراءة الباركود، وطابعات الليزر، والماسحات الضوئية. [٣]
ألياف الليزر
ألياف الليزر (بالإنجليزية: Fiber laser) هو نوع خاص من أنواع ليزر الحالة الصلبة، ويحتوي على ألياف بصرية من زجاج السليكا وعنصر أرضي نادر مثل الإيتربيوم. [٣]
يتميز هذا النوع بأن شعاعه أكثر استقامة وأصغر مما يجعله أكثر دقة، بالإضافة لانخفاض تكلفة صيانته وتشغيله مقارنة بالأنواع الأخرى. من أشهر أنواعه ليزر الإيتربيوم. [٣]
يدخل ليزر الألياف في العديد من التطبيقات مثل التنظيف، والقطع، واللحام، والنقش، والأسلحة، والطب. [٣]
الليزر الصلب
الليزر الصلب (بالإنجليزية: solid state laser) هو جهاز يحتوي على بلورات أو زجاج ممزوجة بعنصر أرضي نادر مثل النيوديميوم، أو الكروم، أو الإربيوم، أو الثوليوم، أو الإيتربيوم. [٣]
يعتبر ليزر الياقوت هو أشهر أنواعه؛ لأنه أول ليزر صُنّع من بين كل الأنواع الأخرى. يدخل الليزر الصلب في العديد من التطبيقات مثل إزالة الوشم والشعر، واستئصال الأنسجة، وتفتيت حصوات الكلى. [٣]
خصائص أشعة الليزر
تختلف أشعة الليزر عن مصادر الضوء التقليدية في امتلاكها للعديد من الخصائص المميزة، من أهمها:
التماسك
التماسك (بالإنجليزية: Coherence) يعني أن الإلكترونات في أشعة الليزر تنتقل في وقت محدد وبشكل موحد، مما يؤدي إلى انبعاث أشعة الليزر بطاقات، وترددات، وأطوال موجية واحدة. [٤]
بينما في مصادر الضوء التقليدية، تنتقل الإلكترونات بشكل طبيعي بمرور الوقت، وتتميز بأنها لها طاقات، وترددات، وأطوال موجية مختلفة. [٤]
الاتجاهية
الاتجاهية (بالإنجليزية: Directionality) يعني أن جميع الفوتونات في الليزر تنتقل في نفس الاتجاه، مما يجعل ضوء الليزر مُركزًا في اتجاه واحد فقط، و عرض شعاع الليزر ضيق، أي بإمكانه قطع مسافات طويلة من دون أن تتشتت طاقته أو يغير من اتجاهه. [٤]
أحادية اللون
أحادية اللون (بالإنجليزية: Monochromatic) يعني أن جميع الفوتونات المنبعثة من الليزر تمتلك طولًا موجيًا واحدًا، مما يجعلها أحادية اللون. [٤]
بينما في الضوء العادي، تمتلك الفوتونات المنبعثة أطوالًا موجية مختلفة، وبالتالي تمتلك ألوانًا مختلفة. [٤]
شدة عالية
شدة عالية (بالإنجليزية: high intensity) تمتاز أشعة الليزر بأنها لها شدة عالية تفوق شدة الضوء العادي بآلاف المرات، نتيجة لأن أشعة الليزر تتدفق في اتجاه واحد فقط بينما أشعة الضوء العادي تنتشر في اتجاهات مختلفة. [٤]
كيف يعمل الليزر؟
يحتوي الليزر على كاشف للموجات البصرية، وتجويف داخلي، ومرآتان تُمكّن أشعة الليزر من الانتقال بينهما، ووسيط مكبر عادة ما يكون من الكريستال يُستخدم في تكبير ضوء الليزر. [٥]
بدون هذا الوسيط، سيصبح ضوء الليزر أضعف في كل مرة يُستعمل؛ أيّ أنه يتعرض لفقد جزء من طاقته. [٥]
يحتاج وسيط التكبير إلى إمدادات طاقة خارجية تكون على هيئة ضخ بصري أو تيار كهربائي مثل ليزر أشباه الموصلات حتى يقوم بتضخيم الموجات بشكل فعال. [٥]
تطبيقات الليزر
لأشعة الليزر فوائد عديدة، إذ تستخدم في العديد من التطبيقات الحيوية التي تختلف باختلاف نوع جهاز الليزر المستخدم فيها، إذ إنّ كل نوع من أنواع الليزر له خصائص تميزه عن الآخر. [٥]
تطبيقات الليزر في المجال الطبي
يمكن زيادة تركيز شعاع الليزر على نقطة مجهرية محددة، مما يجعله أكثر قوة، لذلك يستخدم الليزر في الجراحات كمشرط حاد للغاية للجراحة الدقيقة، وفي عملية الكي أيضًا. [٦]
تعد جراحات العيون من أشهر التطبيقات الطبية على استخدام الليزر، إذ يُستخدم في وقف نزيف شبكية العين، أو معالجة تمزق الشبكية، كما يستخدم في تصحيح الإبصار. [٦]
تطبيقات الليزر في مجال صناعة الملابس
يستخدم الليزر كأداة فعالة ودقيقة للغاية في عملية صناعة الملابس، إذ يمكن برمجة الجهاز والتحكم فيه بحيث يتمكن من قص ما بين 400-700 قطعة من الملابس في المرة الواحدة، ويمتاز الليزر بقدرته على قص أشكال مختلفة ومتنوعة من التصميمات بجودة عالية للغاية. [٦]
تطبيقات الليزر في مجال الاتصالات
يستخدم الليزر في تعديل الإشارات المرسلة داخل كيبلات الألياف الضوئية، التي تعدّ الوسيلة الأكثر أهمية في مجال الاتصالات، إذ يمكن من خلالها إرسال إشارات متعددة بجودة عالية وخسائر قليلة. [٦]
تستطيع محركات الألياف الضوئية في الهاتف والتي هي عبارة عن أجهزة ليزر صغيرة للغاية من النوع الصلب من إرسال حوالي 50 مليون نبضة (pulse) في الثانية، وتشفير أكثر من 600 محادثة هاتفية متزامنة. [٦]
تطبيقات الليزر في مجال المعالجة الحرارية
تستخدم أجهزة الليزر في المعالجة الحرارية لتصلب أسطح أعمدة كامات السيارات، إذ إنّ هذه الأعمدة تصنع بدقة عالية للغاية، فإذا حدث في الأسطح أي التواء، فإنها تُسخّن باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون لإزالته، وجعل السطح أملسًا، مما يحافظ على دقة التصنيع بدون التأثير في باقي العمود. [٦]
تطبيقات الليزر في مجال المحاذاة والقياس والتصوير
يستخدم المسّاحون وعمال البناء الليزر في رسم خطوط مستقيمة في الهواء، و قياس الزوايا والاتجاهات، بالإضافة لاستخدام الليزر في تحديد المسافات بدقة عالية للغاية. [٧]
لهذا السبب، طُور استخدام الليزر في تحديد الأهداف العسكرية في ساحة المعركة بسبب دقته في قياس المسافات. [٧]
وفي الآونة الأخيرة، دخل الليزر في مجال التصوير، والاستشعار، ورسم الخرائط مثل رسم خريطة لارتفاعات كوكب المريخ. [٧]
المراجع
- “Laser.” Britannica, https://www.britannica.com/technology/laser. Accessed 1 Nov. 2021.
- “Stimulated Emission.” Britannica, https://www.britannica.com/science/stimulated-emission. Accessed 10 Nov. 2021.
- Fraser, Alex. “Types of Lasers.” Laserax, 24 Sept. 2021, https://laserax.com/blog/types-of-lasers/. Accessed 1 Nov. 2021.
- “Characteristics of Laser.” Physics and Radio Electronics, https://physics-and-radio-electronics.com/characteristics-of-laser/. Accessed 1 Nov. 2021.
- “Lasers.” RP Photonics, https://www.rp-photonics.com/lasers.html. Accessed 1 Nov. 2021.
- “Laser application.” HyperPhysics, https://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/laserapp.html. Accessed 1 Nov. 2021.
- “Laser applications.” Britannica, https://www.britannica.com/technology/laser-applications. Accessed 1 Nov. 2021.
