الرئيسية
أحدث الصور
مروه ليزر الجمعة سبتمبر 03, 2010 7:14 pmتقنية الليزر
<BLOCKQUOTE class="postcontent restore ">الليزر
الدكتور منصور العبادي \ جامعة العلوم والتكنولوجيا الأردنية
9-1 مقدمة
الليزر هو مصدر لتوليد الضوء المرئي وغير المرئي والذي يتميز بمواصفات مميزة لا توجد في الضوء الذي تصدره بقية مصادر الضوء الطبيعية والصناعية. وكلمة ليزر (Laser) هي اختصار للأحرف الأولى لكلمات الجملة الإنجليزية: (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) والتي تعني (تضخيم الضوء بالانبعاث المستحث للإشعاع). يقوم الليزر بتوليد نوع مميز من الضوء يختلف في خصائصه عن الضوء الطبيعي الصادر عن الشمس والنجوم والضوء الاصطناعي الصادر عن مختلف أنواع المصابيح الكهربائية. ويتميز ضوء الليزر بعدة خصائص أهمها أن كامل الطاقة الضوئية تتركز في شعاع له مقطع عرضي متناهي في الصغر قد لا يتجاوز في بعض أنواعه عدة ميكرومترات مربعة ولهذا فإنه يسير لمسافات طويلة محتفظا بطاقته ضمن هذا الشعاع الدقيق. وبما أن جميع الطاقة الضوئية التي يولدها الليزر تتركز ضمن هذا المقطع الصغير للشعاع فإنه بالإمكان الحصول على شدة إضاءة قد تزيد بملايين المرات عن شدة الضوء الصادر عن الشمس أو المصابيح الكهربائية. أما الخاصية الثانية فهي أن ضوء الليزر يتكون من حزمة ضيقة جدا من الترددات بعكس أنواع الضوء الأخرى التي تتكون من طيف واسع من الترددات ولذا فهي تبدو للعين كضوء أبيض يحتوي على جميع ألوان الطيف المرئي بينما يبدو ضوء الليزر للعين بلون واحد عالي النقاء كاللون الأحمر والأخضر والأزرق.
ويعتبر اختراع الليزر من أكثر الاختراعات إثارة في هذا العصر حيث لم يكن يخطر على بال أحد أن هذا المصدر الضوئي البسيط سيفتح أبوابا لا حصر لها من التطبيقات ذات الأهمية البالغة في حياة البشر. فلقد تساءل العلماء فيما بينهم بعد تصنيع أول ليزر في عام 1960م عن ما ستكون التطبيقات لهذا الجهاز العجيب حيث أن الدافع وراء الأبحاث المكثفة التي أدت لاختراع الليزر كان لإشباع فضول العلماء ليس إلا وذلك على العكس من كثير من الاختراعات والتي كانت الحاجة وراء اختراعها. ولكن وبعد مضي سنوات معدودة تلقف العلماء في مختلف التخصصات هذا الاختراع العجيب واستخدموه في تطبيقات لا حصر لها وقد أحدث ثورة في حياة البشر لا تقل عن الثورة التي أحدثها الصمام الإلكتروني والترانزستور. فعلى سبيل المثال فقد أدرك مهندسو الاتصالات الكهربائية أهمية هذا الاختراع العظيم بعد أن تبين لهم أن ضوء الليزر يمكن أن يستخدم بديلا عن الموجات الراديوية كحامل للمعلومات وذلك لقدرته على حمل كمية معلومات تفوق بآلاف المرات قدرة أعلى الحاملات الراديوية وذلك بسبب ارتفاع ترددات ضوء الليزر. وأما مهندسو الميكانيك فقد بدأت الأحلام تراودهم بعد أن تبين لهم شدة تركيز ضوء الليزر في استخدامه لقطع وقص الألواح المعدنية وغير المعدنية بدقة متناهية وبالشكل الذي يريدونه لتلبي حاجة مختلف الصناعات وكذلك استخدامه في عمليات لحام المعادن. أما المهندسون المدنيون فقد وجدوا في شعاع الليزر المرئي الذي يسير لمسافات طويلة على شكل خيط دقيق ضالتهم المنشودة في أعمال المساحة والإنشاءات بمختلف أنواعها وذلك لضبط استقامتها وقياس الأبعاد. أما الأطباء فقد كان لهم نصيب وافر من هذا الاختراع فقد استخدموه كمشرط عالي الدقة لا يترك نزفا وراءه وقد يصل لأماكن في جسم الإنسان لا يمكن أن تصل إليه مشارطهم المعدنية إلا بعد حدوث ضرر كبير. واستخدموه في تصحيح البصر وإزالة الأورام وتفتيت الحصى وحفر الأسنان وإزالة البثور والحبوب والتجاعيد والدمامل وغيرها من أمراض وعيوب الجلد.
9-2 تاريخ تطور الليزر
لقد تمكن الفيزيائي الفذ ألبرت أينشتاين (Albert Einstein) في عام 1917م من وضع الأسس النظرية التي يقوم عليها عمل الليزر وذلك في أبحاثه حول الظاهرة الكهروضوئية (photoelectric). وفي هذه الظاهرة لاحظ العلماء أنه عند تسليط إشعاع كهرومغناطيسي ضوئي على سطح معدني فإن الإلكترونات تنبعث من هذا السطح فقط إذا تجاوز تردد الضوء قيمة حدية معينة أما إذا كان تردد الضوء أقل من ذلك فإن الإلكترونات لا تنبعث أبدا مهما بلغت شدة الضوء المسلط. وبقيت هذه الظاهرة لغزا يحير العلماء إلى أن تمكن أينشتاين في عام 1905م من حل هذا اللغز بعد أن اثبت أن الضوء ذي طبيعة موجية وجسيمية وذلك على العكس من الاعتقاد السائد حينئذ وهو أن الضوء ذي طبيعة موجية فقط. وقد أثبت أينشتاين أن الضوء وكذلك بقية أنواع الإشعاعات الكهرومغناطيسية ليست سيلا متصلا من الطاقة بل تتكون من وحدات صغيرة يحمل كل منها كمية محددة من الطاقة أطلق عليها اسم الفوتونات (photons). وتتناسب كمية الطاقة التي يحملها الفوتون الواحد من الضوء طرديا مع تردد الضوء أما ثابت التناسب فهو رقم فيزيائي ثابت لا يتغير أبدا على كامل مدى الطيف الكهرومغناطيسي وقد أطلق عليه اسم ثابت بلانك (Planck's constant) نسبة إلى الفيزيائي الألماني الشهير ماكس بلانك (Max Planck) الذي وضع أسس نظرية الكم (quantum theory). ولقد ساعد هذا الاكتشاف إلى جانب تفسيره لهذه الظاهرة على وضع نماذج صحيحة لتركيب الذرة وتبين أنها تتكون من إلكترونات تدور في مدارات محددة حول النواة وأن الإلكترونات لا تنتقل من مدار منخفض الطاقة إلى آخر بطاقة أعلى إلا من خلال تسليط إشعاعات كهرومغناطيسية عليها وبحيث تكون طاقة فوتون الإشعاع أعلى من فرق الطاقة بين المدارين. أما عند هبوط إلكترون من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة فإن فرق الطاقة ينبعث على شكل إشعاع بحيث تكون طاقة الفوتون مساوية تماما لفرق الطاقة بين المدارين. ولقد قام أينشتاين بدراسة التفاعلات بين الإشعاعات الكهرومغناطيسية وذرات المادة وتمكن من وضع المعادلات التي تحكم هذه التفاعلات والتي سميت فيما بعد باسمه وقد تنبأ من خلال هذه المعادلات بوجود ما يسمى بظاهرة الإشعاع المستحث (Stimulated Emission) والتي يقوم عليها عمل الليزر. ولقد حاول العلماء جاهدين للحصول على الإشعاع المستحث إلا أن جهودهم باءت بالفشل ووصل اليأس ببعضهم إلي إنكار وجود مثل هذه الظاهرة الضوئية. وفي عام 1947م تمكن الفيزيائي الأمريكي وليس لامب (Willis Lamb) عمليا من إثبات وجود ظاهرة الإشعاع المستحث. وفي عام 1954م تمكن الفيزيائي الأمريكي تشارلز تاون (Charles H. Townes) من الحصول على إشعاع مستحث في نطاق الأمواج الدقيقة (microwave) وأطلق اسم الميزر (Maser) على هذا الجهاز وهو مختصر للجملة الإنكليزية (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). وبهذا الإنجاز تجددت آمال العلماء للحصول على إشعاع مستحث في النطاق الضوئي المرئي أو غير المرئي ومن ثم تصنيع الليزر. وفي عام 1955م اقترح الفيزيائيان الروسيان بروكوروف وباسوف (Prokhorov and Basov) استخدام الضخ الضوئي (optical pumping) للحصول على ما يسمى التوزيع المقلوب للإلكترونات وهو أحد شروط عمل الليزر كما سنبين ذلك بعد قليل. وفي عام 1960م تمكن الفيزيائي الأمريكي ثيودور ميمان (Theodore Maiman) من تصنيع أول ليزر في نطاق الضوء المرئي وهو يتكون من قضيب اسطواني من الياقوت النقي تم صقل جانبيه بدقة متناهية وقد تم لف قضيب الياقوت بمصباح كهربائي مكون من أنبوب زجاجي مملوء بغاز الزنون. وعند تشغيل المصباح الكهربائي عمل الضوء الصادر عنه على إثارة ذرات الكروميوم الموجودة في الياقوت فقامت بإشعاع ضوء أحمر صافي خرج على شكل نبضات من أحد جانبي قضيب الياقوت. وفي عام 1960م تمكن الفيزيائي الإيراني علي جافان (Ali Javan) والأمريكي وليم بنت (William Bennett) من تصنيع ليزر باستخدام غازي الهيليوم والنيون وكان يعطي إشعاعا مستمرا وليس نبضيا كما هو الحال في ليزر الياقوت. وفي عام 1962م تمكن المهندس الأمريكي روبرت هول (Robert Hall) من تصنيع ليزر أشباه الموصلات (Semiconductor laser) الذي يتميز بصغر حجمه. وفي عام 1964م تم تصنيع ليزر ثاني أكسيد الكربون والذي يتميز بقدرة إشعاعه العالية.
9-3 مبدأ عمل الليزر
قام أينشتاين في عام 1917م بدراسة تفاعل الأمواج الكهرومغناطيسية أو ما يسمى اختصارا بالإشعاع (Radiation) مع ذرات المادة ووجد أن هناك ثلاثة أنواع من التفاعلات وهي أولا الامتصاص(Absorption) وفيها تقوم ذرات المادة بامتصاص فوتونات الإشعاع المسلط عليها وتعمل طاقة الإشعاع الممتص على رفع الإلكترونات من مدارات منخفضة الطاقة إلى مدارات عالية الطاقة وتصبح الذرات في حالة الإثارة (excited state). ولا يتم امتصاص الفوتونات من قبل المادة إلا إذا كانت طاقتها تزيد عن فرق الطاقة بين مدارات الإلكترونات لذرات تلك المادة ولذا تكون المواد شفافة لجميع الإشعاعات التي تقل تردداتها عن قيم محددة تتحدد من التركيب الذري لتلك المواد كما هو الحال مع الزجاج. أما التفاعل الثاني فهو الانبعاث التلقائي (Spontaneous Emission) وفيها تقوم الذرات المثارة بإشعاع موجات كهرومغناطيسية نتيجة نزول الإلكترونات من المدارات عالية الطاقة إلى المدارات منخفضة الطاقة. إن الإشعاع التلقائي الصادر عن المادة المثارة يسمى إشعاعا غير مترابط (Noncoherent radiation) وذلك لأن الإلكترونات تنزل من تلقاء نفسها وبطريقة عشوائية بين مدارات الذرة المختلفة ولذلك فإن هذا الإشعاع يحتوي على عدد كبير جدا من الترددات وتعتمد مصادر الضوء العادية على ظاهرة الانبعاث التلقائي في عملها. أما التفاعل الثالث فهو الانبعاث المستحث (Stimulated Emission) وفيها تقوم الذرات المثارة بإشعاع موجات كهرومغناطيسية نتيجة نزول الإلكترونات من المدارات عالية الطاقة إلى المدارات منخفضة الطاقة ولكن ليس بطريقة تلقائية وعشوائية كما في الانبعاث التلقائي بل نتيجة لحثها بإشعاع له تردد محدد. إن الإشعاع المستحث الصادر عن المادة المثارة يسمى إشعاع مترابط (Coherent) وذلك لأن الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن نزول الإلكترونات لها تردد (Frequency) وطور (Phase) يساويان تماما تردد وطور الأمواج التي قامت بحث الإلكترونات على الإشعاع ولذلك فإن هذا الإشعاع له تردد واحد من الناحية النظرية. ويمكن حساب تردد الإشعاع المنبعث من المادة من خلال تقسيم فرق الطاقة بين المدارين الذي انتقل بينهما الإلكترون بثابت بلانك. إن المبدأ الرئيسي الذي يقوم عليه عمل الليزر هو ظاهرة الانبعاث المستحث التي شرحناها آنفا وهناك شروط ثلاثة تلزم لكي يولد الليزر ضوءا مترابطا من خلال هذه الظاهرة. أما الشرط الأول فهو توفر ما يسمى بالتوزيع المقلوب (Population inversion) للإلكترونات في ذرات المادة التي ستولد الضوء والذي يعني أن عدد الإلكترونات في الحالة المثارة يجب أن يكون أعلى منها في الحالة غير المثارة. وهذا الشرط لا يتحقق إلا في مواد معينة تسمى الوسط الفعال (active medium) التي يكون عدد المدارات في نطاق توصيلها (conduction band) ثلاثة أو أكثر وبحيث يوجد مدار شبه مستقر (****stable) بين المدار منخفض الطاقة والمدار عالي الطاقة. أما الشرط الثاني فهو توفر مصدر يقوم بضخ الإلكترونات (Pumping) من المدارات منخفضة الطاقة (غير المثارة) إلى المدارات عالية الطاقة (المثارة) وذلك للحصول على التوزيع المقلوب للإلكترونات. أما الشرط الثالث فهو وجود نظام تغذية راجعة موجبة (Positive feedback) لكي يعمل الليزر كمذبذب (Oscillator) يقوم بتوليد تردد الضوء المطلوب وغالبا ما يتم استخدام المرايا (Mirrors) للحصول على هذه التغذية الراجعة. وعلى هذا فإن الليزر يعمل من خلال ضخ الإلكترونات باستخدام مصدر ضخ خارجي كالضوء أو التيار الكهربائي من المدار الأدنى إلى المدار الأعلى ومن ثم تهبط الإلكترونات المثارة من خلال الانبعاث التلقائي من المدار الأعلى إلى المدار شبه المستقر (****stable state) والذي يقع بين المدارين الأدنى والأعلى حيث تبدأ الإلكترونات بالتراكم في هذا المدار لتنتج التوزيع المقلوب المنشود. وإذا ما مر فوتون ضوئي بتردد محدد على المادة وهي في وضع التوزيع المقلوب فإنه سيحث بعض الإلكترونات الموجودة في المدار شبه المستقر للنزول إلى المدار الأدنى منتجة عددا من الفوتونات الضوئية لها نفس تردد وطور واتجاه الفوتون الذي قام بحثها أي أن الضوء المتولد سيكون له تردد واحد أي أنه أحادي اللون وذلك من الناحية النظرية. وتستخدم المرايا لعكس بعض الفوتونات المتولدة لتمر من خلال ذرات المادة الفعالة لتوليد مزيدا من الفوتونات التي لها نفس الخصائص. وعادة ما تكون أحد المرايا ذات معامل انعكاس يقرب من الواحد وذلك لتعكس جميع الضوء الساقط عليها بينما يكون معامل انعكاس المرآة الثانية أقل من واحد وذلك لتسمح لجزء من الضوء المتولد للخروج منها لاستخدامه في التطبيقات المختلفة. وبما أن الفوتونات المستحثة لها نفس تردد الفوتونات التي قامت بحثها وتسير بنفس اتجاه سيرها فإن ضوء الليزر الناتج سيكون أحادي اللون تقريبا ويسير باتجاه واحد وذلك على العكس من طبيعة ضوء المصادر الأخرى. ويخرج الضوء المتولد من الليزر في العادة إما على شكل نبضات (pulsed laser) أو على شكل موجة مستمرة (continuous wave laser) والذي يتحدد من التركيب الذري للمادة الفعالة ونوع وكمية الضخ المستخدم وكذلك طريقة تركيب الليزر.
خصائص ضوء الليزر
يتميز ضوء الليزر على بقية أنواع الضوء الصادر عن المصادر الطبيعية كالشمس والمصابيح التقليدية والصناعية كالمصابيح الكهربائية بعدة خصائص مهمة تؤهله لاستخدامه في كثير من التطبيقات. ومن أهم هذه الخصائص ما يسمى بالاتجاهية (Directionality) وهي أن شعاع الليزر له زاوية انفراج (divergence angle) غاية في الصغر بحيث يمكنه أن يسير لمسافات طويلة دون أن تتشتت طاقته. فعلى سبيل المثال فإن زاوية انفراج شعاع ليزر نيون-هيليوم تبلغ جزئين من عشرة آلاف جزء من الدرجة وهذا يعني أنه إذا ما تم إرسال شعاع هذا الليزر من الأرض إلى القمر فسيكون قطره على القمر بحدود كيلومتر ونصف علما بأن المسافة بين الأرض والقمر تبلغ 384 ألف كيلومتر. إن قطر شعاع هذا الليزر يبلغ ملليمترين عند خروجه من الليزر بينما سيكون قطره خمسة ملليمترات فقط بعد أن يسير ألف كيلومتر. وتتحدد زاوية انفراج شعاع الليزر من عدة عوامل أهمها عرض الشعاع عند خروجه من المصدر وطول موجة الإشعاع حيث تتناسب عكسيا مع عرض الشعاع الابتدائي وطرديا مع طول الموجة أي أن الزاوية تقل مع زيادة عرض الشعاع ونقصان طول الموجة. وتستغل خاصية الاتجاهية في تطبيقات كثيرة كقياس المسافات البعيدة والقصيرة على السواء والتأشير على الأهداف بدقة متناهية كما في أنظمة المساحة ورسم الخطوط المستقيمة في أعمال الإنشاءات المختلفة. أما الخاصية الثانية فهي علو شدة ضوء الليزر (high intensity light) وذلك بسبب أن شعاع الليزر له مقطع عرضي صغير جدا قد لا يتجاوز في بعض أنواعه عدة ميكرومترات مربعة وبما أن جميع الطاقة الضوئية الصادرة عن الليزر رغم قلتها تتركز ضمن هذا المقطع الصغير فإنه بالإمكان الحصول على شدة إضاءة قد تزيد بملايين المرات عن شدة الضوء الصادر عن الشمس أو المصابيح الكهربائية ولهذا فيمكن لشعاع الليزر أن يسير لمسافات كبيرة جدا دون أن يخبو ضوءه. ولتوضيح ذلك فإن ليزر بقدرة واحد واط وبمقطع عرضي مساحته ألف ميكرومتر مربع يعطي ضوء شدته بليون واط لكل متر مربع أي يزيد بمليون مرة عن شدة ضوء الشمس على سطح الأرض. وتستغل هذه الخاصية للضوء في حفر وقطع ولحام المواد بدقة كبيرة وفي إجراء العمليات الجراحية ومعالجة كثير من أمراض العيون والجلد. أما الخاصية الثالثة فهي أحادية اللون (Monochromaticity) حيث أن ضوء الليزر يتكون من حزمة ضيقة جدا من الترددات الضوئية بعكس أنواع الضوء الأخرى التي تتكون من طيف واسع جدا من الترددات ولذا فإنها تبدو للعين كضوء أبيض يحتوي على جميع ألوان الطيف المرئي بينما يبدو ضوء الليزر بلون واحد فقط عالي النقاء. وتستغل هذه الخاصية في استخدام ضوء الليزر كحامل للمعلومات بدلا من الحاملات الراديوية خاصة في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية التي تتطلب وجود مصادر ضوئية أحادية اللون أي أن عرض نطاق ترددات ضوءها غاية في الصغر. أما الخاصية الرابعة فهي الترابط (Coherence) وهي أن الترددات التي يتكون منها شعاع الليزر لها نفس الطور (phase) وكذلك نفس الاستقطاب (polarization) وتستغل هذه الخاصية للحصول على أشكال تداخلية (interference patterns) لا يمكن الحصول عليها من خلال استخدام أنواع الضوء الأخرى. ويستخدم التداخل الضوئي (Interferometry) في أشعة الليزر في تطبيقات لا حصر لها كما في قياس المسافات والسرعات ودراسة تركيب المواد والتصوير ثلاثي الأبعاد. أما الخاصية الخامسة فهي أنه يمكن التحكم بجهاز الليزر بحيث يتم إطلاق ضوءه على شكل نبضات بمعدلات محددة ويمكن كذلك التحكم بعرض النبضة ليصل في بعض التطبيقات إلى عدة أجزاء من مليون بليون جزء من الثانية. ومن خلال تقليل عرض النبضة الضوئية فإنه يمكن الحصول على شدة ضوء غاية في العلو قد تصل إلى آلاف الميجاواطات ولكن لفترات زمنية قصيرة جدا وذلك مهما كانت كمية الطاقة التي تحملها النبضة. وتستخدم هذه الخاصية في تطبيقات لا حصر لها كإذابة أو تبخير المعادن أو قطع ولحام مختلف أنواع المواد أو إجراء العمليات الجراحية أو تسريع التفاعلات الكيميائية وحتى النووية. إن أهم عيوب الليزر هو تدني كفاءة تحويل الطاقة فيه حيث تتراوح بين واحد بالمائة وعشرين بالمائة لمعظم أنواعه وهذا يعني أنه يلزم للحصول على واط واحد من ضوء ليزر كفاءته واحد بالمائة تزويده بمائة واط من الطاقة حيث تضيع التسعة وتسعون واط المتبقية كحرارة في داخل جسم الليزر وهذا يتطلب أنظمة تبريد معقدة خاصة في الأنواع التي تنتج قدرات عالية قد تصل لعدة كيلواطات كليزر ثاني أكسيد الكربون.
9-4 أنواع الليزر
يتحدد نوع الليزر ومواصفات الضوء الصادر عنه من نوع المادة الفعالة ونوع مصدر الضخ وكذلك طريقة التغذية الخلفية المستخدمة فيه. وتنقسم أنواع الليزر من حيث طبيعة المادة الفعالة إلى أنواع كثيرة أهمها ليزارات الحالة الصلبة والليزرات الغازية والليزرات شبه الموصلة وليزرات الأصباغ والليزرات الكيميائية وليزرات بخار المعادن. أما طريقة الضخ فقد تكون باستخدام الضوء المرئي أو غير المرئي أو الأمواج الكهرومغناطيسية الراديوية أو بتمرير أو تفريغ التيار الكهربائي أو من خلال التفاعلات الكيميائية. أما طريقة التغذية الخلفية فتعتمد على نوع المادة الفعالة فقد تتم من خلال صقل الأوجه إذا كانت في الحالة الصلبة أو باستخدام المرايا إذا كانت في الحالة السائلة أو الغازية وتعتمد كذلك على شكل المرايا فيما إذا كانت مسطحة أو مقعرة ودرجة إنعكاسيتها (reflectivity). وفي كل نوع من هذه الأنواع الرئيسية يوجد أنواع فرعية تتمايز بخصائص مختلفة مثل طول موجة الضوء وشدة الضوء المنبعث ومساحة مقطع الشعاع وزاوية انفراج الشعاع وفيما إذا كان الضوء المنبعث متواصلا (continuous) أو نبضيا (pulsed) وإمكانية التحكم بمعدل وعرض النبضات وكذلك حجم ووزن جهاز الليزر و قيمة الجهد والتيار اللازمين لتشغيله وكفاءة التحويل وعمر التشغيل الافتراضي.ويتوفر في الأسواق الآن ليزرات بأطوال موجة تبدأ بمائة نانومتر وتنتهي عند ألف ميكرومتر أي أنها تغطي كامل طيف الأشعة فوق البنفسجية وكامل طيف الضوء المرئي (من 400 إلى 760 نانومتر) وكامل طيف الأشعة تحت الحمراء. ولكن معظم أنواع الليزرات تعطي ضوءا في المنطقة المرئية والمنطقة تحت الحمراء القريبة(near IR) والمتوسطة(medium IR) وجزء من المنطقة فوق البنفسجية. أما كمية الطاقة التي تولدها الليزرات فتتراوح من أجزاء المللي واط وتصل لعدة عشرات كيلواط إذا كان الضوء متصلا أما إذا كان على شكل نبضات فقد تصل القدرة القصوى لألف بليون واط ولكم لفترات زمنية بالغة القصر تقاس بأقل من البيكوثانية.
ليزرات الحالة الصلبة (Solid-State Lasers)
تتكون ليزرات الحالة الصلبة من جسم زجاجي أو بلوري أو حتى خزفي يتم تطعيمه بذرات مادة فعالة تنطبق عليها شروط الانبعاث المستحث. وعادة ما يكون الليزر على شكل قضيب أسطواني يتم صقل وجهيه ليعملا كمرايا عاكسة لتحقق شرط التغذية الخلفية. أما نظام الضخ فيها فهو في الغالب الضوء الصادر من مصابيح غازية كهربائية يتم ملؤها بغاز مناسب لتعطى تردد ضوء الضخ المطلوب ويتم لف أنبوب المصباح على جسم قضيب الليزر بشكل حلزوني. وفي الأنواع الحديثة بدأ باستخدام ثنائيات الليزر (laser diodes) في عملية الضخ بدلا من المصابيح الغازية وذلك لصغر حجمها وانخفاض أثمانها حيث يتم تسليط ضوء ثنائي الليزر مباشرة على قضيب ليزر الحالة الصلبة. لقد كان ليزر الحالة الصلبة أول الأنواع ظهورا بعد أن تمكن الفيزيائي الأمريكي ثيودور ميمان (Theodore Maiman) في عام 1960م من تصنيع ليزر الياقوت (Ruby laser) والذي يتكون من قضيب اسطواني من الياقوت النقي (CrAlO3) الذي يحتوى على ذرات الكروميوم الفعالة بشكل طبيعي وقد تم استخدام مصباح غاز الزنون في عملية الضخ ويولد ضوء بطول موجة 694 نانومتر أي ضوء أحمر نقي. يوجد الآن عشرات الأنواع من ليزرات الحالة الصلبة ويستخدم في معظم هذه الأنواع أجسام بلورية اصطناعية كمثل حجر الياق (Yttrium Aluminium Garnet(YAG)Y3Al5O12) وهو حجر كريم اصطناعي يعطي ألوان مختلفة عند تطعيمه بالعناصر المختلفة. وعند استخدامه في الليزر يتم تطعيمه بعناصر فعالة تكون في الغالب من العناصر الأرضية النادرة (rare earth elements) لتعطي طيفا واسعا من الترددات فليزر الياق المطعم بالإربيوم (Er:YAG laser) يعطي ضوء بطول موجة 2940 نانومتر أي المنطقة تحت الحمراء البعيدة وبسبب طول موجته فإنه يستخدم في التطبيقات الطبية ويتميز بأن عملية الضخ تتم عند نطاق واسع من الترددات تمتد من 600 إلى 800 نانومتر. أما ليزر الياق المطعم بالنيوديميوم (Nd:YAG laser) فيعطي ضوء بطول موجة 1064 نانومتر أي في المنطقة تحت الحمراء القريبة ومن ميزاته أنه يولد قدرات عالية قد تصل لعدة كيلواطات مما يناسب الأغراض الصناعية. ولكن من سيئاته أنه يحتاج لمصدر ضخ بطول موجة محدد وهو 807 نانومتر وبعرض نطاق لا يتجاوز واحد نانومتر ولكن عند إضافة الكروم إليه فإن نطاق الضخ يتسع بشكل كبير جدا بحيث يمكن استخدام ضوء الشمس القوي في عملية الضخ. أما ليزر الياق المطعم باليتربيوم (Yb:YAG laser) فيعطي ضوء بطول موجة 1030 نانومتر أي في المنطقة تحت الحمراء القريبة ومن ميزاته أنه يولد قدرات عالية ويضخ بطول موجة 940 نانومتر وبعرض نطاق 18 نانومتر.
الليزرات الغازية (Gas Lasers)
يتكون الليزر الغازي من أنبوبة مملوءة بغازات معينة تحت ضغط منخفض توضع بين مرآتين عاكستين وتتم عملية الضخ من خلال التفريغ الكهربائي في الغاز وذلك عند تسليط جهد كهربائي عالي بين أقطاب موجودة عند طرفي الأنبوبة. وتتميز الليزرات الغازية برخص أثمانها وبإمكانية تصنيعها بأحجام كبيرة وقدرات عالية وبطول عمر تشغيلي كبير. ومن أشهر أنواع الليزرات الغازية ليزر هيليوم_نيون (HeNe laser) الذي يشع ضوءا أحمر بطول موجة 633 نانومتر وبقدرة تتراوح بين واحد ومائة ملي واط ويتراوح طوله بين خمسة عشر إلى خمسين سنتيميتر ويحتاج إلى ما يقرب من ألف فولت لتفريغ التيار الكهربائي خلال الغاز. أما ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2 laser)) فإنه من أقوى الليزرات ويشع ضوءا متصلا غير مرئي في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة بطول موجة 9.4 ميكرومتر وبقدرات تبدأ من عدة مللي واطات وقد تصل لعدة مئات الكيلواطات وبكفاءة قد تصل إلى عشرين بالمائة ولذا فهو يستخدم في قطع ولحام المعادن بسبب قدرته العالية وكذلك يستخدم بسبب طول موجته الكبيرة في معالجة الأمراض الجلدية وفي الجراحة. أما ليزر النيتروجين فإنه يشع ضوءا نبضيا غير مرئي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة 337 نانومتر وبقدرة عند الذروة قد تصل ألف كيلواط. أما ليزر الآرغون فإنه يشع ضوءا متصلا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والمرئية وبقدرات لا تتجاوز الواط الواحد. وأما ليزر الإكسايمر (Excimer) والذي تتكون مادته من خليط من غازات فعالة كالفلور والكلور مع غازات خاملة كالآرغون والزنون بنسب محددة ويشع ضوءا نبضيا غير مرئي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية وتتراوح طول موجته بين 126 و337 نانومتر وذلك حسب نوع خليط الغازات وبسبب قصر طول موجته فإن له شعاع دقيق جدا قد يصل قطره إلى ربع ميكرومتر ولذا فإنه يستخدم في الجراحة وفي تصحيح البصر وفي رسم الدوائر الإلكترونية على رقائق أشباه الموصلات.
الليزرات شبه الموصلة (Semiconductor Lasers)
يتكون الليزر شبه الموصل من بلورة من مادة شبه موصلة يتم تطعيمها بعناصر مانحة وأخرى مستقبلة لتصبح على شكل وصلة موجب_سالب (PN junction) أي ثنائي (diode) ولذلك يغلب على اسمه ثنائي الليزر (laser diode). ويتم صقل وجهين متعامدين من أوجه البلورة للحصول على التغذية الخلفية وأما عملية الضخ فتتم من خلال تمرير تيار في هذه الوصلة وإذا ما تجاوزت قيمة التيار قيمة حدية (threshold) فإن الثنائي يبدأ بتوليد ضوء الليزر. ولكي يعمل الليزر يحتاج أن يكون سمك المادة الفعالة ضئيل جدا تقاس بالميكرومترات وذلك للحصول على كثافة تيار عالية جدا قد تصل لعشرات الآلاف أمبير للسنتيمتر المربع. إن هذا السمك الضئيل للطبقة الفعالة يعطي عرض شعاع دقيق جدا عند خروجه من الليزر مما يزيد من زاوية انفراج الشعاع كما شرحنا سابقا ولهذا يتطلب استخدام عدسات للحصول على شعاع بزاوية انفراج صغيرة. ولا تستخدم المواد شبه الموصلة الأساسية وهي السيليكون والجرمانيوم في هذه الليزرات لعدم تحقيقها لكامل شروط عمل الليزر بل يتم استخدام مواد شبه موصلة مركبة من عناصر العامود الثالث والخامس في الجدول الدوري ويمكن الحصول على مدى واسع من الترددات من خلال اختيار نوع العناصر ونسب خلطها. فعلى سبيل المثال فإن ليزر الجاليوم- الزرنيخ (GaAs) يولد ضوء بطول موجي من 800 إلى 900 نانومتر وليزر (AlGaAs) يولد ضوء تتراوح أطواله الموجية بين 630 و 900 نانومتر بينما يولد ليزر (InGaAsP) ترددات تتراوح أطوالها الموجية بين 1000 و 2100 نانومتر. وتتميز الليزرات شبه الموصلة بصغر حجمها البالغ والتي قد تصل ما دون حجم حبة العدس بل يمكن تصنيع أعداد كبيرة منها على نفس القاعدة وبسهولة عملية الضخ فيها من خلال استخدام التيار الكهربائي إلى جانب إمكانية إنتاجها بكميات كبيرة جدا. وبسبب هذه الميزات انتشر استخدامها في التطبيقات التي تحتاج ليزرات صغيرة الحجم ولا تستهلك كمية كبيرة من الطاقة كما في أنظمة الاتصالات الضوئية وفي الأقراص الضوئية المدمجة وفي الطابعات وفي أجهزة المساحة وقارئات الباركود وفي خطوط الإنتاج وغيرها الكثير. وقد أنتج من الليزرات شبه الموصلة في عام 2004م فقط ما يقرب من 750 مليون ليزر بينما كان مجموع ما أنتج من بقية أنواع الليزر 150 مليون ليزر.
ليزرات الأصباغ (Dye Lasers)
يستخدم ليزر الأصباغ بعض المواد العضوية كمادة فعالة وغالبا ما تكون مذابة في محلول سائل ومن هذه المواد العضوية الروداماين (Rhodamine) والفلوروسين (Fluorescein) والتتراسين (Tetracene) وغيرها. ويتم وضع المحلول في أنبوبة زجاجية من الكوارتز يتم طلي سطحيها المتقابلين بالفضة للحصول على المرايا العاكسة. وغالبا ما تتم عملية الضخ باستخدام ضوء أنواع أخرى من الليزرات وخاصة التي تولد الضوء الأخضر. وتتميز ليزرات الأصباغ بإمكانية توليف (tuning) للحصول على أطوال أمواج محددة وكذلك بإمكانية الحصول على نبضات ضوئية غاية في القصر والتي تلزم في بعض التطبيقات البحثية فعلى سبيل المثال فإن ليزر الرودامين يمكن توليفه من 570 إلى 640 نانومتر.
الليزرات الكيميائية (Chemical Lasers)
يعتمد هذا النوع من الليزرات في عمله على التفاعلات الكيميائية بين بعض العناصر حيث تثار الإلكترونات إلى المدارات العليا أثناء عملية التفاعل مما يؤدي إلى حدوث التوزيع المقلوب للإلكترونات ومن ثم الانبعاث المستحث. وتتميز الليزرات الكيميائية كليزر الهيدروجين والفلور وليزر الأوكسجين واليود بقدرتها على توليد نبضات ذات قدرات عالية قد تصل إلى الميجاواط ولذلك فإن أكثر استخداماتها في أسلحة الليزر حيث تستخدم نبضات الليزر عالية الطاقة في تدمير الأهداف بدلا من القذائف التقليدية. ولكن العيب في هذا النوع من الليزرات هو في أنها كبيرة الحجم قد تحتل عدة غرف وتحتاج كذلك إلى إمداد مستمر بالمواد الكيميائية لكي تعمل ولذلك فإنه يصعب نقلها إلا من خلال تركيبها في السفن أو في الطائرات الكبيرة.
ويوجد أنواع أخرى من الليزرات كليزرات بخار المعادن (****l-vapor lasers) والتي تولد ضوء في النطاق المرئي وفوق البنفسجي منها ليزرات هيليوم-كادميوم وهيليوم-زئبق وهيليوم-فضة وغيرها. وكذلك ليزرات الإلكترون الحر (free electron lasers) والقادرة على توليد ضوء موجات ضمن نطاق يمتد من 100 نانومتر لعدة ملليمترات وتستخدم في التطبيقات الطبية ودراسة مكونات الجو. وكذلك ليزرات الليف الزجاجي (glass fiber lasers) حيث يتم تطعيم قلب الليف بمواد فعالية كالإربيوم وتتم عملية الضخ باستخدام ضوء ليزر آخر ومن أشهر أنواعها مضخم الليف المطعم بالإربيوم (Erbium Doped Fiber Amplifier) وليزر رامان (Raman laser) والتي تولد أطوال أمواج تمتد من 1000 إلى 2000 نانومتر وعادة ما يتم استخدامها كمضخمات للإشارات الضوئية في أنظمة الاتصالات الضوئية.
9-5 استخدامات الليزر
يستخدم الليزر بسبب خصائص ضوئه المميزة في تطبيقات لا حصر لها بدأت منذ اختراعه في عام 1960م. وعادة ما يعتمد التطبيق على خاصية واحدة أو أكثر من خصائص ضوء الليزر التي شرحناها سابقا ولذلك نجد أن لكل تطبيق يوجد أنواع معينة من الليزرات التي تناسبه. فبعض التطبيقات تحتاج لأطوال موجات محددة حيث لا يمكنها العمل على أطوال الموجات الأخرى كما في جراحة العيون وبعضها يحتاج لقدرات ضمن مدى محدد قد تكون منخفضة أو عالية وبعضها يحتاج لعرض شعاع دقيق وأخرى عريض وهكذا لبقية المواصفات. فأنظمة الاتصالات على سبيل المثال تحتاج لليزرات صغيرة الحجم قليلة القدرة وبعرض نطاق ضيق جدا بينما يحتاج قطع المعادن وتشكيلها ليزرات عالية القدرة قد تصل لعشرات الكيلواطات ولا يضير كبر حجمها ولا عرض نطاقها وهكذا لبقية التطبيقات. ومن الصعب جدا حصر استخدامات الليزر لكثرتها وسنبين فيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية لليزرات.
التطبيقات الصناعية
يقوم الليزر بمهام لا حصر لها في قطاع الصناعة حيث يستخدم شعاع الليزر عالي التركيز في قص وقطع الألواح المعدنية والخشبية والبلاستيكية والمطاطية والزجاجية والخزفية وكذلك الورق والقماش بدقة متناهية وبالأشكال المطلوبة وذلك تحت سيطرة الحواسيب والمتحكمات الدقيقة. وعادة ما يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الياق –نيوديميم (Nd:YAG) في مثل هذه التطبيقات حيث يمكن للنوع الأول توليد قدرات ضوئية قد تصل لعدة كيلواطات ولكن بشعاع قد يصل قطره لعدة سنتيمترات ولذلك يلزم استخدام العدسات لتركيز هذا الشعاع ليكون قطره بعدة ميكرومترات. فعلى سبيل المثال يمكن لليزر ثاني أكسيد الكربون بقدرة ألف واط أن يقطع لوح حديد بسمك 25 مليمتر بعد تركيز شعاعه باستخدام العدسات. ويستخدم الليزر في عملية لحام مختلف أنواع المعادن دون أن يترك آثار اللحام التي تتركها معدات اللحام التقليدية. ويستخدم كذلك لعمل الثقوب بمختلف المقاسات في مختلف أنواع المعادن مهما بلغت صلابتها وكذلك ثقب الماس الذي لا يمكن لأي مثقب معدني أن يثقبه. ويمكن عمل ثقوب بالغة الصغر باستخدام ليزر الياق –نيوديميم (Nd:YAG) بحيث يصل قطرها إلى عدة ميكرومترات وهذا ما لا يمكن إنجازه بأي أداة غير الليزر. ويستخدم الليزر في صهر وتبخير المعادن في مواضع محددة دون التأثير على المناطق المجاورة وكذلك تشكيل وصنفرة القطع المستخدمة في مختلف أنواع الآلات والأجهزة والمعدات. ويستخدم كذلك في الحفر والكتابة على أسطح مختلف أنواع المواد المعدنية والزجاجية والخزفية وبخطوط متناهية في الصغر. ويستخدم بكثرة في صناعة الإلكترونيات حيث يقوم برسم خطوط الدوائر الإلكترونية على رقائق الدوائر المتكاملة والتي قد يصل عرضها إلى أجزاء من الميكرومتر وكذلك الرسم على الألواح المطبوعة وفي تشكيل العناصر الإلكترونية كالمقاومات والمكثفات والمحاثات. ويستخدم كذلك في خطوط الإنتاج لضبط حركة الأجسام على الأحزمة المتحركة وفي تصنيف المنتجات وكتابة الشيفرات عليها.
التطبيقات الطبية
تستخدم أشعة الليزر بمختلف أنواعها في الجراحة وفي مجال طب الأسنان وطب العيون والأمراض الجلدية. ففي مجال طب وجراحة العيون يستخدم الليزر في علاج العتمات السطحية للقرنية وفي علاج العيوب الإنكسارية للعين كقصر النظر وطول النظر والإستجماتيزم وذلك عن طريق العديد من التقنيات أهمها تقنية الليزك (LASIK) وتقنية اللازك ((LASEK وغالبا ما يستخدم ليزر الإكسايمر (Excimer) في هذا النوع من العلاج بسبب قصر طول موجته وصغر قطر شعاعه. وتستخدم كذلك في علاج المياه البيضاء والزرقاء في العين من خلال إجراء ثقوب صغيرة جدا في قزحية العين يعمل على تصريف هذه المياه والتخفيف من ضغط العين. ويستخدم الليزر في علاج أمراض الشبكية الناتجة عن مرض السكري أو غيره من الأمراض كوقف نزيف الشبكية من خلال كي نهايات الأوعية ا
<BLOCKQUOTE class="postcontent restore ">الليزر
الدكتور منصور العبادي \ جامعة العلوم والتكنولوجيا الأردنية
9-1 مقدمة
الليزر هو مصدر لتوليد الضوء المرئي وغير المرئي والذي يتميز بمواصفات مميزة لا توجد في الضوء الذي تصدره بقية مصادر الضوء الطبيعية والصناعية. وكلمة ليزر (Laser) هي اختصار للأحرف الأولى لكلمات الجملة الإنجليزية: (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) والتي تعني (تضخيم الضوء بالانبعاث المستحث للإشعاع). يقوم الليزر بتوليد نوع مميز من الضوء يختلف في خصائصه عن الضوء الطبيعي الصادر عن الشمس والنجوم والضوء الاصطناعي الصادر عن مختلف أنواع المصابيح الكهربائية. ويتميز ضوء الليزر بعدة خصائص أهمها أن كامل الطاقة الضوئية تتركز في شعاع له مقطع عرضي متناهي في الصغر قد لا يتجاوز في بعض أنواعه عدة ميكرومترات مربعة ولهذا فإنه يسير لمسافات طويلة محتفظا بطاقته ضمن هذا الشعاع الدقيق. وبما أن جميع الطاقة الضوئية التي يولدها الليزر تتركز ضمن هذا المقطع الصغير للشعاع فإنه بالإمكان الحصول على شدة إضاءة قد تزيد بملايين المرات عن شدة الضوء الصادر عن الشمس أو المصابيح الكهربائية. أما الخاصية الثانية فهي أن ضوء الليزر يتكون من حزمة ضيقة جدا من الترددات بعكس أنواع الضوء الأخرى التي تتكون من طيف واسع من الترددات ولذا فهي تبدو للعين كضوء أبيض يحتوي على جميع ألوان الطيف المرئي بينما يبدو ضوء الليزر للعين بلون واحد عالي النقاء كاللون الأحمر والأخضر والأزرق.
ويعتبر اختراع الليزر من أكثر الاختراعات إثارة في هذا العصر حيث لم يكن يخطر على بال أحد أن هذا المصدر الضوئي البسيط سيفتح أبوابا لا حصر لها من التطبيقات ذات الأهمية البالغة في حياة البشر. فلقد تساءل العلماء فيما بينهم بعد تصنيع أول ليزر في عام 1960م عن ما ستكون التطبيقات لهذا الجهاز العجيب حيث أن الدافع وراء الأبحاث المكثفة التي أدت لاختراع الليزر كان لإشباع فضول العلماء ليس إلا وذلك على العكس من كثير من الاختراعات والتي كانت الحاجة وراء اختراعها. ولكن وبعد مضي سنوات معدودة تلقف العلماء في مختلف التخصصات هذا الاختراع العجيب واستخدموه في تطبيقات لا حصر لها وقد أحدث ثورة في حياة البشر لا تقل عن الثورة التي أحدثها الصمام الإلكتروني والترانزستور. فعلى سبيل المثال فقد أدرك مهندسو الاتصالات الكهربائية أهمية هذا الاختراع العظيم بعد أن تبين لهم أن ضوء الليزر يمكن أن يستخدم بديلا عن الموجات الراديوية كحامل للمعلومات وذلك لقدرته على حمل كمية معلومات تفوق بآلاف المرات قدرة أعلى الحاملات الراديوية وذلك بسبب ارتفاع ترددات ضوء الليزر. وأما مهندسو الميكانيك فقد بدأت الأحلام تراودهم بعد أن تبين لهم شدة تركيز ضوء الليزر في استخدامه لقطع وقص الألواح المعدنية وغير المعدنية بدقة متناهية وبالشكل الذي يريدونه لتلبي حاجة مختلف الصناعات وكذلك استخدامه في عمليات لحام المعادن. أما المهندسون المدنيون فقد وجدوا في شعاع الليزر المرئي الذي يسير لمسافات طويلة على شكل خيط دقيق ضالتهم المنشودة في أعمال المساحة والإنشاءات بمختلف أنواعها وذلك لضبط استقامتها وقياس الأبعاد. أما الأطباء فقد كان لهم نصيب وافر من هذا الاختراع فقد استخدموه كمشرط عالي الدقة لا يترك نزفا وراءه وقد يصل لأماكن في جسم الإنسان لا يمكن أن تصل إليه مشارطهم المعدنية إلا بعد حدوث ضرر كبير. واستخدموه في تصحيح البصر وإزالة الأورام وتفتيت الحصى وحفر الأسنان وإزالة البثور والحبوب والتجاعيد والدمامل وغيرها من أمراض وعيوب الجلد.
9-2 تاريخ تطور الليزر
لقد تمكن الفيزيائي الفذ ألبرت أينشتاين (Albert Einstein) في عام 1917م من وضع الأسس النظرية التي يقوم عليها عمل الليزر وذلك في أبحاثه حول الظاهرة الكهروضوئية (photoelectric). وفي هذه الظاهرة لاحظ العلماء أنه عند تسليط إشعاع كهرومغناطيسي ضوئي على سطح معدني فإن الإلكترونات تنبعث من هذا السطح فقط إذا تجاوز تردد الضوء قيمة حدية معينة أما إذا كان تردد الضوء أقل من ذلك فإن الإلكترونات لا تنبعث أبدا مهما بلغت شدة الضوء المسلط. وبقيت هذه الظاهرة لغزا يحير العلماء إلى أن تمكن أينشتاين في عام 1905م من حل هذا اللغز بعد أن اثبت أن الضوء ذي طبيعة موجية وجسيمية وذلك على العكس من الاعتقاد السائد حينئذ وهو أن الضوء ذي طبيعة موجية فقط. وقد أثبت أينشتاين أن الضوء وكذلك بقية أنواع الإشعاعات الكهرومغناطيسية ليست سيلا متصلا من الطاقة بل تتكون من وحدات صغيرة يحمل كل منها كمية محددة من الطاقة أطلق عليها اسم الفوتونات (photons). وتتناسب كمية الطاقة التي يحملها الفوتون الواحد من الضوء طرديا مع تردد الضوء أما ثابت التناسب فهو رقم فيزيائي ثابت لا يتغير أبدا على كامل مدى الطيف الكهرومغناطيسي وقد أطلق عليه اسم ثابت بلانك (Planck's constant) نسبة إلى الفيزيائي الألماني الشهير ماكس بلانك (Max Planck) الذي وضع أسس نظرية الكم (quantum theory). ولقد ساعد هذا الاكتشاف إلى جانب تفسيره لهذه الظاهرة على وضع نماذج صحيحة لتركيب الذرة وتبين أنها تتكون من إلكترونات تدور في مدارات محددة حول النواة وأن الإلكترونات لا تنتقل من مدار منخفض الطاقة إلى آخر بطاقة أعلى إلا من خلال تسليط إشعاعات كهرومغناطيسية عليها وبحيث تكون طاقة فوتون الإشعاع أعلى من فرق الطاقة بين المدارين. أما عند هبوط إلكترون من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة فإن فرق الطاقة ينبعث على شكل إشعاع بحيث تكون طاقة الفوتون مساوية تماما لفرق الطاقة بين المدارين. ولقد قام أينشتاين بدراسة التفاعلات بين الإشعاعات الكهرومغناطيسية وذرات المادة وتمكن من وضع المعادلات التي تحكم هذه التفاعلات والتي سميت فيما بعد باسمه وقد تنبأ من خلال هذه المعادلات بوجود ما يسمى بظاهرة الإشعاع المستحث (Stimulated Emission) والتي يقوم عليها عمل الليزر. ولقد حاول العلماء جاهدين للحصول على الإشعاع المستحث إلا أن جهودهم باءت بالفشل ووصل اليأس ببعضهم إلي إنكار وجود مثل هذه الظاهرة الضوئية. وفي عام 1947م تمكن الفيزيائي الأمريكي وليس لامب (Willis Lamb) عمليا من إثبات وجود ظاهرة الإشعاع المستحث. وفي عام 1954م تمكن الفيزيائي الأمريكي تشارلز تاون (Charles H. Townes) من الحصول على إشعاع مستحث في نطاق الأمواج الدقيقة (microwave) وأطلق اسم الميزر (Maser) على هذا الجهاز وهو مختصر للجملة الإنكليزية (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). وبهذا الإنجاز تجددت آمال العلماء للحصول على إشعاع مستحث في النطاق الضوئي المرئي أو غير المرئي ومن ثم تصنيع الليزر. وفي عام 1955م اقترح الفيزيائيان الروسيان بروكوروف وباسوف (Prokhorov and Basov) استخدام الضخ الضوئي (optical pumping) للحصول على ما يسمى التوزيع المقلوب للإلكترونات وهو أحد شروط عمل الليزر كما سنبين ذلك بعد قليل. وفي عام 1960م تمكن الفيزيائي الأمريكي ثيودور ميمان (Theodore Maiman) من تصنيع أول ليزر في نطاق الضوء المرئي وهو يتكون من قضيب اسطواني من الياقوت النقي تم صقل جانبيه بدقة متناهية وقد تم لف قضيب الياقوت بمصباح كهربائي مكون من أنبوب زجاجي مملوء بغاز الزنون. وعند تشغيل المصباح الكهربائي عمل الضوء الصادر عنه على إثارة ذرات الكروميوم الموجودة في الياقوت فقامت بإشعاع ضوء أحمر صافي خرج على شكل نبضات من أحد جانبي قضيب الياقوت. وفي عام 1960م تمكن الفيزيائي الإيراني علي جافان (Ali Javan) والأمريكي وليم بنت (William Bennett) من تصنيع ليزر باستخدام غازي الهيليوم والنيون وكان يعطي إشعاعا مستمرا وليس نبضيا كما هو الحال في ليزر الياقوت. وفي عام 1962م تمكن المهندس الأمريكي روبرت هول (Robert Hall) من تصنيع ليزر أشباه الموصلات (Semiconductor laser) الذي يتميز بصغر حجمه. وفي عام 1964م تم تصنيع ليزر ثاني أكسيد الكربون والذي يتميز بقدرة إشعاعه العالية.
9-3 مبدأ عمل الليزر
قام أينشتاين في عام 1917م بدراسة تفاعل الأمواج الكهرومغناطيسية أو ما يسمى اختصارا بالإشعاع (Radiation) مع ذرات المادة ووجد أن هناك ثلاثة أنواع من التفاعلات وهي أولا الامتصاص(Absorption) وفيها تقوم ذرات المادة بامتصاص فوتونات الإشعاع المسلط عليها وتعمل طاقة الإشعاع الممتص على رفع الإلكترونات من مدارات منخفضة الطاقة إلى مدارات عالية الطاقة وتصبح الذرات في حالة الإثارة (excited state). ولا يتم امتصاص الفوتونات من قبل المادة إلا إذا كانت طاقتها تزيد عن فرق الطاقة بين مدارات الإلكترونات لذرات تلك المادة ولذا تكون المواد شفافة لجميع الإشعاعات التي تقل تردداتها عن قيم محددة تتحدد من التركيب الذري لتلك المواد كما هو الحال مع الزجاج. أما التفاعل الثاني فهو الانبعاث التلقائي (Spontaneous Emission) وفيها تقوم الذرات المثارة بإشعاع موجات كهرومغناطيسية نتيجة نزول الإلكترونات من المدارات عالية الطاقة إلى المدارات منخفضة الطاقة. إن الإشعاع التلقائي الصادر عن المادة المثارة يسمى إشعاعا غير مترابط (Noncoherent radiation) وذلك لأن الإلكترونات تنزل من تلقاء نفسها وبطريقة عشوائية بين مدارات الذرة المختلفة ولذلك فإن هذا الإشعاع يحتوي على عدد كبير جدا من الترددات وتعتمد مصادر الضوء العادية على ظاهرة الانبعاث التلقائي في عملها. أما التفاعل الثالث فهو الانبعاث المستحث (Stimulated Emission) وفيها تقوم الذرات المثارة بإشعاع موجات كهرومغناطيسية نتيجة نزول الإلكترونات من المدارات عالية الطاقة إلى المدارات منخفضة الطاقة ولكن ليس بطريقة تلقائية وعشوائية كما في الانبعاث التلقائي بل نتيجة لحثها بإشعاع له تردد محدد. إن الإشعاع المستحث الصادر عن المادة المثارة يسمى إشعاع مترابط (Coherent) وذلك لأن الموجات الكهرومغناطيسية الناتجة عن نزول الإلكترونات لها تردد (Frequency) وطور (Phase) يساويان تماما تردد وطور الأمواج التي قامت بحث الإلكترونات على الإشعاع ولذلك فإن هذا الإشعاع له تردد واحد من الناحية النظرية. ويمكن حساب تردد الإشعاع المنبعث من المادة من خلال تقسيم فرق الطاقة بين المدارين الذي انتقل بينهما الإلكترون بثابت بلانك. إن المبدأ الرئيسي الذي يقوم عليه عمل الليزر هو ظاهرة الانبعاث المستحث التي شرحناها آنفا وهناك شروط ثلاثة تلزم لكي يولد الليزر ضوءا مترابطا من خلال هذه الظاهرة. أما الشرط الأول فهو توفر ما يسمى بالتوزيع المقلوب (Population inversion) للإلكترونات في ذرات المادة التي ستولد الضوء والذي يعني أن عدد الإلكترونات في الحالة المثارة يجب أن يكون أعلى منها في الحالة غير المثارة. وهذا الشرط لا يتحقق إلا في مواد معينة تسمى الوسط الفعال (active medium) التي يكون عدد المدارات في نطاق توصيلها (conduction band) ثلاثة أو أكثر وبحيث يوجد مدار شبه مستقر (****stable) بين المدار منخفض الطاقة والمدار عالي الطاقة. أما الشرط الثاني فهو توفر مصدر يقوم بضخ الإلكترونات (Pumping) من المدارات منخفضة الطاقة (غير المثارة) إلى المدارات عالية الطاقة (المثارة) وذلك للحصول على التوزيع المقلوب للإلكترونات. أما الشرط الثالث فهو وجود نظام تغذية راجعة موجبة (Positive feedback) لكي يعمل الليزر كمذبذب (Oscillator) يقوم بتوليد تردد الضوء المطلوب وغالبا ما يتم استخدام المرايا (Mirrors) للحصول على هذه التغذية الراجعة. وعلى هذا فإن الليزر يعمل من خلال ضخ الإلكترونات باستخدام مصدر ضخ خارجي كالضوء أو التيار الكهربائي من المدار الأدنى إلى المدار الأعلى ومن ثم تهبط الإلكترونات المثارة من خلال الانبعاث التلقائي من المدار الأعلى إلى المدار شبه المستقر (****stable state) والذي يقع بين المدارين الأدنى والأعلى حيث تبدأ الإلكترونات بالتراكم في هذا المدار لتنتج التوزيع المقلوب المنشود. وإذا ما مر فوتون ضوئي بتردد محدد على المادة وهي في وضع التوزيع المقلوب فإنه سيحث بعض الإلكترونات الموجودة في المدار شبه المستقر للنزول إلى المدار الأدنى منتجة عددا من الفوتونات الضوئية لها نفس تردد وطور واتجاه الفوتون الذي قام بحثها أي أن الضوء المتولد سيكون له تردد واحد أي أنه أحادي اللون وذلك من الناحية النظرية. وتستخدم المرايا لعكس بعض الفوتونات المتولدة لتمر من خلال ذرات المادة الفعالة لتوليد مزيدا من الفوتونات التي لها نفس الخصائص. وعادة ما تكون أحد المرايا ذات معامل انعكاس يقرب من الواحد وذلك لتعكس جميع الضوء الساقط عليها بينما يكون معامل انعكاس المرآة الثانية أقل من واحد وذلك لتسمح لجزء من الضوء المتولد للخروج منها لاستخدامه في التطبيقات المختلفة. وبما أن الفوتونات المستحثة لها نفس تردد الفوتونات التي قامت بحثها وتسير بنفس اتجاه سيرها فإن ضوء الليزر الناتج سيكون أحادي اللون تقريبا ويسير باتجاه واحد وذلك على العكس من طبيعة ضوء المصادر الأخرى. ويخرج الضوء المتولد من الليزر في العادة إما على شكل نبضات (pulsed laser) أو على شكل موجة مستمرة (continuous wave laser) والذي يتحدد من التركيب الذري للمادة الفعالة ونوع وكمية الضخ المستخدم وكذلك طريقة تركيب الليزر.
خصائص ضوء الليزر
يتميز ضوء الليزر على بقية أنواع الضوء الصادر عن المصادر الطبيعية كالشمس والمصابيح التقليدية والصناعية كالمصابيح الكهربائية بعدة خصائص مهمة تؤهله لاستخدامه في كثير من التطبيقات. ومن أهم هذه الخصائص ما يسمى بالاتجاهية (Directionality) وهي أن شعاع الليزر له زاوية انفراج (divergence angle) غاية في الصغر بحيث يمكنه أن يسير لمسافات طويلة دون أن تتشتت طاقته. فعلى سبيل المثال فإن زاوية انفراج شعاع ليزر نيون-هيليوم تبلغ جزئين من عشرة آلاف جزء من الدرجة وهذا يعني أنه إذا ما تم إرسال شعاع هذا الليزر من الأرض إلى القمر فسيكون قطره على القمر بحدود كيلومتر ونصف علما بأن المسافة بين الأرض والقمر تبلغ 384 ألف كيلومتر. إن قطر شعاع هذا الليزر يبلغ ملليمترين عند خروجه من الليزر بينما سيكون قطره خمسة ملليمترات فقط بعد أن يسير ألف كيلومتر. وتتحدد زاوية انفراج شعاع الليزر من عدة عوامل أهمها عرض الشعاع عند خروجه من المصدر وطول موجة الإشعاع حيث تتناسب عكسيا مع عرض الشعاع الابتدائي وطرديا مع طول الموجة أي أن الزاوية تقل مع زيادة عرض الشعاع ونقصان طول الموجة. وتستغل خاصية الاتجاهية في تطبيقات كثيرة كقياس المسافات البعيدة والقصيرة على السواء والتأشير على الأهداف بدقة متناهية كما في أنظمة المساحة ورسم الخطوط المستقيمة في أعمال الإنشاءات المختلفة. أما الخاصية الثانية فهي علو شدة ضوء الليزر (high intensity light) وذلك بسبب أن شعاع الليزر له مقطع عرضي صغير جدا قد لا يتجاوز في بعض أنواعه عدة ميكرومترات مربعة وبما أن جميع الطاقة الضوئية الصادرة عن الليزر رغم قلتها تتركز ضمن هذا المقطع الصغير فإنه بالإمكان الحصول على شدة إضاءة قد تزيد بملايين المرات عن شدة الضوء الصادر عن الشمس أو المصابيح الكهربائية ولهذا فيمكن لشعاع الليزر أن يسير لمسافات كبيرة جدا دون أن يخبو ضوءه. ولتوضيح ذلك فإن ليزر بقدرة واحد واط وبمقطع عرضي مساحته ألف ميكرومتر مربع يعطي ضوء شدته بليون واط لكل متر مربع أي يزيد بمليون مرة عن شدة ضوء الشمس على سطح الأرض. وتستغل هذه الخاصية للضوء في حفر وقطع ولحام المواد بدقة كبيرة وفي إجراء العمليات الجراحية ومعالجة كثير من أمراض العيون والجلد. أما الخاصية الثالثة فهي أحادية اللون (Monochromaticity) حيث أن ضوء الليزر يتكون من حزمة ضيقة جدا من الترددات الضوئية بعكس أنواع الضوء الأخرى التي تتكون من طيف واسع جدا من الترددات ولذا فإنها تبدو للعين كضوء أبيض يحتوي على جميع ألوان الطيف المرئي بينما يبدو ضوء الليزر بلون واحد فقط عالي النقاء. وتستغل هذه الخاصية في استخدام ضوء الليزر كحامل للمعلومات بدلا من الحاملات الراديوية خاصة في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية التي تتطلب وجود مصادر ضوئية أحادية اللون أي أن عرض نطاق ترددات ضوءها غاية في الصغر. أما الخاصية الرابعة فهي الترابط (Coherence) وهي أن الترددات التي يتكون منها شعاع الليزر لها نفس الطور (phase) وكذلك نفس الاستقطاب (polarization) وتستغل هذه الخاصية للحصول على أشكال تداخلية (interference patterns) لا يمكن الحصول عليها من خلال استخدام أنواع الضوء الأخرى. ويستخدم التداخل الضوئي (Interferometry) في أشعة الليزر في تطبيقات لا حصر لها كما في قياس المسافات والسرعات ودراسة تركيب المواد والتصوير ثلاثي الأبعاد. أما الخاصية الخامسة فهي أنه يمكن التحكم بجهاز الليزر بحيث يتم إطلاق ضوءه على شكل نبضات بمعدلات محددة ويمكن كذلك التحكم بعرض النبضة ليصل في بعض التطبيقات إلى عدة أجزاء من مليون بليون جزء من الثانية. ومن خلال تقليل عرض النبضة الضوئية فإنه يمكن الحصول على شدة ضوء غاية في العلو قد تصل إلى آلاف الميجاواطات ولكن لفترات زمنية قصيرة جدا وذلك مهما كانت كمية الطاقة التي تحملها النبضة. وتستخدم هذه الخاصية في تطبيقات لا حصر لها كإذابة أو تبخير المعادن أو قطع ولحام مختلف أنواع المواد أو إجراء العمليات الجراحية أو تسريع التفاعلات الكيميائية وحتى النووية. إن أهم عيوب الليزر هو تدني كفاءة تحويل الطاقة فيه حيث تتراوح بين واحد بالمائة وعشرين بالمائة لمعظم أنواعه وهذا يعني أنه يلزم للحصول على واط واحد من ضوء ليزر كفاءته واحد بالمائة تزويده بمائة واط من الطاقة حيث تضيع التسعة وتسعون واط المتبقية كحرارة في داخل جسم الليزر وهذا يتطلب أنظمة تبريد معقدة خاصة في الأنواع التي تنتج قدرات عالية قد تصل لعدة كيلواطات كليزر ثاني أكسيد الكربون.
9-4 أنواع الليزر
يتحدد نوع الليزر ومواصفات الضوء الصادر عنه من نوع المادة الفعالة ونوع مصدر الضخ وكذلك طريقة التغذية الخلفية المستخدمة فيه. وتنقسم أنواع الليزر من حيث طبيعة المادة الفعالة إلى أنواع كثيرة أهمها ليزارات الحالة الصلبة والليزرات الغازية والليزرات شبه الموصلة وليزرات الأصباغ والليزرات الكيميائية وليزرات بخار المعادن. أما طريقة الضخ فقد تكون باستخدام الضوء المرئي أو غير المرئي أو الأمواج الكهرومغناطيسية الراديوية أو بتمرير أو تفريغ التيار الكهربائي أو من خلال التفاعلات الكيميائية. أما طريقة التغذية الخلفية فتعتمد على نوع المادة الفعالة فقد تتم من خلال صقل الأوجه إذا كانت في الحالة الصلبة أو باستخدام المرايا إذا كانت في الحالة السائلة أو الغازية وتعتمد كذلك على شكل المرايا فيما إذا كانت مسطحة أو مقعرة ودرجة إنعكاسيتها (reflectivity). وفي كل نوع من هذه الأنواع الرئيسية يوجد أنواع فرعية تتمايز بخصائص مختلفة مثل طول موجة الضوء وشدة الضوء المنبعث ومساحة مقطع الشعاع وزاوية انفراج الشعاع وفيما إذا كان الضوء المنبعث متواصلا (continuous) أو نبضيا (pulsed) وإمكانية التحكم بمعدل وعرض النبضات وكذلك حجم ووزن جهاز الليزر و قيمة الجهد والتيار اللازمين لتشغيله وكفاءة التحويل وعمر التشغيل الافتراضي.ويتوفر في الأسواق الآن ليزرات بأطوال موجة تبدأ بمائة نانومتر وتنتهي عند ألف ميكرومتر أي أنها تغطي كامل طيف الأشعة فوق البنفسجية وكامل طيف الضوء المرئي (من 400 إلى 760 نانومتر) وكامل طيف الأشعة تحت الحمراء. ولكن معظم أنواع الليزرات تعطي ضوءا في المنطقة المرئية والمنطقة تحت الحمراء القريبة(near IR) والمتوسطة(medium IR) وجزء من المنطقة فوق البنفسجية. أما كمية الطاقة التي تولدها الليزرات فتتراوح من أجزاء المللي واط وتصل لعدة عشرات كيلواط إذا كان الضوء متصلا أما إذا كان على شكل نبضات فقد تصل القدرة القصوى لألف بليون واط ولكم لفترات زمنية بالغة القصر تقاس بأقل من البيكوثانية.
ليزرات الحالة الصلبة (Solid-State Lasers)
تتكون ليزرات الحالة الصلبة من جسم زجاجي أو بلوري أو حتى خزفي يتم تطعيمه بذرات مادة فعالة تنطبق عليها شروط الانبعاث المستحث. وعادة ما يكون الليزر على شكل قضيب أسطواني يتم صقل وجهيه ليعملا كمرايا عاكسة لتحقق شرط التغذية الخلفية. أما نظام الضخ فيها فهو في الغالب الضوء الصادر من مصابيح غازية كهربائية يتم ملؤها بغاز مناسب لتعطى تردد ضوء الضخ المطلوب ويتم لف أنبوب المصباح على جسم قضيب الليزر بشكل حلزوني. وفي الأنواع الحديثة بدأ باستخدام ثنائيات الليزر (laser diodes) في عملية الضخ بدلا من المصابيح الغازية وذلك لصغر حجمها وانخفاض أثمانها حيث يتم تسليط ضوء ثنائي الليزر مباشرة على قضيب ليزر الحالة الصلبة. لقد كان ليزر الحالة الصلبة أول الأنواع ظهورا بعد أن تمكن الفيزيائي الأمريكي ثيودور ميمان (Theodore Maiman) في عام 1960م من تصنيع ليزر الياقوت (Ruby laser) والذي يتكون من قضيب اسطواني من الياقوت النقي (CrAlO3) الذي يحتوى على ذرات الكروميوم الفعالة بشكل طبيعي وقد تم استخدام مصباح غاز الزنون في عملية الضخ ويولد ضوء بطول موجة 694 نانومتر أي ضوء أحمر نقي. يوجد الآن عشرات الأنواع من ليزرات الحالة الصلبة ويستخدم في معظم هذه الأنواع أجسام بلورية اصطناعية كمثل حجر الياق (Yttrium Aluminium Garnet(YAG)Y3Al5O12) وهو حجر كريم اصطناعي يعطي ألوان مختلفة عند تطعيمه بالعناصر المختلفة. وعند استخدامه في الليزر يتم تطعيمه بعناصر فعالة تكون في الغالب من العناصر الأرضية النادرة (rare earth elements) لتعطي طيفا واسعا من الترددات فليزر الياق المطعم بالإربيوم (Er:YAG laser) يعطي ضوء بطول موجة 2940 نانومتر أي المنطقة تحت الحمراء البعيدة وبسبب طول موجته فإنه يستخدم في التطبيقات الطبية ويتميز بأن عملية الضخ تتم عند نطاق واسع من الترددات تمتد من 600 إلى 800 نانومتر. أما ليزر الياق المطعم بالنيوديميوم (Nd:YAG laser) فيعطي ضوء بطول موجة 1064 نانومتر أي في المنطقة تحت الحمراء القريبة ومن ميزاته أنه يولد قدرات عالية قد تصل لعدة كيلواطات مما يناسب الأغراض الصناعية. ولكن من سيئاته أنه يحتاج لمصدر ضخ بطول موجة محدد وهو 807 نانومتر وبعرض نطاق لا يتجاوز واحد نانومتر ولكن عند إضافة الكروم إليه فإن نطاق الضخ يتسع بشكل كبير جدا بحيث يمكن استخدام ضوء الشمس القوي في عملية الضخ. أما ليزر الياق المطعم باليتربيوم (Yb:YAG laser) فيعطي ضوء بطول موجة 1030 نانومتر أي في المنطقة تحت الحمراء القريبة ومن ميزاته أنه يولد قدرات عالية ويضخ بطول موجة 940 نانومتر وبعرض نطاق 18 نانومتر.
الليزرات الغازية (Gas Lasers)
يتكون الليزر الغازي من أنبوبة مملوءة بغازات معينة تحت ضغط منخفض توضع بين مرآتين عاكستين وتتم عملية الضخ من خلال التفريغ الكهربائي في الغاز وذلك عند تسليط جهد كهربائي عالي بين أقطاب موجودة عند طرفي الأنبوبة. وتتميز الليزرات الغازية برخص أثمانها وبإمكانية تصنيعها بأحجام كبيرة وقدرات عالية وبطول عمر تشغيلي كبير. ومن أشهر أنواع الليزرات الغازية ليزر هيليوم_نيون (HeNe laser) الذي يشع ضوءا أحمر بطول موجة 633 نانومتر وبقدرة تتراوح بين واحد ومائة ملي واط ويتراوح طوله بين خمسة عشر إلى خمسين سنتيميتر ويحتاج إلى ما يقرب من ألف فولت لتفريغ التيار الكهربائي خلال الغاز. أما ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2 laser)) فإنه من أقوى الليزرات ويشع ضوءا متصلا غير مرئي في نطاق الأشعة تحت الحمراء البعيدة بطول موجة 9.4 ميكرومتر وبقدرات تبدأ من عدة مللي واطات وقد تصل لعدة مئات الكيلواطات وبكفاءة قد تصل إلى عشرين بالمائة ولذا فهو يستخدم في قطع ولحام المعادن بسبب قدرته العالية وكذلك يستخدم بسبب طول موجته الكبيرة في معالجة الأمراض الجلدية وفي الجراحة. أما ليزر النيتروجين فإنه يشع ضوءا نبضيا غير مرئي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية بطول موجة 337 نانومتر وبقدرة عند الذروة قد تصل ألف كيلواط. أما ليزر الآرغون فإنه يشع ضوءا متصلا في نطاق الأشعة فوق البنفسجية والمرئية وبقدرات لا تتجاوز الواط الواحد. وأما ليزر الإكسايمر (Excimer) والذي تتكون مادته من خليط من غازات فعالة كالفلور والكلور مع غازات خاملة كالآرغون والزنون بنسب محددة ويشع ضوءا نبضيا غير مرئي في نطاق الأشعة فوق البنفسجية وتتراوح طول موجته بين 126 و337 نانومتر وذلك حسب نوع خليط الغازات وبسبب قصر طول موجته فإن له شعاع دقيق جدا قد يصل قطره إلى ربع ميكرومتر ولذا فإنه يستخدم في الجراحة وفي تصحيح البصر وفي رسم الدوائر الإلكترونية على رقائق أشباه الموصلات.
الليزرات شبه الموصلة (Semiconductor Lasers)
يتكون الليزر شبه الموصل من بلورة من مادة شبه موصلة يتم تطعيمها بعناصر مانحة وأخرى مستقبلة لتصبح على شكل وصلة موجب_سالب (PN junction) أي ثنائي (diode) ولذلك يغلب على اسمه ثنائي الليزر (laser diode). ويتم صقل وجهين متعامدين من أوجه البلورة للحصول على التغذية الخلفية وأما عملية الضخ فتتم من خلال تمرير تيار في هذه الوصلة وإذا ما تجاوزت قيمة التيار قيمة حدية (threshold) فإن الثنائي يبدأ بتوليد ضوء الليزر. ولكي يعمل الليزر يحتاج أن يكون سمك المادة الفعالة ضئيل جدا تقاس بالميكرومترات وذلك للحصول على كثافة تيار عالية جدا قد تصل لعشرات الآلاف أمبير للسنتيمتر المربع. إن هذا السمك الضئيل للطبقة الفعالة يعطي عرض شعاع دقيق جدا عند خروجه من الليزر مما يزيد من زاوية انفراج الشعاع كما شرحنا سابقا ولهذا يتطلب استخدام عدسات للحصول على شعاع بزاوية انفراج صغيرة. ولا تستخدم المواد شبه الموصلة الأساسية وهي السيليكون والجرمانيوم في هذه الليزرات لعدم تحقيقها لكامل شروط عمل الليزر بل يتم استخدام مواد شبه موصلة مركبة من عناصر العامود الثالث والخامس في الجدول الدوري ويمكن الحصول على مدى واسع من الترددات من خلال اختيار نوع العناصر ونسب خلطها. فعلى سبيل المثال فإن ليزر الجاليوم- الزرنيخ (GaAs) يولد ضوء بطول موجي من 800 إلى 900 نانومتر وليزر (AlGaAs) يولد ضوء تتراوح أطواله الموجية بين 630 و 900 نانومتر بينما يولد ليزر (InGaAsP) ترددات تتراوح أطوالها الموجية بين 1000 و 2100 نانومتر. وتتميز الليزرات شبه الموصلة بصغر حجمها البالغ والتي قد تصل ما دون حجم حبة العدس بل يمكن تصنيع أعداد كبيرة منها على نفس القاعدة وبسهولة عملية الضخ فيها من خلال استخدام التيار الكهربائي إلى جانب إمكانية إنتاجها بكميات كبيرة جدا. وبسبب هذه الميزات انتشر استخدامها في التطبيقات التي تحتاج ليزرات صغيرة الحجم ولا تستهلك كمية كبيرة من الطاقة كما في أنظمة الاتصالات الضوئية وفي الأقراص الضوئية المدمجة وفي الطابعات وفي أجهزة المساحة وقارئات الباركود وفي خطوط الإنتاج وغيرها الكثير. وقد أنتج من الليزرات شبه الموصلة في عام 2004م فقط ما يقرب من 750 مليون ليزر بينما كان مجموع ما أنتج من بقية أنواع الليزر 150 مليون ليزر.
ليزرات الأصباغ (Dye Lasers)
يستخدم ليزر الأصباغ بعض المواد العضوية كمادة فعالة وغالبا ما تكون مذابة في محلول سائل ومن هذه المواد العضوية الروداماين (Rhodamine) والفلوروسين (Fluorescein) والتتراسين (Tetracene) وغيرها. ويتم وضع المحلول في أنبوبة زجاجية من الكوارتز يتم طلي سطحيها المتقابلين بالفضة للحصول على المرايا العاكسة. وغالبا ما تتم عملية الضخ باستخدام ضوء أنواع أخرى من الليزرات وخاصة التي تولد الضوء الأخضر. وتتميز ليزرات الأصباغ بإمكانية توليف (tuning) للحصول على أطوال أمواج محددة وكذلك بإمكانية الحصول على نبضات ضوئية غاية في القصر والتي تلزم في بعض التطبيقات البحثية فعلى سبيل المثال فإن ليزر الرودامين يمكن توليفه من 570 إلى 640 نانومتر.
الليزرات الكيميائية (Chemical Lasers)
يعتمد هذا النوع من الليزرات في عمله على التفاعلات الكيميائية بين بعض العناصر حيث تثار الإلكترونات إلى المدارات العليا أثناء عملية التفاعل مما يؤدي إلى حدوث التوزيع المقلوب للإلكترونات ومن ثم الانبعاث المستحث. وتتميز الليزرات الكيميائية كليزر الهيدروجين والفلور وليزر الأوكسجين واليود بقدرتها على توليد نبضات ذات قدرات عالية قد تصل إلى الميجاواط ولذلك فإن أكثر استخداماتها في أسلحة الليزر حيث تستخدم نبضات الليزر عالية الطاقة في تدمير الأهداف بدلا من القذائف التقليدية. ولكن العيب في هذا النوع من الليزرات هو في أنها كبيرة الحجم قد تحتل عدة غرف وتحتاج كذلك إلى إمداد مستمر بالمواد الكيميائية لكي تعمل ولذلك فإنه يصعب نقلها إلا من خلال تركيبها في السفن أو في الطائرات الكبيرة.
ويوجد أنواع أخرى من الليزرات كليزرات بخار المعادن (****l-vapor lasers) والتي تولد ضوء في النطاق المرئي وفوق البنفسجي منها ليزرات هيليوم-كادميوم وهيليوم-زئبق وهيليوم-فضة وغيرها. وكذلك ليزرات الإلكترون الحر (free electron lasers) والقادرة على توليد ضوء موجات ضمن نطاق يمتد من 100 نانومتر لعدة ملليمترات وتستخدم في التطبيقات الطبية ودراسة مكونات الجو. وكذلك ليزرات الليف الزجاجي (glass fiber lasers) حيث يتم تطعيم قلب الليف بمواد فعالية كالإربيوم وتتم عملية الضخ باستخدام ضوء ليزر آخر ومن أشهر أنواعها مضخم الليف المطعم بالإربيوم (Erbium Doped Fiber Amplifier) وليزر رامان (Raman laser) والتي تولد أطوال أمواج تمتد من 1000 إلى 2000 نانومتر وعادة ما يتم استخدامها كمضخمات للإشارات الضوئية في أنظمة الاتصالات الضوئية.
9-5 استخدامات الليزر
يستخدم الليزر بسبب خصائص ضوئه المميزة في تطبيقات لا حصر لها بدأت منذ اختراعه في عام 1960م. وعادة ما يعتمد التطبيق على خاصية واحدة أو أكثر من خصائص ضوء الليزر التي شرحناها سابقا ولذلك نجد أن لكل تطبيق يوجد أنواع معينة من الليزرات التي تناسبه. فبعض التطبيقات تحتاج لأطوال موجات محددة حيث لا يمكنها العمل على أطوال الموجات الأخرى كما في جراحة العيون وبعضها يحتاج لقدرات ضمن مدى محدد قد تكون منخفضة أو عالية وبعضها يحتاج لعرض شعاع دقيق وأخرى عريض وهكذا لبقية المواصفات. فأنظمة الاتصالات على سبيل المثال تحتاج لليزرات صغيرة الحجم قليلة القدرة وبعرض نطاق ضيق جدا بينما يحتاج قطع المعادن وتشكيلها ليزرات عالية القدرة قد تصل لعشرات الكيلواطات ولا يضير كبر حجمها ولا عرض نطاقها وهكذا لبقية التطبيقات. ومن الصعب جدا حصر استخدامات الليزر لكثرتها وسنبين فيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية لليزرات.
التطبيقات الصناعية
يقوم الليزر بمهام لا حصر لها في قطاع الصناعة حيث يستخدم شعاع الليزر عالي التركيز في قص وقطع الألواح المعدنية والخشبية والبلاستيكية والمطاطية والزجاجية والخزفية وكذلك الورق والقماش بدقة متناهية وبالأشكال المطلوبة وذلك تحت سيطرة الحواسيب والمتحكمات الدقيقة. وعادة ما يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الياق –نيوديميم (Nd:YAG) في مثل هذه التطبيقات حيث يمكن للنوع الأول توليد قدرات ضوئية قد تصل لعدة كيلواطات ولكن بشعاع قد يصل قطره لعدة سنتيمترات ولذلك يلزم استخدام العدسات لتركيز هذا الشعاع ليكون قطره بعدة ميكرومترات. فعلى سبيل المثال يمكن لليزر ثاني أكسيد الكربون بقدرة ألف واط أن يقطع لوح حديد بسمك 25 مليمتر بعد تركيز شعاعه باستخدام العدسات. ويستخدم الليزر في عملية لحام مختلف أنواع المعادن دون أن يترك آثار اللحام التي تتركها معدات اللحام التقليدية. ويستخدم كذلك لعمل الثقوب بمختلف المقاسات في مختلف أنواع المعادن مهما بلغت صلابتها وكذلك ثقب الماس الذي لا يمكن لأي مثقب معدني أن يثقبه. ويمكن عمل ثقوب بالغة الصغر باستخدام ليزر الياق –نيوديميم (Nd:YAG) بحيث يصل قطرها إلى عدة ميكرومترات وهذا ما لا يمكن إنجازه بأي أداة غير الليزر. ويستخدم الليزر في صهر وتبخير المعادن في مواضع محددة دون التأثير على المناطق المجاورة وكذلك تشكيل وصنفرة القطع المستخدمة في مختلف أنواع الآلات والأجهزة والمعدات. ويستخدم كذلك في الحفر والكتابة على أسطح مختلف أنواع المواد المعدنية والزجاجية والخزفية وبخطوط متناهية في الصغر. ويستخدم بكثرة في صناعة الإلكترونيات حيث يقوم برسم خطوط الدوائر الإلكترونية على رقائق الدوائر المتكاملة والتي قد يصل عرضها إلى أجزاء من الميكرومتر وكذلك الرسم على الألواح المطبوعة وفي تشكيل العناصر الإلكترونية كالمقاومات والمكثفات والمحاثات. ويستخدم كذلك في خطوط الإنتاج لضبط حركة الأجسام على الأحزمة المتحركة وفي تصنيف المنتجات وكتابة الشيفرات عليها.
التطبيقات الطبية
تستخدم أشعة الليزر بمختلف أنواعها في الجراحة وفي مجال طب الأسنان وطب العيون والأمراض الجلدية. ففي مجال طب وجراحة العيون يستخدم الليزر في علاج العتمات السطحية للقرنية وفي علاج العيوب الإنكسارية للعين كقصر النظر وطول النظر والإستجماتيزم وذلك عن طريق العديد من التقنيات أهمها تقنية الليزك (LASIK) وتقنية اللازك ((LASEK وغالبا ما يستخدم ليزر الإكسايمر (Excimer) في هذا النوع من العلاج بسبب قصر طول موجته وصغر قطر شعاعه. وتستخدم كذلك في علاج المياه البيضاء والزرقاء في العين من خلال إجراء ثقوب صغيرة جدا في قزحية العين يعمل على تصريف هذه المياه والتخفيف من ضغط العين. ويستخدم الليزر في علاج أمراض الشبكية الناتجة عن مرض السكري أو غيره من الأمراض كوقف نزيف الشبكية من خلال كي نهايات الأوعية ا
» انواع دايود الليزر
» ماهو الغشاء الرقيق؟
» حروف تدل على شخصية المراة ؟؟
» خاطرة ...!
» قصة .. توقف لسانه عن الكلام عندما علم أنها ابنة 17 سنة
» شاب يخاطب المساجد ...!!!! كم هو جميل ..؟؟!!!
» حدث في 25 سبتمبر
» حدث في 16 شوال