اشعة الليزر ومكونات جهاز الليزر

أشعة الليزر LASER
________________________________________


دخلت أشعة الليزر في العديد من المنتجات التكنولوجية فتجدها عنصر اساسي في أجهزة تشغيل الأقراص المدمجة أو في ألات طبيب الأسنان أو في معدات قطع ولحام الحديد أو في أدوات القياس وغيرها من المجالات.

كل تلك الأجهزة تستخدم الليزر ولكن ما هو الليزر وما الذي يجعل الليزر مميز عن غيره من المصادر الضوئية. في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كل ما يتعلق بالليزر بشكل مبسط وواضح.

جاءت تسمية كلمة ليزر LASER من الأحرف الأولي لفكرة عمل الليزر والمتمثلة في الجملة التالية :



Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation



وتعني تكبير الضوء Light Amplification بواسطة الانبعاث الاستحثاثي Stimulated Emission للإشعاع الكهرومغناطيسي Radiation. وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت اينشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث الاستحثاثي stimulated emission وتم تصميم أول جهاز ليزر في 1960 بواسطة العالم ميمان T.H. Maiman باستخدام بلورة الياقوت ويعرف بليزر الياقوت Ruby laser.

* مكونات جهاز الليزر :

1 - مصدر ضوئي: هو الذي يضخ الطاقه للمادة النشطة في جهاز الليزر. مصدر الطاقة الذي يبعثها مرتبطة بنوع الليزر. هذه المصادر قد تكون كهربائية كما هو الحال في جهاز ارجون ليزر وجهاز ثاني أوكسيد الكربون أو ضوء فلاش في جهاز الصباغي.

2 - محتويات فراغ جهاز الليزر: يحتوي جهاز الليزر على أنبوب وعدد من المرايا موجوده عند طرفي الأنبوب حيث تقوم بعكس أشعة الليزر بشدة ومن ثم تزداد شدة الأشعه المنبعثة من المصدر. الفوتونات التي تمر خلال الأنبوب تنعكس إلى الخلف خلال وسط الليزر. وفي كل مره ينعكس فيها الضوء إلى الأمام والخلف بواسطة مرايا خاصة على طرفي الأنبوبة يزداد فيها عدد الذرات لتضخ المزيد من الفوتونات وبالتالي فإن شدة ضوء الليزر يزداد. في نهاية المرايا يوجد فتحة صغيرة تسمح لنسبة ضئيلة من ضوء الليزر للمرور إلى الخارج خلال ذراع خاص يوجد في نهايته الأداه اليدوية التي يخرج منها ضوء الليزر ليسقط على المنطقة المراد معالجتها.

3 - مرشد ضوء الليزر: ضوء الليزر غير مرئي ولذلك يستعمل ضوء خفيف "هيليوم نيون" وهو ذو تأثير ضعيف والهدف منه الإرشاد إلى وضع ضوء الليزر عند المعالجة إذ أن مكان سقوط ضوء هيليوم نيون هو المكان الذي يسقط عليه ضوء الليزر عند المعالجة.

* آلية عمل جهاز الليزر :
يقوم هذا الجهاز بتضخيم الضوء بنفس الطريقة التي يتكون فيها نهرٌ ضخم كنهر المس سبي مثلاً من العديد من الروافد . حيث يتكون الضوء الاعتيادي من مجموعة من الألوان ذات أطياف مرئية وشبه مرئية , فيقوم جهاز الليزر بتحويل هذه الأطياف إلى تردد واحد قوي جدا وله نقاوة تختلف عن خليط ترددات الضوء المألوف . ويتم إنجاز هذه الميكانيكية بواسطة بلورات شبه شفافة تحتوي على ذرات مشعة مثل الكروم . وعندما تتعرض هذه البلورات الى مصدر ضوئي قوي , فان الإلكترونات التي تدور حول النواة تكتسب طاقة إضافية فتقفز الى مدارات أعلى , فتصبح في حالة غير مستقرة تدفعها الى الرجوع الى وضعها المستقر في المدار السابق الذي كانت فيه . وعندما ترجع الى وضعها المستقر , تطلق الطاقة التي اكتسبتها على شكل ضوء .

أساساً, كل العوامل المشعة تعمل بنفس الطريقة المذكورة أعلاه , لكن في جهاز الليزر يتم السيطرة على هذه العملية بشكل كامل بحيث تطلق جميع الإلكترونات ضوءاً له نفس الطاقة ونفس التردد تماما . تضاف هذه الأشعة المستقلة إلى بعضها البعض فتنتج شعاع واحد متماسك وشديد جدا بحيث يمكنه صهر أي معدن من المعادن المعروفة عندما يسلط عليه فورا.

وبسبب هذا التماسك العرضي بين الأشعة , تنتقل أشعة الليزر لمسافات طويلة جدا وبخطوط مستقيمة وبدون حدوث أي انتشار ملحوظ .

* صفات أشعة الليزر : ضوء الليزر له ثلاث مميزات رئيسية التي تميزه عن المصادر الضوئية الأخرى.

1 ـ ( Collimated): يعني أن الضوء يسير موازياً باتجاه واحد مع انحراف ضئيل جداً حتى لمسافة طويلة ولذلك هناك ضياع قليل للقدرة على طول الحزمة. حزمة الليزر هي أكثر بريقاً بألف مرة من ضوء النهار وأكثر لمعاناً من أشعة الشمس.

2 ـ وحيدة اللون (Monochromatic): يتألف من لون واحد أو طول موجة واحد ولهذا فإن حزمة الليزر نقية جداً. على العكس من الضوء الأبيض من ضوء المصابيح فإنه يشمل انبعاث عفوي للفوتونات بأطوال موجات وألوان مختلفة تسير في اتجاهات مختلفة وبذلك يكون ضوئها منتشراً.

3 ـ (Cohorent): يعني كل أمواج الضوء تتحرك متوازية معاً في كل من الفراغ والزمان. المجال الضوء العادي من المصباح يتألف من مزيج من أطوال موجات تشع في اتجاهات مختلفة وخارج المجال وبذلك يطلق عليه المصطلح "Incoherent" .



* أنواع الليزر:يأتي الليزر بأنواع مختلفة حسب الاستخدامات وتنوع الليزر يأتي من تنوع المادة المستخدمة لإنتاجه فهناك من المواد الصلبة والسائلة والغازية، ويعتبر نوع المادة الأساس الاكثر استخداماً للتميز بين الأنواع المختلفة. ويسمى الليزر من خلال نوع المادة المستخدمة فمثلاً ليزر الهيليوم نيون He-Ne يعني ان المادة المستخدمة هي خليط من الهيليوم والنيون وليزر الياقوت يعني ان المادة المنتجة لليزر هي الياقوت وهكذا لباقي الأنواع الأخرى.
ولنأخذ بعض الأمثلة لأنواع مختلفة لليزر:

ليزر الحالة الصلبة solid-state laser : هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليط الالومنيوم واليتريم والنيودينيم neodymium:yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ TAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء.

ليزر الغاز Gas laser : وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكسيد الكربون وتكون اطوالها الموجية في مدى الاشعة تحت الحمراء وتستخدم في قطع المواد الصلبة لطاقتها العالية.

ليزر الإكسيمر Excimer laser : وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدم الغازات الخاملة مثل غاز الكلور أو الفلور أو الكربتون أو الأرجون وتنتج هذه الغازات اشعة ليزر ذات أطوال موجية في مدى الأشعة فوق البنفسجية.

ليزر الأصباغ Dye laser : وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامين rhodamine 6G مذابة في محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه.

ليزر أشباه الموصلات Semiconductor laser : ويطلق عليه احياناً بليزر الديود ويعتمد على المواد شبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في الأجهزة الدقيقة مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر.




* يتميز الليزر بطوله الموجي فمثلا الطول الموجي لليزر الياقوت هو 694nm، ويتم أختيار مادة الليزر بناء على الطول الموجي المطلوب كما في الجدول التوضيحي أدناه، فمثلاً يستخدم ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون في قطع المعادن الصلبة لأن طوله الموجي في مدى الأشعة تحت الحمراء وهي أشعة حرارية إذا سقطت بتركيز على سطح معدن تذيبه.



* تصنيفات الليزر: يصنف الليزر بأربعة تصنيفات تعتمد على خطورتها على الخلايا الحية. فعند التعامل مع الليزر يجب الإنتباه إلى الإشارة التي توضح تصنيفه.

التصنيف الأول Class I هذا يعني أن شعاع الليزر ذو طاقة منخفضة ولا يشكل درجة من الخطورة.

التصنيف الأول Class IA هذا التصنيف يشير إلى أن الليزر يضر العين إذا نظرنا في اتجاه الشعاع ويستخدم في السوبرماركت كماسح ضوئي وتبلغ طاقة الليزر الذي يندرج تحت هذا التصنيف 4mW.

التصنيف الثاني Class II هذا يشير إلى ليزر ضوئه مرئي وطاقته لا تتعدى 1mW.

التصنيف الثالث Class IIIA طاقة الليزر متوسطة وتبلغ 1-5mW وخطورته على العين إذا دخل الشعاع المباشر في العين. ومعظم الأقلام المؤشرة تقع في هذا التصنيف.

التصنيف الثالث Class IIIB طاقة هذا الليزر أكثر من المتوسط.

التصنيف الرابع Class IV وهي انواع الليزر ذات الطاقة العالية وتصل إلى 500mW للشعاع المتصل بينما لليزر النبضات فتقدر طاقته بـ 10 J/cm2 ويشكل هطورة على العين وعلى الجلد واستخدام هذا الليزر يتطلب العديد من التجهيزات وإجراءات الوقاية.



* استخدم الليزر :

التطبيقات الصناعية :ادخل الليزر في التطبيقات الصناعية منذ اول اكتشافه في 1960. وبالاخص في القياسات measurements وفي الترتيب alignment للاجهزة البصرية وانابيب الضخ وخطوط الكهرباء واجهزة القياس واستخدم في مجال التصنيع كالقطع واللحام والصهر والتبخير وفي تصنيع الدوائر الإلكترونية المتكاملة وفي الحفر على الزجاج وغيره.

التطبيقات الطبية:دخل الليزر في التطبيقات الطبية وهي كثيرة ولذلك تقسم هذه التطبيقات اما حسب نوع المعالجة كأن تكون تطبيقات الليزر في الجراحة أو في مجال طب الاسنان أو طب العيون وتقسم ايضا حسب نوع الليزر المستخدم في الطب مثل ليزر ثاني اكسيد الكربون او ليزر النيتروجين او ليزر الاكسيمر وتقسم في بعضالاحيان حسب طبيعة المعالجة مثل تطبيقات الجراحة او لحام الاوعية الدموية او التشخيص .

التطبيقات العسكرية :منذ اكتشاف الليزر والكثير من الابحاث المتعلقة في تطويره كانت لاستخدام في المجالات العسكرية وغالبا ما تكون هذه الابحاث غاية في السرية ولا تكشف إلا بعد سنوات. ومن هذه التطبيقات نذكر استخدام الليزر في التصويب واستخدامه في التفجير عن بعد أو توجيه القذائف وفي تعقب الهدف مهما كانت سرعته وقدرته على تغيير وجهته وفي اسلحة ما يسمى بحرب النجوم كما تدخل في ابطال مفعول اجهزة الخصم الالكترونية واصابته بالعمى.

التطبيقات العادية :يستخدم الليزر ايضا في تطبيقات الحياة اليومية في عدة اجهزة مثلا : الاقراض المضغوظة CD , الطابعات الليزرية , الباركود , عروض الليزر المستخدمة في الاحتفالات , والكثير من المجالات .


التطبيقات الخاصة :
كتطبيقات الأبحاث العلمية وابحاث الفضاء وغيرها .