تعريف الليزر
الليزر ( بالإنجليزية: Laser) هو جهاز يُستخدم في تحفيز الذرات أو الجزيئات لتصدر شعاعًا ضيقًا من الضوء ذي أطوال موجية محددة مثل النانومتر، ويغطي الإشعاع الصادر منه نطاقًا محددًا من الأطوال الموجية المرئية، أو الأشعة تحت الحمراء، أو الأشعة فوق البنفسجية.
وكلمة (Laser) هي اختصار للمصطلح (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)، ويعني تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المستحث للإشعاع، أي إرسال إشعاعات كهرومغناطيسية عن طريق تضخيم الفوتونات أو الذرات .
تاريخ الليزر
يعد ألبرت أينشتاين هو أول من أشار إلى فكرة عمل الليزر في عام 1916 م، إذ قال أنّه يمكن حثّ الذرات والجزيئات في ظروف مناسبة لإطلاق الطاقة الزائدة بداخلها على هيئة أشعة من الضوء، وفي عام 1951م، فكّر العالم تشارلز اتش تاونز في طريقة لتوليد أشعة محفزة من الضوء على ترددات الميكروويف.
وظهر في نهاية عام 1953م جهازًا يوضح انبعاث ترددات المايكرويف منها، وقد أطلق على هذا الجهاز اسم مازر (بالإنجليزية: maser) وتعني تضخيم موجات الميكروويف عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع، أي ارسال إشعاعات كهرومغناطيسية عن طريق تضخيم الفوتونات أو الذرات.
وقد ساهم هذا الاكتشاف في حصول كلًا من ألكسندر ميخائيلوفيتش بروخوروف، ونيكولاي جينادييفيتش باسوف وتشارلز إتش على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1964 م نتيجة لمجهوداتهم في نظرية تشغيل المازر.
كان الظهور الأول لاستخدام أشعة الليزر في أواخر عام 1963 م عندما نجح باحثان في جامعة ميشيغان، هما إيميت ليث وجوريس أوباتنيكس من صنع أول صورة ثلاثية الأبعاد باستخدام أشعة الليزر، ثمّ تتابعت بعد ذلك عمليات التطوير في الليزر ليدخل في العديد من الاستخدامات مثل استخدام الأطباء له في لحم شبكية العين.
أنواع الليزر
هناك أنواع عدة لليزر ، ومن أبرزها ما يأتي:
الليزر الغازي
( بالإنجليزية: Gas Laser) هو جهاز ليزر يمر فيه تيار كهربي خلال غاز مثل ثاني أكسيد الكربون أو الهيليوم لتوليد الضوء، ويعتبر ليزر ثاني أكسيد الكربون هو أشهر أنواع الليزر الغازي، ولكن توجد أنواع أخرى مثل: ليزر الهيليوم، والنيون، وليزر الأرجون، وليزر الكريبتون، وليزر الإكسيمر.
ويستخدم الليزر الغازي في العديد من التطبيقات مثل التحليل الطيفي، والتصوير المجسم، والجراحة، ومعالجة المواد، ومسح الباركود.
الليزر السائل
(بالإنجليزية: Liquid laser) وهي صبغة عضوية في شكل سائل، ويتميز الليزر السائل الذي يعرف أيضًا باسم الليزر الصبغي بالقدرة على توليد نطاق واسع من الأطوال الموجية، ممّا يجعله قابلًا للضبط والتحكم في طوله الموجي بسهولة أثناء استخدامه، ويستخدم في فصل النظائر، وإزالة الوحمات، والتحليل الطيفي، والطب.
الليزر شبه الموصل
(بالإنجليزية: Semiconductor Lasers ) يدخل في تركيبه الدايود ( بالإنجليزية: diode) الذي يعمل على تضخيم الفوتونات المتولدة وتحويل التيار الكهربائي إلى أشعة الليزر، ويستخدم الليزر شبه الموصل في قراءة الباركود، وطابعات الليزر، والماسحات الضوئية.
ألياف الليزر
(بالإنجليزية: Fiber laser) وهو نوع خاص من أنواع ليزر الحالة الصلبة، ويدخل في تركيبه ألياف بصرية من زجاج السليكا وعنصر أرضي نادر مثل الإيتربيوم.
ويتميز هذا النوع بأنّ شعاعه أكثر استقامة وأصغر مما يجعله أكثر دقة، بالإضافة لانخفاض تكلفة صيانته وتشغيله مقارنة بالأنواع الأخرى، ومن أشهر أنواعه: ليزر الإيتربيوم، ويدخل ليزر الألياف في العديد من التطبيقات، مثل التنظيف، والقطع، واللحام، والنقش، والأسلحة، والطب.
الليزر الصلب
(بالإنجليزية: solid state laser) وهو جهاز يدخل في تركيبه بلورات أو زجاج ممزوجة بعنصر أرضي نادر مثل النيوديميوم، أو الكروم، أو الإربيوم، أو الثوليوم، أو الإيتربيوم.
ويعد ليزر الياقوت هو أشهر أنواعه؛ لأنه أول ليزر صُنّع من بين كل الأنواع الأخرى، ويدخل الليزر الصلب في العديد من التطبيقات مثل: إزالة الوشم والشعر، واستئصال الأنسجة، وتفتيت حصوات الكلى.
خصائص شعاع الليزر
تختلف أشعة الليزر عن مصادر الضوء التقليدية في امتلاكه للعديد من الخصائص المميزة له، ومن أهمها ما يأتي:
التماسك
(بالإنجليزية: Coherence)، حيث تنتقل الإلكترونات في مصادر الضوء التقليدية بشكل طبيعي بمرور الوقت، وتتميز بأنّ لها طاقات، وترددات، وأطوال موجية مختلفة.
بينما في حالة الليزر، تنتقل الإلكترونات في وقت محدد وبشكل موحد عن طريق عملية صناعية تنبعث فيها أشعة الليزر بطاقات، وترددات، وأطوال موجية واحدة.
الاتجاهية
(بالإنجليزية: Directionality) تنتقل جميع الفوتونات في الليزر في نفس الاتجاه لذلك يكون ضوء الليزر مُركزًا في اتجاه واحد فقط، كما أنّ عرض شعاع الليزر ضيق أي بإمكانه قطع مسافات طويلة من دون أن تتشتت طاقته أو يغير من اتجاهه.
أحادية اللون
(بالإنجليزية: Monochromatic) تمتلك الفوتونات المنبعثة من الضوء العادي أطوالًا موجية مختلفة وبالتالي تمتلك ألوانًا مختلفة، بينما في الليزر تمتلك جميع الفوتونات طولًا موجيًا واحدًا مما يجعلها أحادية اللون.
شدة عالية
(بالإنجليزية: high intensity) تمتاز أشعة الليزر بأنّ لها شدة عالية تفوق شدة الضوء العادي بآلاف المرات نتيجة لأنّ أشعة الليزر تتدفق في اتجاه واحد فقط بينما أشعة الضوء العادي تنتشر في اتجاهات مختلفة.
آلية عمل 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، وبدون هذا الوسيط سيصبح ضوء الليزر أضعف في كل مرة يُستعمل؛ أيّ أنه يتعرض لفقد جزء من طاقته.
ويحتاج وسيط التكبير إلى إمدادات طاقة خارجية تكون على هيئة ضخ بصري أو تيار كهربائي مثل ليزر أشباه الموصلات حتى يقوم بتضخيم الموجات بشكل فعال.
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، ومن هذه التطبيقات الآتي:
تطبيقات في المجال الطبي
يتميز الليزر بأنّه يمكن زيادة تركيز شعاعه على نقطة مجهرية محددة وبالتالي تكون طاقته أعلى، لذلك يستخدم الليزر في الجراحات كمشرط حاد للغاية للجراحة الدقيقة، وفي عملية الكي أيضًا.
وتعد 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.
تطبيقات 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.
تطبيقات في مجال الاتصالات
يستخدم الليزر في تعديل الإشارات المرسلة داخل كيبلات الألياف الضوئية، والتي تعدّ الوسيلة الأكثر أهمية في مجال الاتصالات، إذ يمكن من خلالها إرسال إشارات متعددة بجودة عالية وخسائر قليلة.
وتستطيع محركات الألياف الضوئية في الهاتف والتي هي عبارة عن أجهزة ليزر صغيرة للغاية من النوع الصلب من إرسال حوالي 50 مليون (pulse) في الثانية، وتشفير أكثر من 600 محادثة هاتفية متزامنة.
تطبيقات 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.
تطبيقات في مجال المحاذاة والقياس والتصوير
يستخدم المسّاحون وعمال البناء الليزر في رسم خطوط مستقيمة في الهواء، وقياس الزوايا والاتجاهات، بالإضافة لاستخدام الليزر في تحديد المسافات بدقة عالية للغاية، لذلك طُور استخدام الليزر في تحديد الأهداف العسكرية في ساحة المعركة بسبب دقته في قياس المسافات.
وفي الآونة الأخيرة دخل الليزر في مجال التصوير، والاستشعار، ورسم الخرائط مثل رسم خريطة لارتفاعات كوكب المريخ.
