التطبيقات الحديثة في مجال أشعة الليزر

هرت أشعة الليزر وكأنها أشعة الموت القادرة على تدمير أي أهداف مهما كانت مسافتها. وإن أول الأخطاء الشائعة هي اعتبار الليزر نوعاً من الأشعة بما يرتبط بهذه الكلمة من مفاهيم الأشعة النووية وأشعة إكس... والحقيقة أن الليزر هو في الواقع شعاع ضوء القمر وضوء لمبات الإضاءة .
وقبل أن نبدأ في المقارنة بين شعاع الليزر باعتباره شعاع ضوء وبين مصادر الضوء التقليدية فإننا نؤكد أن الضوء في حقيقه ليس إلا موجات كهرومغناطيسية تنتمي الى طيف الموجات الكهرومغناطيسية الذي يمتد من موجات الراديو الطويلة وينتهى بأشعة جاما. ولكن علماء الطبيعة الحديثة يرون الضوء بنفس المنظار الذي يرون بة الموجات الكهرومغناطيسية فهو رغم طبيعته الموجية الا أنه مكون من جزيئات صغيرة عديمة الوزن حاملة للطاقة فقط وهي التي تسمى الفوتونات. وهذا التصور يمكّننا من فهم كيفية تفاعل الضوء مع المواد الكهروضوئية التى تنتج تيارا من الإلكترونات اذا سقط عليها ضوء. والفرق الوحيد بين أشعة الليزر والأشعة الضوئية المعتادة هو في طريقة إشعاع الذرات لها.


المكونات الأساسية لجهاز الليزر ونظرية عمله


بدون الدخول في تفاصيل عملية أو معادلات رياضية معقدة يمكننا تلخيص خطوات إنتاج أشعة الليزر في الآتي :
1- يجب أن تكون هناك مادة فعالة منتجة لليزر موضوعة بين مرآتين إحداهما عاكسة تماما والأخرى نصف عاكسة وعادة مايسمى جهاز الليزر باسم المادة الفعالة فيه.
2- يجب أن يكون هناك مصدر تغذية قادر على أعطاء طاقة عالية مثل لمبة فلاش - تفريغ كهربي - تسخين حراري - إلخ
3- تبدأ العملية بأن يتم إطلاق طاقة مصدر التغذية فيتم امتصاصها واختزانها في المادة الفعالة المنتجة لليزر وتصبح ذراتها أو جزيئاتها في حالة عدم استقرار نتيجة لاختزانها هذه الطاقة الكبيرة.
4- في لحظة محدودة تقوم جميع الذرات المشبعة بالطاقة بإطلاق الطاقة الزائدة بها على صورة فوتونات وتعمل المرايا العاكسة ونصف العاكسة على توحيد اتجاه الإشعاع ليكون على طول المحور العمودي على كلتا المرآتين وهو نفسه محور المادة الفعالة وتخرج أشعة الليزر من خلال المرآة نصف العاكسة على شكل شعاع متواز من الضوء المركّز القادر على قطع مسافات كبيرة جدا قبل أن تضعف شدته .
والمادة الفعالة هنا هى بلورة من الياقوت وهو أحد أكاسيد الألومونيوم مضافا إليها نسبة ضئيلة من الكروم لاتزيد عن 0.05 % والحقيقة أن هذه النسبة الضئيلة من ذرات الكروم هى المسئولة عن إنتاج شعاع الليزر القوي، أى إنها المادة الفعالة في هذا النوع من الليزر.
أهم الاكتشافات العلمية في مجال الليزر :يجتذب شعاع الليزر انتباه العلماء لأنه شعاع قوي وللتدليل على هذا فإننا نعرض للقارئ العزيز الحقائق التالية :
- شعاع الليزر ذو طاقة خَرْجٍ في حدود 5-10 كيلووات قادرة على اختراق المعادن وثقبها حتى عمق 20 مم وهذا الخرج يعتبر متواضعا اذ تصل قدرة خرج بعض أجهزة الليزر إلى 5 - 10 ميجاوات نبضياً.
- يستطيع شعاع ليزر ذو قدرة لاتزيد عن وات واحد مستخدم في الاتصالات أن يحقق مدى اتصال يصل الى 500 كم
لأن شعاع الليزر أحادي الطول الموجي.
- جهاز الليزر هو مصدر الضوء الوحيد القادر على إنتاج شعاع ضوء رفيع للغاية ولذا يسمى ضوءا متقارباCoherent، بينما مصادر الضوء الأخرى تشع ضوءها في زاوية 360 درجة.
ومن أهم الاكتشافات العلمية في مجال الليزر.. الآتي :
1- لقد تنبأ العالم ألبرت أينشتين عام 1917 بنظرية انبعاث الإشعاع بالفوتونات المستحثة فقد افترض أنه اذا وُجِد عدد من الألكترونات أعلى من العادي في مستوى طاقة أعلى فإن القفوتون القادم ذو طاقة تساوي الفرق بين مستوى الطاقة الأعلى، ومستوى الطاقة الأقل، ولهذا فإن شعاع الفوتون القادم سيكبر بالانبعاث المستحث للفوتونات ذات الطاقة المماثلة وبالتالي ذات التردد المماثل.
وتتم هذه العملية بكفاءة فقط لو وُجد عدد ليس بالقليل من الألكترونات في المستوى ذات الطاقة الأعلى ويتم الحصول على حالة انقلاب مكونات الذرة بحقنها بالطاقة الحرارية أو الضوئية أو الميكانيكية.
2- تعتمد فكرة الليزر في الدرجة الأولى على تكبير شعاع الفوتونات بالانبعاث المستحث بالفوتونات التى لها نفس التردد ولهذا فإن قوة شعاع الضوء ستزداد بالانبعاث المستحث للفوتونات.
3- في عام 1951 لأول مرة وصف عالم الطبيعة الأمريكى شارلز هارد تاونز، الحاصل على جائزة نوبل في الطبيعة عام 1964، إمكانية تكبير الموجات القصيرة أو ما يسمى بتأثير الميزرMaser .
والميزر عبارة عن جهاز لتحويل الطاقة الداخلية للجزيئات الى طاقة دقيقة الأمواج أى تكبير الموجات الدقيقة Microwave بالانبعاث الراداري المستحث وإذا قلنا إن أينشتين هو الأب الروحى لليزر فإنه يمكن القول بأن تاونز هو الأب العملي لليزر.
4- في عام 1959 من الناحية التاريخين صُمم أول جهاز ليزر ونفذ بواسطة عالم إيراني يعيش في الولايات المتحدة الأمريكية وكان جهاز هليوم نيون أي أن المادة الفعالة هي خليط من غازى الهليوم والنيون في أنبوبة طولها 4 سم وقطرها 1 سم
5- في عام 1960 أخترع العالم الأمريكي ميامان أول ليزر ياقوتيRuby Laser
وفي العام التالي استطاع جافان صنع أول ليزر غازي Gas Laser ثم تلا ذلك تصنيع أربع مجموعات كبيرة من الليزر هي
*الليزرات الصلبة Solid State Laser
باستخدام الياقوت وأنابيب النيوديمبرم وهو عنصر فلزي، وعقيق الألومنيوم الأيتربيوم عنصر فلزي نادر.
*الليزرات الغازيةGas Laserباستخدام الغاز المتأين لليزر الأيوني أو ثاني أكسيد الكربون أو الأبخرة المعدنية
* الليزرات الكيماوية Chimical Laser التي تستخدم التفاعل بين الفلوريد وهو مركب من غاز الفلورين السام وأي عنصر آخر وبين الهيدروجين أو الديوتيرم ( الهيدروجين الثقيل ) لأنتاج جزيئات مستحثة وكذلك باستخدام فلوريد الهيدروجين أو فلوريد الديوتيرم أو ليزرات اليود.
*ليزرات أشباه الموصلات وهى عبارة عن معجون بإضافة شوائب لأنصاف موصلات معينة لإنتاج مستويات مستحثة ومنها مجموعة ليزرات الصبغات Dye Laser التى تستخدم مركَّز السائل وتعتبر هى التى نقلتنا الى ليزرات الألكترون الحر ثم ظهرت الليزرات النمطية ذات دورة الضخ والليزرات السائلة والليزرات الزجاجية.
ويجدر بنا أن نتعرف على أسماء بعض
أنواع الليزر :
Helium- Neon Lasers
Noble Gaslon Lasers
Helium Cadmium Lasers
Carbon Dioxide Lasers
Chemical Lasers
Copper and Gold Vapor Lasers
Excimer Lasers
Nitrogen Lasers
Far - Infrared Gas Lasers
Dye LasersSemiconductor Dye Lasers
Short - Wave Length Semiconductor Diode Lasers
Long - Wave Length Semiconductor Produlaser
Lead Salt Semiconductor Diode Lasers
Neodymium Lasers
Tunable Uibromic Solid State Lasers
Color -Center Lasers
Fiber Lasers And Amplifiers
Other Solid -State Lasers
Free Electron Lasers
Lasers and Fiber Optics
High Power Continous IRCO2 Lasers
هذا علاوة على الآتي :


ليزر الألكترون الحر :


نظرا لأهميته سنتناوله بشيء من التفصيل :
يتكون الليزر العادى من جهاز مصمم لإنتاج شعاع متماسك من الضوء تعتمد سعته على الطول الموجى الذي يعتمد على لون الشعاع. وفي البداية كانت الليزرات متغيرة أو ليزرات لها طول موجي متغير وبذل العلماء جهوداً مضنية للتصنيع لاستخدامه في أغراض عديدة وحاولوا ذلك مع ليزرات الصبغات بتعديل ألوانها وبالتالي تعديل الطول الموجي لمنبع المرسل ولكن أصيب العلماء بخيبة الأمل مع هذا النوع نتيجة لأن أطواله الموجية صغيرة وقدرته منخفضة.
وفي بداية السبعينيات صمم عالم الطبيعة الأمريكى جون ماري من جامعة استانفورد نوعاً جديداً من الليزرات معتمدا على الفكرة التالية :
عندما ينحرف جسم مشحون (ألكترون مثلا ) بمجال مغناطيسي فإنه يبعث بفوتون ولذا فإنه عند مرور شعاع من الألكترونات عبر دائرة مغناطيسيات مرتبة بأسلوب معين فإنه يمكن استخدام شعاع الفوتونات المنبعثة لإنتاج شعاع متماسك ويعتمد طوله الموجي إما على شدة المجال المغناطيسي المنحرف أو على طاقة شعاع الألكترون.
لهذا النوع من الألكترونات ميزة كبيرة علاوة على إمكانية تعديله، وهي أنه يحول حوالي 30% من الطاقة الناتجة إلى ضوء بينما الليزرات العادية تحول فقط 1% منها.
- وفي نهاية الثمانينات أصبح ليزر الألكترون الحر أحد المنتجات الرئيسية للعديد من الشركات الأمريكية مثل مصانع(بل) للتليفونات والتلغراف ومصنع بوينج واتجهت الشركات الأمريكية الى استخدامه في اتجاهين هما :
1- في برنامج حرب النجوم لأنه أظهر نجاحات تامة في اختراق الغلاف الجوي على عكس الليزر العادي الذي يتأثر به.
2- في إجراء العمليات الجراحية بمنتهى الدقة وأكثر عمقا في جسم الإنسان، وكان مستحيلاً اجراؤها قبل ذلك.
ويتم ذلك بصبغ الأنسجة بطبقة رقيقة جدا ثم تعريضها لليزر من نفس لون الصبغة وتظهر الخلايا السرطانية مثلا بلون معين خاص وعادة بصبغة أخرى ليخترق الليزر أنسجة الجسم دون أن يدمرها ويقتل الخلايا السرطانية فقط. وتوجد ستة ليزرات ألكترونية حرة تستخدم في مجال الطب بالولايات المتحدة الأمريكية وكلها تعمل في حيز من 320 نانومتر(غاما) خلف اللون البنفسجي في حيز الضوء المرئي الى 800 نانومتر (غاما) في حيز الأشعة تحت الحمراء القريبة وهذه الأجهزة غالية الثمن حيث يكلف الواحد منها 1.2 مليون دولار.


أشعة الليزر منخفضة القدرة :


يعتبر شعاع الليزر منخفض القدرة أحد تكنولوجيات الأسلحة غير المميتة التي تستخدم في الغالب كأسلحة إعاقة وتضم عددا ليس بقليل من الأسلحة الجديدة مثل :
- أسلحة الميكروويف عالية القدرة.
- مشعات البث الضوئي المبهر لإحداث ضرر في العيون البشرية أو تلف مستشعرات الأجهزة الكهروبصرية.
ويستخدم الليزر منخفض القدرة لإحداث عمى مؤقت أو دائم للأفراد كما استخدم في أقمار التجسس العسكرية لنقل المعلومات نظرا لاستحالة التشويش عليه واستخدم في التوجية الدقيق للقنابل ونيران المدفعية وفي الكشف عن الأهداف وتقدير المسافة لإمداد المحطات الفضائية بالطاقة اللازمة. تطبيقات الليزر المختلفة
1- في الاتصالات :
أحدث طفرة كبيرة جدا على وسائل نقل البيانات فيمكن لشعاع السوبر ليزر الذي أنتجته مؤخرا إحدى الشركات البريطانية نقل مليار كلمة في الثانية الواحدة .
ومن أبرز تطبيقاته في عالم الاتصالات السلكية ما يعرف بالفيبر أوبتكس أو الألياف البصرية وهي عبارة عن أسلاك شفافة يصل قطر الواحد منها إلى جزء من المليمتر وتصنع من مادتي الزجاج والسيلكا. وفي عام 1988 تم إطالة أعمار أقمار الاتصالات لأكثر من عشرين عاما بدلا من العمر السابق لها والبالغ 7 سنوات فقط حيث يمكنها حمل نحو 65 ضعف عدد المكالمات التى تفوق نظيرتها من الكابلات العادية بالإضافة إلى خفة وزنها التي تعادل 1-80 من وزن الكابلات الأخرى.


2- في تخزين المعلومات :


أمكن تجهيز موضع تجهيز مجهرية مما قرب مدارات الألكترونات للغاية وأدى الى اختزال المسافات المجهرية التي تقطعها وكانت النتيجة أجهزة كمبيوتر تستدعي المعلومات من مواضع تخزينها بسرعة فائقة فضلا عن قلة حجمها ووزنها وثمنها.
ومن أبرز التطبيقات:
الأقراص البصرية وهي عبارة عن أسطح عاكسة للضوء تغطى بطبقة رقيقة جدا من البلاستيك النقي واستخدمت بسهولة في تسجيل الصوت والصورة كما في أجهزة الفيديو حيث ساعد على تخزين 29 مجلداً من دائرة المعارف البريطانية في بلّورة واحدة في حجم الدبوس.


3- لتوجيه الصواريخ :


تستخدم أجهزة الليزر الآن في أنظمة توجيه الصواريخ حيث له مجموعة من المميزات عن الجيروسكوبات العادية بكونها صغيرة وذات وزن أقل ورخيصة الإنتاج وأكثر ثباتا وتأخذ وقتا أقل في تنفيذ الحسابات المطلوبة للتوجيه.
نظرية عمل أجهزة التوجيه تعتمد أساسا على مرور شعاعي ليزر لهما نفس الطول الموجي في اتجاهين مختلفين في حلقة دائرية وفي نقطة محددة يتم قياس التداخل بينهما وحيث أن مسارَيْ الشعاعين متساويان في الطول تكون شدة إلاضاءة ثابتة وإذا حدث دوران للبكرة الجيرو نجد أن سرعة مرور شعاع الليزر داخل المسارين تختلف ومن ثم تكون شدة الإضاءة في نقطة القياس مختلفة وتتناسب مباشرة مع سرعة واتجاه دوران البكرة الجيرو.
وللجيروسكوبات الليزرية تطبيقات في توجيه الطائرات والصواريخ وكذا أجهزة قياس زاويٍّ دقيق جدا مطلوب لأنظمة القيادة والسيطرة للمدفعية.
وهناك أنواع عديدة من الليزر تطورت للاستخدام لهذه الأغراض وأكثرها: ليزر الأرجون - نيون الذي يبنى داخل تجويف حلقي.


4- تطبيقات أخرى:


لقد استخدم شعاع الليزر لأول مرة في المجال العسكرى عام 1973 من طائرة أمريكية لمحاولة تدمير طائرة أخرى موجهة، ثم تم استخدامه بنجاح عام 1988 في لحام سلك قطره أقل من مليمتر في ترانزستور بحجم رأس الدبوس وفي زمن قدره ميكروثانية.
وقد أحدث شعاع الليزر وثبة واسعة في فن التصوير لما وفره في البعد الثالث للصورة الذي يؤدي إلى تجسيم الصور مع وضوح ونقاء الألوان.