الليزر هو أشعة ضوئية مدهشة قوية بما يكفي لتكبير الأميال في السماء أو قطعها من خلال كتل معدنية، وعلى الرغم من أن إختراع الليزر يبدو إختراع حديث إلى حد ما، إلا أنه كان معنا بالفعل منذ أكثر من نصف قرن، وقد تم اكتشاف النظرية في عام 1958، وتم إنشاء إختراع الليزر عملي في عام 1960، وفي ذلك الوقت، وكان الليزر مثال رائع للعلوم المتطورة، وتم تقطيع العميل السري 007 جيمس بوند إلى النصف بواسطة حزمة من أشعة الليزر في فيلم الإصبع الذهبي عام 1964، ولكن بصرف النظر عن بوند، لم يكن لدى أي شخص آخر فكرة عما يجب فعله بالليزر، اشتهر ، وتم وصفه بأنه حل يبحث عن مشكلة.
اليوم، ولدينا جميع أنواع الليزر في منازلنا (في مشغلات الأقراص المضغوطة وأقراص DVD، وفي مكاتبنا (في طابعات الليزر)، وفي المتاجر التي نتسوق فيها (في ماسحات الباركود)، وملابسنا المقطعة عن طريق الليزر، ونصلح بصرنا بالليزر، ونرسل ونستقبل رسائل البريد الإلكتروني عبر الإنترنت مع إشارات تدل على أن الليزر يطلق على كابلات الألياف البصرية، وسواء كنا ندرك ذلك أم لا، فنحن جميعا نستخدم الليزر طوال اليوم، ولكن كم منا يفهم حقا ما هو أو كيف يعمل؟ الفكرة الأساسية لليزر بسيطة، فإنه أنبوب يركز الضوء مرارا وتكرارا حتى يظهر في حزمة قوية حقا، ولكن كيف يحدث هذا بالضبط؟ ما الذي يحدث داخل الليزر؟ دعونا نلقي نظرة فاحصة.
ما هو الليزر؟
الليزر أكثر من مجرد مشاعل كهربائية قوية، والفرق بين الضوء العادي وضوء الليزر يشبه الفرق بين التموجات في حوض الإستحمام والأمواج الضخمة على البحر، وربما لاحظت أنه إذا قمت بتحريك يديك ذهابا وإيابا في حوض الإستحمام، فيمكنك عمل موجات قوية جدا، وإذا واصلت تحريك يديك بشكل متزامن مع الموجات التي تصنعها، فستصبح الأمواج أكبر وأكبر، وتخيل القيام بذلك عدة ملايين من المرات في المحيط المفتوح، وقبل مضي وقت طويل، سيكون لديك أمواج جبلية شاهقة فوق رأسك، ويقوم الليزر بشيء مماثل مع موجات الضوء، ويبدأ بإضاءة ضعيفة ويحافظ على إضافة المزيد والمزيد من الطاقة حتى تصبح موجات الضوء أكثر تركيزا من أي وقت مضى.
إذا كنت قد رأيت ليزر في أحد مختبرات العلوم، فستلاحظ وجود إختلافين مهمين على الفور:
* عندما ينتج المصباح ضوءا أبيضا (مزيج من جميع الألوان المختلفة، تصنعه موجات الضوء بجميع الترددات المختلفة)، فإن الليزر يصنع ما يسمى بالضوء أحادي اللون (لتردد ولون واحد دقيق للغاية غالبا باللون الأحمر أو الأخضر أو لو غير مرئي مثل الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية).
* عندما ينتشر شعاع المصباح خلال عدسة إلى مخروط قصير وغائم إلى حد ما، يطلق الليزر شعاعا أشد على مسافة أطول بكثير (نقول أنه تم موازنته بدرجة عالية).
هناك فرق مهم ثالث لن تلاحظه :
* عندما يتم خلط كل موجات الضوء الموجودة في حزمة المصباح (مع وجود بعض الحزم المختلطة مع أحواض أخرى)، تكون الموجات الموجودة في ضوء الليزر في خطوتها تماما، وتصطف قمة كل موجة مع قمة كل موجة أخرى، ونقول ضوء الليزر ملتحم، فكر في شعاع المصباح المنضغط والمندفع بقوة يمشي في طريقه إلى أسفل منصة محطة سكة حديد، وبالمقارنة فإن شعاع الليزر يشبه موكب الجنود الذين يسيرون جميعا بدقة.
تجعل هذه الأشياء الثلاثة أشعة الليزر دقيقة وقوية ومفيدة بشكل مثير للدهشة.
كيف يعمل الليزر ؟
قبل أن تتمكن من فهم كيفية عمل الليزر، عليك أن تعرف كيف يمكن للذرة أن تنطلق الضوء، والليزر هو فعليا آلة تجعل مليارات الذرات تضخ تريليونات من الفوتونات (جزيئات الضوء) دفعة واحدة حتى تصطف لتشكيل شعاع ضوء مركز حقا.
ماذا تحتاج لصنع الليزر؟
نحتاج إلى جزأين أساسيين :
* حمولة من الذرات (صلبة أو سائلة أو غازية) بها إلكترونات يمكننا تحفيزها، ويعرف هذا بالوسط أو أحيانا بالوسط المضاعف أو "المكتسب (لأن الكسب هو كلمة أخرى للتضخيم).
* شيء لتحفيز الذرات مثل أنبوب فلاش (مثل مصباح فلاش زينون في كاميرا) أو ليزر آخر.
يحتوي الليزر الأحمر النموذجي على بلورة طويلة مصنوعة من الياقوت (الوسط) مع أنبوب فلاش (خطوط متعرجة صفراء) ملفوف حوله، ويشبه أنبوب الفلاش إلى حد ما ضوء الشريط الفلوريسنت إلا أنه ملفوف حول بلورة الياقوت ويومض في كثير من الأحيان مثل مصباح فلاش الكاميرا.
كيف يصنع أنبوب فلاش وكريستال عل شعاع الليزر؟
1- مزود كهربائي عالي الجهد يصنع وميض الأنبوب مع التشغيل والإيقاف.
2- في كل مرة يومض الأنبوب، فإنه يضخ الطاقة في بلورة الياقوت، والومضات تجعل ضخ الطاقة في البلورة في شكل فوتونات.
3- تمتص هذه الذرات في بلورة الياقوت (النقط الخضراء الكبيرة) هذه الطاقة في العملية تسمى الإمتصاص، فتمتص الذرات الطاقة عندما تقفز إلكتروناتها إلى مستوى طاقة أعلى، وبعد بضعة ميلي ثانية، تعود الإلكترونات إلى مستوى الطاقة الأصلي عن طريق إعطاء فوتون ضوئي (النقط الزرقاء الصغيرة)، وهذا ما يسمى الإنبعاثات التلقائية.
4- الفوتونات التي تنبعث منها الذرات تقريبا لأعلى ولأسفل داخل بلورة الياقوت تسير بسرعة الضوء.
5- في كثير من الأحيان، يحفز أحد هذه الفوتونات ذرة مثارة بالفعل، وعندما يحدث هذا، فإن الذرة المثارة تعطي فوتون وتسترجع الفوتون الأصلي أيضا، ووهذا ما يسمى الانبعاث المحفز، والآن أنتج إثنين من الفوتون لذلك تم تضخيم الضوء (زيادة في القوة)، وبمعنى آخر (زيادة في كمية الضوء) ناتج عن انبعاث محفز للإشعاع (ومن هناه اسم الليزر، لأن هذا هو بالضبط كيف يعمل الليزر).
ما الذي يجعل ضوء الليزر يختلف كثيرا ؟
إذا كانت هذه هي الطريقة التي تضيء بها أشعة الليزر، فلماذا تصنع لونا واحدا وشعاعا متماسكا؟ يتعلق الأمر بفكرة أن الطاقة لا يمكن أن توجد إلا في حزم ثابتة، كل منها يسمى الكم، وانها تشبه قليلا المال، فيمكنك فقط الحصول على المال بمضاعفات الوحدة الأساسية في عملتك، والتي قد تكون سنتا أو قرشًا أو روبية أو أيا كان، ولا يمكنك الحصول على عشر سنت أو عشر روبية، ولكن يمكنك الحصول على 10 سنتات أو 20 روبية، وينطبق الشيء نفسه على الطاقة، وهي ملحوظة بشكل خاص داخل الذرات.
مثل الدرجات على سلم، تكون مستويات الطاقة في الذرات في أماكن ثابت، مع وجود فجوات بينها، ولا يمكنك وضع قدمك في أي مكان على سلم، فقط على الدرجات، وبنفس الطريقة تماما، يمكنك فقط نقل الإلكترونات في الذرات بين مستويات الطاقة الثابتة، ولصنع قفزة إلكترونية من مستوى منخفض إلى مستوى أعلى، يجب أن تغذي كمية دقيقة (كمية) من الطاقة مساوية للفرق بين مستويي الطاقة، وعندما تعود الإلكترونات لأسفل إلى مستوى الطاقة الأساسي، فإنها تفقد نفس الكمية الدقيقة من الطاقة، والتي تأخذ شكل فوتون ضوئي بلون معين، والانبعاث المحفز في أشعة الليزر يجعل الإلكترونات ينتج سلسلة من الفوتونات المتماثلة متطابقة في الطاقة، والتردد، والطول الموجي، وهذا هو السبب في أن ضوء الليزر أحادي اللون، والفوتونات المنتجة تعادل موجات الضوء التي تصطف قممها وقيعانها وهذا ما يجعل ضوء الليزر متماسكا.
أنواع الليزر :
نظرا لأننا نستطيع إثارة العديد من الأنواع المختلفة من الذرات بعدة طرق مختلفة، يمكننا (نظريا) إنتاج أنواع مختلفة من الليزر، وفي الممارسة العملية لا يوجد سوى عدد قليل من الأنواع الشائعة منها الخمسة المعروفة هي الحالة الصلبة، والغازية، والصبغة السائلة، وأشباه الموصلات ، والألياف.
المواد الصلبة والسوائل والغازات هي الحالات الرئيسية الثلاثة للمادة، وتمنحنا ثلاثة أنواع مختلفة من الليزر، وأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة تشبه تلك التي أوضحتها أعلاه، والوسط يشبه قضيب الياقوت أو أي مواد بلورية صلبة أخرى، والغلاف المحيط به يضخ ذراته المليئة بالطاقة، ولكي تعمل بفعالية ، يجب أن يتم تخدير المادة الصلبة، وهي عملية تستبدل بعض ذرات المادة الصلبة بأيونات الشوائب، مما يمنحها مستويات الطاقة المناسبة لإنتاج ضوء الليزر لتردد معين ودقيق، وينتج ليزر الحالة الصلبة أشعة عالية الطاقة، وعادة ما تكون في نبضات قصيرة للغاية.
وعلى النقيض من ذلك، تنتج أشعة الليزر الغازية أشعة ساطعة متواصلة بإستخدام مركبات من الغازات النبيلة أو ثاني أكسيد الكربون (CO2) كوسط ، ويتم ضخه بالكهرباء، ويتميز ليزر CO2 بأنها قوية وفعالة وتستخدم عادة في عمليات القطع واللحام الصناعية، ويستخدم ليزر الصبغة السائلة حلا لجزيئات الصبغة العضوية كوسيلة، ويتم ضخه بواسطة شيء مثل مصباح القوس أو مصباح فلاش أو ليزر آخر، وميزته الكبيرة هي أنه يمكن استخدامه لإنتاج نطاق أوسع من الترددات الضوئية من الليزر الصلب والحالة الغازية، وحتى يمكن ضبطه لإنتاج ترددات مختلفة.
ما هي إستخدامات الليزر ؟
عندما طور ثيودور ميمان أول ليزر عملي، أدرك عدد قليل من الناس مدى أهمية هذه الآلات في نهاية المطاف، وقدم الإصبع الذهبي فيلم جيمس بوند عام 1964 لمحة مثيرة عن المستقبل حيث يستطيع الليزر الصناعي أن يشبه السحر من خلال أي شيء يعترض طريقه، وفي وقت لاحق من العام نفسه، قدمت صحيفة نيويورك تايمز تقريرا عن منح جائزة نوبل في الفيزياء إلى رائد الليزر تشارلز تاونز، وأشارت إلى أن شعاع الليزر يمكن على سبيل المثال، حمل جميع البرامج الإذاعية والتلفزيونية في العالم بالإضافة إلى عدة مئات ألف مكالمة هاتفية في وقت واحد، ويستخدم على نطاق واسع لإكتشاف المدى وتتبع الصواريخ، وبعد أكثر من نصف قرن، تظل تطبيقات مثل أدوات دقيقة، والإتصال الرقمي، والدفاع من بين أهم إستخدامات الليزر.
