ما هو الليزر؟ وكيف يعمل وأنواعه

يعتبر الليزر من أهم اختراعات القرن العشرين. منذ إدخاله في عام 1960، أتاح الليزر عددًا لا يحصى من التطبيقات العلمية، والطبية، والصناعية، والتجارية. نقلت صحيفة نيويورك تايمز في عام 1964 عن ثيودور ميمان، مخترع أول ليزر، وصف الليزر بأنه “حل يبحث عن مشكلة”. يكاد يكون من المستحيل اليوم قضاء يوم كامل دون استخدام شيء واحد على الأقل تم تصنيعه باستخدام الليزر أو استخدام الليزر لإنجازه. سوف نستكشف في هذا المقال ما هو الليزر، من ماذا يتكون الليزر، والمبدأ الأساسي لليزر، والتطبيقات المختلفة لليزر التي غيرت حياتنا على مدار أكثر من نصف قرن.

ما هو الليزر؟

Light amplification by stimulated emission of radiation وتعني: تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع اختصارا laser. الليزر هو نوع خاص من مصادر الضوء. ويمكن أن ينتج ضوء عالي الاتجاهية والشدة بمدى أطوال موجية ضيق جدا. ويمكن تلخيص الخصائص المميزة لضوء الليزر بالنقاط التالية:

• شعاع ضوئي أحادي اللون (أحادي الطول الموجي)
• شعاع الضوء، يكون ذو مقطع عرضي صغير (بقعة ضوئية صغيرة)، بمدى واسع للقدرة الخارجة
• شعاع الليزر متشاكه وذو زاوية انفراج صغيرة جدا عند انتشاره
• يمكن أن يعمل بالنمط المستمر أو المتقطع (نبضي)
• يمكنه لشعاع الليزر ترسيب قدرة هائلة من الطاقة لمساحة صغيرة جدا على الهدف

تم تطوير أول ليزر من قبل العالم الأمريكي ثيودور ميمان في 16 مايو 1960 في مختبر أبحاث هيوز في كاليفورنيا، عن طريق تسليط مصباح فلاش على قضيب من الياقوت الأحمر بين مرآتين مطليتين بالفضة. ثم تتالت بعدها الأبحاث في هذا المجال وتم تطوير العديد من الليزرات بمواد مختلفة مثل ليزر الحالة الغازية CO2، ليزر HeNe، ليزر الحالة السائلة وليزر أشباه الموصلات.

يمكن أن ينتج الليزر نبضة قصيرة جدا تصل لحوالي 10^-15 من الثانية بقدرة بصرية حوالي (10¹²W/cm_²). يمتد طيف شعاع الليزر من منطقة الأطوال الموجية الطويلة (microwave) الى منطقة الأطوال الموجية القصيرة (X-ray) لطيف الشعاع الكهرومغناطيسي. توجد ليزرات تنتج عدة أطوال موجية في آن واحد بتنغيم مناسب. وتوجد تقنيات ذكية للتحكم بشعاع الليزر لجعله مناسبا لأغراض محددة مثل Q switching (تبديل الجودة)، mode looking (قفل الأنماط)، frequency doubling (مضاعفة التردد) تستخدم بعض هذه التقنيات لإنتاج حزم ليزر عالية الكثافة والتي تكون مفيدة في العديد من التطبيقات.

تركيب الليزر

يتكون الليزر من ثلاث أجزاء أساسية: المضخة (pumping source)، الوسط الفعال (active medium)، المرنان (resonator).

01. مصدر الضخ

مصدر الضخ جزء مهم من أجزاء الليزر وظيفته تزويد الليزر بالطاقة اللازمة لإنتاج الليزر ويكون عادة على شكل ضخ بصري (optical pump) مصباح وميضي أو بواسطة ليزر آخر، ضخ كهربائي (electrical pump)، تفاعل كيميائي (chemical reaction). مصدر الضخ المستخدم يعتمد على نوع الوسط الفعال لليزر. يستخدم على سبيل المثال في ليزر الحالة الصلبة (ليزر الياقوت الأحمر Ruby، ليزر العقيق Nd: Yag) الضخ البصري، ومع ليزر الحالة الغازية (Co2، HeNe، N2) يستخدم الضخ الكهربائي (electrical discharge)، ويستخدم الضخ بالتفاعل الكيميائي لليزر الاكزيمر (Excimer laser)، والضخ بالتيار الكهربائي يستعمل لليزر أشباه الموصلات (semiconductor laser).
الشكل في الأسفل يوضح بعض مصادر الضخ البصري المصباح الخطي (leaner flash lamp) والمصباح الحلزوني (helical flashlamp).

مصباح وميضي حلزوني يفضل هذا النوع من المصابيح لان يغطي كل المساحة السطحية لبلورة الوسط الفعال

02. الوسط الفعال

الوسط الفعال هو المادة المسؤولة عن إنتاج الليزر والتي تحدث خلالها ظاهرة الانبعاث المحفز عند إثارتها بأحد مصادر الضخ لغرض تحقيق التوزيع المعكوس (population inversion) لذراتها وهو الشرط الأساسي لتعمل كمضخم بصري (optical amplifier)، الوسط الفعال يمكن أن يكون صلب، سائل أو غازي. الشكل في الأسفل يوضح الوسط الفعال لمواد مختلفة.

بلورة YAG مطعمة بمواد مختلفة علماً إن المادة المسؤولة عن تضخيم الضوء هي المادة المضافة وليست بلورة YAG

03. المرنان

المرنان جزء مهم وأساسي من أجزاء الليزر وظيفته التغذية الراجعة للوسط الفعال وهو أيضا مسؤول عن الاتجاهية العالية لشعاع الليزر بسبب تذبذب الضوء خلاله. ويتكون من مرآتين متوازيتين متقابلتين يوضع بينهما الوسط الفعال، تكون احدى المرآتين عاكسة كلية للضوء بنسبة 100% والأخرى تعكس الضوء بشكل جزئي حوالي (98-95) % وتمرر الجزء الآخر (output power laser) خارج تجويف الليزر للاستخدام. تعتمد انعكاسية المرآة الجزئية على نوع الوسط الفعال من حيث كفاءته، فإذا كان الوسط الفعال ذو كفاءة عالية ويحقق الربح الليزري بسرعة (high gain) تستخدم له مرآة منخفضة الانعكاسية وذلك لتقليل الحرارة الناتجة بسبب الربح العالي للوسط الفعال والعكس صحيح.

للمرنان أنواع عديدة وأشهرها المرأتين المتوازيتين (tow plane parallel mirror or Fabry–Pérot)، والمرنان نوعان مستقر وغير مستقر، المرنان المستقر: هو المرنان الذي لا تحيد الأشعة المتذبذبة خلاله عن مسار المحور البصري للمرنان والعكس صحيح.

ويعتمد استخدام المرنان من حيث استقراريته على نوع الوسط الفعال فاذا كان الوسط الفعال ذو كفاءة عالية ويحقق الربح الليزري بسرعة يستخدم له مرنان مستقر لتقليل الربح الليزري بتحييد الأشعة خارج المحور البصري للمرنان. أما إذا كان الوسط الفعال ذو ربح منخفض فيستخدم له مرنان غير مستقر، وذلك لحصر الأشعة ضمن المسار البصري للمرنان حيث يوضع الوسط الفعال. الشكل في الأسفل يوضح أنواع المرنان.

العمليات الأساسية للفعل الليزري

01. الانبعاث التلقائي

لوصف ظاهرة الانبعاث التلقائي علينا أن نتخيل نظام ذري يتكون من مستويين 1، و2، ذرات أو جزيئات لمادة معينة، وطاقتيهما E1، وE2 حيث (E₂>E₁) كما موضح في (الشكل 2.a)، يمكن أن يكونا المستويين أي مستويين من مجموعة مستويات الذرة اللامتناهية. حيث يمكن اعتبار المستوى 1 هو المستوى الأرضي. لنفترض مبدئيا أن الذرة في المستوى 2 بعد أن امتصت قدراً من الطاقة يجعلها تتهيج من المستوى الأرضي E₁ الى المستوى 2 حيث إن E₂>E₁، سوف تميل الذرة للانحلال للمستوى 1. ونتيجة لذلك سيكون فرق الطاقة بين المستويين E₂-E₁، الذي يجب أن ينبعث من الذرة على شكل موجة كهرومغناطيسية يطلق عليه فوتون، تسمى هذه العملية ظاهرة الانبعاث (أو الإشعاع) التلقائي. يعطى تردد الإشعاع V₀ للموجة المنبعثة بالعبارة التالية.

V₀ = (E₂ – E₁) / h
حيث h هو ثابت بلانك

الإشعاع المنبعث يمكن أن يكون واحد من احتمالين للانحلال الإشعاعي للذرة، إشعاعي (radiative) كما تم ذكره أو غير إشعاعي (nonradiative) بخلاف الانبعاث الكهرومغناطيسي وفي هذه الحالة سوف ينتقل فرق الطاقة E₂ – E₁ على شكل طاقة حركية داخلية بين الذرات والجزيئات المحيطة.

02. الانبعاث المُحَفز

لنفترض الآن أن الذرة هي أصلا في المستوى 2 وأن تردد الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة (الشكل 1.b) يساوي تردد الانبعاث التلقائي v=v₀. بما إن تردد الموجة الساقطة يساوي تردد الذرة فأن الاحتمال الوحيد المتوقع هو أن تجبر هذه الموجة الذرة للانحلال من المستوى 2 إلى المستوى 1. في هذه الحالة فأن فرق الطاقة E₂-E₁ المنتقل على شكل موجة كهرومغناطيسية سيضاف لطاقة الموجة الساقطة، وتسمى هذه العملية ظاهرة الانبعاث المُحَفز.

في حالة الانبعاث التلقائي، تنبعث من الذرة موجة كهرومغناطيسية تختلف في الطور مع تلك التي تنبعث من ذرة أخرى. بالإضافة الى ذلك، يمكن أن تنبعث الموجة في أي اتجاه. في حالة الانبعاث المستحث، ولان عملية الانبعاث تتم بواسطة الموجة الساقطة المُحفزة، فإن طور الموجة المنبعثة يضاف لطور الموجة الساقطة وبنفس الاتجاه.

03. الامتصاص

لنفترض الآن أن الذرة تقع مبدئيًا في المستوى 1 (الشكل 2.c). إذا كان هذا هو مستوى الأرض، فستبقى الذرة في هذا المستوى ما لم يتم تطبيق طاقة خارجية عليها. ومن ثم سنفترض أن تردد الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة يساوي تردد الذرة v=v₀. في هذه الحالة سوف تتفاعل الذرة مع الموجة الكهرومغناطيسية الساقطة وتتهيج إلى المستوى 2 بفرق طاقة مقداره E₁-E₂، تسمى هذه العملة بظاهرة الامتصاص..

04. الإسكان العكسي

لنتخيل الآن نظام لا على التعيين يتكون من مستويين من الطاقة 1 و2، وليكن N₁ وN₂ عدد الذرات لكل من المستوى 1 والمستوى 2 على التوالي. فاذا كان النظام في حالة اتزان حراري (thermal equilibrium) عندها سيكون عدد الذرات في المستوى 1 أكبر بكثير من عدد الذرات في المستوى 2 أي أن N₂<N₁ ولعكس هذه الحالة اي جعل عدد الذرات في المستوى 2 اكبر من عدد الذرات في المستوى 1 N₂>N₁ يتم ضخ الوسط الفعال بالطاقة لغرض تحقيق التوزيع المعكوس لعناص النظام (ذرات،جزيئات، ايونات) ، عندها ستعمل المادة كمضخم للمجال الكهرومغناطيسي المطبق عليها. تسمى هذه الحالة باسم الاسكان العكسي.

خطط الضخ

01. نظام ليزر ثلاثي المستويات

لحدوث عملية انبعاث الليزر يتطلب نظام ذري من ثلاث مستويات على الأقل. نظرا لأن عملية الضخ لا يمكن أن تحقق التوزيع المعكوس لعناصر النظام (ذرات، جزيئات، أيونات) ذو المستوى الثنائي وهو الشرط الأساسي للربح الليزري.

تتم إثارة المستوى E₃ بواسطة امتصاص الضوء في ليزر الحالة الصلبة أو بواسطة التصادمات الإلكترونية كما في ليزر الحالة الغازية، يحدث انحلال سريع جدا غير إشعاعي (non-radiative) من المستوى E₃ الى المستوى E₂، يسمى هذا المستوى بالمستوى العلوي لليزر (upper laser level) تنتقل كل الذرات المثارة لهذا المستوى تقريبا، الذي يمتلك عمر حياة طويل جدا (Very long lifetime). أي إن الذرات المثارة سوف تبقى فيه فترة زمنية محددة تختلف من مادة لأخرى، قبل أن تنحل للمستوى الأرضي لذلك يطلق عليه باسم المستوى شبه المستقر (metastable state level).

إذا كانت قدرة الضخ كبيرة بشكل كافي لتغطية الانحلال للمستوى E₂، فأن جميع الذرات سوف تتراكم في المستوى E2 وبالنهاية سوف يكون عدد الذرات المتراكمة n₂ في المستوى E₂ أكبر من عدد الذرات في المستوى الأرضي n₁ وهو شرط حدوث الليزر فلا بد من أن تكون نسبة الذرات في المستوى E₂ على الأقل 50% من مجموع ذرات المثارة. ومن ثم تهبط الذرات من المستوى E₂ إلى المستوى الأرضي E₁ فينتج عن ذلك الانحلال بين المستويين انبعاث الليزر الضوئي (light radiative emission).

02. نظام ليزر رباعي المستويات

المستوى E₁ يمثل المستوى الأرضي والمستويات E₂،E₃ و E₄ تمثل مستويات الإثارة. تتم إثارة ذرات المستوى E₁ بواسطة المضخة (تيار كهربائي أو مصباح وميضي بحسب مادة الوسط الفعال) الى المستوى E₄. ومن ثم تتحلل الذرات (non-radiative emission) الى المستوى E₃ بسرعة كبيرة. في هذا النظام الرباعي سوف يكون المستوى E₃ هو المستوى شبه المستقر (metastable state) الذي يمتلك عمر حياة أطول. المستوى E₃ يمثل المستوى العلوي (Upper laser level) والمستوى E₂ يمثل المستوى السفلي (Lower laser level) وليس المستوى الأرضي (ground state level)، المستوى السفلي يمتلك عمر حياة قصير جدا. ثم ستهبط الذرات مرة أخرى من المستوى E₃ الى المستوى E₂. فاذا كان معدل استرخاء الذرات من المستوى E₂ الى المستوى E₁ أسرع من معدل وصول الذرات للمستوى E₂ فسنحصل على التوزيع المعكوس بين المستويين E₃ وE₂، حتى وأن كانت طاقة الضخ قليلة وهذا ما يميز نظام الليزر رباعي المستوى. الانتقالات بين المستوى E₃ وE₂ هي المسؤولة عن حدوث انبعاث الليزر الضوئي (light radiative emission).

أنواع الليزر

1. ليزر الحالة الصلبة (solid state laser)
2. ليزر الحالة الغازية (gas state laser)
3. ليزر الحالة السائلة (liquid state laser or dye laser)
4. ليزر أشباه الموصلات (semiconductor laser or laser diode)

01. ليزر الحالة الصلبة (solid state laser)

ليزر الحالة الصلبة هو عبارة عن بلورة أو زجاج مطعم باحد العناصر الارضية النادرة التي تحقق الربح البصري (تضخيم الضوء) ومن تلك العناصر النيدميوم، الكروميوم، الايريبيوم، الثوليوم أو الايتريوم(neodymium, chromium, erbium, thulium, or ytterbium).
أشهر ليزرات الحالة الصلبة هو ليزر الياقوت، لأنه أول ليزر يتم تصنيعه على الإطلاق. يعتبر ليزر Nd: YAG (عقيق الإيتريوم المصنوع من الألومنيوم المشبع بالنيوديميوم) شائعًا أيضًا في تطبيقات معالجة المواد.

02. ليزر الحالة الغازية (gas state laser)

ليزر الحالة الغازية هو عبارة عن أنبوبة مملوءة بالغاز متصلة بقطبين كهربائيين على طرفيها وينتج الليزر عن طريق تمرير تيار كهربائي خلال الغاز بعملية تعرف بالتفريغ الكهربائي (electrical discharge). حيث تتصادم إلكترونات التيار الكهربائي المار مع جزيئات الغاز وتكسبها الطاقة الحركية اللازمة لتحقيق عملية الانبعاث المحفز. تتم إضافة غازات مساعدة أحيانا فضلا عن الغاز المسؤول عن إنتاج الليزر، وتعمل تلك الغازات المساعدة كحلقة وصل للطاقة بين إلكترونات التيار الكهربائي وجزيئات الغاز المسؤول عن انبعاث الليزر. من أشهر أنواع الليزرات الغازية ليزر غاز ثنائي أوكسيد الكاربون Co2، وهو الأشهر على الإطلاق والأعلى كفاءة بين الليزرات حيث تصل كفاءته 30%. ليزر الهيليوم-نيون He-Ne، يستخدم هذا الليزر غالبا في المختبرات لأجراء التجارب. ليزر النيتروجين N2، ليزر الزينون Xe …الخ.

03. ليزر الحالة السائلة (liquid state laser or dye laser)

يستخدم الليزر السائل صبغة عضوية في شكل سائل كوسيط ربح. تُعرف أيضًا باسم الليزر الصبغي ويستخدم في الطب، والتحليل الطيفي، وإزالة الوحمات، وفصل النظائر. تتمثل إحدى مزايا ليزر الصبغة في قدرته على توليد نطاق أوسع بكثير من الأطوال الموجية، مما يجعله مرشح جيدة ليكون ليزرًا قابلًا للتنغيم، مما يعني أنه يمكن التحكم في الطول الموجي أثناء التشغيل. ومن أشهر ليزرات الحالة السائلة ليزر Rhodamine G6.

04. ليزر أشباه الموصلات (semiconductor laser or laser diode)

الثنائيات الليزرية، والتي تسمى أيضًا ليزرات الصمام الثنائي وليزر أشباه الموصلات، تشبه الثنائيات العادية من حيث إنها تحتوي على تقاطع موجب-سلبي (PN) مشحون. الفرق هو أن ثنائيات الليزر لها طبقة جوهرية عند تقاطع PN مصنوعة من مواد تنتج انبعاثًا تلقائيًا. يتم صقل الطبقة الجوهرية بحيث يتم تضخيم الفوتونات المتولدة، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل التيار الكهربائي إلى ضوء ليزر. ليزر أشباه الموصلات ذو كفاءة عالية جدا تصل 70% ولكنه وبسبب صغر المنطقة الفعالة لا يمكن أن ينتج قدرة عالية. لليزر أشباه الموصلات استخدامات عديد حيث يستخدم في القياس، قراءة الباركود، الهولوغرافي، في الألياف البصرية كمولد إشارة، يستخدم أيضا لضخ بعض الليزرات الأخرى، وهو صغير الحجم ويمكن حمله باليد.

تطبيقات الليزر (laser application)

تطبيقات الليزر واسعة وعديدة نذكر أهمها وهي:

• التطبيقات الصناعية: يستخدم الليزر في مكائن CNC لقطع وتثقيب المعادن، اللحام، إزالة الصدأ، النقش، ترسيب الأغشية الرقيقة …الخ.
• التطبيقات الطبية: يستخدم الليزر في الطب في مجالات عديدة مثلا في طب العيون لتصحيح البصر، تبييض الأسنان وإزالة التسوس، إزالة الوحمات والبقع الجلدية، إزالة الشعر، يستخدم كمشرط لقطع الأنسجة ويتميز عن المشارط الكلاسيكية بأنه يترك أثرا ضئيلا ويكوي الجرح أثناء القطع مما يساهم في تقليل النزف في العملية الجراحية.
• تطبيقات أخرى: الحماية والمراقبة (سياج أمنى)، القياسات، نقل المعلومات في نظم الاتصالات، ولليزر تطبيقات كثيرة لا حصر لها حتى سمي بالحل الذي يبحث عن مشكلة.

مصدر1 ، مصدر2 ، مصدر3 ، مصدر4