إستخدامات ومبدأ عمل “أشعة الليزر”

2016 عصر الفضاء

جون كلارك مع مايكل ألابي وإيمي جان بيير

KFAS

الفيزياء

يمكن لشعاع الليزر قطع المعادن بدقة متناهية تفوق قطع المنشار لها، كما يستخدم الليزر في الجراحات الدقيقة للعيون.

من ناحية أخرى يستخدم المساحون الليزر لقياس الأبعاد، علاوة على رسم خرائط دقيقة لسطح الأرض باستخدام ليزرات مثبتة على متن الطائرات. بالإضافة إلى ذلك تستخدم بعض طابعات الحواسيب الليزر في الطباعة، وأخيراً لم يكن وجود الأقراص المدمجة (CD) وأجهزة تشغيلها (DVD) ممكناً دون وجود الليزر.

توصل الفيزيائي الأمريكي من أصل ألماني ألبرت آينشتين (١٩٧٩ – ٥٥) عام ١٩١٧ إلى إمكانية تحفيز الذرات والجزئيات لبث الضوء. ورغم أن هذه الظاهرة (الإشعاع المحرض) تمثل مبدأ عمل الليزر، إلا أن اقتراح تصميم جهاز لإنتاج أشعة الليزر لم يتحقق إلا خلال عقد الخمسينيات من القرن العشرين.

ففي عام ١٩٥٢ شرح الفيزيائي الأمريكي تشارلز أتش. تاونز (١٩١٥-٢٠١٥) طريقة لتحفيز جزئيات الأمونيا لإطلاق اشعاع في مدى الميكروويف مستخدما مبدأ الميزر – تكبير الميكروويف بواسطة الإشعاع المحرض.

وكان لدى الفيزيائيان السوفيتيان ألكساندر بروخوروف (١٩١٦-٢٠٠٢) ونيكولاي باسـوف (١٩٢٣-٢٠٠١) الفكرة نفسها، لكن تاونز سبقهما إلى تشييد أول ميزر عام ١٩٥٣ قبل أن ينشر الاثنان بحثهما عام ١٩٥٤.

 

وحصل العلماء الثلاثة على جائزة نوبل عام ١٩٦٤ لهذا الاكتشاف. يستخدم الميزر في الساعات الذرية والمقاريب الراديوية وكذلك لتكبير الإشارات الضعيفة من التوابع الصنعية.

تقع الأشعة الميكرووية ضمن نطاق الإشعاعات الكهرومغناطيسية غير المرئية، ولذلك نشر تاونز وآرثر شاولو (١٩٢٣-٩٩) عام ١٩٥٨ بحثاً برهنا فيه الامكانية النظرية لتصنيع جهاز مماثل يصدر أشعة الضوء المرئية، وينتج تكبيراً للأشعة المرئية بواسطة مبدأ الإشعاع المحرض- الليزر.

لكن تاونز وشاولو اكتفيا بالجانب النظري للموضوع ليتحقق البناء الفعلي لمثل هذا الجهاز على يد الفيزيائي الأمريكي ثيودور إتش. ميمان (١٩٢٧-٢٠٠٧) عام ١٩٦٠.

عند امتصاص مادة ما للطاقة، مثل الطاقة الحرارية، تقفز الذرات أو الجزئيات من مستوى للطاقة إلى مسنوى آخر أعلى. (المترجم: الأصح أن يقال أن امتصاص ذرات المادة للطاقة يؤدي إلى انتقال إلكترونانها من مستوى للطاقة إلى مستوى آخر أعلى).

 

وعند هبوط الإلكترونات عائدة إلى مستواها الأول تتخلص من الطاقة الزائدة على شكل ضوء (المترجم: الأصح على شكل أشعة كهرومغناطيسية بما في ذلك الضوء).

في الحالات الاعتيادية يُبث الضوء من كل ذرة أو جزيء بشكل عشوائي ودون الاعتماد على ما تبثه الذرات أو الجزئيات الأخرى، كما أن أطوال موجات الأشعة الصادرة مختلفة.

ولكن تعريض المادة لأشعة ذات طول موجة محدد وشدة كبيرة خلال فترة قصيرة التي تكون فيها الذرات أو الجزئيات في المستوى العلوي للطاقة تحفز الذرات المثارة كلها على إطلاق إشعاع طول موجته يساوي طول موجة الأشعة المسلطة عليها.

وهذه هي طريقة تحفيز أو تحريض المادة على إطلاق إشعاع معين، كما أن الإشعاع المحرض يساعد على زيادة شدة الإشعاع الصادر. تتمثل الخطوة التالية بتكبير الضوء باستخدام المرايا. تقوم مرآة موضوعة في إحدى نهايتي الجهاز بعكس الأشعة إلى المادة المحرضة مرة أخرى. كما أن مرآة نصف مفضفضة مثبتة على الطرف الآخر تعكس بعض الأشعة وتسمح للبقية بالعبور لتكون شعاعاً ليزريا.

 

يصدر الليزر شعاعا ضيقاً من ضوء متسق (متماسك) ذي طول موجي واحد، أى بلون واحد، وتكون الموجات كلها متسقة مع بعضها (في طور واحد). ويمكن أن يكون الشعاع متصلاً أو على شكل نبضات ذات مدى زمني وجيز.

يمكن استخادم مواد عدة لتحفيزها على إطلاق ضوء متسق. استخدم ميمان في ليزره بلورة ياقوت – بلورة اصطناعية من أكسيد الألمنيوم. تشمل مواد الليزرة الأخرى النيوديميوم وسوائل من بينها أكسيد النيودينيوم أو كلوريد النيوديميوم مذابان في محلول أكسيد كلوريد السيلينيوم.

علاوة على استخدام الغازات مثل أول أكسيد الكربون وسيانيد الهيدرجين ومزيج من الهيليوم والنيون. واستمر مزيج الهيليوم والنيون الوسط الليزري الرئيس لحوالي ٢٠ سنة.

ينتشر الضوء الصادر من المصباح اليدوي أو مصابيح السيارات ليضيء مساحات واسعة. لكن شعاع االليزر أكثر تركيزا. فالشعاع الليزري الصادر عن ليزر هيليوم –نيون لا تتعدي زاوية تشتته عن جزءٍ واحدٍ من الألف.

كما ان إرسال شعاع ليزر الهيليوم من الجهة الخطأ من المقراب (من ناحية العدسة العينية) يقلل من هذا التشتت الضئيل أصلاً. ولذلك تستخدم الليزرات من هذا النوع لتوجيه الآلات التي تقوم بوضع أنابيب الشبكات المختلفة في أماكنها كما تستخدم في حفر الأنفاق.

 

ويمكن أيضا حفر الثقوب في الألماس بواسطة ليزر الياقوت. عند سقوط شعاع ليزر على سطح ما تمتص ذرات السطح بعض الطاقة فترتفع درجة حرارة المادة.

ونظراً لأن أشعة الليزر تنتج كمية كبيرة من الطاقة الحرارية تمتصها مساحة صغيرة للغاية يستخدم الليزر في تشذيب المواد الزائدة في أجزاء الإلكترونيات، بل وحتى في إجراء العمليات الجراحية الدقيقة للشبكية في مؤخرة العين.

علاوة على ذلك تستغل دقة أشعة الليزر لقياس المسافات. عند سقوط نبضة موجية على سطح ما يرتد جزء منها.

ونظراً لثبات سرعة الضوء يمكن حساب المسافة بين المصدر والعائق بحساب الزمن الذي تستغرقه النبضة الموجية لقطع مسافتي الذهاب والإياب بعد ارتدادها عن العائق. تُسمى عملية قياس المسافات بهذه الطريقة لايدر (رادار ضوئي).

ولهذا الغرض نصب رواد الفضاء الذين هبطوا على سطح القمر بواسطة المركبة أبولو ١١ ومن لحق بهم من الرواد ضمن برنامج أبولو، نصبوا هناك مرايا عاكسة استخدمت لقياس المسافة بين الأرض والقمر.

 

وباستخدام تقانة اللايدر قيست هذه المسافة بدقة تصل إلى بضع بوصات. وإضافة إلى ذلك يستخدم المساحون الليزر لقياس درجة استقامة التضاريس الأرضية وكذلك المسافات بينها.

يستخدم اللايدر أيضاً في قياس سرعة الأجسام المتحركة. عند ابتعاد الجسم المتحرك عن مصدر الشعاع يزيد طول موجة الأشعة المنعكسة عن الجسم مقارنة بطول موجة شعاع المصدر. وبمعنى آخر ينزاح الضوء نحو المدى الأحمر من الطيف.

وعندما يتحرك الجسم باتجاه المصدر يتقلص طول الموجة قليلا. أى أن طول موجة الشعاع المنعكس ينزاح نحو الأزرق. وكلما زادت سرعة الجسم المتحرك زاد التغير في طول موجة الشعاع المنعكس.

 

ليزر الياقوت

يُصقل طرفا قضيب أسطواني من الياقوت البلوري ويُغطى أحدهما بطبقة من الفضة لتكون مرأة عاكسة عند هذا الطرف، بينما يُغطى الطرف الآخر بطبقة أقل سماكة ليُصنع منه مرآة نصف مفضفضة.

يوضع الياقوت في غلاف لإبقائه باردا. تبث نبضات ضوئية من خلال أنبوب لولبي يلتف حول قطعة الياقوت. (يمكن ايضاً وضع مصدر الضوء إلى جانب الياقوت أو إسقاطه عليه بواسطة مرايا عاكسة).

تمتص ذرات الياقوت الطاقة من نبضات الضوء ثم تبث الضوء بعد ذلك ليخرج شعاع الليزر من الطرف نصف المفضفض.

[KSAGRelatedArticles] [ASPDRelatedArticles]