تدقيق لغوي: أ. موانا دبس
قائمة المحتويات
ما هو جهاز الليزر؟
هو جهاز يُحفّز الذرات أو الجزيئات لإصدار الضوء بطولٍ موجيٍّ واحد، ويقوم الجهاز بتضخيم هذا الضوء، فينتج شعاعًا ضوئياً ضيقًا متماسكاً جداً، مما يجعل هذه الموجات الضوئية تنتقل لمسافةٍ كبيرة، حيث تكون فوتونات الشعاع الناتج متساويةً في التردُّد الموجي، ومتطابقةً في الطور.
ما هو شعاع الليزر؟
كلمة الليزر (LASER) هي اختصار لعبارة “تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث (الإصدار) المُحفّز (المحثوث) للإشعاع.
“Light amplification by the stimulated emission of radiation”
ولكن باستخدام بلوراتٍ من مواد مناسبة، مثل: الياقوت الأحمر عالي النقاوة يمكن تحفيز إنتاج أشعةٍ ضوئيةٍ ذات لونٍ واحد (أي ذات طول موجةٍ واحدة).
وكذلك بطور موجةٍ واحد، وعندئذ يتمُّ تركيب الموجات على بعضها البعض عن طريق انعكاسها عدة مرات بين مرآتين داخل بلورة الليزر، فتصبح كخطوة العسكر في المسير، فتنتظم الموجات، وتتداخل تداخلاً بناءً، وتخرج من الجهاز بالطاقة الكبيرة المرغوب فيها.
ما الفرق بين شعاع الليزر وضوء المصباح الكهربائي؟
يمكن تشبيه شعاع الليزر بالكتيبة العسكرية، حيث يتقدم جميع العساكر بخطواتٍ متوافقةٍ في الزمن والقيمة، أما المصباح العادي، فيُنتج الضوء بموجاتٍ ضوئيةٍ مبعثرة غير منتظمة، فلا يكون له طاقة الليزر، فتكون كالبشر التي تمشي في الشارع، وكلٌّ منهم له اتجاه مختلفٌ عن الآخر.
ما هي أساسيات الليزر؟
1- مستويات الطاقة والإصدار المُحفّز للضوء (Energy levels and Stimulated emissions)
يتمُّ إصدار الليزر وفقًا لقواعد ميكانيك الكم، التي تعتبر أن الذرات والجزيئات تمتلك طاقةً مخزنةً بمقدارٍ تختلف قيمته حسب طبيعة الذرة أو الجزيء، ويكون للذرة الفردية أدنى مستوى طاقة عندما تكون جميع إلكتروناتها في أقرب مداراتٍ ممكنة إلى نواتها، وتُسمّى هذه الحالة بالحالة المعتدلة (Ground state).
عندما يمتصُّ واحد أو أكثر من إلكترونات الذرة طاقة، فيمكن للإلكترون أن ينتقل إلى المدارات الخارجية، ويشار إلى الذرة في هذه الحالة على أنها مثارة (Excited)، والحالات المثارة ليست مستقرةً بشكلٍ عام، وبالتالي عندما تنخفض الإلكترونات من مستويات الطاقة الأعلى إلى مستويات الطاقة الأدنى، فإنها تصدر طاقة على شكل ضوء.
2- الانعكاس (تغيير توزع عدد الذرات في مستويات الطاقة) (Population Inversion)
هو إعادة توزيع مستويات الطاقة الذرية، والتي تحدث في نظامٍ ما بحيث يمكن أن يحدث عمل الليزر. عادةً، يكون نظام الذرات في حالة توازنٍ في درجة الحرارة العادية، ويوجد عددٌ كبيرٌ من الذرات في مستويات الطاقة المنخفضة مقارنةً بالذرات التي في مستويات الطاقة المرتفعة، وعلى الرغم من أن امتصاص وإصدار الطاقة عمليةٌ مستمرة، إلا أن التوزُّع للذرات في حالات الطاقة المختلفة يكون ثابتًا.
عندما يضطرب هذا التوزع عن طريق ضخّ الطاقة في النظام، سيحدث انعكاسٌ في النظام، حيث سيتواجد عددٌ أكبر من الذرات في مستويات الطاقة العالية مقارنةً بعدد الذرات التي تكون في مستويات الطاقة الدنيا. عندما يضرب الفوتون إلكترونًا يتمُّ إنتاج فوتونين، وهذا ما يُعرف بالإصدار المُحفّز، وتُصدر الفوتونات الناتجة من عملية الانبعاث المُحفّز ضوءًا متماسكًا.
ما هي مكونات جهاز توليد شعاع الليزر؟
اكتشف آينشتاين مبدأ الليزر في عام 1917، لكن تمَّ الحصول على أول ليزرٍ ناجح في عام 1958، ويتكون الليزر من ثلاث مكونات رئيسية، وهي:
1- مصدر الطاقة (Power source)
عادةً، يتمُّ التحفيز بواسطة تيارٍ كهربائي أو مصدر ضوء خارجي، والذي يُقال إنه “يضخُّ Pump” الليزر، ويسمّى مصدر الضخ، وهو الذي يوفر الطاقة لنظام الليزر، وينقل مصدر الطاقة الذرات أو الجزيئات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقة الأعلى، ويكون مسؤولاً عن تحقيق الانعكاس (Population Inversion).
2- وسيط الكسب (مادة إنتاج) (Medium)
يمكن إنتاج الانعكاس (Population Inversion) في مادة غازية، أو سائلة، أو صلبة، أو مواد نصف ناقلة، تُعرف باسم وسيط الليزر، أو الوسيط النشط، أو وسيط الكسب الذي يحدث فيه عمل الليزر، ويحافظ وسيط الكسب على الانبعاثات المُحفّزة بشكلٍ مستمر. يحدد نوع وسيط الكسب الطول الموجي لشعاع الليزر الناتج.
3- المضخّم (المِرنان) (Resonator)
هناك حاجة إلى مضخّمٍ (مِرنان) ضوئي لبناء الطاقة الضوئية في الشعاع. يقوم المضخّم (المِرنان) بتضخيم الشعاع الضوئي الناتج من وسيط الكسب، ويتمُّ تشكيل المِرنان عن طريق وضع زوجٍ من المرايا في مواجهة بعضهما البعض بحيث ينعكس الضوء المُنبعث على طول الخط بين المرايا ذهابًا وإيابًا.
واحدة منهما مرآة عاكسة كلياً (شديدة الانعكاس)، وأخرى عاكسة جزئيًا. عندما يتمُّ إنشاء انعكاسٍ في وسيط الكسب، تزداد شدة الضوء المُنعكس ذهابًا وإيابًا مع كل مرور عبر وسيط الكسب، ويمرُّ الضوء الناتج عن الانبعاث المُحفّز عبر المرآة العاكسة جزئيًا، ويسمّى الضوء المار بشعاع الليزر، ويحدّد المضخّم الضوئي (المِرنان) استطاعة (قوة) الليزر.
ما هي خصائص شعاع الليزر؟
1- يختلف ضوء الليزر بشكلٍ عام عن الضوء العادي في كونه مركّزًا في شعاعٍ ضيق، وأحادي اللون (طول موجةٍ واحد)، ويتكون من موجاتٍ متطابقةٍ مع بعضها البعض، وتنشأ هذه الخصائص من عملية الانبعاث المُحفّز، وتجويف المضخّم، ووسيط الكسب الليزري.
2- يُنتج الانبعاث المُحفز فوتونًا ثانيًا مطابقًا للفوتون الذي حفّز الانبعاث، وبالتالي فإن الفوتون الجديد له نفس الطور والطول الموجي والاتجاه، أي أن الاثنين متماسكان بالنسبة لبعضهما البعض، ويمكن لكلٍّ من الفوتون الأصلي والفوتون الجديد تحفيز انبعاث فوتوناتٍ أخرى مماثلة، وإن تمرير الضوء ذهابًا وإيابًا عبر تجويف المضخّم الضوئي يُعزّز هذا التجانس.
3- الضوء الليزري مركز، نلاحظ أن الليزر ينتج ما يشبه نقطة ضوءٍ على الجدار المقابل للغرفة، وليزر الهليوم والنيون الأحمر ينتج بقعةً بقطر مترٍ واحد على مسافة كيلومتر واحد، بينما ينتج شعاع المصباح اليدوي التقليدي بقعةً مماثلةً بقطر مترٍ واحد على بعد أمتار قليلة. ومع ذلك، لا تنتج جميع أجهزة الليزر أشعة ضيقة، بل تستخدم طرقاً لتركيزها.
4- يعتمد الطول الموجي الناتج على مادة الليزر (وسيط الكسب)، وعملية الانبعاث المُحفّز. [1]
المراجع البحثية
1- Laser | Definition, Acronym, Principle, Applications, & Types. (2023, October 19). Encyclopedia Britannica. Retrieved October 25, 2023
