الليزر

 

دخلت أشعة الل��يزر في العدي�د من المنتج�ات التكنولوجي��ة فتج�دها عنص�ر اساس�ي في أجه��زة تش��غيل األقراص المدمجة أو في أالت طبيب األسنان أو في معدات قط��ع ولح��ام الحدي��د أو في أدوات القي��اس

كل تلك األجهزة تستخدم الليزر ولكن ما هو الليزر وما الذي يجع��ل الل��يزر مم��يز وغيرها من المجاالت. في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كل ما يتعلق بالليزر بشكل مبس��ط عن غيره من المصادر الضوئية.

وواضح.

 

مختبر أبحاث يستخدم شعاع الليزر.

: من األحرف األولي لفكرة عمل الليزر والمتمثلة في الجملة التاليةLASERجاءت تسمية كلمة ليزر

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Lightالضوء وتعني تكبير Amplification بواس��طة االنبع��اث االس��تحثاثيStimulated Emission حيث1917الع�الم ال�برت اينش�تاين في وقد تنبأ بوجود الليزر .Radiationلإلشعاع الكهرومغناطيسي

وتم تصميم أول جهاز ليزر stimulated emission وضع األساس النظري لعملية االنبعاث االستحثاثي.T.H بواسطة العالم ميمان 1960في Maiman بل��يزر الي��اقوت باستخدام بل��ورة الي��اقوت ويع��رف

Ruby laser.

 

اساسيات فيزيائية حول الذرة

ذرة تل�ك، ولكن100 نوع مختلف من الذرات وكل شيء حولن�ا ه�و مك�ون من ال� 100يوجد في الكون كيف تتحد وتترابط الذرات مع بعضها البعض لتكون المواد مثل الماء المكون من ذرتين هي��دروجين وذرة

إن ال��ذرات في حرك�ة مس�تمرة حيث تتذب�ذب اكسجين أو كيف تكونت قطع�ة من الحدي�د أو النح�اس.�. فل��و الذرات حول موضع استقرارها في المادة كما أن الذرات لها حركة دائري��ة أو حرك��ة انتقالي��ة أيض��ا� وبالرغم من أنها ثابتة في مكانها إلى أنها ذراتها ال��تي ك��ونت الخش��ب في نظرت إلى طاولة خشبية مثًال

حركة مستمرة.

نتيجة لحركة الذرات التي تكتسبها من الطاقة الحرارية فإنه��ا تتواج��د في ح��االت مختلف��ة من األث��ارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة م��ا بكمي��ة من الطاق��ة ف��إن ال��ذرة تنتق��ل من

groundالمستوى األرضي stateالذي تتواجد فيه إلى مس��توى طاق��ة أعلى يس��مى بمس��توى اإلث��ارة excited state. يعتمد مستوى اإلثارة على كمية الطاقة ال��تي ذودت به��ا ال��ذرة ومص��در الطاق��ة إم��ا

حرارة أو ضوء أو كهرباء.

في الشكل التالي نموذج توضيحي لمكونات الذرة

نموذج بسيط لتمثيل شكل الذرة يتكون من النواة وااللكترونات التي تدور في مدارات حول النواة.

تحتوي الذرة على النواة )المكونة من البروتونات والنيوترونات( واإللكترونات التي تدور حول الن��واة فيمدارات مختلفة كل مدار هو عبارة عن مستوى طاقة.

 

Absorbing Energyامتصاص الطاقة

إذا ذودت الذرة بطاقة حرارية ألو طاقة من مصدر ضوئي أو كهربائي ف��إن بعض اإللكترون��ات في ال��ذرةسوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة األدنى إلى مدار طاقته أعلى وابعد من النواة.

 

امتصاص الطاقة

تمتص ذرة الطاقة من الحرارة أو الضوء أو الكهرباء. تنتقل اإللكترونات من مستوىالطاقة األقل إلى مستوى طاقة أعلى.

 

هذه افكرة السابقة هي مبس��طة عن امتص�اص الطاق�ة في ال��ذرة ولكن تعت��بر األس�اس في دور ال��ذرةالنتاج الليزر.

عن��دما ينتق��ل اإللك��ترون إلى الم��دار ذو مس��توى الطاق��ة األعلى فإن��ه م��ا يلبث إال أن يع��ود وينتق��ل إلىالمستوى الطاقة األدنى، وعندها فإن اإللكترون يحرر طاقة في صورة فوتون )ضوء(.

تصدر اإللكترونات الفوتونات عند اثارتها وعلى س��بيل المث��ال عن��د تس��خين مع��دن مث��ل س��لك الس��خان الكهربي فإنه يتحول لونه من اللون المعتم إلى الل��ون المت��وهج وه�ذا الت��وهج ن�اتج من الفوتون�ات ال��تي

كذلك لو فكرنا في فكرة عمل شاشة التلفزي��ون انطلقت بعد اثارة ذرات مادة سلك السخان الكهربي. فهي تعطي الص�ورة من خًالل الفوتون�ات ال�تي تنتجه�ا م�ادة الشاش�ة )الفوس�فور( عن�د اثارته�ا بش�عاع

إلكتروني.

إذا نستنتج أن الضوء ينتج من الفوتونات المنبعثة من إثارة إلكترونات الذرة وتعتم�د ل�ون الفوت�ون )ل�ونالضوء( على طاقة الفوتون.

 

عالقة الذرة بالليزر

جه�از يق�وم ب�التحكم في كيفي�ة تحري�رلتعريف مبسط لليزر نق�ول معتم�دين على الش�رح الس�ابق أن�ه الذرات للفوتونات.

light amplification by stimulated emission ofوكما ذكرنا فإن كلمة ليزر هي اختصار للجملة radiation إن الل��يزر م�اهو إال ض�وء والتي معناها يشرح بالتفصيل فكرة عمل الليزر والذي يعتم�د على

وهذا ما قصدنا به التحكم بكيفية تحري��ر ال��ذرةمكبر بواسطة عملية تسمى اإلنبعاث اإلستحثاثي لإلشعاعللفوتون.

 

� يشتركون في نفس الخصائص. ففي الل��يزر يوج��د بالرغم من وجود عدة أنواع من الليزر إال انهم جميعا لإللكترون��ات من المس��توى األرض��يpumpingالمادة التي تنتج الليزر يتم اثارتها بواسطة عملي��ة ض��خ

يستخدم للضخ اإللكتروني ضوء فًالش قوي أو بواس��طة التفري��غ الكه��ربي ويس��اعد إلى مستوى اإلثارة. هذا الضخ على تزويد أكبر قدر ممكن من اإللكترونات لتنتقل إلى مستويات الطاقة األعلى فتص��بح م��ادة

ومن الج�دير بال�ذكر أن أن�ه من الليزر مكونة من ذرات ذات إلكترونات مثارة ونسميها بال�ذرة المث�ارة.� إثارة عدد كب��ير من ال��ذرات للحص��ول على ل��يزر وتس��مى ه��ذه العملي��ة ب��إنقًالب التع��داد الضروري جدا

population inversionأي جعل عدد الذرات المث��ارة في م��ادة الل��يزر أك��بر من ع��دد ال��ذرات الغ��ير مثارة.

� وإذا لم نص��ل إلى مرحل��ة انقًالب التع��داد قلب التعداد هو الذي يجعل الض��وء ال��ذي تنتج��ه الم��ادة ل��يزرانحصل على ضوء عادي.

وكما امتصت اإللكترونات طاقة كبيرة من خًالل عملية الضخ فإن اإللكترونات ه��ذه تطل��ق الطاق��ة ال��تيامتصتها في صورة فوتونات أي ضوء.

الفوتونات المنبعثة لها طول موجي محدد )ضوء بلون محدد( يعتم��د على ف��رق مس��تويات الطاق��ة ال��تي وإذا كان اإلنتقال لكافة اإللكترونات بين مس��تويين طاق��ة مح��ددين كم��ا انتقل بينها اإللكترونات المثارة.

هز موضح غب الشكل أدناه فإن كل القوتونات المنبعثة سيكون لها نفس الطول الموجي.

 

اإللكترون باللون األحمر مثار ينتقل إلى مستوى طاقة أدنى )اإللكترون باللون األزرق(ويفقد طاقته في صورة فوتون

ضوء الليزر

ضوء الليزر يختلف عن الضوء العادي حيث يكون له الخصائص التالية:

يحدد الطول الم��وجي  أي أن له طول موجي واحد.monochromatic الضوء المنبعث أحادي اللون لون الضوء الناتج وكذلك طاقته.

أي ان الفوتونات كلها في نفس الطور مما يجع��لcoherentالضوء المنبعث من الليزر يكون متزامن شدة الضوء كبيرة فًال تًالشي الفوتونات الضوئية بعضها البعض نتيجة الختًالف الطور بينها.

حيث يكون شعاع الليزر عبارة عن حزم��ة من الفوتون��ات directionalالضوء المنبعث له اتجاه واحد في مسار مستقيم بينما الضوء العادي يكون مشتت وينتشر في أنحاء الفراغ.

stimulatedالمسؤول عن هذه الخص��ائص هي عملي��ة االنبع��اث اإلس��تحثاثي emissionبينم��ا في الضوء العادي يكون اإلنبعاث تلقائي حيث يخرج كل فوتون بصورة عشوائية ال عًالقة له بالفوتون اآلخر.

عملية اإلنبعاث اإلستحثاثي            عملبة اإلنبعاث التلقائي

 

تس�اعد المراي�ا على العامل المهم في انتاج الليزر ه�و المراي�ا المثبت�ة على ج�انبي م�ادة انت�اج الل�يزر. عكس بعض الفوتون��ات إلى داخ��ل م��ادة الل��يزر ع��دة م��رات لتعم��ل ه��ذه الفوتون��ات على اس��تحثاث الكترونات مثارة أخرى لتطل��ق مزي��دا من الفوتون��ات بنفس الط��ول الم��وجي ونفس الط��ور، وه��ذه هي

lightعملية التكبير للضوء amplification. تصمم إح��دى ه��تين الم��رأتين لتك��ون عاكس��يتها اق��ل من % لتسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع الليزر الذي نحصل عليه.100

 

. ruby laserفي الشرح التالي سنرى مكونات الليزر من خالل شرح عمل ليزر الياقوت

 

Ruby Laserليزر الياقوت

مكونات ليزر الياقوت عبارة عن مصدر ض�وء فًالش وس�اق من الي�اقوت وم�رأتين مثبت�تين على ط�رفي� عن عملي��ة الض��خ %.90الساق احدى هاتين المرأتين لها مقدار انعكاس يعتبر المصدر الضوئي مسؤوال

وساق الياقوت هو مادة انتاج الليزر.

 

( مكونات ليزر الياقوت1)

 

( فرق جهد عالي يعمل على تزويد الفالش بالطاقة الكافية2) هذا الضوء لتوليد ضوء ذو شدة عالية ولفترة زمنية قصيرة.

يعمل على اثارة الذرات في بلورة الياقوت إلى مستوياتالطاقة األعلى.

 

( تطلق بعض الذرات فوتونات3)

 

تنطلق الفوتونات بموازاة محور ساق الياقوت لتصطدم بالمرآة وتنعكس إلى داخل الياقوت عدة مرات لتستحث

إلكترونات أخرى لتطلق فوتونات.

 

( فوتونات بطول موجي واحد وفي تفس الطور ومتجمعة5)في حزمة تعبر من المرآة لتعطي ضوء اليزر.

 

نظام ليزر ثالثي المستويات

الشكل التالي يوضح تفاصيل عملية انتاج الليزر من خًالل نظام ذو ثًالث مستويات للطاقة

 

تسلسل مراحل انتاج شعاع ليزر

 

أنواع الليزر

يأتي الليزر بأنواع مختلفة حسب االستخدامات وتنوع الل��يزر ي��أتي من تن��وع الم��ادة المس��تخدمة إلنتاج��ه� للتم�يز بين فهناك من المواد الصلبة والس��ائلة والغازي�ة، ويعت��بر ن�وع الم�ادة األس�اس االك�ثر اس�تخداما

� ل��يزر الهيلي�وم ني�ون  األنواع المختلفة. He-Ne ويسمى الل�يزر من خًالل ن�وع الم�ادة المس�تخدمة فمثًال يعني ان المادة المستخدمة هي خليط من الهيليوم والنيون وليزر الياقوت يعني ان المادة المنتجة لل��يزر

ولنأخذ بعض األمثلة ألنواع مختلفة لليزر: هي الياقوت وهكذا لباقي األنواع األخرى.

هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبةsolid-state laserليزر الحالة الصلبة neodymium:yttrium-aluminum أو خلي��ط االلوم��نيوم والي��تريم والنيودي��نيم rubyمث��ل الي��اقوت

� ويكون طوله الموجي في منطقة األشعة تحت الحمراء.TAGويسمى بليزر ال� اختصارا

Gasليزر الغاز laser وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكس��يد الكرب��ون وتكون اطواله�ا الموجي�ة في م�دى االش�عة تحت الحم�راء وتس�تخدم في قط�ع الم�واد الص�لبة لطاقته�ا

العالية.

Excimerليزر اإلكسيمر laser وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدم الغازات الخاملة مثل غ��از الكلور أو الفلور أو الكربتون أو األرجون وتنتج ه��ذه الغ��ازات اش��عة ل��يزر ذات أط��وال موجي��ة في م��دى

األشعة فوق البنفسجية.

Dyeليزر األصباغ laser   وهي عبارة عن مواد عضوية معق��دة مث��ل ال��رودامينrhodamine 6G مذابة في محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه.

� بل��يزر ال��ديود ويعتم��د على  Semiconductor laserليزر أشباه الموصالت ويطلق عليه احيان��ا المواد شبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في األجهزة الدقيق��ة

مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر.

 

، ويتم أختي��ار م��ادة الل��يزر694nmيتميز الليزر بطوله الموجي فمثًال الطول الموجي لليزر الياقوت ه��و � يس�تخدم ل�يزر غ�از ث�اني بناء على الطول الموجي المطلوب كم�ا في الج�دول التوض�يحي أدن�اه، فمثًال

أكسيد الكربون في قطع المعادن الصلبة ألن طوله الموجي في مدى األشعة تحت الحم��راء وهي أش��عةحرارية إذا سقطت بتركيز على سطح معدن تذيبه.

 

(nm )الطول الموجي لليزرنوع الليزر

Argon fluoride )UV(193

Krypton fluoride )UV(248

Xenon chloride )UV(308

Nitrogen )UV(337

Argon )blue(488

Argon )green(514

Helium neon )green(543

Helium neon )red(633

Rhodamine 6G dye )tunable(

570-650

Ruby )CrAlO3( )red(694

Nd:Yag )NIR(1064

Carbon dioxide )FIR(10600

 

تصنيفات الليزر

فعند التعامل مع يصنف الليزر بأربعة تصنيفات تعتمد على خطورتها على الخاليا الحية.الليزر يجب اإلنتباه إلى اإلشارة التي توضح تصنيفه.

إشارة تحذير بوجود ليزر

هذا يعني أن شعاع الليزر ذو طاقة منخفضة وال يشكل درجة من الخطورة. Class Iالتصنيف األول

هذا التصنيف يشير إلى أن الليزر يضر العين إذا نظرنا في اتجاه الشعاع Class IAالتصنيف األول .4mWويستخدم في السوبرماركت كماسح ضوئي وتبلغ طاقة الليزر الذي يندرج تحت هذا التصنيف

.1mWهذا يشير إلى ليزر ضوئه مرئي وطاقته ال تتعدى Class IIالتصنيف الثاني

Classالتصنيف الثالث IIIA 5-1طاقة الليزر متوسطة وتبل�غmWوخطورت�ه على العين إذا دخ�ل الشعاع المباشر في العين. ومعظم األقًالم المؤشرة تقع في هذا التصنيف.

طاقة هذا الليزر أكثر من المتوسط.Class IIIBالتصنيف الثالث

Classالتصنيف الراب�ع IV 500 وهي ان��واع الل��يزر ذات الطاق��ة العالي��ة وتص��ل إلىmWللش��عاع ويش��كل هط��ورة على العين وعلى الجل��دJ/cm2 10المتص��ل بينم��ا لل��يزر النبض��ات فتق��در طاقت��ه ب�

واستخدام هذا الليزر يتطلب العديد من التجهيزات وإجراءات الوقاية