07-22-2009, 12:17 PM
|
| |
 الليزر laser
LASER ويعني:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. أي تكبير الضوء بواسطة الانبعاث الاستحثاثي للإشعاع الكهرومغناطيسي. وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت اينشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث الاستحثاثي stimulated emission وتم تصميم أول جهاز ليزر في 1960 بواسطة العالم T.H. Maiman باستخدام بلورة الياقوت ويعرف بليزر الياقوت Ruby laser. الليزر عبارة عن حزمة ضوئية رفيعة جدًا وقوية. وبعض الأحزمة رفيعة لدرجة أنها قادرة على ثقب مائتي حفرة فوق نقطة في حجم رأس الدبوس. وبسبب إمكانية تبئير (تركيز) أشعة الليزر إلى هذا الحد من الدقة فإن هذه الأشعة تكون قوية جدًا. فبعض الأحزمة، على سبيل المثال، تستطيع اختراق الماس، وهو أصلب مادة في الطبيعة، وبعضها تستطيع إحداث تفاعل نووي صغير. ويمكن أيضًا نقل حزمة الليزر إلى مسافات بعيدة دون أن تفقد قوتها، حيث وصلت بعض الأحزمة إلى القمر.
ويستخدم ضوء الليزر في تطبيقات متنوعة نظرًا لما يتميز بها من خواص. فبعض أنواع الليزرات، على سبيل المثال، تستخدم في الموسيقى وقراءة شفرات الأسعار وقطْع الفلزات ولحمها ونقل المعلومات. وبالإضافة إلى ذلك، توجه الليزرات الصواريخ إلى أهدافها، وتعالج العيون، وتنتج عروضًا ضوئية مثيرة، كما تستخدم في رص جدران وأسقف المباني وفي طباعة الوثائق. وتستطيع بعض الليزرات تتبع أقل حركة تحدث للقارات.
وتتفاوت الليزرات في الحجم، حيث يبلغ طول نوع من الليزر طول ميدان كرة القدم، بينما لا يزيد حجم نوع آخر عن حجم حبة الملح.
في جراحة العيون يستخدم الجراحون حزمة مضبوطة التركيز من ليزر غازي لإصلاح الأنسجة التالفة.
ولليزر العادي ثلاثة أجزاء رئيسية، هي 1- مصدر الطاقة 2- مادة تسمى الوسط الفعال 3- تركيب يغلف الوسط الفعال يسمى الفجوة البصرية. ويؤدي مصدر الطاقة وظيفة توفير التيار الكهربائي أو الضوء أو أي شكل آخر من أشكال الطاقة. وتمتص ذرات الوسط الفعال الطاقة، وتخزنها لفترة، ثم تطلقها في شكل ضوء. ويحفز بعض هذا الضوء ذرات أخرى لإطلاق طاقتها، ويعوَّض هذا الضوء بإضافة مزيد من الضوء إلى الضوء الحافز، حيث تعكس مرآتان مثبتتان على طرفي الفجوة البصرية الضوء مرة أخرى إلى الوسط الفعّال، ويسبب الضوء المنعكس انطلاق الضوء من مزيد من الذرات وبذلك يقوى الضوء، ويبرز جزء منه من الليزر في شكل حزمة رفيعة. وبعض الأحزمة ترى بالعين المجردة، بينما تتكون أحزمة أخرى من أشكال غير مرئية من الإشعاع.
وهناك أربعة أنواع أساسية من الليزرات، هي ليزرات حالة الصلابة وليزرات أشباه الموصلات والليزرات الغازية والليزرات الصبغية.
بنى الفيزيائي الأمريكي ثيودور مايمان أول ليزر في عام 1960م. وكانت استخدامات الليزر في البداية محدودة، حيث كان العلماء ينظرون إلى الليزر باعتباره "حلاً ينتظر مشكلة". ولكن الليزر اليوم يعد أحد أهم أدوات الحياةالحديثة وأكثرها استعمالاً. كيف تستخدم الليزرات
تستطيع الليزرات أداء العديد من المهام غير العادية. وهي ذات خواص تجعلها مفيدة بصفة خاصة في تسجيل أنواع متعددة من المعلومات، وتخزينها ونقلها. وهي أيضًا مفيدة في أنشطة مثل المسح والتسخين والقياس والتوجيه. ونظرًا لاستخداماتها المتعددة يوجد الليزر في العديد من المعدات المستخدمة في المنازل والمصانع والمكاتب والمستشفيات والمكتبات.
أداة قياس ليزرية تكشف المرتفعات والفجوات الموجودة في حقل مزارع، وترسل المعلومات التي تحصل عليها إلى آلة تسمى مسوية الأرض. وبعد ذلك تسوي هذه الآلة الحقل لضمان ري متوازن بعد زراعة المحاصيل.
تسجيل المعلومات وتخزينها ونقلها. من أكثر استخدامات الليزر شيوعًا استخدامه في تسجيل الموسيقى والأفلام والبيانات الحاسوبية وغيرها من المواد في أقراص خاصة، حيث تسجل دفعات من ضوء الليزر هذه المواد على الأقراص في أنماط من حفر صغيرة. وتسمى الأقراص التي تسجل عليها الموسيقى والبيانات الحاسوبية الأقراص المدمجة.
وتسمح إمكانية التبئير المحكم لحزمة الليزر بتخزين كمية من المعلومات على القرص المدمج أكبر بكثير من تلك التي يمكن تخزينها على شريط الحاكي، مما يجعل القرص المدمج مفيدًا في تخزين البيانات والموسيقى. فبعض الأقراص المدمجة يمكنها احتواء موسوعات كاملة. ويسمى القرص المستخدم في تخزين البيانات اختصارًا سي دي روم، وهو اختصار لعبارة إنجليزية تعني: القرص المدمج - ذاكرة القراءة فقط-. وتختزن مثل هذه الأقراص قواعد البيانات (ملفات ضخمة من المعلومات مختزنة في الحواسيب)، وتستخدم عادة في الأعمال التجارية والمكتبات والدوائر الحكومية.
وبإمكان الليزر أيضًا قراءة المعلومات المسجلة في الأقراص واستعادتها. ففي حاكي القرص المدمج تعكس حزمة ليزر نمط الحُفَر أثناء دوران القرص المدمج. وتغير نبائط أخرى في الحاكي الانعكاسات إلى إشارات كهربائية، وتعيد تشفيرها في شكل موسيقى. وتستخدم ليزرات كثيرة في حاكيات القرص المدمج مقارنة بالمنتجات الأخرى.
وتستخدم الليزرات في تسجيل الأفلام على أسطوانات كبيرة تسمى أقراص الفيديو. وبالإضافة إلى ذلك تستطيع أحزمة الليزر إنتاج صور ثلاثية الأبعاد في عملية تصوير ضوئي تسمى التصوير التجسيمي. وتسمى الصور المسجلة على لوحة التصوير الضوئي الصور المجسمة، وتظهر في عروض الإعلانات والأعمال الفنية والمجوهرات، وتثبت بعضها على البطاقات الإئتمانية لمنع التزوير.
ومن أهم استخدامات الليزر استخدامه في مجال الاتصالات الليفية البصرية، حيث تغير هذه التقنية الإشارات الكهربائية للمكالمات الهاتفية والصور التلفازية إلى نبضات من ضوء الليزر. وتوصل جدائل زجاجية تسمى الألياف البصرية الضوء. ويبلغ سمك الليف البصري سمك شعرة الإنسان تقريبًا، ولكن الليف البصري الواحد يستطيع حمل كمية من المعلومات تساوي كمية المعلومات التي تستطيع حملها عدة آلاف من الأسلاك الهاتفية النحاسية. وضوء الليزر مناسب في هذه التقنية، لأنه قابل للتبئير بدقة متناهية، ولأن كل طاقته يمكن نقلها إلى الألياف. ويسمح الإرسال الليفي البصري لضوء الليزر بربط أعداد هائلة من الهواتف والتلفازات وغيرها من البيانات بتكلفة منخفضة نسبيًا.
المسح ينطوي المسح على حركة حزمة ليزر على سطح ما. وتستخدم أحزمة المسح عادة في قراءة المعلومات. فقد اعتاد الناس، على سبيل المثال، على الماسحات الليزرية المستخدمة عند نقاط الدفع في الأسواق المركزية، حيث يرى الشخص ما يشبه الخط الضوئي، والذي هو في الواقع حزمة ليزر متحركة بسرعة لمسح ما يسمى الكود القضيبي، الذي يتكون من نمط من الخطوط والفراغات، في مجموعات ممثلة لكل منتج. ويقرأ الماسح النمط ويرسل المعلومات إلى حاسوب في السوق، والذي يتعرف على سعر المنتج، ويرسل المعلومات إلى موظف الدفع.
وتستخدم أنواع أخرى عديدة من المحلات التجارية ماسحات الكود القضيبي. وبالإضافة إلى ذلك، تحتفظ هذه الماسحات بسجل للكتب الخاصة بمكتبة ما، وتفرز الخطابات في مكاتب البريد، وتقرأ أرقام الحسابات على الشيكات في البنوك. وتستخدم الطابعات الليزرية حزمة ليزر ماسحة لإنتاج نسخ من الوثائق. وتصنع ماسحات أخرى ألواح الطباعة الخاصة بالصحف.
ولأغراض الترويح تنتج عروض الأضواء الليزرية بأحزمة ليزر ماسحة، حيث "ترسم" هذه الأحزمة أنماطًا رائعة من الألوان، تتراوح بين الأحمر والأصفر والأخضر والأزرق، على المباني والسطوح الخارجية. وتتحرك هذه الأحزمة بسرعة هائلة منتجة ما يشبه الصور الثابتة. وتنتج الماسحات الليزرية أيضًا أنماطًا من الألوان المبهرة في موسيقى الروك.
التسخين تنتج طاقة حزمة الليزر ذات التبئير الدقيق كمية كبيرة من الحرارة. فالليزرات الصناعية، على سبيل المثال، تنتج أحزمة ذات قدرة تبلغ عدة آلاف واط، ويمكنها قطع الفلزات ولحمها، وثقب الحفر، وتقوية المواد بتسخينها. وبإمكان الليزرات الصناعية قطع السيراميك والقماش والبلاستيك.
وفي الطب تستخدم القوة التسخينية لليزرات في جراحة العيون. ففي إمكان أحزمة الليزر الدقيقة التبئير رتق الأوعية الدموية المتهتكة في الشبكية، وهي نسيج يقع في الجزء الخلفي من مقلة العين. وتستطيع الليزرات أيضًا إعادة تثبيت الشبكية المتخلخلة. فأحزمة الليزر تمر عبر القرنية (السطح الأمامي للعين)، دون أن تسبب ألمًا أو إصابة، لأن القرنية شفافة ولا تمتص الضوء.
ويستخدم الأطباء الليزرات أيضًا في علاج الاضطرابات الجلدية وإزالة علامات الولادة وتفتيت حصوات المرارة. وتحل أحزمة الليزر محل المشرط الجراحي في بعض العمليات، حيث يتيح الليزر دقة عالية في قطع الأنسجة ووصل الأنسجة المقطوعة، مما يقلل النزيف أو التدمير الذي يمكن أن يصيب الأنسجة المجاورة.
وفي أبحاث الطاقة النووية يستخدم العلماء الليزرات لإحداث انفجارات قنابل هيدروجينية صغيرة ومضبوطة. يركز العلماء عددًا من أحزمة الليزر القوية على كرية مكونة من أشكال مجمدة من الهيدروجين. وتضغط الأحزمة المكثفة على الكرية وتسخنها إلى ملايين الدرجات، مما يؤدي إلى اندماج (اتحاد) ذرات الكرية، وانطلاق طاقة. وقد تستخدم هذه العملية المسماة الاندماج النووي في إنتاج طاقة تكفي لحل مشكلة الطاقة في العالم. واليوم تنتج الليزرات الطاقة الهائلة المطلوبة لإحداث الاندماج النووي، ولكنها لم تنتج بعد كميات الطاقة التي يمكن الاستفادة منها فعلاً.
المسافة إلى القمر يمكن قياسها بدقة باستخدام حزمة ليزر ترسل من الأرض، حيث لايزيد هامش الخطأ عن 5سم. ترتد الحزمة عن عاكس ليزري موضوع على القمر، وتعود إلى الأرض.
القياس. تستخدم الليزرات أيضًا في قياس المسافات، حيث يمكن تحديد بُعد أي جسم بقياس الزمن الذي تستغرقه نبضة من ضوء الليزر للوصول إلى الجسم والانعكاس عنه عائدة إلى مصدرها.
وفي عامي 1969  971م، وضع الرواد الأمريكيون نبائط مزودة بمرايا، تسمى العاكسات الليزرية، على سطح القمر. وباستخدام ليزر مدفوع بقدرة عالية، قاس العلماء المسافة بين الأرض والقمر أكثر من 383,000كم بهامش خطأ قدره 5 سنتميترات. وقد أجروا القياس بتسليط ضوء الليزر من تلسكوب على الأرض إلى العاكسات على القمر.
وبإمكان أحزمة الليزر الموجهة عبر مسافات بعيدة الكشف عن الحركات الأرضية الصغيرة، حيث يساعد ذلك الجيولوجيين المعنيين بنظم الإنذار الزلزالية.
وتسمى النبائط الليزرية المستخدمة في قياس المسافات القصيرة معيِّنات المدى. ويستخدم المساحون هذه النبائط للحصول على المعلومات المطلوبة لتصميم الخرائط، كما يستخدمها العسكريون لحساب المسافات المؤدية إلى الأهداف العسكرية.
التوجيه الليزر أداة توجيه قيمة لقوة أحزمته واستقامتها. فعلى سبيل المثال، يستخدم العاملون في مجال المباني أحزمة الليزر باعتبارها خيوطًا عديمة الوزن لرص جدران وأسقف المباني ومد أنابيب المياه والمجاري.
وتستخدم أجهزة تسمى الجيروسكوبات الليزرية أحزمة الليزر لتقصي التغيرات التي تطرأ على الاتجاهات. وتساعد هذه النبائط السفن والطائرات والقذائف الموجهة على البقاء في مساراتها. ومن الاستخدامات العسكرية الأخرى لليزرات استخدامها في نبيطة توجيه تسمى معيِّنة الأهداف. وفي هذا الاستخدام تُوجَّه حزمة ليزرية من النبيطة إلى الهدف. وتتبع الصواريخ وقذائف المدفعية والمتفجرات المزودة بكاشفات الأحزمة الليزرية الحزمة المنعكسة، وتضبط اتجاهاتها لضرب النقطة التي تشير إليها الحزمة. كيف يعمل الليزر
أجزاء الليزر
يتكون الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية، هي الوسط الفعّال ومصدر الطاقة والفجوة البصرية.
والوسط الفعّال مادة يمكن تنشيطها لتولد ضوءًا ليزريًا، وقد تكون غازًا أو سائلاً أو مادة صلبة.
ويمكن استخدام أي نبيطة مولدة للطاقة مصدرًا للطاقة، حيث تمد النبيطة الوسط الفعال بالطاقة بعملية تسمى الضخ. وتستخدم الليزرات عادة الكهرباء أو أي ليزر آخر أو المصباح الومضي، مضخة للطاقة. وينتج المصباح الومضي وميضًا ضوئيًا لامعًا يشبه الوميض الذي تنتجه آلة التصوير.
والفجوة البصرية، التي تسمى أيضًا المرنان، تركيب يغلف الوسط الفعال، ويشتمل على مرآتين، مرآة بكل طرف، حيث تعكس إحدى المرآتين الضوء كليًا، بينما تعكسه المرآة الأخرى جزئيًا. وتخرج حزمة الليزر من الليزر عبر المرآة العاكسة جزئيًا.
طبيعة الليزرات ينتج ضوء الليزر عن التغيرات في كمية الطاقة التي تختزنها ذرات الوسط الفعال. فذرات المادة تكون عادة في حالة ذات أدنى طاقة تسمى الحالة الأرضية، وقد تكون في حالات طاقة أعلى تسمى حالات الإثارة.
وتتحول الذرات من الحالة الأرضية إلى حالة إثارة بامتصاص أشكال متنوعة من الطاقة، وتسمى هذه العملية الامتصاص. وفي العديد من الليزرات تمتص الذرات كتلاً من الطاقة الضوئية تسمى الفوتونات. وفي معظم الحالات تستطيع الذرة المثارة الإمساك بالطاقة الزائدة لجزء من الثانية فقط، قبل أن تطلق طاقتها في شكل فوتون آخر وتعود مرة أخرى إلى حالتها الأرضية، وتسمى هذه العملية الابتعاث التلقائي.
ولبعض الذرات حالات إثارة تستطيع فيها الذرة اختزان الطاقة لفترة طويلة نسبيًا، تمتد لحوالي 0,001 من الثانية، وهي فترة أطول بكثير من فترات حالات الإثارة الأخرى. وعندما يسطع فوتون ذو طاقة مساوية بالضبط لطاقة حالة الإثارة الطويلة الأمد، يحفز الفوتون الذرة لابتعاث (إطلاق) فوتون مطابق. ولهذا الفوتون الثاني طاقة مساوية في كميتها لطاقة الفوتون الأصلي، ويتحرك في نفس الاتجاه. وتسمى هذه العملية الابتعاث المحفَّز.
تنتج الليزرات ضوءًا مترابطًا. تنتقل موجات الضوء المترابط - على نقيض موجات الضوء غير المترابط مؤتلفة بعضها مع بعض. ونتيجة لذلك تتباعد هذه الموجات تباعدًا طفيفًا - حتى عندما يقطع الضوء مسافات بعيدة.
إنتاج ضوء الليزر. الابتعاث المحفز هو العملية المركزية في الليزر. وفي هذه العملية ينتج فوتون أي الفوتون الحافز فوتونًا آخر، وبذلك يضاعف كمية الطاقة الضوئية الموجودة بعملية تسمى التضخيم. وقد صُكَّت كلمة ليزر بجمع الحروف الأولى للكلمات المكونة للعبارة الإنجليزية التي تصف العملية الأساسية في توليد ضوء الليزر. وتعني العبارة تضخيم الضوء بالابتعاث المحفز للإشعاع.
ولا يحدث الابتعاث المحفز إلا في حالة وجود ذرات في حالة إثارة. ولكن عدد الذرات التي تكون في الحالة الأرضية يفوق عادة عدد الذرات التي تكون في حالة إثارة. ولكي يحدث التضخيم لابد أن يكون عدد الذرات التي تكون في حالة إثارة أكبر من عدد الذرات التي تكون في الحالة الأرضية. وتسمى هذه الحالة الانقلاب السكاني. وفي الليزر يساعد مصدر الطاقة في توليد انقلاب سكاني بضخ طاقة إلى الوسط الفعال، حيث تضع هذه الطاقة الذرات في حالات إثارة طويلة الأمد، وتتسبب في حدوث الابتعاث المحفز. وتعكس مرآتا الفجوة البصرية الفوتونات إلى الخلف وإلى الأمام.
وينتج التداخل بين أي فوتون وذرة مثارة تفاعلاً سلسليًا من الابتعاثات المحفزة. ويتسبب هذا التفاعل السلسلي في ازدياد عدد الابتعاثات المحفزة بسرعة منتجة فيضًا ضوئيًا. ويخرج جزء من هذا الضوء المكثف عبر المرآة العاكسة جزئيًا في شكل حزمة قوية.
|