تُعد أشعة الليزر Laser التي هي إختصار لكلمة تضخيم الضوء بواسطة الإنبعاث المحفز للإشعاع Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation إحدى أكثر التقنيات تأثيراً و تنوعاً في حياتنا اليومية الحديثة و رغم بدايته كتقنية نظرية منذ أكثر من قرن إلا أنه و نتيجة التطور التكنولوجي الذي شهده العالم مؤخرا بدأت مفاهيمه المكتوبة علي الأوراق في التحول إلي واقع فعلي من خلال تطبيقاته التي ظهرت بالعقود القليلة الماضية في مختلف المجالات الطبية و الصناعية و العلمية و العسكرية و مع تطويره المستمر من المتوقع في المستقبل القريب أن تتوسع تطبيقاته لتشمل مجالات أخري .
تاريخ أشعة الليزر
بدأت فكرة أشعة الليزر علي يد العالم ” ألبرت أينشتاين ” عام 1917 حين قدم مفهوم الإنبعاث المحفّز الذي أصبح أساساً للعمل علي تضخيم الضوء حيث إقترح أن الذرات يمكن أن تصدر فوتونات ضوئية حال تم تحفيزها بطريقة معينة و هو ما يؤدي إلي إنبعاث شعاع ضوئي موحد الإتجاه و ظلت تلك الفكرة نظرية لأكثر من ثلاثة عقود حتى بدأت بعض من التجارب الفعلية في الظهور .
و بحلول أوائل الخمسينيات قام الفيزيائي ” تشارلز تاونز ” مع زملائه بإبتكار جهاز يُسمى “مايزر” MASER و هو اختصار لكلمة Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation و هو أداة تنتج موجات دقيقة بإستخدام نفس فكرة تضخيم الموجات التي ذكرها ” أينشتين ” لكنه لم يُستخدم تلك الفترة في إنتاج شعاع مرئي و في عام 1960 أحدث العالم الأمريكي ” ثيودور مايمان ” نقلة نوعية في أبحاث أشعة الليزر بعد أن تمكن من تطوير أول جهاز ليزري ضوئي بإستخدام بلورة من الياقوت التي أطلقت شعاعًا ضوئيًا شديد التركيز ذات لون أحمر و هو إختراع جذب إهتمام الباحثين و الصناعيين حول العالم و بدأ السباق لتطوير ليزرات جديدة بأطوال موجية و خصائص مختلفة و خلال العقدين التاليين توسعت أبحاثه لتشمل أنواعاً مختلفة منه لتلبية الإحتياجات الخاصة بالتطبيقات الصناعية و العلمية و هو ما ساعد علي فتح آفاق جديدة في التكنولوجيا و التطبيقات اليومية.
آلية عمل أشعة الليزر
تعتمد أشعة الليزر علي مبدأ فيزيائي أساسي و هو الإنبعاث المحفّز و يتضمن ثلاث مراحل رئيسية :
1. الإثارة .. و فيها يتم إمداد الوسط النشط (و الذي يمكن أن يكون غازًا أو صلبًا أو سائلًا) بطاقة من مصدر خارجي و عادة تيار كهربائي أو ضوء آخر حيث تعمل هذه الطاقة علي رفع إلكترونات الذرات لمستويات طاقة أعلي .
2. الإنبعاث المحفّز .. عقب الإثارة و عندما تعود الذرات إلي حالتها المستقرة تطلق طاقة في شكل فوتونات تكون متزامنة مع بعضها البعض في التردد و الطور مما يجعل الضوء الناتج متماسكًا و موحدًا .
3. التضخيم و التوجيه .. و هي عملية تحدث من خلال وضع المادة النشطة بين مرايا عاكسة بحيث يرتد الضوء داخل الجهاز عدة مرات و هذا الترتيب يؤدي إلي تضخيم شعاع الضوء و تركيزه حتي يصل إلي مستوى يسمح له بالخروج في شكل حزمة ضوئية مركزة .
و لأشعة الليزر عدة خصائص تميزه عن مصادر الضوء الأخرى و هي التماسك لأنه ينتج ضوءاً ذات طول موجي واحد و تردد ثابت و التوازي لأنه يبقى مركزاً علي مسافة طويلة دون أن يتشتت و التركيز العالي لأنه يمكن تركيزه في نقطة صغيرة جداً و هو ما يجعله مناسباً للقطع و الحفر الدقيق .
أنواع أشعة الليزر
يوجد العديد من الأنواع المختلفة من أشعة الليزر التي تتنوع بناءً علي طبيعة المادة النشطة و طريقة الإثارة و من أهم هذه الأنواع :
1. ليزر الحالة الصلبة .. و فيه يستخدم بلورات صلبة مثل الياقوت أو الألياف الضوئية و يتميز بقدرته علي إنتاج شعاع قوي و يُستخدم في التطبيقات الطبية و الصناعية مثل قطع المعادن .
2. ليزر الغاز .. و يستخدم غازات مثل ثاني أكسيد الكربون أو الهيليوم و يعتبر النوع الأول قوي جداً و يُستخدم في تطبيقات مثل قطع و حفر المواد الصلبة بفعالية عالية .
3. ليزر الصبغة .. و فيه يُستخدم محلول صبغة كوسط نشط يتيح تغيير طوله الموجي و يتميز بمرونته في إختيار الأطوال الموجية المختلفة و يستخدم ذلك النوع في الأبحاث الكيميائية و الطبية .
4. ليزر الديود .. و يعتمد هذا النوع علي أشباه الموصلات و يستخدم بشكل واسع في الإلكترونيات الإستهلاكية مثل مشغلات الأقراص الليزرية و الأجهزة المنزلية الصغيرة و ذلك نظراً لإنخفاض تكلفته و فعاليته العالية .
5. ليزر الأشعة فوق البنفسجية و الأشعة تحت الحمراء .. و يتميز هذا النوع بتطبيقاته المتخصصة في مجال القياسات الدقيقة و التحليل الطيفي و الإتصالات .
تطبيقات أشعة الليزر
1. التطبيقات الطبية .. تلعب أشعة الليزر دوراً مهماً في الجراحة و التشخيص الطبي حيث تستخدم بشكل دقيق و بدون ألم في عمليات جراحة العيون لتصحيح النظر و إزالة الأورام الجلدية و الندبات و حب الشباب و الوشوم و أيضا في مجال طب الأسنان .
2. الصناعة .. تستخدم أشعة الليزر في قطع و حفر و تشكيل المواد بدقة عالية مما يُسهم في تقليل التكاليف و رفع الكفاءة و يعد ليزر ثاني أكسيد الكربون هو الأكثر إستخداماً في صناعة السيارات و الطيران من أجل إجراء عمليات قطع معقدة للمعادن و البلاستيك .
3. الإتصالات الضوئية .. الليزر هو عنصر أساسي في نظام نقل البيانات عبر الألياف الضوئية حيث يتم نقل المعلومات بسرعات فائقة و بكميات كبيرة حيث يتميز بقدرته علي حمل الإشارات لمسافات طويلة دون فقدان .
4. البحث العلمي .. تساهم أشعة الليزر في إجراء تجارب فيزياء الكم و التحليل الطيفي كما يستخدم في قياس المسافات بين الكواكب و قياس سرعة الضوء و يعد أيضاً أداة دقيقة في التجارب الكيميائية و تحديد تراكيب المواد .
5. التطبيقات العسكرية .. يُستخدم الليزر في أنظمة توجيه الصواريخ و أنظمة الدفاع الجوي لإعتراض الصواريخ و الطائرات بدون طيار كما يجري تطوير أسلحة ليزرية غير فتاكة تستخدم في تعطيل الأجهزة الإلكترونية .
6. التطبيقات الفضائية .. تستخدم وكالة ناسا الليزر لقياس المسافات بين كوكب الأرض و الكواكب الأخرى بدقة كبيرة كما يُستخدم أيضا في تطوير أنظمة الإتصال الفضائي و نقل البيانات عبر الفضاء .
فوائده و تطلعاته المستقبلية
مع التطور المستمر في أشعة الليزر يتوقع العلماء أن تحمل تقنيته حلولاً جديدة لمشاكل عدة و بأن يكون لديه القدرة علي دعم الإبتكارات المستقبلية حيث من المتوقع أن يسهم في :
- الحوسبة الكمومية: و ذلك من خلال تطوير حواسيب تعتمد علي الليزر لمعالجة البيانات بشكل فائق السرعة .
- أبحاث الطاقة: يتوقع في المستقبل القريب أن يجري العمل علي تكنولوجيا الإنصهار النووي بإستخدام الليزر للحصول على طاقة نظيفة و مستدامة.
- الملاحة الجوية: سيُستخدم الليزر لتحسين دقة الملاحة و تقنيات الإستشعار في الطائرات.
- الأمن البيولوجي : تجري تجارب حاليا علي تطوير أجهزة ليزر تستطيع تحليل الهواء و قياس الملوثات في الوقت الحقيقي مما يساهم في حماية البيئة وصحة الإنسان.
