فکرة عمل اللیزر

دخلت أشعة اللیزر فی العدید من المنتجات التکنولوجیة فتجدها عنصر اساسی فی أجهزة تشغیل الأقراص المدمجة أو فی ألات طبیب الأسنان أو فی معدات قطع ولحام الحدید أو فی أدوات القیاس وغیرها من المجالات. کل تلک الأجهزة تستخدم اللیزر ولکن ما هو اللیزر وما الذی یجعل اللیزر ممیز عن غیره من المصادر الضوئیة. فی هذه المقالة سوف نقوم بشرح کل ما یتعلق باللیزر بشکل مبسط وواضح.

مختبر أبحاث یستخدم شعاع اللیزر.

جاءت تسمیة کلمة لیزر LASER من الأحرف الأولی لفکرة عمل اللیزر والمتمثلة فی الجملة التالیة :
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
وتعنی تکبیر الضوء Light Amplification بواسطة الانبعاث الاستحثاثی Stimulated Emission للإشعاع الکهرومغناطیسی Radiation. وقد تنبأ بوجود اللیزر العالم البرت اینشتاین فی 1917 حیث وضع الأساس النظری لعملیة الانبعاث الاستحثاثی stimulated emission وتم تصمیم أول جهاز لیزر فی 1960 بواسطة العالم میمان T.H. Maiman باستخدام بلورة الیاقوت ویعرف بلیزر الیاقوت Ruby laser.

اساسیات فیزیائیة حول الذرة

یوجد فی الکون 100 نوع مختلف من الذرات وکل شیء حولنا هو مکون من الـ 100 ذرة تلک، ولکن کیف تتحد وتترابط الذرات مع بعضها البعض لتکون المواد مثل الماء المکون من ذرتین هیدروجین وذرة اکسجین أو کیف تکونت قطعة من الحدید أو النحاس. إن الذرات فی حرکة مستمرة حیث تتذبذب الذرات حول موضع استقرارها فی المادة کما أن الذرات لها حرکة دائریة أو حرکة انتقالیة أیضاً. نتیجة لحرکة الذرات التی تکتسبها من الطاقة الحراریة فإنها تتواجد فی حالات مختلفة من الأثارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة ما بکمیة من الطاقة فإن الذرة تنتقل من المستوى الأرضی ground state الذی تتواجد فیه إلى مستوى طاقة أعلى یسمى بمستوى الإثارة excited state. یعتمد مستوى الإثارة على کمیة الطاقة التی زودت بها الذرة ومصدر الطاقة إما حرارة أو ضوء أو کهرباء.

فی الشکل التالی نموذج توضیحی لمکونات الذرة :

نموذج بسیط لتمثیل شکل الذرة یتکون من النواة والالکترونات التی تدور فی مدارات حول النواة.
تحتوی الذرة على النواة (المکونة من البروتونات والنیوترونات) والإلکترونات التی تدور حول النواة فی مدارات مختلفة کل مدار هو عبارة عن مستوى طاقة.

امتصاص الطاقة Absorbing Energy

إذا زودت الذرة بطاقة حراریة لأول طاقة من مصدر ضوئی أو کهربائی فإن بعض الإلکترونات فی الذرة سوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة الأدنى إلى مدار طاقته أعلى وابعد من النواة.

امتصاص الطاقة

تمتص ذرة الطاقة من الحرارة أو الضوء أو الکهرباء. تنتقل الإلکترونات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقة أعلى.
هذه الفکرة السابقة هی مبسطة عن امتصاص الطاقة فی الذرة ولکن تعتبر الأساس فی دور الذرة لانتاج اللیزر.
عندما ینتقل الإلکترون إلى المدار ذو مستوى الطاقة الأعلى فإنه ما یلبث إلا أن یعود وینتقل إلى المستوى الطاقة الأدنى، وعندها فإن الإلکترون یحرر طاقة فی صورة فوتون (ضوء).
تصدر الإلکترونات الفوتونات عند اثارتها وعلى سبیل المثال عند تسخین معدن مثل سلک السخان الکهربی فإنه یتحول لونه من اللون المعتم إلى اللون المتوهج وهذا التوهج ناتج من الفوتونات التی انطلقت بعد اثارة ذرات مادة سلک السخان الکهربی. کذلک لو فکرنا فی فکرة عمل شاشة التلفزیون فهی تعطی الصورة من خلال الفوتونات التی تنتجها مادة الشاشة (الفوسفور) عند اثارتها بشعاع إلکترونی.
إذا نستنتج أن الضوء ینتج من الفوتونات المنبعثة من إثارة إلکترونات الذرة وتعتمد لون الفوتون (لون الضوء) على طاقة الفوتون.

علاقة الذرة باللیزر

لتعریف مبسط للیزر نقول معتمدین على الشرح السابق أنه جهاز یقوم بالتحکم فی کیفیة تحریر الذرات للفوتونات.
وکما ذکرنا فإن کلمة لیزر هی اختصار للجملة light amplification by stimulated emission of radiation والتی معناها یشرح بالتفصیل فکرة عمل اللیزر والذی یعتمد على إن اللیزر ماهو إلا ضوء مکبر بواسطة عملیة تسمى الإنبعاث الإستحثاثی للإشعاع وهذا ما قصدنا به التحکم بکیفیة تحریر الذرة للفوتون.
بالرغم من وجود عدة أنواع من اللیزر إلا انهم جمیعاً یشترکون فی نفس الخصائص. ففی اللیزر یوجد المادة التی تنتج اللیزر یتم اثارتها بواسطة عملیة ضخ pumping للإلکترونات من المستوى الأرضی إلى مستوى الإثارة. یستخدم للضخ الإلکترونی ضوء فلاش قوی أو بواسطة التفریغ الکهربی ویساعد هذا الضخ على تزوید أکبر قدر ممکن من الإلکترونات لتنتقل إلى مستویات الطاقة الأعلى فتصبح مادة اللیزر مکونة من ذرات ذات إلکترونات مثارة ونسمیها بالذرة المثارة. ومن الجدیر بالذکر أن أنه من الضروری جداً إثارة عدد کبیر من الذرات للحصول على لیزر وتسمى هذه العملیة بإنقلاب التعداد population inversion أی جعل عدد الذرات المثارة فی مادة اللیزر أکبر من عدد الذرات الغیر مثارة.
قلب التعداد هو الذی یجعل الضوء الذی تنتجه المادة لیزراً وإذا لم نصل إلى مرحلة انقلاب التعداد نحصل على ضوء عادی.
وکما امتصت الإلکترونات طاقة کبیرة من خلال عملیة الضخ فإن الإلکترونات هذه تطلق الطاقة التی امتصتها فی صورة فوتونات أی ضوء.
الفوتونات المنبعثة لها طول موجی محدد (ضوء بلون محدد) یعتمد على فرق مستویات الطاقة التی انتقل بینها الإلکترونات المثارة. وإذا کان الإنتقال لکافة الإلکترونات بین مستویین طاقة محددین کما هز موضح غب الشکل أدناه فإن کل القوتونات المنبعثة سیکون لها نفس الطول الموجی.

الإلکترون باللون الأحمر مثار ینتقل إلى مستوى طاقة أدنى (الإلکترون باللون الأزرق) ویفقد طاقته فی صورة فوتون

ضوء اللیزر

ضوء اللیزر یختلف عن الضوء العادی حیث یکون له الخصائص التالیة:
الضوء المنبعث أحادی اللون monochromatic أی أن له طول موجی واحد. یحدد الطول الموجی لون الضوء الناتج وکذلک طاقته.
الضوء المنبعث من اللیزر یکون متزامن coherent أی ان الفوتونات کلها فی نفس الطور مما یجعل شدة الضوء کبیرة فلا تلاشی الفوتونات الضوئیة بعضها البعض نتیجة لاختلاف الطور بینها.
الضوء المنبعث له اتجاه واحد directional حیث یکون شعاع اللیزر عبارة عن حزمة من الفوتونات فی مسار مستقیم بینما الضوء العادی یکون مشتت وینتشر فی أنحاء الفراغ.
المسؤول عن هذه الخصائص هی عملیة الانبعاث الإستحثاثی stimulated emission بینما فی الضوء العادی یکون الإنبعاث تلقائی حیث یخرج کل فوتون بصورة عشوائیة لا علاقة له بالفوتون الآخر.
العامل المهم فی انتاج اللیزر هو المرایا المثبتة على جانبی مادة انتاج اللیزر. تساعد المرایا على عکس بعض الفوتونات إلى داخل مادة اللیزر عدة مرات لتعمل هذه الفوتونات على استحثاث الکترونات مثارة أخرى لتطلق مزیدا من الفوتونات بنفس الطول الموجی ونفس الطور، وهذه هی عملیة التکبیر للضوء light amplification. تصمم إحدى هتین المرأتین لتکون عاکسیتها اقل من 100% لتسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع اللیزر الذی نحصل علیه.
فی الشرح التالی سنرى مکونات اللیزر من خلال شرح عمل لیزر الیاقوتruby laser :

لیزر الیاقوت Ruby Laser

مکونات لیزر الیاقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وساق من الیاقوت ومرأتین مثبتتین على طرفی الساق احدى هاتین المرأتین لها مقدار انعکاس 90%. یعتبر المصدر الضوئی مسؤولاً عن عملیة الضخ وساق الیاقوت هو مادة انتاج اللیزر.

(1) مکونات لیزر الیاقوت

(2) فرق جهد عالی یعمل على تزوید الفلاش بالطاقة الکافیة لتولید ضوء ذو شدة عالیة ولفترة زمنیة قصیرة. هذا الضوء یعمل على اثارة الذرات فی بلورة الیاقوت إلى مستویات الطاقة الأعلى.

(3) تطلق بعض الذرات فوتونات

(4) تنطلق الفوتونات بموازاة محور ساق الیاقوت لتصطدم بالمرآة وتنعکس إلى داخل الیاقوت عدة مرات لتستحث إلکترونات أخرى لتطلق فوتونات.

(5) فوتونات بطول موجی واحد وفی تفس الطور ومتجمعة فی حزمة تعبر من المرآة لتعطی ضوء الیزر.

نظام لیزر ثلاثی المستویات

الشکل التالی یوضح تفاصیل عملیة انتاج اللیزر من خلال نظام ذو ثلاث مستویات للطاقة

تسلسل مراحل انتاج شعاع لیزر

أنواع اللیزر

یأتی اللیزر بأنواع مختلفة حسب الاستخدامات وتنوع اللیزر یأتی من تنوع المادة المستخدمة لإنتاجه فهناک من المواد الصلبة والسائلة والغازیة، ویعتبر نوع المادة الأساس الاکثر استخداماً للتمیز بین الأنواع المختلفة. ویسمى اللیزر من خلال نوع المادة المستخدمة فمثلاً لیزر الهیلیوم نیون He-Ne یعنی ان المادة المستخدمة هی خلیط من الهیلیوم والنیون ولیزر الیاقوت یعنی ان المادة المنتجة للیزر هی الیاقوت وهکذا لباقی الأنواع الأخرى. ولنأخذ بعض الأمثلة لأنواع مختلفة للیزر:
لیزر الحالة الصلبة solid-state laser هو اللیزر الذی ینتج بواسطة مادة أو خلیط من مواد صلبة مثل الیاقوت ruby أو خلیط الالومنیوم والیتریم والنیودینیم neodymium:yttrium-aluminum ویسمى بلیزر الـ TAG اختصاراً ویکون طوله الموجی فی منطقة الأشعة تحت الحمراء.
لیزر الغاز Gas laser وهو یعتمد على مادة غازیة مثل الهیلیوم والنیون وغاز ثانی اکسید الکربون وتکون اطوالها الموجیة فی مدى الاشعة تحت الحمراء وتستخدم فی قطع المواد الصلبة لطاقتها العالیة.
لیزر الإکسیمر Excimer laser وتطلق على أنواع اللیزر التی تستخدم الغازات الخاملة مثل غاز الکلور أو الفلور أو الکربتون أو الأرجون وتنتج هذه الغازات اشعة لیزر ذات أطوال موجیة فی مدى الأشعة فوق البنفسجیة.
لیزر الأصباغDye laser وهی عبارة عن مواد عضویة معقدة مثل الرودامین rhodamine 6G مذابة فی محلول کحولی وتنتج لیزر یمکن التحکم فی الطول الموجی الصادر عنه.
لیزر أشباه الموصلاتSemiconductor laser ویطلق علیه احیاناً بلیزر الدیود ویعتمد على المواد شبه الموصلة ویمتاز بحجم لیزر صغیر ویستهلک طاقة قلیلة ولذلک یستخدم فی الأجهزة الدقیقة مثل أجهزة السی دی وطابعات اللیزر.
یتمیز اللیزر بطوله الموجی فمثلا الطول الموجی للیزر الیاقوت هو 694nm، ویتم أختیار مادة اللیزر بناء على الطول الموجی المطلوب کما فی الجدول التوضیحی أدناه، فمثلاً یستخدم لیزر غاز ثانی أکسید الکربون فی قطع المعادن الصلبة لأن طوله الموجی فی مدى الأشعة تحت الحمراء وهی أشعة حراریة إذا سقطت بترکیز على سطح معدن تذیبه.

تصنیفات اللیزر

یصنف اللیزر بأربعة تصنیفات تعتمد على خطورتها على الخلایا الحیة. فعند التعامل مع اللیزر یجب الإنتباه إلى الإشارة التی توضح تصنیفه.

إشارة تحذیر بوجود لیزر

التصنیف الأول Class I هذا یعنی أن شعاع اللیزر ذو طاقة منخفضة ولا یشکل درجة من الخطورة.
التصنیف الأول Class IA هذا التصنیف یشیر إلى أن اللیزر یضر العین إذا نظرنا فی اتجاه الشعاع ویستخدم فی السوبرمارکت کماسح ضوئی وتبلغ طاقة اللیزر الذی یندرج تحت هذا التصنیف 4mW.
التصنیف الثانی Class II هذا یشیر إلى لیزر ضوئه مرئی وطاقته لا تتعدى 1mW.
التصنیف الثالث Class IIIA طاقة اللیزر متوسطة وتبلغ 1-5mW وخطورته على العین إذا دخل الشعاع المباشر فی العین. ومعظم الأقلام المؤشرة تقع فی هذا التصنیف.
التصنیف الثالث Class IIIB طاقة هذا اللیزر أکثر من المتوسط.
التصنیف الرابع Class IV وهی انواع اللیزر ذات الطاقة العالیة وتصل إلى 500mW للشعاع المتصل بینما للیزر النبضات فتقدر طاقته بـ 10 J/cm2 ویشکل خطورة على العین وعلى الجلد واستخدام هذا اللیزر یتطلب العدید من التجهیزات وإجراءات الوقایة.
المصدر : تحقیق راسخون