كيف يعمل الليزر

الليزر هو اختراع ثوري في مجال الفيزياء والهندسة، إذ يمثل تقنية متقدمة للضوء تتميز بخصائص فريدة ومتميزة عن الضوء العادي. كلمة “ليزر” هي اختصار لعبارة “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” أي “تكبير الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع”. تركز هذه التقنية على إنتاج شعاع ضوئي مكثف ومتجانس في الطول الموجي، يختلف تمامًا عن الضوء الذي تصدره مصادر الإضاءة التقليدية مثل المصابيح العادية أو الشمس.

المبادئ الأساسية لعمل الليزر

لفهم كيف يعمل الليزر، يجب البدء من الأساسيات الفيزيائية المتعلقة بخصائص الضوء وطبيعة المادة، خاصة الذرات والجزيئات التي تدخل في تركيبة وسط الليزر.

1. الانبعاث والتحفيز

في المادة، توجد إلكترونات تدور حول نواة الذرة في مستويات طاقة مختلفة. عندما يمتص الإلكترون طاقة، ينتقل من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى أعلى (حالة مثارة). هذه الحالة غير مستقرة، والإلكترون يسعى للعودة إلى حالة الطاقة الأدنى التي تفضّلها الفيزياء الطبيعية.

خلال عودة الإلكترون إلى مستوى طاقة أدنى، يُصدر فوتون (كم من الضوء) بطول موجي محدد مرتبط بفارق الطاقة بين المستويين. يُعرف هذا بعملية الانبعاث العفوي.

لكن هناك نوعًا آخر من الانبعاث يُدعى “الانبعاث المحفز”، يحدث عندما يصطدم فوتون بفوتون آخر في نفس الطول الموجي، مما يحفز الإلكترون لإطلاق فوتون آخر مطابق له في الطول الموجي، الاتجاه، والطور. هذه العملية هي جوهر عمل الليزر، حيث تؤدي إلى تكبير شعاع الضوء.

2. التضخيم الضوئي

عندما تتكرر عملية الانبعاث المحفز بشكل متسلسل داخل وسط معين، يزداد عدد الفوتونات المتطابقة. هذا التكبير يُسمى التضخيم الضوئي، وهو العملية التي تجعل شعاع الليزر قويًا جدًا ومركزًا.

3. الوسط العامل في الليزر

يحتاج الليزر إلى وسط يعمل كمصدر للضوء يمكن تضخيمه. هذا الوسط يمكن أن يكون في عدة أشكال:

• الغازات مثل الهيليوم-نيون، ثاني أكسيد الكربون.

• السوائل مثل الصبغات الملونة.

• الصلب مثل الكريستالات (الياقوت الأحمر).

• الأشباه الموصلة أو أشباه الموصلات (في الليزرات المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية).

الوسط العامل يحتوي على ذرات أو جزيئات يمكن إثارتها وتحفيزها لإصدار فوتونات.

4. نظام الضخ (Pump)

لتحفيز الذرات أو الجزيئات في الوسط العامل، يلزم وجود مصدر طاقة خارجي، يسمى نظام الضخ، والذي يمكن أن يكون ضوءًا من مصباح أو تيارًا كهربائيًا أو حتى تفاعلًا كيميائيًا. هذا النظام يعمل على زيادة عدد الإلكترونات في الحالة المثارة أكثر من الحالة الأرضية، أي تحقيق حالة تُسمى “الانقلاب السكاني” (Population Inversion).

5. التفاعل داخل التجويف البصري

يوجد وسط الليزر داخل تجويف بصري يتكون من مرآتين تعكسان الضوء، واحدة تعكس بالكامل والأخرى تعكس جزئيًا. هذا التجويف يسمح بتكرار مرور الفوتونات عبر الوسط العامل عدة مرات، مما يزيد من التضخيم ويجعل الضوء يمر عبر نفس الذرات عدة مرات متتالية.

عندما تصل الفوتونات المكثفة إلى المرآة نصف العاكسة، يخرج منها جزء من الضوء على شكل شعاع ليزر موجه، مركز، ومتجانس.

خصائص شعاع الليزر

الليزر ينتج شعاعًا ضوئيًا يختلف عن الضوء العادي في عدة خصائص رئيسية:

• التماسك (Coherence): يعني أن موجات الضوء التي تصدر من الليزر متزامنة في الطور، مما يسمح للشعاع بأن يكون مركزًا للغاية.

• الاتجاهية العالية (Directionality): شعاع الليزر لا ينتشر بشكل كبير كما في الضوء العادي، بل يكون مركزًا وموجهًا.

• الطول الموجي الواحد (Monochromaticity): غالبًا ما يصدر الليزر ضوءًا بطول موجي محدد وثابت.

• شدة عالية: يمكن لشعاع الليزر أن يكون ذا قوة عالية جدًا مقارنة بأي مصدر ضوء عادي.

أنواع الليزرات وأشكالها المختلفة

تصنف الليزرات حسب الوسط العامل والطريقة التي يتم فيها توليد الضوء إلى عدة أنواع:

1. ليزر الغاز

يستخدم غازات مثل الهيليوم والنيون أو ثاني أكسيد الكربون. يمتاز ليزر ثاني أكسيد الكربون بشعاع عالي القدرة وطول موجي في الأشعة تحت الحمراء، ويستخدم في القطع والحفر الصناعي.

2. ليزر الصلب

يحتوي على وسط صلب مثل بلورة الياقوت أو إيربيوم في كريستال الليثيوم يترى. يتميز هذا النوع بدقة عالية في الطول الموجي ويستخدم في التطبيقات الطبية والعسكرية.

3. ليزر الصبغة

يستخدم صبغات عضوية في وسط سائل، ويتميز بقدرته على تغيير الطول الموجي حسب نوع الصبغة، مما يجعله مفيدًا في التجارب العلمية.

4. ليزر أشباه الموصلات

يستخدم في الأجهزة الإلكترونية والتقنية، مثل مشغلات الأقراص الليزرية وأجهزة الاتصالات. هو صغير الحجم ويعمل بتيار كهربائي منخفض.

التطبيقات العملية لليزر

تنتشر تقنية الليزر بشكل واسع في مجالات متعددة، منها:

• الطب: يستخدم في جراحة العيون، إزالة الأورام، تقشير الجلد، وعلاج بعض الحالات الجلدية.

• الصناعة: القطع والحفر الدقيق على المعادن، تصنيع الإلكترونيات، واللحام.

• الاتصالات: نقل البيانات عبر الألياف الضوئية بسرعة عالية.

• العسكرية: أنظمة الاستهداف، الرصد، وقياس المسافات.

• البحث العلمي: قياس الأطوال، دراسات الطيف، والفيزياء الكمومية.

• الأجهزة اليومية: في مشغلات الأقراص، الطابعات، ومسح الرموز.

الجدول التالي يوضح مقارنة بين أنواع الليزرات الرئيسية:

التطور التقني وتأثيره على الليزر

شهدت تكنولوجيا الليزر تطورات كبيرة منذ اختراع أول ليزر في عام 1960. تطورت قدرات الليزر من حيث القدرة، دقة التحكم في الطول الموجي، وكفاءة الطاقة. ساعدت هذه التطورات في توسيع نطاق استخدام الليزر ليشمل مجالات معقدة مثل النانو تكنولوجيا، التصوير الطبي الدقيق، والعلاج التجديدي.

الخلاصة

يعمل الليزر على أساس الانبعاث المحفز للإشعاع، حيث يتم تحفيز الذرات في وسط معين لإنتاج فوتونات متطابقة ومتزامنة، وهذا ينتج شعاعًا ضوئيًا مكثفًا ومتجانسًا. تختلف أنواع الليزرات بحسب الوسط العامل والتطبيقات المطلوبة، مع خصائص فريدة تتميز بها تكنولوجيا الليزر تجعلها لا غنى عنها في العديد من مجالات العلم والصناعة والطب. التطور المستمر في هذه التقنية يبشر بمستقبل غني بالتطبيقات الجديدة التي تعزز من دور الليزر في حياتنا اليومية والعملية.

المراجع:

• Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2007). Fundamentals of Photonics. Wiley.

• Paschotta, R. (2008). Encyclopedia of Laser Physics and Technology. Wiley-VCH.