يشير مصطلح الليزر إلى عملية وأداة توليد أشعة ضوئية متوازية أحادية اللون ومتماسكة من خلال تضخيم الإشعاع المُحفَّز والتغذية الراجعة اللازمة. ويتطلب توليد الليزر ثلاثة عناصر أساسية: "المرنان"، و"وسيط الكسب"، و"مصدر الضخ".
أ. المبدأ
يمكن تقسيم حالة حركة الذرة إلى مستويات طاقة مختلفة، وعندما تنتقل الذرة من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى طاقة منخفض، فإنها تطلق فوتونات ذات طاقة مقابلة (ما يسمى بالإشعاع التلقائي). وبالمثل، عندما يسقط فوتون على نظام مستوى طاقة ويمتصه، فإنه يتسبب في انتقال الذرة من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة مرتفع (ما يسمى بالامتصاص المثار)؛ ثم تنتقل بعض الذرات التي تنتقل إلى مستويات طاقة أعلى إلى مستويات طاقة أقل وتنبعث منها فوتونات (ما يسمى بالإشعاع المحفز). لا تحدث هذه الحركات بمعزل عن بعضها البعض، ولكن غالبًا ما تحدث بالتوازي. عندما نهيئ حالة، مثل استخدام الوسيط المناسب، الرنان، أو مجال كهربائي خارجي كافٍ، يتم تضخيم الإشعاع المحفز بحيث يكون هناك فوتونات منبعثة أكثر من الامتصاص المحفز، مما ينتج عنه ضوء الليزر.
ب. التصنيف
وفقًا للوسط المُنتِج لليزر، يُمكن تقسيمه إلى ليزر سائل، وليزر غازي، وليزر صلب. وأكثر أنواع ليزر أشباه الموصلات شيوعًا حاليًا هو ليزر الحالة الصلبة.
ج. التكوين
تتكون معظم الليزرات من ثلاثة أجزاء: نظام الإثارة، ومادة الليزر، والمرنان البصري. أنظمة الإثارة هي أجهزة تُنتج ضوءًا أو طاقة كهربائية أو كيميائية. حاليًا، تُعدّ الضوء أو الكهرباء أو التفاعل الكيميائي وسائل التحفيز الرئيسية المستخدمة. مواد الليزر هي مواد تُنتج ضوء الليزر، مثل الياقوت، وزجاج البريليوم، وغاز النيون، وأشباه الموصلات، والأصباغ العضوية، وغيرها. يتمثل دور التحكم بالرنين البصري في تحسين سطوع الليزر المُخرَج، وضبط واختيار طول موجة الليزر واتجاهه.
د. التطبيق
يتم استخدام الليزر على نطاق واسع، بشكل أساسي في الاتصالات بالألياف، وتحديد المدى بالليزر، والقطع بالليزر، والأسلحة بالليزر، وأقراص الليزر وما إلى ذلك.
هـ. التاريخ
في عام ١٩٥٨، اكتشف العالمان الأمريكيان شياو لو وتاونز ظاهرةً سحرية: عندما يُسلطان الضوء المنبعث من مصباح داخلي على بلورة من العناصر الأرضية النادرة، تُصدر جزيئات البلورة ضوءًا ساطعًا قويًا مترابطًا باستمرار. بناءً على هذه الظاهرة، اقترحا "مبدأ الليزر"، أي أنه عندما تُثار المادة بنفس طاقة تردد التذبذب الطبيعي لجزيئاتها، فإنها تُنتج ضوءًا قويًا لا يتباعد - الليزر. وقد عثرا على أبحاث مهمة في هذا الشأن.
بعد نشر نتائج أبحاث شيولو وتاونز، اقترح علماء من دول مختلفة مخططات تجريبية متنوعة، لكنها لم تُكتب لها النجاح. في 15 مايو 1960، أعلن مايمان، العالم في مختبر هيوز بكاليفورنيا، أنه حصل على ليزر بطول موجي قدره 0.6943 ميكرون، وهو أول ليزر يحصل عليه الإنسان على الإطلاق، وبذلك أصبح مايمان أول عالم في العالم يُدخل الليزر إلى المجال العملي.
في 7 يوليو 1960، أعلن مايمان عن ميلاد أول ليزر في العالم، وكان مخطط مايمان هو استخدام أنبوب فلاش عالي الكثافة لتحفيز ذرات الكروم في بلورة الياقوت، وبالتالي إنتاج عمود ضوء أحمر رقيق شديد التركيز، وعندما يتم إطلاقه في نقطة معينة، يمكن أن يصل إلى درجة حرارة أعلى من سطح الشمس.
اخترع العالم السوفيتي هـ.Γ باسوف ليزر أشباه الموصلات عام ١٩٦٠. يتكون تركيب ليزر أشباه الموصلات عادةً من طبقة P وطبقة N وطبقة نشطة، تُشكل جميعها وصلة غير متجانسة مزدوجة. ومن خصائصه: صغر حجمه، وكفاءة اقترانه العالية، وسرعة استجابته العالية، وتناسب طوله الموجي وحجمه مع حجم الألياف الضوئية، وإمكانية تعديله مباشرةً، وتماسكه الجيد.
ستة، بعض الاتجاهات الرئيسية لتطبيق الليزر
و. الاتصالات بالليزر
يُعدّ استخدام الضوء لنقل المعلومات أمرًا شائعًا جدًا اليوم. على سبيل المثال، تستخدم السفن الأضواء للتواصل، وتستخدم إشارات المرور الألوان الأحمر والأصفر والأخضر. لكن جميع هذه الطرق لنقل المعلومات باستخدام الضوء العادي لا تقتصر إلا على مسافات قصيرة. فإذا أردنا نقل المعلومات مباشرةً إلى أماكن بعيدة عبر الضوء، فلا يمكننا استخدام الضوء العادي، بل استخدام الليزر فقط.
إذن، كيف يتم توصيل الليزر؟ نعلم أن الكهرباء يمكن أن تنتقل عبر أسلاك نحاسية، بينما لا يمكن أن ينتقل الضوء عبر أسلاك معدنية عادية. ولهذا الغرض، طور العلماء خيطًا ينقل الضوء، يُسمى الألياف الضوئية. تُصنع الألياف الضوئية من مواد زجاجية خاصة، وقطرها أرق من شعرة الإنسان، وعادةً ما يتراوح بين 50 و150 ميكرونًا، وهي ناعمة جدًا.
في الواقع، النواة الداخلية للألياف مصنوعة من زجاج بصري شفاف ذي معامل انكسار عالٍ، بينما تُصنع الطبقة الخارجية من زجاج أو بلاستيك ذي معامل انكسار منخفض. من جهة، يسمح هذا الهيكل بانكسار الضوء على طول النواة الداخلية، تمامًا كما يتدفق الماء في أنبوب الماء، وتنتقل الكهرباء في السلك، حتى لو لم تُحدث آلاف اللفات والانعطافات أي تأثير. من جهة أخرى، يمنع الطلاء ذو معامل الانكسار المنخفض تسرب الضوء، تمامًا كما لا يتسرب الماء من أنبوب الماء، ولا تُوصل طبقة العزل في السلك الكهرباء.
يُحسّن ظهور الألياف الضوئية عملية نقل الضوء، لكن هذا لا يعني إمكانية نقل أي ضوء إلى مسافات بعيدة. فالسطوع العالي، واللون النقي، والليزر الاتجاهي الجيد، هي مصادر الضوء المثالية لنقل المعلومات، حيث يتم إدخالها من أحد طرفي الألياف، مع انعدام الفقد تقريبًا، وإخراجها من الطرف الآخر. لذا، يُعدّ الاتصال الضوئي في جوهره اتصالًا ليزريًا، يتميز بمزايا السعة الكبيرة، والجودة العالية، وتنوع المواد، والسرية العالية، والمتانة، وغيرها، وهو ما أشاد به العلماء باعتباره ثورة في مجال الاتصالات، وأحد أبرز الإنجازات في الثورة التكنولوجية.
وقت النشر: ٢٩ يونيو ٢٠٢٣