
_START_ARTICLE_
ليزر الغاز
_START_PARAGRAPH_
دخلت أشعة الليزر في العديد من المنتجات التكنولوجية فتجدها عنصرا أساسيا في أجهزة تشغيل الأقراص المدمجة أو في آلات طب الأسنان، أو في معدات قطع ولحام الحديد أو في أدوات القياس وغيرها من المجالات. كل تلك الأجهزة تستخدم الليزر؛ ولكن ما هو الليزر وما الذي يجعل الليزر مميزا عن غيره من المصادر الضوئية؟ في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كل ما يتعلق بالليزر بشكل مبسط وواضح.
_START_SECTION_
أساسيات فيزيائية حول الذرة
_START_PARAGRAPH_
يوجد في الكون 113 نوعا مختلفا من الذرات، وكل شيء حولنا هو مكون من الـ 113 ذرة تلك، ولكن كيف تتحد وترتبط الذرات مع بعضها البعض لتكون المواد مثل الماء المكون من ذرتين ذرة هيدروجين وذرة أكسجين، أو كيف تكونت قطعة من الحديد أو النحاس؟ إن الذرات في حركة مستمرة حيث تتذبذب حول موضع استقرارها في المادة، كما أن لها حركة دائرية أو حركة انتقالية أيضاً. فالطاولة الخشبية مثلاً وبالرغم من أنها ثابتة في مكانها إلى أن ذرات الخشب المكونة لها في حركة مستمرة._NEWLINE_نتيجة لحركة الذرات التي تكتسبها من الطاقة الحرارية فإنها تتواجد في حالات مختلفة من الإثارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة ما بكمية من الطاقة فإن الذرة تنتقل من المستوى الأرضي ground state الذي تتواجد فيه إلى مستوى طاقة أعلى يسمى بمستوى الإثارة (بالإنجليزية: excited state). يعتمد مستوى الإثارة على كمية الطاقة التي زودت بها الذرة ومصدر الطاقة إما حرارة أو ضوء أو كهرباء._NEWLINE_في الشكل التالي نموذج توضيحي لمكونات الذرة_NEWLINE_نموذج بسيط لتمثيل شكل الذرة يتكون من النواة والالكترونات التي تدور في مدارات حول النواة._NEWLINE_تحتوي الذرة على النواة (المكونة من البروتونات النيوترونات) الإلكترونات التي تدور حول النواة في مدارات مختلفة كل مدار هو عبارة عن مستوى طاقة._NEWLINE_إذا زودت الذرة بطاقة حرارية أو طاقة من مصدر ضوئي أو كهربائي فإن بعض الإلكترونات في الذرة سوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة الأدنى إلى مدار طاقته أعلى وأبعد من النواة.
_START_SECTION_
امتصاص الطاقة
_START_PARAGRAPH_
تمتص ذرة الطاقة من الحرارة أو الضوء أو الكهرباء. تنتقل الإلكترونات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقة أعلى._NEWLINE_هذه الفكرة السابقة هي مبسطة عن امتصاص الطاقة في الذرة ولكن تعتبر الأساس في دور الذرة لإنتاج الليزر._NEWLINE_عندما ينتقل الإلكترون إلى المدار ذو مستوى الطاقة الأعلى فإنه ما يلبث أن يعود وينتقل إلى المستوى الطاقة الأدنى، وعندها فإن الإلكترون يحرر طاقة في صورة فوتون (ضوء)._NEWLINE_تصدر الإلكترونات الفوتونات عند إثارتها، وعلى سبيل المثال عند تسخين معدن مثل سلك السخان الكهربائي فإن لونه يتحول من اللون المعتم إلى اللون المتوهج، وهذا التوهج ناتج من الفوتونات التي انطلقت بعد إثارة ذرات مادة سلك السخان الكهربائي. كذلك لو فكرنا في فكرة عمل شاشة التلفزيون فهي تعطي الصورة من خلال الفوتونات التي تنتجها مادة الشاشة (الفوسفور) عند إثارتها بشعاع إلكتروني._NEWLINE_يستنتج من ذلك أن الضوء ينتج من الفوتونات المنبعثة من إثارة إلكترونات الذرة وتعتمد لون الفوتون (لون الضوء) على طاقة الفوتون.
_START_SECTION_
علاقة الذرة بالليزر المغولي
_START_PARAGRAPH_
لتعريف مبسط لليزر يمكن الاعتماد على الشرح السابق بأنه جهاز يقوم بالتحكم في كيفية تحرير الذرات للفوتونات._NEWLINE_وكما ذكر فإن كلمة ليزر هي اختصار للجملة Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation والتي معناها يشرح بالتفصيل فكرة عمل الليزر، والذي يعتمد على كون الليزر ضوء مكبر بواسطة عملية تسمى الانبعاث الاستحثاثي للإشعاع، وهذا ما يقصد به التحكم بكيفية تحرير الذرة للفوتون._NEWLINE_بالرغم من وجود عدة أنواع من الليزر إلا أنها تشترك جميعها في نفس الخصائص. ففي الليزر توجد المادة التي تنتج الليزر تتم إثارتها بواسطة عملية ضخ pumping للإلكترونات من المستوى الأرضي إلى مستوى الإثارة. يستخدم للضخ الإلكتروني ضوء فلاش قوي أو بواسطة التفريغ الكهربائي، ويساعد هذا الضخ على تزويد أكبر قدر ممكن من الإلكترونات لتنتقل إلى مستويات الطاقة الأعلى فتصبح مادة الليزر مكونة من ذرات ذات إلكترونات مثارة ونسميها بالذرة المثارة. والجدير بالذكر أنه من الضروري جداً إثارة عدد كبير من الذرات للحصول على ليزر وتسمى هذه العملية بانقلاب التعداد أي جعل عدد الذرات المثارة في مادة الليزر أكبر من عدد الذرات الغير مثارة._NEWLINE_قلب التعداد أو ما يعرف باسم الإسكان المعكوس هو الذي يجعل الضوء الذي تنتجه المادة ليزراً وإذا لم تصل إلى مرحلة انقلاب التعداد يتم الحصول على ضوء عادي._NEWLINE_وكما امتصت الإلكترونات طاقة كبيرة من خلال عملية الضخ، فإن الإلكترونات هذه تطلق الطاقة التي امتصتها في صورة فوتونات أي ضوء بعد قضاء فترة العمر life time التي تقدر بنحو 10 أس -8 ثانية في المستوايات العليا والعودة إلى المستويات الأرضية وهذا ما يعرف باسم الانبعاث التلقائي، حيث تنتج فوتونات مختلفة الأطوال الموجية تنتشر في جميع الاتجاهات باختلاف الطور وتعتمد مصادر الضوء العادية على هذا النوع من الانبعاث._NEWLINE_في حالة الانبعاث المستحث التي تنبأ بها أينشتاين، تسقط الفوتونات الأولى الناتجة من عملية الانبعاث التلقائي أثناء وجود الوسط الفعال في حالة قلب التعداد أو الإسكان المعكوس على الإلكترونات المثارة بالفعل -أثناء قضاء فترة lifetime - وتقوم بحثها لتهبط الإلكترونات إلى مستوياتها الأرضية -بشرط أن تكون طاقة الفوتونات الساقطة مساوية للفرق بين مستويات الطاقة العليا والأخرى الأرضية - لتتولد أزواج من الفوتونات المنبعثة -الفوتونات الساقطة والفوتونات الناتجة عن الإنبعاث المستحث - لها طول موجي محدد (ضوء بلون محدد) يعتمد على فرق مستويات الطاقة التي انتقلت بينها الإلكترونات المثارة. وإذا كان الانتقال لكافة الإلكترونات بين مستويي طاقة محددين كما هو موضح في الشكل أدناه، فإن كل الفوتونات المنبعثة سيكون لها نفس الطول الموجي._NEWLINE_الإلكترون باللون الأحمر مثار ينتقل إلى مستوى طاقة أدنى (الإلكترون باللون الأزرق) ويفقد طاقته في صورة فوتون.
_START_SECTION_
ضوء الليزر
_START_PARAGRAPH_
يختلف ضوء الليزر عن الضوء العادي حيث تكون له الخصائص التالية:_NEWLINE_الضوء المنبعث أحادي اللون أي أن له طول موجي واحد. يحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته._NEWLINE_الضوء المنبعث من الليزر يكون متزامنا (أومترابط) أي أن الفوتونات كلها في نفس الطور مما يجعل شدة الضوء كبيرة فلا تلاشي الفوتونات الضوئية بعضها البعض نتيجة لاختلاف الطور بينها._NEWLINE_الضوء المنبعث له اتجاه واحد directional حيث يكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة من الفوتونات في مسار مستقيم بينما الضوء العادي يكون مشتتا وينتشر في أنحاء الفراغ._NEWLINE_المسؤول عن هذه الخصائص هو عملية الانبعاث الاستحثاثي stimulated emission، بينما في الضوء العادي يكون الانبعاث تلقائياً حيث يخرج كل فوتون بصورة عشوائية لا علاقة له بالفوتون الآخر._NEWLINE_عملية الانبعاث التلقائي عملية الانبعاث المستحث_NEWLINE_العامل المهم في إنتاج الليزر هو المرايا المثبتة على جانبي مادة إنتاج الليزر. تساعد المرايا على عكس بعض الفوتونات إلى داخل مادة الليزر عدة مرات لتعمل هذه الفوتونات على استحثاث الكترونات مثارة أخرى لتطلق مزيدا من الفوتونات بنفس الطول الموجي ونفس الطور، وهذه هي عملية التكبير للضوء light amplification. تصمم إحدى هاتين المرآتين لتكون عاكسيتها أقل من 100% لتسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع الليزر الذي نحصل عليه منها. مرآة عاكسة معامل انعكاسها 99.5% والأخرى مرآة شبه منفذة معامل انعكاسها 98.5%_NEWLINE_في الشرح التالي سنرى مكونات الليزر من خلال شرح عمل ليزر الياقوتruby laser.
_START_SECTION_
أنواع الليزر
_START_PARAGRAPH_
يأتي الليزر بأنواع مختلفة حسب الاستخدامات وتنوع الليزر يأتي من تنوع المادة المستخدمة لإنتاجه. فهناك من المواد الصلبة والسائلة والغازية، ويعتبر نوع المادة الأساس الأكثر استخداماً للتمييز بين الأنواع المختلفة. ويسمى الليزر من خلال نوع المادة المستخدمة فمثلاً ليزر الهيليوم نيون He-Ne يعني أن المادة المستخدمة هي خليط من الهيليوم والنيون. وليزر الياقوت يعني أن المادة المنتجة لليزر هي الياقوت وهكذا بالنسبة لباقي الأنواع الأخرى. وهذه بعض الأمثلة لأنواع مختلفة لليزر:_NEWLINE_ليزر الحالة الصلبة solid-state laser هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليط الألومنيوم واليتريم والنيودينيم neodymium:yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ TAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء._NEWLINE_ليزر الغاز Gas laser وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكسيد الكربون وتكون اطوالها الموجية في مدى الأشعة تحت الحمراء وتستخدم في قطع المواد الصلبة لطاقتها العالية._NEWLINE_ليزر الإكسيمر Excimer laser وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدم الغازات الخاملة(هذه معلومه خاطئة)مثل غاز الكلور أو الفلور(لأن الكلور والفلور ليست خاملة)أو الكربتون أو الأرجون. وتنتج هذه الغازات أشعة ليزر ذات أطوال موجية في مدى الأشعة فوق البنفسجية._NEWLINE_ليزر الأصباغ Dye laser، وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامين rhodamine 6G مذابة في محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه._NEWLINE_ليزر أشباه الموصلات Semiconductor laser، ويطلق عليه أحياناً بليزر الديود ويعتمد على المواد شبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في الأجهزة الدقيقة مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر._NEWLINE_يتميز الليزر بطوله الموجي فمثلا الطول الموجي لليزر الياقوت هو 694 nm، ويتم اختيار مادة الليزر بناء على الطول الموجي المطلوب كما في الجدول التوضيحي أدناه، فمثلاً يستخدم ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون في قطع المعادن الصلبة لأن طوله الموجي في مدى الأشعة تحت الحمراء وهي أشعة حرارية إذا سقطت بتركيز على سطح معدن تذيبه._NEWLINE_نوع الليزر_NEWLINE_الطول الموجي لليزر (nm)_NEWLINE_Argon fluoride (UV)_NEWLINE_193_NEWLINE_Krypton fluoride (UV)_NEWLINE_248_NEWLINE_Xenon chloride (UV)_NEWLINE_308_NEWLINE_Nitrogen (UV)_NEWLINE_337_NEWLINE_Argon (blue)_NEWLINE_488_NEWLINE_Argon (green)_NEWLINE_514_NEWLINE_Helium neon (green)_NEWLINE_543_NEWLINE_Helium neon (red)_NEWLINE_633_NEWLINE_Rhodamine 6G dye (tunable)_NEWLINE_570-650_NEWLINE_Ruby (CrAlO3) (red)_NEWLINE_694_NEWLINE_Nd:Yag (NIR)_NEWLINE_1064_NEWLINE_Carbon dioxide (FIR)_NEWLINE_10600