Laser

‫الليزر‬ ‫الدكتور منصور العبادي \ جامعة العلوم والتكنولوجيا الردنية‬ ‫‪ 9-1‬مقدمة‬ ‫الليزر هو مصدر لتوليد الضوء المرئي وغير المرئي‬ ‫والذي يتميز بمواصفات مميزة ل توجد في الضوء‬ ‫الذي تصدره بقية مصادر الضوء الطبيعية‬ ‫والصناعية‪ .‬وكلمة ليزر (‪ )Laser‬هي اختصار‬

‫للحرف الولى لكلمات الجملة النجليزية‪Light( :‬‬ ‫‪Amplification by Stimulated Emission‬‬ ‫‪ )of Radiation‬والتي تعني (تضخيم الضوء‬

‫بالنبعاث المستحث للشعاع)‪ .‬يقوم الليزر بتوليد نوع‬

‫مميز من الضوء يختلف في خصائصه عن الضوء‬ ‫الطبيعي الصادر عن الشمس والنجوم والضوء الصطناعي الصادر عن مختلف أنواع المصابيح الكهربائية‪.‬‬ ‫ويتميز ضوء الليزر بعدة خصائص أهمها أن كامل الطاقة الضوئية تتركز في شعاع له مقطع عرضي متناهي‬ ‫في الصغر قد ل يتجاوز في بعض أنواعه عدة ميكرومترات مربعة ولهذا فإنه يسير لمسافات طويلة محتفظا‬ ‫بطاقته ضمن هذا الشعاع الدقيق‪ .‬وبما أن جميع الطاقة الضوئية التي يولدها الليزر تتركز ضمن هذا المقطع‬ ‫الصغير للشعاع فإنه بالمكان الحصول على شدة إضاءة قد تزيد بمليين المرات عن شدة الضوء الصادر‬ ‫عن الشمس أو المصابيح الكهربائية‪ .‬أما الخاصية الثانية فهي أن ضوء الليزر يتكون من حزمة ضيقة جدا‬ ‫من الترددات بعكس أنواع الضوء الخرى التي تتكون من طيف واسع من الترددات ولذا فهي تبدو للعين‬ ‫كضوء أبيض يحتوي على جميع ألوان الطيف المرئي بينما يبدو ضوء الليزر للعين بلون واحد عالي النقاء‬ ‫كاللون الحمر والخضر والزرق‪.‬‬ ‫ويعتبر اختراع الليزر من أكثر الختراعات إثارة في هذا العصر حيث لم يكن يخطر على بال أحد أن هذا‬ ‫المصدر الضوئي البسيط سيفتح أبوابا ل حصر لها من التطبيقات ذات الهمية البالغة في حياة البشر‪ .‬فلقد‬ ‫تساءل العلماء فيما بينهم بعد تصنيع أول ليزر في عام ‪1960‬م عن ما ستكون التطبيقات لهذا الجهاز العجيب‬ ‫حيث أن الدافع وراء البحاث المكثفة التي أدت لختراع الليزر كان لشباع فضول العلماء ليس إل وذلك على‬ ‫العكس من كثير من الختراعات والتي كانت الحاجة وراء اختراعها‪ .‬ولكن وبعد مضي سنوات معدودة‬ ‫تلقف العلماء في مختلف التخصصات هذا الختراع العجيب واستخدموه في تطبيقات ل حصر لها وقد أحدث‬ ‫ثورة في حياة البشر ل تقل عن الثورة التي أحدثها الصمام اللكتروني والترانزستور‪ .‬فعلى سبيل المثال فقد‬ ‫أدرك مهندسو التصالت الكهربائية أهمية هذا الختراع العظيم بعد أن تبين لهم أن ضوء الليزر يمكن أن‬ ‫يستخدم بديل عن الموجات الراديوية كحامل للمعلومات وذلك لقدرته على حمل كمية معلومات تفوق بآلف‬ ‫المرات قدرة أعلى الحاملت الراديوية وذلك بسبب ارتفاع ترددات ضوء الليزر‪ .‬وأما مهندسو الميكانيك فقد‬ ‫بدأت الحلم تراودهم بعد أن تبين لهم شدة تركيز ضوء الليزر في استخدامه لقطع وقص اللواح المعدنية‬ ‫وغير المعدنية بدقة متناهية وبالشكل الذي يريدونه لتلبي حاجة مختلف الصناعات وكذلك استخدامه في‬ ‫‪1‬‬

‫عمليات لحام المعادن‪ .‬أما المهندسون المدنيون فقد وجدوا في شعاع الليزر المرئي الذي يسير لمسافات طويلة‬ ‫على شكل خيط دقيق ضالتهم المنشودة في أعمال المساحة والنشاءات بمختلف أنواعها وذلك لضبط استقامتها‬ ‫وقياس البعاد‪ .‬أما الطباء فقد كان لهم نصيب وافر من هذا الختراع فقد استخدموه كمشرط عالي الدقة ل‬ ‫يترك نزفا وراءه وقد يصل لماكن في جسم النسان ل يمكن أن تصل إليه مشارطهم المعدنية إل بعد حدوث‬ ‫ضرر كبير‪ .‬واستخدموه في تصحيح البصر وإزالة الورام وتفتيت الحصى وحفر السنان وإزالة البثور‬ ‫والحبوب والتجاعيد والدمامل وغيرها من أمراض وعيوب الجلد‪.‬‬

‫‪ 9-2‬تاريخ تطور الليزر‬ ‫لقد تمكن الفيزيائي الفذ ألبرت أينشتاين (‪Albert‬‬ ‫‪ )Einstein‬في عام ‪1917‬م من وضع السس‬ ‫النظرية التي يقوم عليها عمل الليزر وذلك في‬ ‫أبحاثه حول الظاهرة الكهروضوئية (‬

‫‪ .)photoelectric‬وفي هذه الظاهرة لحظ العلماء‬ ‫أنه عند تسليط إشعاع كهرومغناطيسي ضوئي على‬ ‫سطح معدني فإن اللكترونات تنبعث من هذا السطح‬ ‫فقط إذا تجاوز تردد الضوء قيمة حدية معينة أما إذا‬ ‫كان تردد الضوء أقل من ذلك فإن اللكترونات ل‬ ‫تنبعث أبدا مهما بلغت شدة الضوء المسلط‪ .‬وبقيت هذه الظاهرة لغزا يحير العلماء إلى أن تمكن أينشتاين في‬ ‫عام ‪1905‬م من حل هذا اللغز بعد أن اثبت أن الضوء ذي طبيعة موجية وجسيمية وذلك على العكس من‬ ‫العتقاد السائد حينئذ وهو أن الضوء ذي طبيعة‬ ‫موجية فقط‪ .‬وقد أثبت أينشتاين أن الضوء وكذلك بقية‬ ‫أنواع الشعاعات الكهرومغناطيسية ليست سيل متصل‬ ‫من الطاقة بل تتكون من وحدات صغيرة يحمل كل‬ ‫منها كمية محددة من الطاقة أطلق عليها اسم الفوتونات‬ ‫(‪ .)photons‬وتتناسب كمية الطاقة التي يحملها‬ ‫الفوتون الواحد من الضوء طرديا مع تردد الضوء أما‬ ‫ثابت التناسب فهو رقم فيزيائي ثابت ل يتغير أبدا على‬ ‫كامل مدى الطيف الكهرومغناطيسي وقد أطلق عليه‬ ‫اسم ثابت بلنك (‪ )Planck's constant‬نسبة إلى‬ ‫الفيزيائي اللماني الشهير ماكس بلنك (‪Max‬‬

‫‪ )Planck‬الذي وضع أسس نظرية الكم (‪ .)quantum theory‬ولقد ساعد هذا الكتشاف إلى جانب تفسيره‬

‫لهذه الظاهرة على وضع نماذج صحيحة لتركيب الذرة وتبين أنها تتكون من إلكترونات تدور في مدارات‬ ‫محددة حول النواة وأن اللكترونات ل تنتقل من مدار منخفض الطاقة إلى آخر بطاقة أعلى إل من خلل‬ ‫تسليط إشعاعات كهرومغناطيسية عليها وبحيث تكون طاقة فوتون الشعاع أعلى من فرق الطاقة بين‬

‫المدارين‪ .‬أما عند هبوط إلكترون من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة فإن فرق الطاقة ينبعث على‬ ‫‪2‬‬

‫شكل إشعاع بحيث تكون طاقة الفوتون مساوية تماما لفرق الطاقة بين المدارين‪ .‬ولقد قام أينشتاين بدراسة‬ ‫التفاعلت بين الشعاعات الكهرومغناطيسية وذرات المادة وتمكن من وضع المعادلت التي تحكم هذه‬ ‫التفاعلت والتي سميت فيما بعد باسمه وقد تنبأ من خلل هذه المعادلت بوجود ما يسمى بظاهرة الشعاع‬ ‫المستحث (‪ )Stimulated Emission‬والتي يقوم عليها عمل الليزر‪ .‬ولقد حاول العلماء جاهدين للحصول‬ ‫على الشعاع المستحث إل أن جهودهم باءت بالفشل ووصل اليأس ببعضهم إلي إنكار وجود مثل هذه الظاهرة‬ ‫الضوئية‪ .‬وفي عام ‪1947‬م تمكن الفيزيائي المريكي وليس لمب (‪ )Willis Lamb‬عمليا من إثبات وجود‬ ‫ظاهرة الشعاع المستحث‪ .‬وفي عام ‪1954‬م تمكن الفيزيائي المريكي تشارلز تاون (‪Charles H.‬‬ ‫‪ )Townes‬من الحصول على إشعاع مستحث في نطاق المواج الدقيقة (‪ ) microwave‬وأطلق اسم الميزر‬ ‫(‪ )Maser‬على هذا الجهاز وهو مختصر للجملة النكليزية (‪Microwave Amplification by‬‬

‫‪ .)Stimulated Emission of Radiation‬وبهذا النجاز تجددت آمال العلماء للحصول على إشعاع‬ ‫مستحث في النطاق الضوئي المرئي أو غير المرئي ومن ثم تصنيع الليزر‪ .‬وفي عام ‪1955‬م اقترح‬ ‫الفيزيائيان الروسيان بروكوروف وباسوف (‪ )Prokhorov and Basov‬استخدام الضخ الضوئي (‬

‫‪ )optical pumping‬للحصول على ما يسمى التوزيع المقلوب لللكترونات وهو أحد شروط عمل الليزر‬ ‫كما سنبين ذلك بعد قليل‪ .‬وفي عام ‪1960‬م تمكن الفيزيائي المريكي ثيودور ميمان (‪Theodore‬‬ ‫‪ )Maiman‬من تصنيع أول ليزر في نطاق الضوء المرئي وهو يتكون من قضيب اسطواني من الياقوت‬ ‫النقي تم صقل جانبيه بدقة متناهية وقد تم لف قضيب الياقوت بمصباح كهربائي مكون من أنبوب زجاجي‬ ‫مملوء بغاز الزنون‪ .‬وعند تشغيل المصباح الكهربائي عمل الضوء الصادر عنه على إثارة ذرات الكروميوم‬ ‫الموجودة في الياقوت فقامت بإشعاع ضوء أحمر صافي خرج على شكل نبضات من أحد جانبي قضيب‬ ‫الياقوت‪ .‬وفي عام ‪1960‬م تمكن الفيزيائي اليراني علي جافان (‪ )Ali Javan‬والمريكي وليم بنت (‬ ‫‪ )William Bennett‬من تصنيع ليزر باستخدام غازي الهيليوم والنيون وكان يعطي إشعاعا مستمرا وليس‬

‫نبضيا كما هو الحال في ليزر الياقوت‪ .‬وفي عام ‪1962‬م تمكن المهندس المريكي روبرت هول (‪Robert‬‬ ‫‪ )Hall‬من تصنيع ليزر أشباه الموصلت (‪ )Semiconductor laser‬الذي يتميز بصغر حجمه‪ .‬وفي عام‬ ‫‪1964‬م تم تصنيع ليزر ثاني أكسيد الكربون والذي يتميز بقدرة إشعاعه العالية‪.‬‬

‫‪ 9-3‬مبدأ عمل الليزر‬ ‫قام أينشتاين في عام ‪1917‬م بدراسة تفاعل المواج الكهرومغناطيسية أو ما يسمى اختصارا بالشعاع (‬ ‫‪ )Radiation‬مع ذرات المادة ووجد أن هناك ثلثة أنواع من التفاعلت وهي أول المتصاص(‬

‫‪ )Absorption‬وفيها تقوم ذرات المادة بامتصاص فوتونات الشعاع المسلط عليها وتعمل طاقة الشعاع‬

‫الممتص على رفع اللكترونات من مدارات منخفضة الطاقة إلى مدارات عالية الطاقة وتصبح الذرات في‬ ‫حالة الثارة (‪ .)excited state‬ول يتم امتصاص الفوتونات من قبل المادة إل إذا كانت طاقتها تزيد عن‬

‫فرق الطاقة بين مدارات اللكترونات لذرات تلك المادة ولذا تكون المواد شفافة لجميع الشعاعات التي تقل‬

‫تردداتها عن قيم محددة تتحدد من التركيب الذري لتلك المواد كما هو الحال مع الزجاج‪ .‬أما التفاعل الثاني‬ ‫فهو النبعاث التلقائي (‪ )Spontaneous Emission‬وفيها تقوم الذرات المثارة بإشعاع موجات‬ ‫كهرومغناطيسية نتيجة نزول اللكترونات من المدارات عالية الطاقة إلى المدارات منخفضة الطاقة‪ .‬إن‬

‫‪3‬‬

‫الشعاع التلقائي الصادر عن المادة المثارة يسمى إشعاعا غير مترابط (‪ )Noncoherent radiation‬وذلك‬

‫لن اللكترونات تنزل من تلقاء نفسها وبطريقة عشوائية بين مدارات الذرة المختلفة ولذلك فإن هذا الشعاع‬ ‫يحتوي على عدد كبير جدا من الترددات وتعتمد مصادر الضوء العادية على ظاهرة النبعاث التلقائي في‬

‫عملها‪ .‬أما التفاعل الثالث فهو النبعاث المستحث (‪ )Stimulated Emission‬وفيها تقوم الذرات المثارة‬ ‫بإشعاع موجات كهرومغناطيسية‬ ‫نتيجة نزول اللكترونات من‬ ‫المدارات عالية الطاقة إلى المدارات‬ ‫منخفضة الطاقة ولكن ليس بطريقة‬ ‫تلقائية وعشوائية كما في النبعاث‬ ‫التلقائي بل نتيجة لحثها بإشعاع له‬ ‫تردد محدد‪ .‬إن الشعاع المستحث‬ ‫الصادر عن المادة المثارة يسمى‬ ‫إشعاع مترابط (‪ )Coherent‬وذلك‬ ‫لن الموجات الكهرومغناطيسية‬ ‫الناتجة عن نزول اللكترونات لها تردد (‪ )Frequency‬وطور (‪ )Phase‬يساويان تماما تردد وطور‬ ‫المواج التي قامت بحث اللكترونات على الشعاع ولذلك فإن هذا الشعاع له تردد واحد من الناحية النظرية‪.‬‬ ‫ويمكن حساب تردد الشعاع المنبعث من المادة من خلل تقسيم فرق الطاقة بين المدارين الذي انتقل بينهما‬ ‫اللكترون بثابت بلنك‪ .‬إن المبدأ الرئيسي الذي يقوم عليه عمل الليزر هو ظاهرة النبعاث المستحث التي‬ ‫شرحناها آنفا وهناك شروط ثلثة تلزم لكي يولد الليزر ضوءا مترابطا من خلل هذه الظاهرة‪ .‬أما الشرط‬ ‫الول فهو توفر ما يسمى بالتوزيع المقلوب (‪ )Population inversion‬لللكترونات في ذرات المادة التي‬

‫ستولد الضوء والذي يعني أن عدد اللكترونات في الحالة المثارة يجب أن يكون أعلى منها في الحالة غير‬ ‫المثارة‪ .‬وهذا الشرط ل يتحقق إل في مواد معينة تسمى‬ ‫الوسط الفعال (‪ )active medium‬التي يكون عدد‬ ‫المدارات في نطاق توصيلها (‪)conduction band‬‬ ‫ثلثة أو أكثر وبحيث يوجد مدار شبه مستقر (‬

‫‪ )metastable‬بين المدار منخفض الطاقة والمدار عالي‬ ‫الطاقة‪ .‬أما الشرط الثاني فهو توفر مصدر يقوم بضخ‬ ‫اللكترونات (‪ )Pumping‬من المدارات منخفضة الطاقة (غير المثارة) إلى المدارات عالية الطاقة (المثارة)‬

‫وذلك للحصول على التوزيع المقلوب لللكترونات‪ .‬أما الشرط الثالث فهو وجود نظام تغذية راجعة موجبة (‬ ‫‪ )Positive feedback‬لكي يعمل الليزر كمذبذب (‪ )Oscillator‬يقوم بتوليد تردد الضوء المطلوب وغالبا‬ ‫ما يتم استخدام المرايا (‪ )Mirrors‬للحصول على هذه التغذية الراجعة‪ .‬وعلى هذا فإن الليزر يعمل من‬ ‫خلل ضخ اللكترونات باستخدام مصدر ضخ خارجي كالضوء أو التيار الكهربائي من المدار الدنى إلى‬ ‫المدار العلى ومن ثم تهبط اللكترونات المثارة من خلل النبعاث التلقائي من المدار العلى إلى المدار شبه‬ ‫المستقر (‪ )metastable state‬والذي يقع بين المدارين الدنى والعلى حيث تبدأ اللكترونات بالتراكم في‬

‫هذا المدار لتنتج التوزيع المقلوب المنشود‪ .‬وإذا ما مر فوتون ضوئي بتردد محدد على المادة وهي في وضع‬ ‫‪4‬‬

‫التوزيع المقلوب فإنه سيحث بعض اللكترونات الموجودة في المدار شبه المستقر للنزول إلى المدار الدنى‬ ‫منتجة عددا من الفوتونات الضوئية لها نفس تردد وطور واتجاه الفوتون الذي قام بحثها أي أن الضوء المتولد‬ ‫سيكون له تردد واحد أي أنه أحادي اللون وذلك من الناحية النظرية‪ .‬وتستخدم المرايا لعكس بعض الفوتونات‬ ‫المتولدة لتمر من خلل ذرات المادة الفعالة لتوليد مزيدا من الفوتونات التي لها نفس الخصائص‪ .‬وعادة ما‬ ‫تكون أحد المرايا ذات معامل انعكاس يقرب من الواحد وذلك لتعكس جميع الضوء الساقط عليها بينما يكون‬ ‫معامل انعكاس المرآة الثانية أقل من واحد وذلك لتسمح لجزء من الضوء المتولد للخروج منها لستخدامه في‬ ‫التطبيقات المختلفة‪ .‬وبما أن الفوتونات المستحثة لها نفس تردد الفوتونات التي قامت بحثها وتسير بنفس اتجاه‬ ‫سيرها فإن ضوء الليزر الناتج سيكون أحادي اللون تقريبا ويسير باتجاه واحد وذلك على العكس من طبيعة‬ ‫ضوء المصادر الخرى‪ .‬ويخرج الضوء المتولد من الليزر في العادة إما على شكل نبضات (‪pulsed‬‬ ‫‪ )laser‬أو على شكل موجة مستمرة (‪ )continuous wave laser‬والذي يتحدد من التركيب الذري للمادة‬ ‫الفعالة ونوع وكمية الضخ المستخدم وكذلك طريقة تركيب الليزر‪.‬‬

‫خصائص ضوء الليزر‬ ‫يتميز ضوء الليزر على بقية أنواع الضوء الصادر‬ ‫عن المصادر الطبيعية كالشمس والمصابيح التقليدية‬ ‫والصناعية كالمصابيح الكهربائية بعدة خصائص‬ ‫مهمة تؤهله لستخدامه في كثير من التطبيقات‪ .‬ومن‬ ‫أهم هذه الخصائص ما يسمى بالتجاهية (‬ ‫‪ )Directionality‬وهي أن شعاع الليزر له زاوية‬ ‫انفراج (‪ )divergence angle‬غاية في الصغر‬ ‫بحيث يمكنه أن يسير لمسافات طويلة دون أن تتشتت‬ ‫طاقته‪ .‬فعلى سبيل المثال فإن زاوية انفراج شعاع ليزر نيون‪-‬هيليوم تبلغ جزئين من عشرة آلف جزء من‬ ‫الدرجة وهذا يعني أنه إذا ما تم إرسال شعاع هذا الليزر من الرض إلى القمر فسيكون قطره على القمر‬ ‫بحدود كيلومتر ونصف علما بأن المسافة بين الرض والقمر تبلغ ‪ 384‬ألف كيلومتر‪ .‬إن قطر شعاع هذا‬ ‫الليزر يبلغ ملليمترين عند خروجه من الليزر بينما سيكون قطره خمسة ملليمترات فقط بعد أن يسير ألف‬ ‫كيلومتر‪ .‬وتتحدد زاوية انفراج شعاع الليزر من عدة عوامل أهمها عرض الشعاع عند خروجه من المصدر‬ ‫وطول موجة الشعاع حيث تتناسب عكسيا مع عرض الشعاع البتدائي وطرديا مع طول الموجة أي أن‬ ‫الزاوية تقل مع زيادة عرض الشعاع ونقصان طول الموجة‪ .‬وتستغل خاصية التجاهية في تطبيقات كثيرة‬ ‫كقياس المسافات البعيدة والقصيرة على السواء والتأشير على الهداف بدقة متناهية كما في أنظمة المساحة‬ ‫ورسم الخطوط المستقيمة في أعمال النشاءات المختلفة‪ .‬أما الخاصية الثانية فهي علو شدة ضوء الليزر (‬ ‫‪ )high intensity light‬وذلك بسبب أن شعاع الليزر له مقطع عرضي صغير جدا قد ل يتجاوز في بعض‬ ‫أنواعه عدة ميكرومترات مربعة وبما أن جميع الطاقة الضوئية الصادرة عن الليزر رغم قلتها تتركز ضمن‬ ‫هذا المقطع الصغير فإنه بالمكان الحصول على شدة إضاءة قد تزيد بمليين المرات عن شدة الضوء الصادر‬ ‫عن الشمس أو المصابيح الكهربائية ولهذا فيمكن لشعاع الليزر أن يسير لمسافات كبيرة جدا دون أن يخبو‬ ‫ضوءه‪ .‬ولتوضيح ذلك فإن ليزر بقدرة واحد واط وبمقطع عرضي مساحته ألف ميكرومتر مربع يعطي ضوء‬

‫‪5‬‬

‫شدته بليون واط لكل متر مربع أي يزيد بمليون مرة عن شدة ضوء الشمس على سطح الرض‪ .‬وتستغل هذه‬ ‫الخاصية للضوء في حفر وقطع ولحام المواد بدقة كبيرة وفي إجراء العمليات الجراحية ومعالجة كثير من‬ ‫أمراض العيون والجلد‪ .‬أما الخاصية الثالثة فهي أحادية اللون (‪ )Monochromaticity‬حيث أن ضوء‬ ‫الليزر يتكون من حزمة ضيقة جدا من الترددات الضوئية بعكس أنواع الضوء الخرى التي تتكون من طيف‬ ‫واسع جدا من الترددات ولذا فإنها تبدو للعين كضوء أبيض يحتوي على جميع ألوان الطيف المرئي بينما يبدو‬ ‫ضوء الليزر بلون واحد فقط عالي النقاء‪ .‬وتستغل هذه الخاصية في استخدام ضوء الليزر كحامل للمعلومات‬ ‫بدل من الحاملت الراديوية خاصة في أنظمة اتصالت اللياف الضوئية التي تتطلب وجود مصادر ضوئية‬ ‫أحادية اللون أي أن عرض نطاق ترددات ضوءها غاية‬ ‫في الصغر‪ .‬أما الخاصية الرابعة فهي الترابط (‬ ‫‪ )Coherence‬وهي أن الترددات التي يتكون منها شعاع‬ ‫الليزر لها نفس الطور (‪ )phase‬وكذلك نفس الستقطاب‬ ‫(‪ )polarization‬وتستغل هذه الخاصية للحصول على‬ ‫أشكال تداخلية (‪ )interference patterns‬ل يمكن‬ ‫الحصول عليها من خلل استخدام أنواع الضوء الخرى‪.‬‬ ‫ويستخدم التداخل الضوئي (‪ )Interferometry‬في‬ ‫أشعة الليزر في تطبيقات ل حصر لها كما في قياس‬ ‫المسافات والسرعات ودراسة تركيب المواد والتصوير‬ ‫ثلثي البعاد‪ .‬أما الخاصية الخامسة فهي أنه يمكن التحكم بجهاز الليزر بحيث يتم إطلق ضوءه على شكل‬ ‫نبضات بمعدلت محددة ويمكن كذلك التحكم بعرض النبضة ليصل في بعض التطبيقات إلى عدة أجزاء من‬ ‫مليون بليون جزء من الثانية‪ .‬ومن خلل تقليل عرض النبضة الضوئية فإنه يمكن الحصول على شدة ضوء‬ ‫غاية في العلو قد تصل إلى آلف الميجاواطات ولكن لفترات زمنية قصيرة جدا وذلك مهما كانت كمية الطاقة‬ ‫التي تحملها النبضة‪ .‬وتستخدم هذه الخاصية في تطبيقات ل حصر لها كإذابة أو تبخير المعادن أو قطع ولحام‬ ‫مختلف أنواع المواد أو إجراء العمليات الجراحية أو تسريع التفاعلت الكيميائية وحتى النووية‪ .‬إن أهم عيوب‬ ‫الليزر هو تدني كفاءة تحويل الطاقة فيه حيث تتراوح بين واحد بالمائة وعشرين بالمائة لمعظم أنواعه وهذا‬ ‫يعني أنه يلزم للحصول على واط واحد من ضوء ليزر كفاءته واحد بالمائة تزويده بمائة واط من الطاقة حيث‬ ‫تضيع التسعة وتسعون واط المتبقية كحرارة في داخل جسم الليزر وهذا يتطلب أنظمة تبريد معقدة خاصة في‬ ‫النواع التي تنتج قدرات عالية قد تصل لعدة كيلواطات كليزر ثاني أكسيد الكربون‪.‬‬

‫‪ 9-4‬أنواع الليزر‬ ‫يتحدد نوع الليزر ومواصفات الضوء الصادر عنه من نوع المادة الفعالة ونوع مصدر الضخ وكذلك طريقة‬ ‫التغذية الخلفية المستخدمة فيه‪ .‬وتنقسم أنواع الليزر من حيث طبيعة المادة الفعالة إلى أنواع كثيرة أهمها‬ ‫ليزارات الحالة الصلبة والليزرات الغازية والليزرات شبه الموصلة وليزرات الصباغ والليزرات الكيميائية‬ ‫وليزرات بخار المعادن‪ .‬أما طريقة الضخ فقد تكون باستخدام الضوء المرئي أو غير المرئي أو المواج‬ ‫الكهرومغناطيسية الراديوية أو بتمرير أو تفريغ التيار الكهربائي أو من خلل التفاعلت الكيميائية‪ .‬أما طريقة‬

‫‪6‬‬

‫التغذية الخلفية فتعتمد على نوع المادة الفعالة فقد تتم من خلل صقل الوجه إذا كانت في الحالة الصلبة أو‬ ‫باستخدام المرايا إذا كانت في الحالة السائلة أو الغازية وتعتمد كذلك على شكل المرايا فيما إذا كانت مسطحة‬ ‫أو مقعرة ودرجة إنعكاسيتها (‪ .)reflectivity‬وفي كل نوع من هذه النواع الرئيسية يوجد أنواع فرعية‬ ‫تتمايز بخصائص مختلفة مثل طول موجة الضوء وشدة الضوء المنبعث ومساحة مقطع الشعاع وزاوية‬ ‫انفراج الشعاع وفيما إذا كان الضوء المنبعث متواصل (‪ )continuous‬أو نبضيا (‪ )pulsed‬وإمكانية التحكم‬

‫بمعدل وعرض النبضات وكذلك حجم ووزن جهاز الليزر و قيمة الجهد والتيار اللزمين لتشغيله وكفاءة‬ ‫التحويل وعمر التشغيل الفتراضي‪ .‬ويتوفر في السواق الن ليزرات بأطوال موجة تبدأ بمائة نانومتر‬

‫وتنتهي عند ألف ميكرومتر أي أنها تغطي كامل طيف الشعة فوق البنفسجية وكامل طيف الضوء المرئي‬ ‫(من ‪ 400‬إلى ‪ 760‬نانومتر) وكامل طيف الشعة تحت الحمراء‪ .‬ولكن معظم أنواع الليزرات تعطي ضوءا‬ ‫في المنطقة المرئية والمنطقة تحت الحمراء القريبة(‪ )near IR‬والمتوسطة(‪ ) medium IR‬وجزء من‬ ‫المنطقة فوق البنفسجية‪ .‬أما كمية الطاقة التي تولدها الليزرات فتتراوح من أجزاء المللي واط وتصل لعدة‬ ‫عشرات كيلواط إذا كان الضوء متصل أما‬ ‫إذا كان على شكل نبضات فقد تصل القدرة‬ ‫القصوى للف بليون واط ولكم لفترات زمنية‬ ‫بالغة القصر تقاس بأقل من البيكوثانية‪.‬‬

‫ليزرات الحالة الصلبة (‪Solid-State‬‬ ‫‪)Lasers‬‬ ‫تتكون ليزرات الحالة الصلبة من جسم زجاجي أو بلوري أو حتى خزفي يتم تطعيمه بذرات مادة فعالة‬ ‫تنطبق عليها شروط النبعاث المستحث‪ .‬وعادة ما يكون الليزر على شكل قضيب أسطواني يتم صقل وجهيه‬ ‫ليعمل كمرايا عاكسة لتحقق شرط التغذية الخلفية‪ .‬أما نظام الضخ فيها فهو في الغالب الضوء الصادر من‬ ‫مصابيح غازية كهربائية يتم ملؤها بغاز مناسب لتعطى تردد ضوء الضخ المطلوب ويتم لف أنبوب المصباح‬ ‫على جسم قضيب الليزر بشكل حلزوني‪ .‬وفي النواع الحديثة بدأ باستخدام ثنائيات الليزر (‪)laser diodes‬‬ ‫في عملية الضخ بدل من المصابيح الغازية وذلك لصغر حجمها وانخفاض أثمانها حيث يتم تسليط ضوء‬ ‫ثنائي الليزر مباشرة على قضيب ليزر الحالة الصلبة‪ .‬لقد كان ليزر الحالة الصلبة أول النواع ظهورا بعد‬ ‫أن تمكن الفيزيائي المريكي ثيودور ميمان (‪ )Theodore Maiman‬في عام ‪1960‬م من تصنيع ليزر‬ ‫الياقوت (‪ )Ruby laser‬والذي يتكون من قضيب اسطواني من الياقوت النقي (‪ )CrAlO3‬الذي يحتوى على‬ ‫ذرات الكروميوم الفعالة بشكل طبيعي وقد تم استخدام مصباح غاز الزنون في عملية الضخ ويولد ضوء‬ ‫بطول موجة ‪ 694‬نانومتر أي ضوء أحمر نقي‪ .‬يوجد الن عشرات النواع من ليزرات الحالة الصلبة‬ ‫ويستخدم في معظم هذه النواع أجسام بلورية اصطناعية كمثل حجر الياق (‪Yttrium Aluminium‬‬ ‫‪ )Garnet)YAG(Y3Al5O12‬وهو حجر كريم اصطناعي يعطي ألوان مختلفة عند تطعيمه بالعناصر‬ ‫المختلفة‪ .‬وعند استخدامه في الليزر يتم تطعيمه بعناصر فعالة تكون في الغالب من العناصر الرضية النادرة‬ ‫(‪ )rare earth elements‬لتعطي طيفا واسعا من الترددات فليزر الياق المطعم بالربيوم (‪Er:YAG‬‬

‫‪ )laser‬يعطي ضوء بطول موجة ‪ 2940‬نانومتر أي المنطقة تحت الحمراء البعيدة وبسبب طول موجته فإنه‬ ‫‪7‬‬

‫يستخدم في التطبيقات الطبية ويتميز‬ ‫بأن عملية الضخ تتم عند نطاق واسع‬ ‫من الترددات تمتد من ‪ 600‬إلى ‪800‬‬ ‫نانومتر‪ .‬أما ليزر الياق المطعم‬ ‫بالنيوديميوم (‪)Nd:YAG laser‬‬

‫فيعطي ضوء بطول موجة ‪ 1064‬نانومتر أي في المنطقة تحت الحمراء القريبة ومن ميزاته أنه يولد قدرات‬

‫عالية قد تصل لعدة كيلواطات مما يناسب الغراض الصناعية‪ .‬ولكن من سيئاته أنه يحتاج لمصدر ضخ‬ ‫بطول موجة محدد وهو ‪ 807‬نانومتر وبعرض نطاق ل يتجاوز واحد نانومتر ولكن عند إضافة الكروم إليه‬ ‫فإن نطاق الضخ يتسع بشكل كبير جدا بحيث يمكن استخدام ضوء الشمس القوي في عملية الضخ‪ .‬أما ليزر‬ ‫الياق المطعم باليتربيوم (‪ )Yb:YAG laser‬فيعطي ضوء بطول موجة ‪ 1030‬نانومتر أي في المنطقة‬ ‫تحت الحمراء القريبة ومن ميزاته أنه يولد قدرات عالية ويضخ بطول موجة ‪ 940‬نانومتر وبعرض نطاق‬ ‫‪ 18‬نانومتر‪.‬‬

‫الليزرات الغازية (‪)Gas Lasers‬‬ ‫يتكون الليزر الغازي من أنبوبة مملوءة بغازات معينة تحت ضغط منخفض توضع بين مرآتين عاكستين وتتم‬ ‫عملية الضخ من خلل التفريغ الكهربائي في الغاز وذلك عند تسليط جهد كهربائي عالي بين أقطاب موجودة‬ ‫عند طرفي النبوبة‪ .‬وتتميز الليزرات الغازية برخص أثمانها وبإمكانية تصنيعها بأحجام كبيرة وقدرات عالية‬ ‫وبطول عمر تشغيلي كبير‪ .‬ومن أشهر أنواع الليزرات الغازية ليزر هيليوم_نيون (‪ )HeNe laser‬الذي‬ ‫يشع ضوءا أحمر بطول موجة ‪ 633‬نانومتر وبقدرة تتراوح بين واحد ومائة ملي واط ويتراوح طوله بين‬ ‫خمسة عشر إلى خمسين سنتيميتر ويحتاج إلى ما يقرب من ألف فولت لتفريغ التيار الكهربائي خلل الغاز‪.‬‬ ‫أما ليزر ثاني أكسيد الكربون (‪ ))CO2 laser‬فإنه من أقوى الليزرات ويشع ضوءا متصل غير مرئي في‬ ‫نطاق الشعة تحت الحمراء البعيدة بطول موجة ‪ 9.4‬ميكرومتر وبقدرات تبدأ من عدة مللي واطات وقد‬ ‫تصل لعدة مئات الكيلواطات وبكفاءة قد تصل إلى عشرين بالمائة ولذا فهو يستخدم في قطع ولحام المعادن‬ ‫بسبب قدرته العالية وكذلك يستخدم بسبب طول موجته الكبيرة في معالجة المراض الجلدية وفي الجراحة‪.‬‬ ‫أما ليزر النيتروجين فإنه يشع ضوءا نبضيا غير مرئي في نطاق الشعة فوق البنفسجية بطول موجة ‪337‬‬ ‫نانومتر وبقدرة عند الذروة قد تصل ألف كيلواط‪ .‬أما ليزر الرغون فإنه يشع ضوءا متصل في نطاق‬ ‫الشعة فوق البنفسجية والمرئية وبقدرات ل تتجاوز الواط الواحد‪ .‬وأما ليزر الكسايمر (‪ )Excimer‬والذي‬

‫تتكون مادته من خليط من غازات فعالة كالفلور والكلور مع غازات خاملة كالرغون والزنون بنسب محددة‬ ‫ويشع ضوءا نبضيا غير مرئي في نطاق الشعة فوق البنفسجية وتتراوح طول موجته بين ‪ 126‬و ‪337‬‬

‫نانومتر وذلك حسب نوع خليط الغازات وبسبب قصر طول موجته فإن له شعاع دقيق جدا قد يصل قطره إلى‬ ‫ربع ميكرومتر ولذا فإنه يستخدم في الجراحة وفي تصحيح البصر وفي رسم الدوائر اللكترونية على رقائق‬ ‫أشباه الموصلت‪.‬‬

‫‪8‬‬

‫الليزرات شبه الموصلة (‬ ‫‪)Semiconductor Lasers‬‬ ‫يتكون الليزر شبه الموصل من بلورة من‬ ‫مادة شبه موصلة يتم تطعيمها بعناصر مانحة‬ ‫وأخرى مستقبلة لتصبح على شكل وصلة‬ ‫موجب_سالب (‪ )PN junction‬أي ثنائي (‬ ‫‪ )diode‬ولذلك يغلب على اسمه ثنائي الليزر (‬ ‫‪ .)laser diode‬ويتم صقل وجهين متعامدين‬ ‫من أوجه البلورة للحصول على التغذية الخلفية‬ ‫وأما عملية الضخ فتتم من خلل تمرير تيار في‬ ‫هذه الوصلة وإذا ما تجاوزت قيمة التيار قيمة‬ ‫حدية (‪ )threshold‬فإن الثنائي يبدأ بتوليد ضوء الليزر‪ .‬ولكي يعمل الليزر يحتاج أن يكون سمك المادة‬

‫الفعالة ضئيل جدا تقاس بالميكرومترات وذلك للحصول على كثافة تيار عالية جدا قد تصل لعشرات اللف‬

‫أمبير للسنتيمتر المربع‪ .‬إن هذا السمك الضئيل للطبقة الفعالة يعطي عرض شعاع دقيق جدا عند خروجه من‬ ‫الليزر مما يزيد من زاوية انفراج الشعاع كما شرحنا سابقا ولهذا يتطلب استخدام عدسات للحصول على‬ ‫شعاع بزاوية انفراج صغيرة‪ .‬ول تستخدم المواد شبه الموصلة الساسية وهي السيليكون والجرمانيوم في‬ ‫هذه الليزرات لعدم تحقيقها لكامل شروط عمل الليزر بل يتم استخدام مواد شبه موصلة مركبة من عناصر‬ ‫العامود الثالث والخامس في الجدول الدوري ويمكن الحصول على مدى واسع من الترددات من خلل اختيار‬ ‫نوع العناصر ونسب خلطها‪ .‬فعلى سبيل المثال فإن ليزر الجاليوم‪ -‬الزرنيخ (‪ )GaAs‬يولد ضوء بطول‬ ‫موجي من ‪ 800‬إلى ‪ 900‬نانومتر وليزر (‪ )AlGaAs‬يولد ضوء تتراوح أطواله الموجية بين ‪ 630‬و ‪900‬‬ ‫نانومتر بينما يولد ليزر (‪ )InGaAsP‬ترددات تتراوح أطوالها الموجية بين ‪ 1000‬و ‪ 2100‬نانومتر‪.‬‬ ‫وتتميز الليزرات شبه الموصلة بصغر حجمها البالغ والتي قد تصل ما دون حجم حبة العدس بل يمكن تصنيع‬ ‫أعداد كبيرة منها على نفس القاعدة وبسهولة عملية الضخ فيها من خلل استخدام التيار الكهربائي إلى جانب‬ ‫إمكانية إنتاجها بكميات كبيرة جدا‪ .‬وبسبب هذه الميزات انتشر استخدامها في التطبيقات التي تحتاج ليزرات‬ ‫صغيرة الحجم ول تستهلك كمية كبيرة من الطاقة كما في أنظمة التصالت الضوئية وفي القراص الضوئية‬ ‫المدمجة وفي الطابعات وفي أجهزة المساحة وقارئات الباركود وفي خطوط النتاج وغيرها الكثير‪ .‬وقد أنتج‬ ‫من الليزرات شبه الموصلة في عام ‪2004‬م فقط ما يقرب من ‪ 750‬مليون ليزر بينما كان مجموع ما أنتج‬ ‫من بقية أنواع الليزر ‪ 150‬مليون ليزر‪.‬‬

‫ليزرات الصباغ (‪)Dye Lasers‬‬ ‫يستخدم ليزر الصباغ بعض المواد العضوية كمادة فعالة وغالبا ما تكون مذابة في محلول سائل ومن هذه‬ ‫المواد العضوية الروداماين (‪ )Rhodamine‬والفلوروسين (‪ )Fluorescein‬والتتراسين (‪)Tetracene‬‬ ‫وغيرها‪ .‬ويتم وضع المحلول في أنبوبة زجاجية من الكوارتز يتم طلي سطحيها المتقابلين بالفضة للحصول‬

‫‪9‬‬

‫على المرايا العاكسة‪ .‬وغالبا ما تتم عملية الضخ باستخدام ضوء أنواع أخرى من الليزرات وخاصة التي تولد‬ ‫الضوء الخضر‪ .‬وتتميز ليزرات الصباغ بإمكانية توليف (‪ )tuning‬للحصول على أطوال أمواج محددة‬

‫وكذلك بإمكانية الحصول على نبضات ضوئية غاية في القصر والتي تلزم في بعض التطبيقات البحثية فعلى‬ ‫سبيل المثال فإن ليزر الرودامين يمكن توليفه من ‪ 570‬إلى ‪ 640‬نانومتر‪.‬‬

‫الليزرات الكيميائية (‪)Chemical Lasers‬‬ ‫يعتمد هذا النوع من الليزرات في عمله على‬ ‫التفاعلت الكيميائية بين بعض العناصر حيث تثار‬ ‫اللكترونات إلى المدارات العليا أثناء عملية التفاعل‬ ‫مما يؤدي إلى حدوث التوزيع المقلوب لللكترونات‬ ‫ومن ثم النبعاث المستحث‪ .‬وتتميز الليزرات‬ ‫الكيميائية كليزر الهيدروجين والفلور وليزر‬ ‫الوكسجين واليود بقدرتها على توليد نبضات ذات‬ ‫قدرات عالية قد تصل إلى الميجاواط ولذلك فإن أكثر‬ ‫استخداماتها في أسلحة الليزر حيث تستخدم نبضات الليزر عالية الطاقة في تدمير الهداف بدل من القذائف‬ ‫التقليدية‪ .‬ولكن العيب في هذا النوع من الليزرات هو في أنها كبيرة الحجم قد تحتل عدة غرف وتحتاج كذلك‬ ‫إلى إمداد مستمر بالمواد الكيميائية لكي تعمل ولذلك فإنه يصعب نقلها إل من خلل تركيبها في السفن أو في‬ ‫الطائرات الكبيرة‪.‬‬ ‫ويوجد أنواع أخرى من الليزرات كليزرات بخار المعادن (‪ )metal-vapor lasers‬والتي تولد ضوء في‬ ‫النطاق المرئي وفوق البنفسجي منها ليزرات هيليوم‪-‬كادميوم وهيليوم‪-‬زئبق وهيليوم‪-‬فضة وغيرها‪ .‬وكذلك‬ ‫ليزرات اللكترون الحر (‪ )free electron lasers‬والقادرة على توليد ضوء موجات ضمن نطاق يمتد من‬ ‫‪ 100‬نانومتر لعدة ملليمترات وتستخدم في التطبيقات الطبية ودراسة مكونات الجو‪ .‬وكذلك ليزرات الليف‬ ‫الزجاجي (‪ )glass fiber lasers‬حيث يتم تطعيم قلب الليف بمواد فعالية كالربيوم وتتم عملية الضخ‬

‫باستخدام ضوء ليزر آخر ومن أشهر أنواعها مضخم الليف المطعم بالربيوم (‪Erbium Doped Fiber‬‬

‫‪ )Amplifier‬وليزر رامان (‪ )Raman laser‬والتي تولد أطوال أمواج تمتد من ‪ 1000‬إلى ‪ 2000‬نانومتر‬ ‫وعادة ما يتم استخدامها كمضخمات للشارات الضوئية في أنظمة التصالت الضوئية‪.‬‬

‫‪ 9-5‬استخدامات الليزر‬ ‫يستخدم الليزر بسبب خصائص ضوئه المميزة في تطبيقات ل حصر لها بدأت منذ اختراعه في عام ‪1960‬م‪.‬‬ ‫وعادة ما يعتمد التطبيق على خاصية واحدة أو أكثر من خصائص ضوء الليزر التي شرحناها سابقا ولذلك‬ ‫نجد أن لكل تطبيق يوجد أنواع معينة من الليزرات التي تناسبه‪ .‬فبعض التطبيقات تحتاج لطوال موجات‬ ‫محددة حيث ل يمكنها العمل على أطوال الموجات الخرى كما في جراحة العيون وبعضها يحتاج لقدرات‬ ‫ضمن مدى محدد قد تكون منخفضة أو عالية وبعضها يحتاج لعرض شعاع دقيق وأخرى عريض وهكذا لبقية‬ ‫‪10‬‬

‫المواصفات‪ .‬فأنظمة التصالت على سبيل المثال تحتاج لليزرات صغيرة الحجم قليلة القدرة وبعرض نطاق‬ ‫ضيق جدا بينما يحتاج قطع المعادن وتشكيلها ليزرات عالية القدرة قد تصل لعشرات الكيلواطات ول يضير‬ ‫كبر حجمها ول عرض نطاقها وهكذا لبقية التطبيقات‪ .‬ومن الصعب جدا حصر استخدامات الليزر لكثرتها‬ ‫وسنبين فيما يلي بعض التطبيقات الرئيسية لليزرات‪.‬‬

‫التطبيقات الصناعية‬ ‫يقوم الليزر بمهام ل حصر لها في قطاع الصناعة حيث‬ ‫يستخدم شعاع الليزر عالي التركيز في قص وقطع اللواح‬ ‫المعدنية والخشبية والبلستيكية والمطاطية والزجاجية‬ ‫والخزفية وكذلك الورق والقماش بدقة متناهية وبالشكال‬ ‫المطلوبة وذلك تحت سيطرة الحواسيب والمتحكمات الدقيقة‪.‬‬ ‫وعادة ما يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الياق –‬ ‫نيوديميم (‪ )Nd:YAG‬في مثل هذه التطبيقات حيث يمكن‬ ‫للنوع الول توليد قدرات ضوئية قد تصل لعدة كيلواطات‬ ‫ولكن بشعاع قد يصل قطره لعدة سنتيمترات ولذلك يلزم‬ ‫استخدام العدسات لتركيز هذا الشعاع ليكون قطره بعدة ميكرومترات‪ .‬فعلى سبيل المثال يمكن لليزر ثاني‬ ‫أكسيد الكربون بقدرة ألف واط أن يقطع لوح حديد بسمك ‪ 25‬مليمتر بعد تركيز شعاعه باستخدام العدسات‪.‬‬ ‫ويستخدم الليزر في عملية لحام مختلف أنواع المعادن دون أن يترك آثار اللحام التي تتركها معدات اللحام‬ ‫التقليدية‪ .‬ويستخدم كذلك لعمل الثقوب بمختلف المقاسات في مختلف أنواع المعادن مهما بلغت صلبتها وكذلك‬ ‫ثقب الماس الذي ل يمكن لي مثقب معدني أن يثقبه‪ .‬ويمكن عمل ثقوب بالغة الصغر باستخدام ليزر الياق –‬ ‫نيوديميم (‪ )Nd:YAG‬بحيث يصل قطرها إلى عدة ميكرومترات وهذا ما ل يمكن إنجازه بأي أداة غير‬ ‫الليزر‪ .‬ويستخدم الليزر في صهر وتبخير المعادن في مواضع محددة دون التأثير على المناطق المجاورة‬ ‫وكذلك تشكيل وصنفرة القطع المستخدمة في مختلف أنواع اللت والجهزة والمعدات‪ .‬ويستخدم كذلك في‬ ‫الحفر والكتابة على أسطح مختلف أنواع المواد المعدنية والزجاجية والخزفية وبخطوط متناهية في الصغر‪.‬‬ ‫ويستخدم بكثرة في صناعة اللكترونيات حيث يقوم برسم خطوط الدوائر اللكترونية على رقائق الدوائر‬ ‫المتكاملة والتي قد يصل عرضها إلى أجزاء من الميكرومتر وكذلك الرسم على اللواح المطبوعة وفي‬ ‫تشكيل العناصر اللكترونية كالمقاومات والمكثفات والمحاثات‪ .‬ويستخدم كذلك في خطوط النتاج لضبط‬ ‫حركة الجسام على الحزمة المتحركة وفي تصنيف المنتجات وكتابة الشيفرات عليها‪.‬‬

‫التطبيقات الطبية‬ ‫تستخدم أشعة الليزر بمختلف أنواعها في الجراحة‬ ‫وفي مجال طب السنان وطب العيون والمراض‬ ‫الجلدية‪ .‬ففي مجال طب وجراحة العيون يستخدم‬

‫‪11‬‬

‫الليزر في علج العتمات السطحية للقرنية وفي علج العيوب النكسارية للعين كقصر النظر وطول النظر‬ ‫والستجماتيزم وذلك عن طريق العديد من التقنيات أهمها تقنية‬ ‫الليزك (‪ )LASIK‬وتقنية اللزك ((‪ LASEK‬وغالبا ما يستخدم‬

‫ليزر الكسايمر (‪ )Excimer‬في هذا النوع من العلج بسبب قصر‬ ‫طول موجته وصغر قطر شعاعه‪ .‬وتستخدم كذلك في علج المياه‬ ‫البيضاء والزرقاء في العين من خلل إجراء ثقوب صغيرة جدا في‬ ‫قزحية العين يعمل على تصريف هذه المياه والتخفيف من ضغط‬ ‫العين‪ .‬ويستخدم الليزر في علج أمراض الشبكية الناتجة عن مرض‬ ‫السكري أو غيره من المراض كوقف نزيف الشبكية من خلل كي‬ ‫نهايات الوعية الدموية وكذلك وقف انفصال الشبكية عن الملتحمة‬ ‫من خلل كيها باستخدام ليزر الرغون‪ .‬وفي الجراحة يتم استخدام شعاع الليزر كمشرط في العمليات‬ ‫الجراحية حيث يتميز بدقته العالية إلى جانب عدم حدوث أي نزيف في مكان الجرح بسبب قيامه بلحام‬ ‫النهايات الطرفية للشعيرات الدموية ويستخدم كذلك بإزالة الورام بمختلف أنواعها من خلل تبخيرها بدل من‬ ‫استئصالها بالمشرط مما يقلل من الضرر على النسجة السليمة‬ ‫المحيطة بها وخاصة في العضاء الحساسة كالدماغ والكبد‬ ‫والعيون‪ .‬ومن أنواع الليزر المستخدمة في هذا المجال ليزر ثاني‬ ‫أكسيد الكربون والرغون‪ .‬وفي طب السنان يستخدم الليزر‬ ‫لحفر السنان بشكل بالغ الدقة وكذلك لتنظيف أسطحها‪ .‬وفي‬ ‫المراض الجلدية يستخدم الليزر لزالة البثور وحب الشباب‬ ‫والتجاعيد والوحمات والنمش وآثار الحروق والوشم والشعر‬ ‫الزائد وفي معالجة بعض المراض الجلدية كالبهاق والصدفية‪ .‬ويستخدم الليزر في تفتيت حصى الكلى‬ ‫والمرارة وإزالة الورام في داخل أعضاء جسم النسان وذلك من خلل نقل شعاعه بواسطة ألياف زجاجية‬ ‫دقيقة يمكن إدخالها بكل سهولة في التجويفات والمسالك والعروق أو من خلل ثقوب صغيرة يتم فتحها في‬ ‫جلد الجسم‪.‬‬

‫التطبيقات العسكرية‬ ‫يستخدم الليزر في التطبيقات العسكرية لداء مهام مختلفة من أهمها تحديد بعد الهدف بشكل بالغ الدقة ومن ثم‬ ‫تعطى المعلومات لمصادر النيران كالمدافع وقاذفات الصواريخ لطلق قذائفها بشكل دقيق نحو الهدف‪ .‬أما‬ ‫المهمة الثانية فهي في توجيه الصواريخ نحو أهدافها من خلل إضاءة الهدف بضوء ليزر غير مرئي‬ ‫ويستخدم الصاروخ الضوء المنعكس من الهدف في إرشاده نحو الهدف‪ .‬وعادة ما يتم استخدام ليزر نبضي‬ ‫مشفر ويتم تخزين معدل النبضات والشيفرة في الصاروخ الموجه لكي ل يستجيب لضواء الليزرات الخرى‪.‬‬ ‫ويستخدم ضوء الليزر لشل حركة المقاتلين المشاة من خلل تسليط الضوء على أعينهم فيصيبهم بالعمى الدائم‬ ‫أو المؤقت وكذلك الدوخان‪ .‬ويستخدم ضوء الليزر كذلك في التشويش على النظمة اللكترونية وأنظمة‬ ‫‪12‬‬

‫التصالت من خلل تعطيل بعض المعدات المكشوفة والتي يصعب حمايتها كالهوائيات والكاميرات وغيرها‪.‬‬ ‫ويستخدم الليزر كسلح لتدمير الهداف حيث تستخدم نبضات الليزر عالية الطاقة في تدمير الهداف بدل من‬ ‫القذائف التقليدية والتي تتميز بسرعة وصولها إلى الهدف وهي‬ ‫سرعة الضوء وكذلك عدم حيودها عن مسارها أبدا كما هو الحال‬ ‫مع القذائف التقليدية التي تنحرف عن مسارها نتيجة للجاذبية‬ ‫الرضية‪ .‬وتلزم مثل هذه السلحة الليزرية لتدمير الهداف البعيدة‬ ‫وكذلك السريعة كتدمير الصواريخ المختلفة قصيرة وبعيدة المدى‬ ‫والصواريخ العابرة للقارات قبل وصولها لهدافها‪ .‬وتستخدم كذلك‬ ‫لتدمير الدبابات والدروع وحاملت الجند والطائرات‪ .‬ولكن ل‬ ‫زالت طاقة هذه السلحة دون المستوى المطلوب خاصة عند ضرب الهداف البعيدة حيث أن شدة شعاع‬ ‫الليزر تقل مع زيادة المسافة‪ .‬وغالبا ما تستخدم الليزرات الكيميائية في مثل هذه التطبيقات بسبب طاقتها‬ ‫العالية ولكن وبسبب كبر حجمها وحاجتها لكميات كبيرة من المواد الكيمائية فإنه يلزم استخدام طائرات أو‬ ‫سفن كبيرة الحجم لحمل هذه الليزرات مع المواد الكيميائية اللزمة لتشغيلها‬ ‫كما هو واضح من الصورة المرفقة لطائرة كبيرة الحجم تحمل مثل هذه‬ ‫الليزرات ويتم إطلق ضوء الليزر من مقدمتها‪.‬‬

‫الليدار أو رادار الليزر ( ‪)Lidar or Laser Radar‬‬ ‫الليدار هو نظير الرادار حيث يستخدم الموجات الضوئية بدل من موجات‬ ‫الميكروويف في عمله ولذا فقد تم استبدال كلمة الميكروييف بكلمة الضوء في تسميته فأصبحت الجملة على‬ ‫النحو التالي‪:‬‬

‫(‪ )Light Detection and Ranging‬ويطلق عليه في الغالب اسم رادار الليزر (‪laser‬‬

‫‪ )radar‬لعدم شيوع كلمة الليدار‪ .‬وعلى الرغم من أن شعاع الليزر أضيق‬

‫بكثير من شعاع الميكروويف وبإمكانه أن يعطي قياسات بالغة الدقة عن الهدف‬ ‫إذا ما أصابه إل أنه ل يقوم مقام الرادار في كثير من التطبيقات وخاصة في‬ ‫كشف الهداف وذلك لستحالة مسح كامل الفضاء بشعاع الليزر بسبب أن‬ ‫مقطع شعاعه بالغ الصغر‪ .‬هذا إلى جانب إلى أن حساسية المستقبلت الضوئية‬ ‫ليست بكفاءة المستقبلت الراديوية حيث تقل عنها بمئات المرات وكذلك‬ ‫صعوبة استخدام هوائيات كبيرة الحجم لجمع أشعة الضوء المنعكس كما هو‬ ‫الحال مع الرادار مما يمنع من استخدامه في كشف الهداف البعيدة‪ .‬وبسبب‬ ‫هذه المشاكل في رادار الليزر فقد اقتصر استخدامه في قياس بعد الهداف بعد‬ ‫أن يتم اكتشافها بالعين المجردة أو بالرادار العادي‪ .‬يستخدم الليدار في قياس المسافات بدقة متناهية في كثير‬ ‫من التطبيقات كما في أنظمة المساحة وفي كافة أعمال البناء للتأكد من استقامة البناء وتدقيق مد خطوط نقل‬

‫‪13‬‬

‫النفط وبناء الجسور وحفر النفاق وفي تحديد بعد الهداف العسكرية وفي تحديد ارتفاع الطائرات سطح‬ ‫الرض‪ .‬ويستخدم رادار الليزر بقياس سرعة الهداف من خلل معالجة زمن وصول النبضات المرتدة عن‬ ‫الهدف كما في الرادارات الحديثة التي تستخدمها الشرطة لمراقبة سرعة المركبات على الطرق‪ .‬إن أكثر‬ ‫استخدامات رادار الليزر هو في أنظمة الستشعار عن بعد (‪ )remote sensing‬حيث يستخدم في رسم‬ ‫الخرائط الطبوغرافية بسبب تفوق دقته في قياس البعد على الرادار العادي خاصة إذا ما تم استخدام طرق‬ ‫التداخل الضوئي (‪ )optical interferometry‬في عمليات القياس‪.‬‬

‫تطبيقات أنظمة التصالت والمعلومات‬ ‫تستخدم الليزرات شبه الموصلة التي تميز بصغر حجمها‬ ‫وقلة استهلكها بشكل كبير في أجهزة ومعدات أنظمة‬ ‫التصالت والمعلومات وقد يكون هذا القطاع أكبر‬ ‫القطاعات استخداما لليزرات‪ .‬ففي أنظمة اتصالت‬ ‫اللياف الضوئية والتي تعتبر العمود الفقري لشبكات‬ ‫الهواتف والنترنت يستخدم ضوء الليزر كحامل لمختلف‬ ‫أنواع المعلومات بعد تحويلها إلى الشكل الرقمي حيث‬ ‫يمكن للحامل الضوئي الواحد أن يحمل كمية معلومات‬ ‫تفوق بعشرات اللف عن تلك التي يحملها الحامل‬ ‫الراديوي‪ .‬ويعتبر الليزر شبه الموصل من نوع (‬ ‫‪ )InGaAsP‬أكثر الليزرات استخداما كمصدر للضوء في هذه النظمة حيث يمكن من خلل التحكم بنسب‬

‫العناصر المستخدمة فيها الحصول على الطول الموجي المطلوب وذلك ضمن مدى الموجات التي تستخدمها‬ ‫أنظمة اتصالت اللياف الضوئية والتي تقع بين ‪1000‬‬ ‫و ‪ 1700‬نانومتر‪ .‬وتستخدم الليزرات شبه الموصلة في‬ ‫القراص الضوئية المدمجة وأقراص الفيديو من خلل‬ ‫استخدام شعاع الليزر لكتابة المعلومات الرقمية على‬ ‫أسطحها بكثافة عالية جدا ومن ثم قراءتها‪ .‬وتستخدم كذلك‬ ‫في طابعات الليزر لتعطي طباعة عالية الجودة وكذلك في‬ ‫أجهزة المسح الضوئي للمستندات والصور وفي الفارات‬ ‫الضوئية وكذلك في الحواسيب الضوئية التي تستخدم‬ ‫الضوء بدل من الكهرباء لمعالجة وتخزين المعلومات‬ ‫والتي ل زالت قيد التجربة‪.‬‬

‫‪14‬‬

‫قارئات الشيفرات الخطية (‪)Barcode Readers‬‬ ‫تستخدم أشعة الليزر في أنظمة قارئات الشيفرة الخطية‬ ‫حيث يتم في هذه النظمة تحويل الرقم التعريفي (‬ ‫‪ )identification number‬لمختلف السلع إلى شيفرات‬ ‫يتم رسمها على شكل خطوط متوازية بكثافة متغيرة يتم‬ ‫تثبيتها على السلعة‪ .‬ويتم قراءة هذه الشيفرات باستخدام‬ ‫ضوء الليزر حيث يقوم شعاع الليزر بمسح الشيفرات ومن‬ ‫ثم التقاط الضوء المنعكس بكاشفات ضوئية (‬ ‫‪ )photodetectors‬تقوم بتحويل الشيفرات إلى سلسلة‬ ‫من النبضات الكهربائية التي يتم إرسالها إلى الحاسوب‬ ‫ليتعرف من خلل برامج مخزنة عليه على نوع السلعة وكل ما يتعلق بها من معلومات‪ .‬ولقد تم استخدام هذه‬ ‫النظمة في تطبيقات ل حصر لها سهلت بشكل كبير جدا التعامل مع الكميات الهائلة من السلع التي يتم إنتاجها‬ ‫يوميا في المصانع والمطابع والمزارع‪ .‬ففي المحال التجارية تستخدم هذه النظمة لقراءة الشيفرات المثبتة‬ ‫على السلع لتحديد السعر عند البيع حيث يقوم المحاسب‬ ‫بتمرير الماسح الضوئي على الشيفرة المثبتة على السلعة‬ ‫فيقوم الحاسوب على الفور بتحديد نوع السلعة وثمنها‬ ‫وكتابتها في الفاتورة وعند النتهاء من مسح جميع سلع‬ ‫المشتري يقوم الحاسوب بإعطاء المر للطابعة لطباعة‬ ‫نسخة منها للمشتري‪ .‬ويمكن للمشتري أن يحس بمدى‬ ‫التوفير في الوقت من خلل استخدام هذا النظام عندما‬ ‫يفشل القارئ الضوئي في قراءة الشيفرة فيضطر‬ ‫المحاسب لدخال رقم السلعة بشكل يدوي إلى الحاسوب‪.‬‬ ‫وفي مكاتب البريد يتم استخدام هذا النظام لفرز آلف الرسائل البريدية بشكل سريع ودقيق لتصل إلى عناوينها‬ ‫دون أخطاء تذكر‪ .‬وفي البنوك يستخدم لقراءة أرقام الشيكات والحوالت والمعاملت المالية وإدخالها إلى‬ ‫الحواسيب بشكل دقيق‪ .‬وفي المكتبات العامة يتم استخدامه لتصنيف الكتب وإعارتها بشكل محوسب ل مجال‬ ‫للخطأ فيه‪ .‬وفي المطارات يتم استخدامه للتعرف على حقائب المسافرين وفرزها ونقلها وتوزيعها بين‬ ‫المطارات التي تمر بها بشكل دقيق‪.‬‬

‫التصوير المجسم (‪)Holography‬‬ ‫يستخدم ضوء الليزر في إنتاج ما يسمى بالصور‬ ‫المجسمة أو الصور ثلثية البعاد (‬ ‫‪ )Holograms‬وهي الصور التي تتغير‬ ‫‪15‬‬

‫محتوياتها مع تغير زاوية النظر وذلك على العكس من الصور ثنائية البعاد التي ل تتغير محتويات الصورة‬ ‫بتغير زاوية النظر‪ .‬وتختلف الطريقة التي تبنى من خللها الصور ثلثية البعاد عن تلك في الصور ثنائية‬ ‫البعاد حيث ل تلزم العدسات لبناء الصور المجسمة ولكنها في المقابل تحتاج لضاءة الجسم المراد تصويره‬ ‫بضوء مترابط (‪ )coherent light‬كضوء الذي يولده الليزر بينما يستخدم الضوء العادي في التصوير‬ ‫ثنائي البعاد‪ .‬ويتم إنتاج الصور المجسمة من خلل تقسيم ضوء الليزر إلى حزمتين حزمة مرجعية يتم‬ ‫تسليطها مباشرة على لوح أو فيلم التصوير أما الحزمة الثانية فيتم تسليطها على الجسم من اتجاهات مختلفة‬ ‫وعندما تسقط الشعة المنعكسة عن الجسم على فيلم التصوير مباشرة بدون الحاجة للعدسات فإنها تتداخل مع‬ ‫أشعة الحزمة المرجعية لتشكل أنماط تداخلية (‪ )interference pattern‬تحمل في طياتها معلومات عن‬ ‫صورة الجسم من التجاهات المختلفة‪ .‬ويمكن مشاهدة الصورة المجسمة على الفلم من خلل تسليط ضوء‬ ‫مترابط بنفس طول الموجة للضوء الذي تم به التصوير‪ .‬وتستخدم الصور المجسمة في تطبيقات كثيرة من‬ ‫أهمها تخزين المعلومات بكثافات عالية جدا على القراص المدمجة والتي قد تصل إلى الف جيقابايت أو يزيد‪.‬‬ ‫وتستخدم كذلك في الوراق النقدية والبطاقات الئتمانية لمنع تزويرها حيث أن إنتاج الصور المجسمة التي‬ ‫توضع عليها ل يمكن إنتاجها إل من خلل أجهزة معقدة ومكلفة‪ .‬وتستخدم كذلك في الحواسيب الضوئية‬ ‫ومعالجة الشارات وفي تحديد المسافات وقياس الحجام وفي‬ ‫عروض العلنات والعمال الفنية والمجوهرات‪.‬‬ ‫وإلى جانب هذه الستخدامات الرئيسية يوجد استخدامات أخرى‬ ‫لليزرات ل حصر لها حيث تستخدم أضواء الليزر الملونة في‬ ‫ألعاب وعروض الليزر من خلل رسم مختلف الرسومات‬ ‫والصور في الجو وعلى أسطح البنايات‪ .‬وفي أبحاث الطاقة‬ ‫النووية يستخدم العلماء الليزرات لتوليد درجة الحرارة اللزمة‬ ‫لحداث الندماج النووي المحكوم وذلك من خلل تسليط أشعة عدد كبير من الليزر القوية على وعاء‬ ‫صغير جدا يحوي على كمية من الهيدروجين بحيث تصل درجة حرارته إلى مليين الدرجات مما يؤدي إلى‬ ‫اندماج ذرات الهيدروجين لتنتج ذرات الهيليوم مع تحرير طاقة هائلة‪ .‬وفي الجيولوجيا تستخدم أشعة الليزر‬ ‫لكشف الحركات الرضية البالغة الصغر للتنبؤ بالزلزل‪ .‬ويستخدم ضوء الليزر لقياس مستوى التلوث في‬ ‫الجو وتستخدم الجيروسكوبات الليزرية بدل من التقليدية في تحديد التجاه في السفن والطائرات ‪.‬‬

‫‪16‬‬