ما هي اهم صفات الليزر وخصائصه

الليزر

الليزر ما هو إلا ضوء غير عادي فهو مختلف تمامًا عن ضوء المصباح الكهربائي حيث ينتج الليزر شعاعًا ضيقًا جدًا من الضوء يدخل في العديد من التقنيات الحديثة، ولتبسيط الليزر فهو شعاعًا من الضوء المتماسك خلال عملية تضخيم بصري أو اختصار لعبارة “تضخيم الضوء

بالانبعاث المحفز

للإشعاع”، وهناك العديد من أنواع الليزر بما في ذلك الليزر الغازي وليزر الألياف وليزر الحالة الصلبة وليزر الصبغة وليزر الصمام الثنائي وليزر الإكسيمر، حيث  تشترك كل أنواع الليزر هذه في مجموعة أساسية من المكونات، حيث يتكون الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية وهى مصدر طاقة (يشار إليه عادةً بالمضخة أو مصدر الضخ)، وسيط كسب أو وسيط ليزر، ومرآتان أو أكثر تشكلان مرنانًا بصريًا.

فيزياء الليزر

علم الليزر أو فيزياء الليزر هو فرع من فروع البصريات يصف نظرية وممارسة الليزر حيث يسبق علم الليزر اختراع الليزر نفسه، فأنشأ ألبرت أينشتاين أسس الليزر في عام 1917، ويهتم علم الليزر بشكل أساسي بالإلكترونيات الكمومية وبناء الليزر وتصميم التجويف البصري والتطور الزمني لمجال الضوء في الليزر، كمل يهتم أيضًا بفيزياء انتشار شعاع الليزر وخاصةً تطبيقات الليزر والمجالات المرتبطة بها مثل البصريات غير الخطية والبصريات الكمومية.

من اهم صفات الليزر وخصائصه

تضفي عملية التضخيم المتماسك ضوء الليزر بمجموعة فريدة جدًا من الخصائص، والعديد من هذه الخصائص مترابط وتشمل: الطول الموجي، النطاق الترددي، أحادية اللون، الملامح المكانية والزمانية، التوازي، طاقة الخرج، التماسك والاستقطاب.

خصائص الليزر

• 
  الطول الموجي
  

يمتد نطاق الطول الموجي من الأشعة فوق البنفسجية (UV) إلى الأشعة تحت الحمراء المتوسطة حيث يتم تحديد الطول الموجي لليزر (أو التردد ν0) بواسطة وسيط كسب الليزر والذي يوفر الانتقال البصري، يمكن تحويل جميع أطوال موجات الليزر تقريبًا إلى طول موجي بديل وبالتالي يمكن أن تصل من الأشعة فوق البنفسجية إلى المنطقة الطيفية MIR حيث تساعد خفة الحركة الطيفية هذه في إمكانية استخدام أشعة الليزر لتطبيقات الطول الموجي القصير مثل الطباعة الحجرية لمعالجة أشباه الموصلات وتطبيقات الطول الموجي الطويل مثل معالجة المواد والتحليل الطيفي الجزيئي.

• 
  النطاق الترددي
  

يتم تحديد هذا النطاق الترددي في المقام الأول من خلال عرض النطاق الترددي الذي يحدث من خلاله انبعاث تلقائي، لكن عرض النطاق الترددي للكسب ليس بالضرورة هو نفسه عرض النطاق الترددي لشعاع الليزر الخارج لأن ذلك سيعتمد أيضًا على مرنان الليزر.

• 
  شدة الشعاع
  

يتميز شعاع الليزر بحقيقة أن حجم مقطعه العرضي صغير جدًا حيث لا يتجاوز عدة ميكرومترات مربعة وبما أن كل الطاقة الضوئية المنبعثة من الليزر تتركز في هذا المقطع العرضي الصغير ستظهر كضوء أو شعاع شديد لذلك تكون شدة الشعاع المنبعث من الليزر أكبر من شدة ضوء الشمس أو المصابيح ويمكن لهذه الأشعة أن تسافر مسافات طويلة دون أن تقلل شدة إنارتها وتستخدم هذه الخاصية في الجراحات الدقيقة وعلاج أمراض الجلد والعين وحفر المواد وقطعها.

• 
  أحادي اللون
  

يختلف ضوء الليزر عن الأنواع الأخرى من الضوء حيث أنه يتكون من شعاع من ترددات الضوء الضيقة حيث يظهر ضوء الليزر بلون واحد وله درجة نقاء عالية بينما تتكون أنواع الضوء الأخرى من ألوان الطيف المرئي لذلك يتم استغلال هذه الخاصية واستخدام ضوء الليزر في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية كحامل للمعلومات.

• 
  تماسك الفوتونات
  

تتميز ترددات أشعة الليزر بأن فوتوناتها متماسكة لأن لها نفس المرحلة الهيكلية ونفس حجم الاستقطاب والخصائص التي لا توجد في أي نوع آخر من الضوء وهذه الخاصية تستخدم في التداخل البصري والتصوير ثلاثي الأبعاد ودراسة المواد التركيبية وقياس السرعة والمسافة.

• 
  التحكم في النبضات
  

من الممكن التحكم في تردد نبضات الليزر التي يتم تشغيلها ويمكن أيضًا التحكم في عرض هذه النبضات بحيث تكون مناسبة لتطبيقات معينة فكلما كان عرض النبضة أصغر زادت شدة الضوء وبالتالي يمكن استخدامه في العديد من التطبيقات التي تتطلب كثافة إضاءة عالية مثل إذابة أو تبخير المعادن أو قطع المواد التي لا يمكن قطعها بوسائل أخرى أو تسريع الطاقة النووية.[1]

أنواع الليزر

تم تصنيف الليزر إلى 4 أنواع بناءً على نوع وسيط الليزر المستخدم وتتمثل الأربعة أنواع في الآتي:

• ليزر الحالة الصلبة
• ليزر الغاز
• الليزر السائل
• ليزر أشباه الموصلات
• ليزر الحالة الصلبة

ليزر الحالة الصلبة

هو ليزر يستخدم المادة الصلبة كوسيط ليزر، وفي هذه الليزرات يتم استخدام الزجاج أو المواد البلورية حيث يتم إدخال الأيونات كشوائب في المادة المضيفة والتي يمكن أن تكون زجاجية أو بلورية، وتستخدم العناصر الأرضية النادرة مثل السيريوم (Ce) والإربيوم (Eu) والتيربيوم (Tb) وما إلى ذلك بشكل شائع كمواد مخدرة، لكن كان أول ليزر الحالة الصلبة هو ليزر الياقوت ولا يزال يستخدم في بعض التطبيقات.

في ليزر الحالة الصلبة تستخدم الطاقة الضوئية كمصدر ضخ، وتستخدم مصادر الضوء مثل الفلاش الأنبوبة ومصابيح الفلاش أو صمامات الليزر لتحقيق الضخ، لكن لا تنتمي ليزرات أشباه الموصلات إلى هذه الفئة لأن هذه الليزرات عادةً ما يتم ضخها كهربائيًا وتتضمن عمليات فيزيائية مختلفة.

ليزر الغاز

ليزر الغاز هو ليزر يتم فيه تفريغ تيار كهربائي من خلال غاز داخل وسط الليزر لإنتاج ضوء الليزر فيكون وسط الليزر في الحالة الغازية، وتُستخدم أشعة الليزر الغازية في التطبيقات التي تتطلب ضوء ليزر بجودة شعاع عالية جدًا وأطوال تماسك طويلة، كان ليزر الغاز أول ليزر يعمل على مبدأ تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية حيث ينتج شعاع ليزر في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف عند 1.15 ميكرومتر.

تتمثل أنواع ليزر الغاز في: ليزر الهيليوم (He) – نيون (Ne) – ليزر أيون الأرجون – ليزر ثاني أكسيد الكربون – ليزر الإكسيمر – ليزر النيتروجين – ليزر الهيدروجين، يمكن أن يحدد نوع الغاز المستخدم في بناء وسيط الليزر الطول الموجي لليزر وكفاءته.

الليزر السائل

الليزر السائل هو ليزر يستخدم السائل كوسيط ليزر، في الليزر السائل يوفر الضوء الطاقة لوسط الليزر ويعد الليزر الصبغي مثال على الليزر السائل حيث يستخدم صبغة عضوية (محلول سائل) كوسيط ليزر، ويتكون ليزر الصبغ من صبغة عضوية ممزوجة بمذيب فتولد هذه الليزرات ضوء الليزر من حالات الطاقة المثارة للأصباغ العضوية الذائبة وينتج شعاع ضوء الليزر في الأشعة فوق البنفسجية القريبة (UV) إلى منطقة الأشعة تحت الحمراء القريبة (IR) من الطيف.

ليزر أشباه الموصلات

تلعب أشعة الليزر شبه الموصلة دورًا مهمًا في حياتنا اليومية فهذه الليزرات رخيصة جدًا وصغيرة الحجم وتستهلك طاقة منخفضة، تُعرف ليزرات أشباه الموصلات أيضًا بإسم ثنائيات الليزر ويختلف ليزر أشباه الموصلات عن ليزر الحالة الصلبة لأن في ليزر الحالة الصلبة تُستخدم الطاقة الضوئية كمصدر للضخ بينما في ليزر أشباه الموصلات تُستخدم الطاقة الكهربائية كمصدر للضخ.[2]