أشعّة الليزر

ما الليزر؟

تذكّر: اللّيزرُ «عبارةٌ عن إشعاعٍ كهرطيسيّ يرسلُ كمّيّاتٍ من الضّوءِ مُتساويةً من حيثُ التّواترِ والطّورِ تظهرُ على هيئةِ حزمةٍ ضوئيّةٍ تتّسمُ بالطّاقةِ العاليةِ ذاتِ تماسكٍ شديد.» الكتاب، الصفحة 239.

لنأخذ مادّةً ذات نظامٍ ذرّيّ له سويّتان للطاقة: سويّةٌ دنيا $E_1$ وسويّةٌ مثارة $E_2$، ويسمّيهما الكتاب هنا مستويين. بين السويّتين ثلاثة انتقالات ممكنة، وأحدها هو أساس الليزر. الكتاب، الصفحة 235.

الامتصاص والإصدار التلقائيّ والإصدار المحثوث

1. امتصاص الضوء: تنتقل الذرّة من السويّة الدنيا $E_1$ إلى السويّة المثارة $E_2$ بامتصاص فوتونٍ طاقته تساوي فرق الطاقة بين السويّتين. 2. الإصدار التلقائيّ: الذرّة المثارة تميل دائماً إلى حالة الاستقرار، فتعود تلقائيّاً بعد مدّةٍ زمنيّة قصيرة إلى السويّة الدنيا، ويصاحب ذلك إصدار فوتون. اتّجاه هذا الإصدار عشوائيّ، والفوتونات الصادرة غير مترابطة، أي فرق الطور بين الأمواج غير ثابت. 3. الإصدار المحثوث: حين يمرّ فوتونٌ تواتره يحقّق العلاقة نفسها بجوار ذرّةٍ مثارة، يحفّز إلكترون الذرّة على العودة إلى السويّة الدنيا، فيصدر فوتونٌ آخر طاقته تساوي طاقة الفوتون الوارد، وجهة حركته جهة الفوتون الوارد، وطوره طور الفوتون الوارد. الكتاب، الصفحتان 235 و236.

الفرق بين الإصدارين، الكتاب، الصفحة 236: الإصدار التلقائيّ يحدث بوجود حزمةٍ ضوئيّة واردة أو بعدم وجودها، وفي جميع الاتّجاهات، وطور الفوتون الصادر يمكن أن يأخذ أيّ قيمة. أمّا الإصدار المحثوث فيحدث بوجود حزمةٍ ضوئيّة تواترها يحقّق $\mathrm{\Delta }E=hf$، وجهة الفوتون الصادر هي جهة الفوتون الوارد، وطوره يطابق طور الفوتون الوارد.

خواصّ حزمة الليزر

لحزمة الليزر ثلاث خواصّ، الكتاب، الصفحة 236: 1. وحيدة اللون، أي لها التواتر ذاته. 2. مترابطة بالطور: فوتونات الإصدار المحثوث لها طور الفوتون الذي حثّها نفسه. 3. انفراج حزمة الليزر صغير، أي لا يتوسّع مقطع الحزمة كثيراً عند الابتعاد عن منبع الليزر، لذلك تُستخدم في دقّة القياس، وتخطيط الشوارع، وخطوط نقل النفط والغاز والماء لمسافاتٍ بعيدة.

مكوّنات جهاز الليزر

1. الوسط الفعّال، الكتاب، الصفحة 237: يحتوي عدداً كبيراً من الذرّات، ولكلّ ذرّةٍ سويّةٌ أساسيّة وسويّةٌ مثارة بينهما فرق الطاقة $\mathrm{\Delta }E$. نفرض أنّ عدد الذرّات في السويّة المثارة $N^{\ast }$، وعددها في السويّة غير المثارة $N$. إذا عبرت حزمةٌ ضوئيّة تواترها $f$ بحيث $\mathrm{\Delta }E=hf$، فإنّ امتصاص الفوتونات يتناسب طرداً مع $N$، وإصدار الفوتونات بالإصدار المحثوث يتناسب طرداً مع $N^{\ast }$.

إذا كان $N<N^{\ast }$ فإنّ عدد الفوتونات الناتجة عن الإصدار المحثوث أكبر من عدد الفوتونات التي جرى امتصاصها، فتزداد شدّة الحزمة بعد عبورها الوسط، ونقول إنّ الوسط مضخِّم يصلح لتوليد الليزر. وإذا كان $N>N^{\ast }$ نقصت شدّة الحزمة بعد عبورها الوسط، ولا يمكن للوسط أن يولّد الليزر.

2. حجرة التضخيم، أو المرنان: مرآتان يوضع الوسط المضخِّم بينهما، تعيد كلٌّ منهما الحزمة إليه بالانعكاس. إحدى المرآتين عاكسةٌ كاملة، والثانية عاكسةٌ غير كاملة يخرج منها جزءٌ من الحزمة يشكّل الليزر. وكلّما مرّت الحزمة في الوسط ازداد عدد الإصدارات المحثوثة المتّفقة معها في الاتّجاه والتواتر والطور، فتزداد طاقتها، أي تُضخَّم. الكتاب، الصفحة 237.

3. جملة الضخّ: الإصدار المحثوث يعيد الذرّات إلى السويّة الأساسيّة، فلا بدّ من مؤثّرٍ خارجيّ يقدّم الطاقة للوسط المضخِّم فيثير الذرّات من جديد، الكتاب، الصفحتان 237 و238. وطرق الضخّ ثلاث: الضخّ الضوئيّ بمصابيح ومّاضة، كما في الليزر الياقوتيّ؛ والضخّ الكهربائيّ، ويكون في الليزرات الغازيّة بالانفراغ الكهربائيّ في الغاز داخل الأنبوب، ويُستعمل أيضاً في ليزر نصف الناقل؛ والضخّ الكيميائيّ، حيث يكون التفاعل الكيميائيّ بين مكوّنات الوسط الفعّال أساس توليد الطاقة.

انتبه: 🚨 لا تضخيم من دون $N^{\ast }>N$: لو كانت الذرّات غير المثارة أكثر، لامتصّ الوسط فوتوناتٍ أكثر ممّا يُصدر بالإصدار المحثوث.

أنواع الليزر واستخداماته

من أنواع الليزر، الكتاب، الصفحة 238: الليزرات الغازيّة، يكون الوسط المضخِّم فيها غازيّاً، مثل ليزر الهيليوم والنيون الذي يُستخدم في المخابر، وتُثار ذرّاته بالانفراغ الكهربائيّ. ويذكر الكتاب طول موجته $\mathrm{0<!--\; -->.<!--\; -->6<!--\; -->3<!--\; -->8}\mu \mathrm{m}$، والقيمة المعتادة له $\mathrm{0<!--\; -->.<!--\; -->6<!--\; -->3<!--\; -->3}\mu \mathrm{m}$. والليزرات الصلبة، ومنها ليزر نصف الناقل، يكون الوسط المضخِّم فيه مادّةً نصف ناقلة، ويُستخدم في الاتّصالات. والليزر الياقوتيّ، وسطه الفعّال مادّة الياقوت. والليزرات السائلة، ويذكر الكتاب لها كلوريد الألمنيوم المذاب في الكحول الإتيليّ وسطاً فعّالاً.

ومن استخداماته، الكتاب، الصفحة 238: الطبّ، ولا سيّما طبّ العيون والعمليّات الجراحيّة والجلد؛ وإظهار الصور ثلاثيّة الأبعاد، وتسمّى الهولوغرام؛ والتحليل الطيفيّ والأقراص المدمجة ومؤشّرات الليزر وماسحات الباركود؛ ولحام المعادن وقصّها وثقبها في الصناعة؛ ومراقبة تلوّث الجوّ؛ وتحديد المدى في المجالات العسكريّة؛ والاتّصالات اللاسلكيّة بين المحطّات الأرضيّة وسفن الفضاء.