ما هي اهم صفات الليزر وخصائصه

الليزر

الليزر هو مجرد نوع من الضوء غير عادي، وهو مختلف تماما عن ضوء المصباح الكهربائي. ينتج الليزر شعاعا ضيقا جدا من الضوء يستخدم في العديد من التقنيات الحديثة. لتبسيط الأمور، الليزر هو شعاع متماسك من الضوء الذي يتم تضخيمه بصريا أو بالانبعاث المحفز. هناك العديد من أنواع الليزر، بما في ذلك الليزر الغازي وليزر الألياف وليزر الحالة الصلبة وليزر الصبغة وليزر الصمام الثنائي وليزر الإكسيمر. تتشابه جميع هذه الأنواع في مجموعة من المكونات الأساسية، حيث يتكون الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسية، وهي مصدر الطاقة (المضخة أو مصدر الضخ)، ووسط الكسب أو وسط الليزر، ومرآتان أو أكثر تشكلان مرنان بصريا.

فيزياء الليزر

علم الليزر أو فيزياء الليزر هو فرع من فروع البصريات يدرس نظرية وتطبيقات الليزر. قبل اختراع الليزر نفسه، وضع ألبرت أينشتاين الأسس النظرية لليزر في عام 1917. يركز علم الليزر بشكل أساسي على الإلكترونيات الكمومية وبناء الليزر وتصميم التجاويف البصرية وتطور مجال الضوء في الليزر. كما يهتم بفهم انتشار أشعة الليزر وتطبيقاتها والمجالات المرتبطة بها مثل البصريات غير الخطية والبصريات الكمومية.

من اهم صفات الليزر وخصائصه

يتميز عملية التضخيم المتماسك للضوء بمجموعة فريدة من الخصائص، وترتبط العديد من هذه الخصائص ببعضها البعض، وتشمل الطول الموجي والنطاق الترددي والأحادية اللون والملامح المكانية والزمانية والتوازي وطاقة الخرج والتماسك 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 نطاق التردد الخاص بهذا الجهاز في المقام الأول من خلال عرض النطاق الترددي الذي يحدث من خلاله انبعاث تلقائي، ولكن عرض النطاق الترددي للكسب ليس بالضرورة هو نفسه عرض النطاق الترددي للشعاع الليزر الخارجي، لأن ذلك يتوقف أيضًا على مرنان الليزر.

• شدة الشعاع

يتميز شعاع الليزر بأن حجم مقطعه العرضي صغير جدا، لا يتجاوز عدة ميكرومترات مربعة، ونظرا لتركيز كل الطاقة الضوئية المنبعثة من الليزر في هذه المساحة الصغيرة، يظهر الليزر على شكل شعاع قوي أو ضوء شديد السطوع، ولذلك يكون شدة الشعاع المنبعث من الليزر أكبر من شدة ضوء الشمس أو المصابيح، ويمكن لهذه الأشعة السفر على مسافات طويلة دون تقليل شدة إنارتها، ويتم استخدام هذه الخاصية في الجراحات الدقيقة وعلاج الأمراض الجلدية والعينية، وكذلك في حفر وقطع المواد.

• 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 بسبب وجود 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 التركيب الداخلي للمواد وقياس السرعة والمسافة.

• التحكم في النبضات

من الممكن التحكم في تردد نبضات الليزر أثناء تشغيلها ويمكن أيضا التحكم في عرض هذه النبضات بحيث تكون مناسبة لتطبيقات محددة، كلما انخفض عرض النبضة زادت شدة الضوء، وبالتالي يمكن استخدامها في العديد من التطبيقات التي تتطلب إضاءة عالية مثل ذوبان المعادن أو تبخيرها أو قطع المواد التي لا يمكن قطعها بوسائل أخرى أو تسريع الطاقة النووية.

أنواع الليزر

تم تصنيف الليزر إلى أربعة أنواع وفقًا لنوع وسيط الليزر المستخدم، وتشمل هذه الأنواع 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.

تعتمد ليزرات الحالة الصلبة على استخدام الطاقة الضوئية كمصدر للضخ، وتستخدم مصادر الضوء مثل الفلاش الأنبوبي ومصابيح الفلاش وصمامات الليزر لتحقيق ذلك، ومع ذلك، لا تنتمي ليزرات أشباه الموصلات إلى هذه الفئة، حيث يتم ضخها عادةً كهربائيًا وتتضمن عمليات فيزيائية مختلفة.

ليزر الغاز

ليزر الغاز هو نوع من أنواع الليزر حيث يتم تفريغ تيار كهربائي من خلال غاز موجود في وسط الليزر لإنتاج ضوء الليزر، وبالتالي يكون وسط الليزر في الحالة الغازية، وتستخدم أشعة الليزر الغازية في التطبيقات التي تحتاج إلى ضوء ليزر عالي الجودة وأطوال موجية طويلة جدا، وكان ليزر الغاز أول نوع من الليزرات التي تعمل على تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية، حيث ينتج شعاع ليزر في منطقة الأشعة تحت الحمراء بطول موجي يبلغ 1.15 ميكرومتر.

تتمثل أنواع ليزر الغاز في: يمكن تحديد نوع الغاز المستخدم وطول الموجة وكفاءة الليزر باستخدام ليزرات مختلفة مثل ليزر الهيليوم (He) – نيون (Ne) – ليزر أيون الأرجون – ليزر ثاني أكسيد الكربون – ليزر الإكسيمر – ليزر النيتروجين – ليزر الهيدروجين.

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 ليزرات شبه الموصل دورا مهما في حياتنا اليومية؛ إذ تكون هذه الليزرات رخيصة وصغيرة الحجم وتستهلك طاقة قليلة. ويطلق على ليزرات شبه الموصل اسم `ثنائيات الليزر`، وتختلف عن ليزر الحالة الصلبة نظرا لأنها تستخدم الطاقة الكهربائية كمصدر للضخ بدلا من استخدام الطاقة الضوئية كما في ليزر الحالة الصلبة.