الليزر في حياتنا

الليزر في حياتنا

بقلم أ./ سارة سالم القماطي
باحثة بمركز البحوث النووية بتاجوراء، ليبيا

الليزر في حياتنالعله من غير المعروف لدى الكثيرين بان أشعة الليزر قد ولدت عام 1917عندما نشر العالم آينشتاين ورقته المعنونة بـ (Zur Quantum Theorie der Strahlung) والتي تضمنت تأسيس فكرة الانبعاث المحفز والامتصاص المحفز والانبعاث  التلقائي. وهذه هي الظواهر الثلاثة الاساسية للحصول على الليزر، وتحدث عند تفاعل الموجات الكهرومغناطيسية مع المادة، لقد بدأ التفكير في تطبيق ظاهرة الانبعاث المحفر عمليا في حدود عام 1950، ولم يتمكن العلماء من اختراع الليزر الا في عام 1960 حيث اخترع العالم ثيودور مايمان جهاز ليزر الياقوت وتحصل منه على نبضات ليزرية حمراء بطول موجي 694 نانومتر تتميز ببريق شديد في اتجاه الاشعة ولا تفقد شدتها مع زيادة بعدها عن المصدر الا ببطء شديد وكان اول ظهور لجهاز ليزر الياقوت للعامة في يوم 7 يوليو 1960.

توالت الاختراعات لآلاف الانواع من الليزرات المختلفة ودخل الليزر من اوسع الابواب الى كل مجالات الحياة العلمية والطبية والصناعية والهندسية والفنية والنووية والعسكرية وغيرها. فأصبحت المهام والحياة اسهل باستخدام الليزر.

من الضروري ان نكتب في هذا الامر الكثير والكثير لنعرف الناس والطلبة والمهتمين بالليزر وتأثيره في حياتنا، في هذا العرض سنحاول التحدث بإيجاز شديد في محاولة منا لتوضيح بعضا من جوانب هذا التأثير.

 

نبذة تاريخية

لقد بدأ التفكير في تطبيق ظاهرة الانبعاث المحفز للعالم آينشتاين عمليا في حدود عام 1950 وكان المشروع الناجح الأول باسم آرثر ستشاولو وكارلس تاونس  (A.L. Schawlow) (C.H. Townes) وطلابه (الطالب غوردن قولد كان له دور بارز) عام 1954 حيث بنيت الميزر الأولى من قبلهم وكلمة ميزرهي اختصار للاصطلاح اللاتيني MASER وهو اختصار لـ Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation وهذا الاصطلاح يعني تكبير الموجات الماكروية بالانبعاث المحفز للإشعاع.

ولم ينجح العلماء في ابتكار الليزر آنذاك لعدم قدرتهم على إيجاد المادة الفعالة المناسبة (الوسط المادي) وبسبب قصر الطول الموجي للضوء المنظور والاشعة تحت الحمراء مقارنة  بالموجات الميكروية، إلى أن أنجز الاختراع في عام 1960 من قبل العالم مايمان ، لقد تمكن من صناعة أول ليزر على  الإطلاق بتعريض بلورات الياقوت لضوء صادر عن مصابيح وميضية من الزينون حيث انبعثت ومضات ليزرية من الأشعة الحمراء طولها الموجي 694 نانومتر تتميز ببريق شديد في اتجاه انتشار الأشعة ولا تفقد شدتها مع زيادة بعدها عن المصدر إلا ببطء شديد. كان لدى العلماء رغبة قوية في توسيع تقنية الليزر لمناطق مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي ففي نفس العام تمكن العالم علي جافان من اختراع اول ليزر مستمر من مزيج غازي الهيليوم والنيون وفي عام 1964 تمكن العالم باتيل من الحصول على ليزر غاز ثاني اكسيد الكربون وفي عام 1971 تم اختراع اول جهاز لليزر الاكسيمر.

تعريف الليزر

كلمة ليزر هي اختصار للمصطلح اللاتيني:

 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

 لون الليزر عادة ما يوصف بواسطة الطول الموجي Wavelength والوحدة الأكثر شيوعا ل    للتعبير عن الطول الموجي هي النانومتر  nm حيث:

ضوء الليزر عموما هو ضوء أو إشعاع غير مؤين ويقع ضمن الأطوال الموجية التالية:

(700-400) نانومتر ضوء مرئي، (400-100) نانومتر أشعة فوق بنفسجية، (700 نانومتر-1ملم) أشعة تحت الحمراء. أشعة الليزر والضوء العادي كليهما أشعة كهرومغناطيسية ومن الخصائص المميزة للضوء وسلوكه بشكل عام:

الطبيعة المادية والموجية للضوء وظاهرة التداخل البصري وغيرها

الليزر في حياتنا

تنطبق جميع هذه الاعتبارات على ضوء الليزر، لكن ضوء الليزر يتميز بخصائص اضافية تجعله مميزا ومؤهلا لدخول جميع فروع العلوم بأهمية بالغة جدا وهذه الخصائص هي:

الليزر في حياتنا

جهاز الليزر

أجهزة الليزر المختلفة تتشابه بالرغم من اختلاف الاوساط الليزرية، جهاز الليزر بصورة عامة يتكون من ثلاثة أجزاء رئيسية وهي ميكانيكية الضخ والوسط الفعال والمرنان

أنواع الليزرات

  • توجد أنواع مختلفة من الليزرات كل منها له مميزات أساسية محددة وكل أنواع الليزرات تسمى حسب نوعية المادة الليزرية المستخدمة فيه ومن هذه الانواع:
  • ليزرات الحالة الصلبة
  • ليزرات الحالة الغازية
  • ليزرات الصبغة (سائلة)
  • ليزرات أشباه الموصلات
  • الليزرات الكيميائية
  • ليزر الالكترون الحر
  • وهناك أنواع أخرى من الليزرات، كمثال ليزر في مجال الأشعة المؤينة! حيث تمكن العلماء من الحصول على أشعة ليزر تقع في منطقة الأشعة السينية وذلك عند استخدام بلازما السيلينيوم كوسط ليزري، تستخدم في ابحاث الاندماج النووي

الجدول التالي يوضح بعض انواع الليزرات الشائعة واستخداماتها.

الاستخدامات الاستخدام  التجاري منذ سنة سنة الاكتشاف نوع الليزر
معالجة المواد الغير عضوية كثقب المواد المعدنية- استخدامات طبية كإزالة الوشم 1963 1960 الياقوت
قياس السرعة والمسافة 1968 1961 نيوديميوم غلاس
تشغيل الاقراص المدمجة CD، DVD. استخدامات طبية حيوية

، اللحام، ضخ ليزرات الحالة الصلبة

1965 1962 ليزر شبه الموصل

 

كأداة ترصيف- قياس الطول والسرعة   1960 الهيليوم نيون
معالجة المواد كالقطع- استخدامات طبية- الاندماج النووي 1966 1964 ثاني اكسيد الكربون
معالجة المواد 1966 1964 نيوديميوم ياغ
استخدامات طبية كالجراحة العامة وطب العيون والطب الشرعي- العروض- 1966 1964 ايون الآرجون
استخدامات بيئية دراسة التلوث الجوي- فصل النظائر المشعة- استخدامات طبية كتفتيت الحصى بالكلى 1969 1966 ليزر الصبغيات
التشخيص الطبي التصوير فائق السرعة- الابحاث النووية وفصل النظائر المشعة 1980 1966 بخار النحاس
معالجة المواد كوسيلة لقطع اغلب المواد بلاستيك، زجاج، معادن وايضا لوضع العلامات على اغلب المواد نظرا لتميزه بقصر طوله الموجي- استخدامات طبية كقطع الانسجة البشرية وتصحيح النظر 1976 1975 الاكسيمر

 

 

بعض الاستخدامات لليزر

الليزر له استخدامات عديدة في مختلف مجالات الحياة ولا يمكن تغطيتها بالكامل سنسلط الضوء على بعض منها وباختصار شديد:

1- الاستخدامات الطبية

أهم انواع الليزرات المستخدمة في الطب هي ليزر ثاني اكسيد الكربون وليزر النيوديميوم ياغ  وليزر الاكسيمر وليزر ايون الآرجون وليزر الصبغيات ومن هذه الاستخدامات

* كأداة قطع حادة للجراحة تتميز بدقتها العالية.

* تصحيح عيوب النظر.

* في عمليات التجميل وترميم الجلد، وطب الاسنان لإزالة التسوس وحفر الاسنان وطب الانف والاذن والحنجرة ومعالجة بعض الامراض الاخرى.

 

الليزر في حياتناالليزر كأداة قطع حادة

عند استخدام الليزر في العمليات الجراحية كأداة قطع حادة  يعمل الليزر بدقة عالية على كي نهايات الشعيرات الدموية والنهايات العصبية فيقل النزف والالم، فتقل احتمالية حدوث الالتهابات او العدوى مما يؤدي الى سرعة شفاء المريض وعودته الى ممارسة حياته الطبيعية.

 

تصحيح عيوب النظر باستخدام ليزر الاكسيمر بعملية تسمى الليزك 

عملية الليزك وهي طريقة حديثة نسبيا وتعتمد على وجود جهاز آخر بجوار جهاز الليزر يسمى الميكروكيراتوم وهو آلة دقيقة جدا يمكن القول بانها مشرط كهربائي دقيق ومبرمج لرفع قشرة رقيقة جدا من سطح القرنية على شكل دائرة غير كاملة دون كشطها ومن تم يقوم الطبيب بتسليط اشعة الليزر على الجزء الاوسط من القرنية ثم اعادة الخلايا

الليزر في حياتناالسطحية للقرنية مرة اخرى الى  مكانها ليكون شكل العين طبيعيا ولهذه الطريقة ميزات عديدة حيث لا يشعر المريض بالألم الشديد بعد العملية وتتحسن درجة الابصار لديه بسرعة بدون حدوث عتامات في القرنية فيتمكن خلال يوم او اثنين من الرؤية الطبيعية ويستطيع مزاولة نشاطه  اليومي في خلال 24 ساعة ، عيب هذه الطريقة انها تعتمد على وجود جهاز الميكروكيراتوم ولابد من توفر خبرة كبيرة للطبيب قبل استخدامه. ولقد اجريت دراسات تفيد بان عملية الليزك آمنة وفعالة ولا تسبب فقدانا للبصر وليس لها مضاعفات تظهر بعد سنوات من العملية وهي تجرى لمن اعمارهم فوق 18 عام.

الاستخدامات الصناعية لليزر

العديد من الصناعات تعتمد أساسا على الليزر لتحسين جودة منتجاتها وليحصل الانسان على حياة ذات جودة عالية.  يستخدم الليزر في معالجة اسطح السبائك و القطع واللحام فالليزر ملائم لكل من المواد المعدنية وغير المعدنية كالخشب والزجاج والخزف والقماش والبلاستيك وغيرهم، فيستخدم شعاع الليزر في النقش والثقب حيث يمكنه ثقب اشد المواد صلادة (الماس) وكل هذا دون ترك اثر ملحوظ على المواد المعالجة  بالليزر.  لما يتميز به ليزر ثاني اكسيد الكربون من رخص تكلفته مقارنة بليزر الياقوت وبكفاءته العالية التي قد تصل الى 30 % فقد احتل مركزا هاما في مجال الصناعة لأكثر من 50 عاما. ليزر النيوديميوم ياغ وليزر الاكسيمر وغيرهم يستخدم ايضا في معالجة المواد. العام   2009 توقع المحللون في مجال الصناعة ان ينمو سوق معالجة المواد باستخدام الليزر الى 11% ليبلغ إجمالي الايرادات تقديريا حوالي 5.9 مليار دولار.

الليزر في حياتنامراحل تطور استخدام ليزر ثاني اكسيد الكربون في معالجة المواد

1960 فترة الستينيات من القرن الماضي تم اختراع اول ليزر ثاني اكسيد الكربون بقدرة 1 مللي وات فقط، وفي عام 1967 تمكن العلماء من الحصول على ليزر بقدرة 1000 وات واستخدم تجاريا لأول مرة شهر مايو من العام 1967 عندما استخدم بيتر هولد كروفت من معهد اللحام في كامبريدج  شعاع الليزر  بمساعدة الاكسجين لقطع  شريحة من الفولاذ بسمك 1 ملم.

1970 فترة السبعينيات استمر التطوير والتحسين لمواصفات مختلفة من ليزر ثاني اكسيد الكربون ليتمكن العلماء من تصنيع آلة للقطع بالليزر ، وتم تصنيع اول آلة ببعدين ثنائية المحور لمعالجة المواد عام 1975، وكان اول من عمل عليها هم شركات صناعة السيارات التي دفعت مقابل هذا لاهتمامهم باكتشاف قيمة ومهارة الليزر في قطع ولحام  المعادن . وفي فترة الثمانينيات من القرن الماضي تم انتاج ليزرات ثاني اكسيد الكربون صغيرة الحجم وقليلة التكلفة بشرت بحقبة جديدة في معالجة المواد بالليزر وبتوسيع  في هذا المجال ليشمل معالجة المواد العضوية كالبلاستيك والمطاط.

استخدامات الليزر في مجال الطاقة النووية

الاستخدامات الشائعة لأشعة الليزر في الطاقة النووية هي:

1- الاندماج النووي

بالنسبة للاندماج النووي تتلخص فكرته الاساسية في تصعيد التسخين لمخلوط من عنصرين خفيفين- وهما عادة نظيرا الهيدروجين الدوتيريوم والتريتيوم- الى درجات حرارة غاية في الارتفاع تصل الى بضعة مئات من ملايين   الدرجات كلفن ثم محاصرة الغاز الساخن المؤين كليا- البلازما –لزمن يكفي لحدوث تفاعلات الاندماج النووي، . المشكلة الرئيسية في الاندماج هي  التوصل الى وسيلة يبقى بها الغاز الساخن محاصرا بمنأى عن مادة جدار الوعاء لوقت كاف، وتتبع في ذلك محاولتان رئيسيتان:

* المحاصرة المغناطيسية التي يستخدم فيها مجال مغناطيسي قوي قادر على تحقيق العزل الحراري للبلازما الساخنة.

* الحصار بالقصور الذاتي الذي تسخن فيه حبة صغيرة من الوقود بسرعة فائقة بحزم من الليزر بحيث تحدث التفاعلات قبل ان يتاح لها الوقت لتهرب بعيدا- بسبب التنافر الكولومي – ويقترح عمليا لذلك سلسلة من التفجيرات بحزم الليزر عدة مرات في الثانية. في يناير 2010 اعلنت ادارة الامن النووي الوطني انهم نجحوا في الحصول على طاقة تاريخية لليزر –أكثر من 1 ميغا جول- للوصول الى الهدف (الوقود)  ليشتعل في بضعة مليارات من الثانية لتحقيق الاندماج النووي وهي قدرة (طاقة) تبلغ حوالي 500 مرة من قدرة اي ليزر استخدمته في اي وقت قبل 2010.

الليزر في حياتنا

2- فصل النظائر المشعة

تثرية اليورانيوم كمثال

يبلغ تركيز اليورانيوم235 في الخام الطبيعي حوالي 0.7% وتزداد هذه النسبة الى حوالي 2-4% في اليورانيوم المزود لمفاعلات الماء العادي او الى درجة اثراء عالية 80-90% للمفاعلات السريعة المتوالدة وبعض مفاعلات الابحاث والاختبارات.

تثرية اليورانيوم رفع نسبة يورانيوم 235 الى حوالى 2-4%  أو 80-90% والبقية الباقية هي يورانيوم 238 وتعرف هذه  العملية بالتثرية (احد مراحل دورات الوقود ). والعملية باختصار: يمرر بخار فلوريد اليورانيوم على شعاع الليزر الذي يعمل على اثارة نظير اليورانيوم235 وتأيينها  لتنجذب الى اللوح السالب المجمع

Collector

ويتم فصله بينما يمر نظير اليورانيوم238 بدون ان يتأثر بشعاع الليزر.

استخدام الليزر في القياسات

* قياس درجات الحرارة

مقياس الحرارة الليزري يستخدم في قياس درجات الحرارة للمواد ذات الحرارة المرتفعة جدا والتي يصعب الوصول اليها او في الاماكن الخطيرة وفي مصانع الاغذية لقياس درجة حرارة التجمد او التسخين او الطهي للأطعمة. الاجسام ذات اللون الغامق تعطي قراءات دقيقة بنسبة اعلى اما الاجسام اللامعة فيجب وضع لاصق غامق عليها ليتم قياس درجة حرارتها بدقة أفضل لان انعكاس الاشعة تحت الحمراء وارتدادها الى مقياس الحرارة يشوش القياسات المأخوذة.

 

* تحديد المدى وقياس المسافات باستخدام الليدار

الليزر في حياتنا

كلمة ليدار جاءت من المصطلح الانجليزي المكتوب اعلاه والذي يعني، استشعار الضوء وتحديد المسافة. وهو اداة تستخدم الضوء على صورة نبضات ليزرية لقياس المسافات المختلفة، حيث يرسل الليدار نبضات الليزر في اتجاه الهدف ومن ثم يقوم بمعالجة الاشارة او النبضات الليزرية المنعكسة اليه من الهدف ليستخدمها في حساب الزمن المستغرق لرجوع كل نبضة وبمعرفة سرعة الضوء في الهواء وهي قيمة ثابتة يمكن ان يحسب الليدار المسافة بينه وبين الهدف    بدقة عالية. الليدار جهاز واسع الانتشار ولديه العديد من  الانواع والاستخدامات المختلفة حيث يستخدمه شرطي المرور لتحديد سرعة السيارات لمخالفة السائق المسرع، وايضا يستخدم في دراسة التلوث البيئي للهواء الجوي وتحديد المركبات الكيميائية الملوثة في الهواء.

استخدام الليزر في القياسات والترصيف

الليزر في حياتناتستخدم ادوات ليزرية كثيرة بمواصفات مختلفة  (موضح استخدام عددا منها في صور في الشرائح القادمة) داخل المنزل للمساعدة في اعمال الديكور، حيث انها تجعل العمل يتميز بالذكاء والسهولة، فعلى سبيل المثال لا الحصر نذكر :

تسهيل اعمال النجارة وترصيف البلاط بسرعة وسهولة وبدقة متناهية، باستخدام اداة ليزرية تعمل على توضيح الزوايا 45و 90و 135 درجة.

الليزر في حياتناالليزر متعدد الخطوط، لجميع الاعمال المنزلية يعمل ترصيف على ثلاث مستويات بزاوية قدرها 360 درجة ليغطي مساحة كبيرة ويسمح للفريق بالعمل معا في نفس الوقت في اماكن مختلفة على مدى اكبر من 80 متر.

* لعلك تذكر ميزان الماء الذي يستخدمه عامل البناء للمساعدة في ترصيف بناء الجدران كما سنرى في احد الصور القادمة فقد صار بإمكان عامل البناء اقتناء ميزان ماء ليزري افقي وعمودي ويتمتع بالعديد من المزايا الاخرى.

 

 

استخدام الليزر في مجال التعدين

التعدين: هو استخلاص المعادن القيمة او اي مواد جيولوجية اخرى من باطن الارض عادة (وليس دائما) من جسم خام المواد التي يحصل عليها بالتعدين تتضمن الحجر الجيري والفحم والنحاس والذهب والفضة والالماس والحديد والرصاص والفوسفات والصخر النفطي واليورانيوم واي مادة لا يمكن تنميتها بالعملية الزراعية او خلقها اصطناعيا في معمل او مصنع.

يزور الجيولوجيون وعلماء آخرون المواقع للنظر في الصخور واجراء القياسات وتحديد المخزون ورسم الخرائط الجيولوجية لتقييم ما اذا كانت المنطقة لديها امكانية لاحتواء المعادن. أصبحت الطرق التقليدية للحصول على قياسات  التفجير غير مقبولة بسبب مطالب اليوم بزيادة سلامة العمال وانتاجية الالغام هذا هو السبب في فتح المجال لاستخدام تقنية الليزر المتمثلة في ادوات قياس الترصيف وتنميط وجه الصخور لتصميم الانفجار وقياسات حجم المخزون ورسم الخرائط، حيث يتم  التقاط البيانات عن طريق الوقوف على الارض ولم يعد من الضروري تسلق اكوام الحجارة، مجرد نقطة واطلاق ليزر، مما جعل من تلك المهام اسهل واسرع وأكثر أمانا، وهذا يعني التوفير في الوقت والمال وايضا الحفاظ على حياة العاملين.

استخدامات متعددة اخرى سنعرضها بالصور فقط

# استخدام الليزر في جهاز قارئ الباركود

الليزر في حياتنا

استخدام الليزر في حماية البنايات والمنشآت

حماية البوابات

 الليزر في حياتنا

حماية الفناء الخارجي

 الليزر في حياتنا

حماية المتاحف والبنوك

الليزر في حياتنا

استخدام الليزر في العروض الضوئية

 الليزر في حياتنا


لتحميل مجلة الفيزياء العصرية العدد الثاني والعشرون

التحميل من الموقع مباشرة


لتحميل الاعداد السابقة من مجلة الفيزياء العصرية

من هنا

تعليقات

تعليقات