الليزر ..............شعاع نحو المستقبل
 

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...eamledr550.jpg



ماذا تعنى كلمة ليــــزر...
جاءت تسمية كلمة ليزر LASER من الأحرف الأولي لفكرة عمل الليزر والمتمثلة في الجملة التالية :
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
وتعني تكبير الضوء Light Amplification بواسطة الانبعاث الاستحثاثي Stimulated Emission للإشعاع الكهرومغناطيسي Radiation.
وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت اينشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث الاستحثاثي stimulated emission
تم تصميم أول جهاز ليزر في 1960 بواسطة العالم ميمان T.H. Maiman باستخدام بلورة الياقوت ويعرف بليزر الياقوت Ruby laser.




فكرة الليزر عند العالم اينشتاين
وضع العالم اينشتين في عام 1917 الاساس النظري لعمل الليزر من خلال دراسة تفاعل الطاقة الكهرومغناطيسية Electromagnetic Radiation مع المادة Matter وذلك من خلال العمليات الإنتقالية الثلاثة التالية:

[IMG]Absorption process Spontaneous Emission Stimulated Emission[/IMG]

Absorption process
Spontaneous Emission
Stimulated Emission

افترض اينشتين أن الذرات المكونة للمادة موزعة على مستويين للطاقة هما E0 , E1 حيث أن مستوى الطاقة E0 يعرف باسم Ground State أما مستوى الطاقة E1 فيعرف بـ Excited State. الانتقالات الثلاثة السابقة تحدث في المادة بين مستويي الطاقة عند أي درجة حرارة وهذا ما يعرف بالاتزان الحراري Thermal Equilibrium.
http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...lq/laser11.jpg


شكل يوضح مستويي الطاقة وتأثير كل عملية انتقال علي الذرة والاشعاع الكهرومغناطيسي.






اساسيات فيزيائية حول الذرة
الذرة فى سطور
يوجد في الكون 100 نوع مختلف من الذرات وكل شيء حولنا هو مكون من الـ 100 ذرة تلك، ولكن كيف تتحد وتترابط الذرات مع بعضها البعض لتكون المواد مثل الماء المكون من ذرتين هيدروجين وذرة اكسجين أو كيف تكونت قطعة من الحديد أو النحاس. إن الذرات في حركة مستمرة حيث تتذبذب الذرات حول موضع استقرارها في المادة كما أن الذرات لها حركة دائرية أو حركة انتقالية أيضاً. فلو نظرت إلى طاولة خشبية مثلاً وبالرغم من أنها ثابتة في مكانها إلى أنها ذراتها التي كونت الخشب في حركة مستمرة.
نتيجة لحركة الذرات التي تكتسبها من الطاقة الحرارية فإنها تتواجد في حالات مختلفة من الأثارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة ما بكمية من الطاقة فإن الذرة تنتقل من المستوى الأرضي ground state الذي تتواجد فيه إلى مستوى طاقة أعلى يسمى بمستوى الإثارة excited state. يعتمد مستوى الإثارة على كمية الطاقة التي ذودت بها الذرة ومصدر الطاقة إما حرارة أو ضوء أو كهرباء.
http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...lq/laser12.jpg


نموذج توضيحي لمكونات الذرة
امتصاص الطاقة ...Absorbing Energy

إذا ذودت الذرة بطاقة حرارية لأو طاقة من مصدر ضوئي أو كهربائي فإن بعض الإلكترونات في الذرة سوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة الأدنى إلى مدار طاقته أعلى وابعد من النواة.
هذه هى فكرة مبسطة عن امتصاص الطاقة في الذرة ولكن تعتبر الأساس في دور الذرة لانتاج الليزر.
عندما ينتقل الإلكترون إلى المدار ذو مستوى الطاقة الأعلى فإنه ما يلبث إلا أن يعود وينتقل إلى المستوى الطاقة الأدنى، وعندها فإن الإلكترون يحرر طاقة في صورة فوتون (ضوء).
تصدر الإلكترونات الفوتونات عند اثارتها وعلى سبيل المثال عند تسخين معدن مثل سلك السخان الكهربي فإنه يتحول لونه من اللون المعتم إلى اللون المتوهج وهذا التوهج ناتج من الفوتونات التي انطلقت بعد اثارة ذرات مادة سلك السخان الكهربي. كذلك لو فكرنا في فكرة عمل شاشة التلفزيون فهي تعطي الصورة من خلال الفوتونات التي تنتجها مادة الشاشة (الفوسفور) عند اثارتها بشعاع إلكتروني.
إذا نستنتج أن الضوء ينتج من الفوتونات المنبعثة من إثارة إلكترونات الذرة وتعتمد لون الفوتون (لون الضوء) على طاقة الفوتون.
http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...flq/laser2.jpg


تمتص الذرة الطاقة من الحرارة أو الضوء أو الكهرباءفتنتقل الإلكترونات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقة أعلى.


علاقة الذرة بالليزر
وكما ذكرنا فإن كلمة ليزر هي اختصار للجملة light amplification by stimulated emission of radiation والتي معناها يشرح بالتفصيل فكرة عمل الليزر والذي يعتمد على إن الليزر ماهو إلا ضوء مكبر بواسطة عملية تسمى الإنبعاث الإستحثاثي للإشعاع

بالرغم من وجود عدة أنواع من الليزر إلا انهم جميعاً يشتركون في نفس الخصائص.
ففي الليزر يوجد المادة التي تنتج الليزر يتم اثارتها بواسطة عملية ضخ pumping للإلكترونات من المستوى الأرضي إلى مستوى الإثارة.
يستخدم للضخ الإلكتروني ضوء فلاش قوي أو بواسطة التفريغ الكهربي ويساعد هذا الضخ على تزويد أكبر قدر ممكن من الإلكترونات لتنتقل إلى مستويات الطاقة الأعلى فتصبح مادة الليزر مكونة من ذرات ذات إلكترونات مثارة ونسميها بالذرة المثارة.
ومن الجدير بالذكر أن أنه من الضروري جداً إثارة عدد كبير من الذرات للحصول على ليزر وتسمى هذه العملية بإنقلاب التعداد population inversion أي جعل عدد الذرات المثارة في مادة الليزر أكبر من عدد الذرات الغير مثارة.


قلب التعداد هو الذي يجعل الضوء الذي تنتجه المادة ليزراً وإذا لم نصل إلى مرحلة انقلاب التعداد نحصل على ضوء عادي.
وكلما امتصت الإلكترونات طاقة كبيرة من خلال عملية الضخ فإن الإلكترونات هذه تطلق الطاقة التي امتصتها في صورة فوتونات أي ضوء.

الفوتونات المنبعثة لها طول موجي محدد (ضوء بلون محدد) يعتمد على فرق مستويات الطاقة التي انتقل بينها الإلكترونات المثارة.
وإذا كان الإنتقال لكافة الإلكترونات بين مستويين طاقة محددين كما هو موضح فى الشكل أدناه فإن كل الفوتونات المنبعثة سيكون لها نفس الطول الموجي.

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...%20%281%29.jpg


الإلكترون باللون الأحمر مثار ينتقل إلى مستوى طاقة أدنى (الإلكترون باللون الأزرق) ويفقد طاقته في صورة فوتون




ضوء الليزر
ضوء الليزر يختلف عن الضوء العادي حيث يكون له الخصائص التالية:
1 - الضوء المنبعث أحادي اللون monochromatic أي أن له طول موجي واحد. يحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته.
2 - الضوء المنبعث من الليزر يكون متزامن coherent أي ان الفوتونات كلها في نفس الطور مما يجعل شدة الضوء كبيرة فلا تلاشي الفوتونات الضوئية بعضها البعض نتيجة لاختلاف الطور بينها.
3 - الضوء المنبعث له اتجاه واحد directional حيث يكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة من الفوتونات في مسار مستقيم بينما الضوء العادي يكون مشتت وينتشر في أنحاء الفراغ.
المسؤول عن هذه الخصائص هي عملية الانبعاث الإستحثاثي stimulated emission بينما في الضوء العادي يكون الإنبعاث تلقائي حيث يخرج كل فوتون بصورة عشوائية لا علاقة له بالفوتون الآخر.
العامل المهم في انتاج الليزر هو المرايا المثبتة على جانبي مادة انتاج الليزر.
تساعد المرايا على عكس بعض الفوتونات إلى داخل مادة الليزر عدة مرات لتعمل هذه الفوتونات على استحثاث الكترونات مثارة أخرى لتطلق مزيدا من الفوتونات بنفس الطول الموجي ونفس الطور، وهذه هي عملية التكبير للضوء light amplification.
تصمم إحدى هتين المرأتين لتكون عاكسيتها اقل من 100% لتسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع الليزر الذي نحصل عليه.




مكونات الليزر
في الفقرة التالية سنرى مكونات الليزر من خلال شرح عمل ليزر الياقوتruby laser .
مكونات ليزر الياقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وساق من الياقوت ومرأتين مثبتتين على طرفي الساق احدى هاتين المرأتين لها مقدار انعكاس 90%.
يعتبر المصدر الضوئي مسؤولاً عن عملية الضخ ......وساق الياقوت هو مادة انتاج الليزر.
http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...flq/laser5.jpg


http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...flq/laser5.jpg



فرق جهد عالي يعمل على تزويد الفلاش بالطاقة الكافية لتوليد ضوء ذو شدة عالية ولفترة زمنية قصيرة. هذا الضوء يعمل على اثارة الذرات في بلورة الياقوت إلى مستويات الطاقة الأعلى.

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...flq/laser7.jpg


تطلق بعض الذرات فوتونات

http://www.phys4arab.net/vb/images/t...nsertimage.gif

تنطلق الفوتونات بموازاة محور ساق الياقوت لتصطدم بالمرآة وتنعكس إلى داخل الياقوت عدة مرات لتستحث إلكترونات أخرى لتطلق فوتونات.

http://www.phys4arab.net/vb/images/t...nsertimage.gif

فوتونات بطول موجي واحد وفي تفس الطور ومتجمعة في حزمة تعبر من المرآة لتعطي ضوء اليزر.



نظام ليزر ثلاثي المستويات
الشكل التالي يوضح تفاصيل عملية انتاج الليزر من خلال نظام ذو ثلاث مستويات للطاقة

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...flq/laser4.jpg



أنواع الليزر
يأتي الليزر بأنواع مختلفة حسب الاستخدامات وتنوع الليزر يأتي من تنوع المادة المستخدمة لإنتاجه فهناك من المواد الصلبة والسائلة والغازية، ويعتبر نوع المادة الأساس الاكثر استخداماً للتميز بين الأنواع المختلفة. ويسمى الليزر من خلال نوع المادة المستخدمة فمثلاً ليزر الهيليوم نيون He-Ne يعني ان المادة المستخدمة هي خليط من الهيليوم والنيون وليزر الياقوت يعني ان المادة المنتجة لليزر هي الياقوت وهكذا لباقي الأنواع الأخرى. ولنأخذ بعض الأمثلة لأنواع مختلفة لليزر:

ليزر الحالة الصلبة solid-state laser هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليط الالومنيوم واليتريم والنيودينيم neodymium:yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ TAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء.

ليزر الغاز Gas laser وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكسيد الكربون وتكون اطوالها الموجية في مدى الاشعة تحت الحمراء وتستخدم في قطع المواد الصلبة لطاقتها العالية.

ليزر الإكسيمر Excimer laser وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدم الغازات الخاملة مثل غاز الكلور أو الفلور أو الكربتون أو الأرجون وتنتج هذه الغازات اشعة ليزر ذات أطوال موجية في مدى الأشعة فوق البنفسجية.

ليزر الأصباغDye laser وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامين rhodamine 6G مذابة في محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه.

ليزر أشباه الموصلاتSemiconductor laser ويطلق عليه احياناً بليزر الديود ويعتمد على المواد شبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في الأجهزة الدقيقة مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر.

يتميز الليزر بطوله الموجي فمثلا الطول الموجي لليزر الياقوت هو 694nm، ويتم أختيار مادة الليزر بناء على الطول الموجي المطلوب كما في الجدول التوضيحي أدناه، فمثلاً يستخدم ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون في قطع المعادن الصلبة لأن طوله الموجي في مدى الأشعة تحت الحمراء وهي أشعة حرارية إذا سقطت بتركيز على سطح معدن تذيبه.




تطبيقات الليزر العملية
الليزر له تطيقات عديدة جدا في مختلف مجالات الحياة ولا يمكن في هذه المقالة تغطية الموضوع بالكامل لذا سأقوم بالقاء الضوء على اهم هذه التطبيقات

1 - تطبيقات صناعية
ادخل الليزر في التطبيقات الصناعية منذ اول اكتشافه في 1960. وبالاخص في القياسات measurements وفي الترتيب alignment للاجهزة البصرية
وانابيب الضخ
وخطوط الكهرباء
واجهزة القياس
واستخدم في مجال التصنيع كالقطع واللحام والصهر والتبخير
وفي تصنيع الدوائر الإلكترونية المتكاملة
وفي الحفر على الزجاج........ وغيره.

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...jflq/image.jpg



2 - تطبيقات طبية
دخل الليزر في التطبيقات الطبية وهي كثيرة ولذلك تقسم هذه التطبيقات اما
--حسب نوع المعالجة كأن تكون تطبيقات الليزر في الجراحة أو في مجال طب الاسنان أو طب العيون
--او حسب نوع الليزر المستخدم في الطب مثل ليزر ثاني اكسيد الكربون او ليزر النيتروجين او ليزر الاكسيمر
-- وتقسم في بعض الاحيان حسب طبيعة المعالجة مثل تطبيقات الجراحة او لحام الاوعية الدموية او التشخيص..
--والتقسيم الاخير اكثر استخداماً ولفهم تطبيقات الليزر في الطب يجب دراسة العلاقة بين اشعة الليزر المختلفة والخلايا الحية.
وهذه العلاقة تعتمد على خصائص الليزر من ناحية طوله الموجي وشدته وشكله عند سقوطه على الجسم المراد علاجه.
يمكن تغيير الطول الموجي من خلال تغيير نوع الليزر والتحكم بشدة الاشعة يتم من خلال التحكم في زمن تسليط الليزر وقوة الضخ المستخدمة أما شكل حزمة اشعة الليزر فيتحكم بها من خلال عدسات التركيز المستخدمة.

فإذا اعتبرنا ان طاقة اشعة الليزر في حدود 1 وات فإنه يمكن بتغيير الطول الموجي التحكم في طبيعة العلاقة بين الليزر والخلايا الحية.
الليزر الذي يعمل في منطقة الاشعة فوق البنفسجية البعيدة يقتل الخلايا الحية مثل RNA و DNA.

الليزر الذي يعمل في منطقة الاشعة فوق البنفسجية القريبة يحدث تفاعل كيميائي مع مكونات الخلايا.
الليزر الذي يعمل في منطقة الاشعة المرئية يحدث تأثير حراري على الخلايا لامتصاصها طاقة الليزر.
والعلاج بالليزر له خصائص عديدة منها
قلة الفقد في الدم نتيجة للقطع
كما انه نبضات الليزر تكون قصيرة زمنيا مما يجعل المريض لا يشعر بألم
كما ان استخدام الليزر يعطي للطبيب رؤية واضحة للمنطقة التي يعالجها لقلة الادوات الميكانيكية التي يستخدمها الطبيب
كما ان العلاج لا يحتاج إلى احداث جرح يذكر في جسم المريض وبالتالي يمكن للمريض مغادرة المستشفى فور رزوال تأثير التخدير
كما ان الليزر يمكن ان يتم التحكم به بواسطة الكمبيوتر مما يعني دقة فائقة في العملية.
وفيما يلى بعض الفيديوهات لعمليات كان لــ الليزر دور هام و رئيسى فيها...
** عملية تصحيح النظر بالليزر....LASIK

[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=09tWXX7Gmd4&feature=player_embedded[/youtube]


وهذه هى الخطوات حسب ظهورها فى الفيديو
- تحديد علامات على القرنية
- عمل سديلة بواسطة المشرط الدقيق ...flap creation
- رفع السديلة
- تجفيف نسيج القرنية
- المعالجة بشعاع الليزر
- اعادة السديلة لوضعها مرة اخرى
- تجفيف اطراف السديلة و تثبيتها
- وضع قطرات من المضاد الحيوى..للوقاية من احتمال حدوث عدوى


** عمليات التجميل باستخدام الليزر

وايضا فيديو عن امكانية محاربة ورم المخ بهذا السلاح الرائع.....الليزر


[youtube]http://www.youtube.com/watch?v=pGH8uI9WJ8U&feature=player_embedded[/youtube]


كل ما اقصده
ان الليزر لم يجعل لكلمة المستحيل مكانا فى مجال الطب


3 - تطبيقات عسكرية
منذ اكتشاف الليزر والكثير من الابحاث المتعلقة في تطويره كانت لاستخدام في المجالات العسكرية وغالبا ما تكون هذه الابحاث غاية في السرية ولا تكشف إلا بعد سنوات.
ومن هذه التطبيقات نذكر استخدام الليزر في التصويب واستخدامه في التفجير عن بعد أو توجيه القذائف وفي تعقب الهدف مهما كانت سرعته وقدرته على تغيير وجهته وفي اسلحة ما يسمى بحرب النجوم كما تدخل في ابطال مفعول اجهزة الخصم الالكترونية واصابته بالعمى.
في المثال التالي توضيح لفكرة استخدام الليزر في توجيه القذائف حيث تقوم الطائرة بتوجيه نبضات من اشعة الليزر الغير مرئية على الهدف واجهزة استقبال مثبته على القذائف الموجهة تقوم بتتبع النبضات المنعكسة عن الهدف إلى ان تصيبه.
وهذه التكنولوجيا دقيقة إلى درجة كبيرة مستفيدة من حزمة الليزر المستقيمة وسرعة انتشار الليزر وامكانية التحكم في النبضات التي تكون عبارة عن شيفرة من الصفر والواحد التي يفهمها الكمبيوتر الموجه للقذيفة.


http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...wtjflq/9-1.gif


مثال اخر نضربه على التطبيقات العسكرية لليزر في حرب النجوم وهذا الاسم الذي اطلقته الولايات المتحدة على نظام الدفاع ضد الصواريخ التي قد تهاجمها من الفضاء بأن ترسل حزمة من نبضات الليزر اما من محطة ارضية على جبل مرتفع أو من اقمار صناعية في الفضاء ذات طاقة هائلة لتسافر بسرعة الضوء وتصيب تلك الصواريخ وهي في الفضاء مباشرة بعد اطلاقها.

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...wtjflq/9-2.gif



4 - تطبيقات فى الحياة اليومية
لليزر تطبيقات عديدة في مجال استخدامات الحياة اليومية وتقسم هذه التطبيقات على النحو التالي:
فى المنازل
الاقراص المضغوطة

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...k20cd20rom.jpg


فى العمل
طابعات الليزر المختلفة

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...aser-c5100.jpg

فى التجـارة
قارىء الباركود

http://www.phys4arab.net/vb/images/t...nsertimage.gif


فى الاتصالات
الالياف الضوئية الزجاجية


http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...etmotorxu8.png
فى التسلية
عروض الليزر فى الحفلات و الاعياد

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...rfunmedium.jpg



5 - تطبيقات فى الابحاث العلمية
قلما يوجد بحث علمي سواء في مجال الفيزياء أو الكيمياء أو الجيولوجيا أو الاحياء إلا ويستخدم الليزر كأداة رئيسية في هذه الابحاث ومن تطبيقاته في المجالات العلمية نذكر التالي:

* laser fusion.......التحام اشعة الليزر و توليد كم خيالى من طاقة الليزر


http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...lq/page331.jpg


* Laser cooling of atoms...استخدام الليزر فى تهدئة الذرات النشطة و الاستفادة بها فى مجالات شتى

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...jflq/amop1.jpg


6 - تطبيقات خاصة
هذه من التطبيقات المتقدمة ولا مجال لشرحها بالتفصيل
ونذكر من هذه التطبيقات ما يلي:
*Energy transport in space....نقل الطاقة فى الفضاء

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...jflq/ssps5.jpg


*Laser gyroscope...يستخدم لضمان الحفاظ على الاتجاه فى الفضاء مما يزيد الامر امانا و دقة

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...1000news10.jpg


*Fiber laser ...ويعتمد على توليد الليزر في الالياف الزجاجية بدون الحاجة إلى استخدام الطاقة الكهربية لعملية الضخ.

http://knol.google.com/k/-/-/2rhsrkz...%20%281%29.jpg

:a_plain111: :a_plain111: :a_plain111:

رد: الليزر ..............شعاع نحو المستقبل