الفيزياء

إستخدامات ومبدأ عمل “أشعة الليزر”

2016 عصر الفضاء

جون كلارك مع مايكل ألابي وإيمي جان بيير

KFAS

الفيزياء

يمكن لشعاع الليزر قطع المعادن بدقة متناهية تفوق قطع المنشار لها، كما يستخدم الليزر في الجراحات الدقيقة للعيون.

من ناحية أخرى يستخدم المساحون الليزر لقياس الأبعاد، علاوة على رسم خرائط دقيقة لسطح الأرض باستخدام ليزرات مثبتة على متن الطائرات. بالإضافة إلى ذلك تستخدم بعض طابعات الحواسيب الليزر في الطباعة، وأخيراً لم يكن وجود الأقراص المدمجة (CD) وأجهزة تشغيلها (DVD) ممكناً دون وجود الليزر.

توصل الفيزيائي الأمريكي من أصل ألماني ألبرت آينشتين (١٩٧٩ – ٥٥) عام ١٩١٧ إلى إمكانية تحفيز الذرات والجزئيات لبث الضوء. ورغم أن هذه الظاهرة (الإشعاع المحرض) تمثل مبدأ عمل الليزر، إلا أن اقتراح تصميم جهاز لإنتاج أشعة الليزر لم يتحقق إلا خلال عقد الخمسينيات من القرن العشرين.

ففي عام ١٩٥٢ شرح الفيزيائي الأمريكي تشارلز أتش. تاونز (١٩١٥-٢٠١٥) طريقة لتحفيز جزئيات الأمونيا لإطلاق اشعاع في مدى الميكروويف مستخدما مبدأ الميزر – تكبير الميكروويف بواسطة الإشعاع المحرض.

وكان لدى الفيزيائيان السوفيتيان ألكساندر بروخوروف (١٩١٦-٢٠٠٢) ونيكولاي باسـوف (١٩٢٣-٢٠٠١) الفكرة نفسها، لكن تاونز سبقهما إلى تشييد أول ميزر عام ١٩٥٣ قبل أن ينشر الاثنان بحثهما عام ١٩٥٤.

 

وحصل العلماء الثلاثة على جائزة نوبل عام ١٩٦٤ لهذا الاكتشاف. يستخدم الميزر في الساعات الذرية والمقاريب الراديوية وكذلك لتكبير الإشارات الضعيفة من التوابع الصنعية.

تقع الأشعة الميكرووية ضمن نطاق الإشعاعات الكهرومغناطيسية غير المرئية، ولذلك نشر تاونز وآرثر شاولو (١٩٢٣-٩٩) عام ١٩٥٨ بحثاً برهنا فيه الامكانية النظرية لتصنيع جهاز مماثل يصدر أشعة الضوء المرئية، وينتج تكبيراً للأشعة المرئية بواسطة مبدأ الإشعاع المحرض- الليزر.

لكن تاونز وشاولو اكتفيا بالجانب النظري للموضوع ليتحقق البناء الفعلي لمثل هذا الجهاز على يد الفيزيائي الأمريكي ثيودور إتش. ميمان (١٩٢٧-٢٠٠٧) عام ١٩٦٠.

عند امتصاص مادة ما للطاقة، مثل الطاقة الحرارية، تقفز الذرات أو الجزئيات من مستوى للطاقة إلى مسنوى آخر أعلى. (المترجم: الأصح أن يقال أن امتصاص ذرات المادة للطاقة يؤدي إلى انتقال إلكترونانها من مستوى للطاقة إلى مستوى آخر أعلى).

 

وعند هبوط الإلكترونات عائدة إلى مستواها الأول تتخلص من الطاقة الزائدة على شكل ضوء (المترجم: الأصح على شكل أشعة كهرومغناطيسية بما في ذلك الضوء).

في الحالات الاعتيادية يُبث الضوء من كل ذرة أو جزيء بشكل عشوائي ودون الاعتماد على ما تبثه الذرات أو الجزئيات الأخرى، كما أن أطوال موجات الأشعة الصادرة مختلفة.

ولكن تعريض المادة لأشعة ذات طول موجة محدد وشدة كبيرة خلال فترة قصيرة التي تكون فيها الذرات أو الجزئيات في المستوى العلوي للطاقة تحفز الذرات المثارة كلها على إطلاق إشعاع طول موجته يساوي طول موجة الأشعة المسلطة عليها.

وهذه هي طريقة تحفيز أو تحريض المادة على إطلاق إشعاع معين، كما أن الإشعاع المحرض يساعد على زيادة شدة الإشعاع الصادر. تتمثل الخطوة التالية بتكبير الضوء باستخدام المرايا. تقوم مرآة موضوعة في إحدى نهايتي الجهاز بعكس الأشعة إلى المادة المحرضة مرة أخرى. كما أن مرآة نصف مفضفضة مثبتة على الطرف الآخر تعكس بعض الأشعة وتسمح للبقية بالعبور لتكون شعاعاً ليزريا.

 

يصدر الليزر شعاعا ضيقاً من ضوء متسق (متماسك) ذي طول موجي واحد، أى بلون واحد، وتكون الموجات كلها متسقة مع بعضها (في طور واحد). ويمكن أن يكون الشعاع متصلاً أو على شكل نبضات ذات مدى زمني وجيز.

يمكن استخادم مواد عدة لتحفيزها على إطلاق ضوء متسق. استخدم ميمان في ليزره بلورة ياقوت – بلورة اصطناعية من أكسيد الألمنيوم. تشمل مواد الليزرة الأخرى النيوديميوم وسوائل من بينها أكسيد النيودينيوم أو كلوريد النيوديميوم مذابان في محلول أكسيد كلوريد السيلينيوم.

علاوة على استخدام الغازات مثل أول أكسيد الكربون وسيانيد الهيدرجين ومزيج من الهيليوم والنيون. واستمر مزيج الهيليوم والنيون الوسط الليزري الرئيس لحوالي ٢٠ سنة.

ينتشر الضوء الصادر من المصباح اليدوي أو مصابيح السيارات ليضيء مساحات واسعة. لكن شعاع االليزر أكثر تركيزا. فالشعاع الليزري الصادر عن ليزر هيليوم –نيون لا تتعدي زاوية تشتته عن جزءٍ واحدٍ من الألف.

كما ان إرسال شعاع ليزر الهيليوم من الجهة الخطأ من المقراب (من ناحية العدسة العينية) يقلل من هذا التشتت الضئيل أصلاً. ولذلك تستخدم الليزرات من هذا النوع لتوجيه الآلات التي تقوم بوضع أنابيب الشبكات المختلفة في أماكنها كما تستخدم في حفر الأنفاق.

 

ويمكن أيضا حفر الثقوب في الألماس بواسطة ليزر الياقوت. عند سقوط شعاع ليزر على سطح ما تمتص ذرات السطح بعض الطاقة فترتفع درجة حرارة المادة.

ونظراً لأن أشعة الليزر تنتج كمية كبيرة من الطاقة الحرارية تمتصها مساحة صغيرة للغاية يستخدم الليزر في تشذيب المواد الزائدة في أجزاء الإلكترونيات، بل وحتى في إجراء العمليات الجراحية الدقيقة للشبكية في مؤخرة العين.

علاوة على ذلك تستغل دقة أشعة الليزر لقياس المسافات. عند سقوط نبضة موجية على سطح ما يرتد جزء منها.

ونظراً لثبات سرعة الضوء يمكن حساب المسافة بين المصدر والعائق بحساب الزمن الذي تستغرقه النبضة الموجية لقطع مسافتي الذهاب والإياب بعد ارتدادها عن العائق. تُسمى عملية قياس المسافات بهذه الطريقة لايدر (رادار ضوئي).

ولهذا الغرض نصب رواد الفضاء الذين هبطوا على سطح القمر بواسطة المركبة أبولو ١١ ومن لحق بهم من الرواد ضمن برنامج أبولو، نصبوا هناك مرايا عاكسة استخدمت لقياس المسافة بين الأرض والقمر.

 

وباستخدام تقانة اللايدر قيست هذه المسافة بدقة تصل إلى بضع بوصات. وإضافة إلى ذلك يستخدم المساحون الليزر لقياس درجة استقامة التضاريس الأرضية وكذلك المسافات بينها.

يستخدم اللايدر أيضاً في قياس سرعة الأجسام المتحركة. عند ابتعاد الجسم المتحرك عن مصدر الشعاع يزيد طول موجة الأشعة المنعكسة عن الجسم مقارنة بطول موجة شعاع المصدر. وبمعنى آخر ينزاح الضوء نحو المدى الأحمر من الطيف.

وعندما يتحرك الجسم باتجاه المصدر يتقلص طول الموجة قليلا. أى أن طول موجة الشعاع المنعكس ينزاح نحو الأزرق. وكلما زادت سرعة الجسم المتحرك زاد التغير في طول موجة الشعاع المنعكس.

 

ليزر الياقوت

يُصقل طرفا قضيب أسطواني من الياقوت البلوري ويُغطى أحدهما بطبقة من الفضة لتكون مرأة عاكسة عند هذا الطرف، بينما يُغطى الطرف الآخر بطبقة أقل سماكة ليُصنع منه مرآة نصف مفضفضة.

يوضع الياقوت في غلاف لإبقائه باردا. تبث نبضات ضوئية من خلال أنبوب لولبي يلتف حول قطعة الياقوت. (يمكن ايضاً وضع مصدر الضوء إلى جانب الياقوت أو إسقاطه عليه بواسطة مرايا عاكسة).

تمتص ذرات الياقوت الطاقة من نبضات الضوء ثم تبث الضوء بعد ذلك ليخرج شعاع الليزر من الطرف نصف المفضفض.

مجلة العلوم
‫‪الهرمونات الجنسية  تفسر سبب إصابة الرجال أكثر بالفيروس
قلم:       ميريديث وادمان
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
في يناير ذكرت إحدى أولى النشرات العلمية عن المصابين بفيروس كورونا المستجد  Novel coronavirus في ووهان بالصين، أن ثلاثة من كل أربعة أدخلوا المستشفى كانوا ذكورًا. ومنذ ذلك الوقت أكدت بيانات من مختلف أنحاء العالم أن الرجال يواجهون خطرًا أكبر للإصابة بمرض شديد أو الوفاة، وأن الأطفال مستَثْنَوْن بشكل كبير. مؤخرًا، توصل العلماء الذين يبحثون في الكيفية التي يؤدي  الفيروس بها إلى الوفاة ... (قراءة المقال)
مجلة العلوم
‫‪دراسات كبيرة تذوي آمال عقار الهيدروكسي كلوروكوين
قلم:      كاي كوبفرشميدت
ترجمة:   د. عبد الرحمن سوالمة
تغطية مجلة ساينس Science لأخبار كوفيد-19 يدعمها مركز بوليتزر Pulitzer Center.
عبر ضباب مزاعم الاستغلال، والأمل، والمبالغة في الدعاية، والتسييس الذي يكتنف الدواء هيدروكسي كلوروكوين Hydroxychloroquine، دواء لعلاج الملاريا Malaria الذي أعلن عنه كعلاج لمرض كوفيد-19 COVID-19، تبدأ حاليا الصورة العلمية بالتجلي.
الهيدروكسي كلوروكوين الذي أثنى عليه رؤساء كمعجزة شفائية محتملة ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪الإشكاليات الطبية لمرض كوفيد 19
. جمال المطر اختصاصي في أمراض الأذن والأنف والحنجرة، الكويت
تعد الكائنات الحية الدقيقة والفيروسات من العوامل الممرضة الشائعة للإنسان، ويتميز بعضها عن بعض بعدد من الخصائص والسمات. فبعض الفيروسات يصيب النباتات وبعضها يصيب الحيوانات، وهناك أنواع تصيب الإنسان مسببة له أمراضاً متنوعة مثل متلازمة عوز نقص المناعة المكتسبة الإيدز، والتهاب الكبد الفيروسي، والحصبة. ويشهد العالم حاليا أول جائحة يسببها فيروس كورونا الذي ينتمي إلى فصيلة فيروسات واسعة ... (قراءة المقال)
‫‪مجرة درب التبانة و جيرانها
لسلام عليكم .. في كثير من حلقات البرنامج السابقة تكلمنا عن اهم عناصر المجموعة الشمسية التي نعيش فيها من كواكب و أقمار و كيوكبات و احزمة .. و انتهينا بشرح عن بلوتو و حدود المجموعة الشمسية .. ولكن هذه المجموعة تقع و تدور ضمن كيان و محيط اكبر .. و هي المجرة التي نعيش فيها و تحوي الملايين و الملايين من النجوم المشابهة لشمسنا و غيرها من الشموس و نطلق عليها درب التبانة .. في هذه الحلقة سنسافر في رحلة كونية بعيدة نتعرف فيها على بنية المجرة و مكوناتها ... (قراءة المقال)
أخبار العلوم
‫‪التعديل الوراثي التخلّقي يصل إلى الحمض النووي الريبي
قلم: كين غاربر، في شيكاغو بولاية إلينوي
ترجمة: صفاء كنج
انتقلت فكرة تأثير الواسمات الكيميائية في الجينات على تعبيرها الخارجي دون تغيير تسلسل الحمض النووي اختصاراً: الحمض DNA من كونها مسألة مفاجئة في الماضي إلى أن صارت مادة مقبولة تُدرس في الكتب.
ظاهرة التعديل الوراثي التخلقي Epigenetics، وصلت إلى الحمض النووي الريبي المرسال اختصاراً: الجزيء mRNA، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى مصانع تصنيع البروتين في ... (قراءة المقال)
مجلة مدار
‫‪هل تنجح هيئة الخدمات الصحية في مشروع تتبع الاتصالات الذي تعده؟
جرّب الفرع الرقمي لهيئة الخدمات الصحية الوطنية اختصاراً: الفرع NHSX تطبيقا App سيخبرك ما إذا خالطت أي شخص ظهرت عليه أعراض كوفيد -19. ولكن ما هي التكلفة المترتبة على خصوصيتك جراء ذلك؟
إن أحد التحديات الكبيرة التي تطرحها مكافحة فيروس كوفيد-19 COVID-19 هو أنه معدٍ قبل ظهور أي أعراض على الأشخاص المصابين به. ويمكن أن يساعد تتبع الأشخاص الذين اختلطوا بالمصاب على الحد من انتشار الفيروس، من خلال معرفة عدد الأشخاص الذين ربما نقل إليهم المريض ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪النظائر المشعة وفوائدها الطبية
لمهندس أمجد قاسم
ترتبط كلمة الإشعاعات لدى كثير من الناس بالأخطار والكوارث النووية، إلا أن الحقيقة تدحض بعض تلك المزاعم، فعلى الرغم من أخطار بعضها، فإن لكثير من تلك الإشعاعات دوراً مفيداً للإنسان، وقدمت خدمات جليلة على امتداد نحو قرن من الزمن. علماً أنه في كل لحظة تخترق أجسامنا آلاف الأنواع من الأشعة، ولم يعرف الإنسان ماهيتها حتى وقت قريب نسبياً، بعد أن تنبه عدد من الباحثين لها، وجرى الكشف عن أنواعها وهويتها وفوائدها وأضرارها.
الإشعاع ... (قراءة المقال)
‫‪علوم و فنون انترسلتر - الجزء الأول
لسلام عليكم .. في الحلقة الماضية تكلمنا عن اهم الأفلام التي صنعت في مجال الفضاء و الكونيات .. واستعرضت قائمة من ١٠ أفلام تكلمت فيها باختصار عن كل فلم و اهم مميزاته العلمية والفنية .. و كان فلم انتيرستيلر قد حل في المركز الاول و قد وعدت بان اخصص حلقة كاملة لشرح اهم المفاهيم العلمية التي طرحت في الفلم ..ولكن بعد مراجعة تفاصيل الفلم تبين انه من الأفضل ان اقسم المفاهيم التي سأطرحها الى حلقتين  .. حلقة أولى سأتكلم بنبذة بسيطة عن بذور ولادة هذا الفلم ... (قراءة المقال)
‫‪مجرة درب التبانة و جيرانها
لسلام عليكم .. في كثير من حلقات البرنامج السابقة تكلمنا عن اهم عناصر المجموعة الشمسية التي نعيش فيها من كواكب و أقمار و كيوكبات و احزمة .. و انتهينا بشرح عن بلوتو و حدود المجموعة الشمسية .. ولكن هذه المجموعة تقع و تدور ضمن كيان و محيط اكبر .. و هي المجرة التي نعيش فيها و تحوي الملايين و الملايين من النجوم المشابهة لشمسنا و غيرها من الشموس و نطلق عليها درب التبانة .. في هذه الحلقة سنسافر في رحلة كونية بعيدة نتعرف فيها على بنية المجرة و مكوناتها ... (قراءة المقال)
أخبار العلوم
‫‪التعديل الوراثي التخلّقي يصل إلى الحمض النووي الريبي
قلم: كين غاربر، في شيكاغو بولاية إلينوي
ترجمة: صفاء كنج
انتقلت فكرة تأثير الواسمات الكيميائية في الجينات على تعبيرها الخارجي دون تغيير تسلسل الحمض النووي اختصاراً: الحمض DNA من كونها مسألة مفاجئة في الماضي إلى أن صارت مادة مقبولة تُدرس في الكتب.
ظاهرة التعديل الوراثي التخلقي Epigenetics، وصلت إلى الحمض النووي الريبي المرسال اختصاراً: الجزيء mRNA، وهو الجزيء الذي يحمل المعلومات الوراثية من الحمض النووي إلى مصانع تصنيع البروتين في ... (قراءة المقال)
التقدم العلمي
‫‪أسلحة جيش الطين الصيني
الحفريات أظهرت جيشا كاملا من الجنود مع أسلحتهم البرونزية والخيول بالحجم الطبيعي ربما دفنوا قبل نحو 2000 عام. خصائص التربة التي دفنت فيها الأسلحة ولاسيما الأسُّ الهيدروجيني القلوي المعتدل وحجم الجسيمات الصغير تساعد على الحماية من تآكل المعادن.  نورا واصل كاتبة علمية، اليمن
   على مدار عقود عديدة ساد اعتقاد مفاده أنه منذ أكثر من ألفي عام، في عهد تشين شيهوانغداي، الذي أعلن نفسه أول إمبراطور للصين في عام 221 قبل الميلاد، طوّرت تقنية ... (قراءة المقال)