ما هو الليزر؟

منذ أن طورت الولايات المتحدة بنجاح أول ليزر روبي في العالم في عام 1960 ، كما طورت الصين بنجاح أول ليزر ياقوتي محلي (وُلد في معهد تشانغتشون للبصريات والآلات الدقيقة ، الأكاديمية الصينية للعلوم) في عام 1961 ، تعتبر تقنية الليزر هي الثانية في القرن العشرين ، بعد فيزياء الكم ، وتكنولوجيا الراديو ، وتكنولوجيا الطاقة الذرية ، وتكنولوجيا أشباه الموصلات. إنجاز علمي وتكنولوجي جديد رئيسي آخر بعد تكنولوجيا الكمبيوتر.

اليوم ، لدينا ليزر لمشغلات الأقراص المضغوطة وأقراص DVD في منازلنا وطابعات ليزر في مكاتبنا وماسحات ضوئية للرموز الشريطية في مراكز التسوق ، ويستخدم الناس الليزر لعلاج قصر النظر وإرسال البريد الإلكتروني وتصفح مقاطع الفيديو عبر شبكة الألياف الضوئية. أم لا ، كل واحد منا يستخدم الليزر كل يوم ، ولكن كم عدد الأشخاص الذين يفهمون حقًا ماهية الليزر وكيف يعمل؟

الليزر نوع من الضوء غير موجود في الطبيعة وينبعث بسبب الإثارة. تتميز بخصائص الاتجاهية الجيدة والسطوع العالي وأحادية اللون الجيدة والتماسك الجيد.

يمكن إرجاع آلية توليد الليزر إلى الفرضية التي طرحها أينشتاين عند شرح قانون إشعاع الجسم الأسود في عام 1917 ، أي أن امتصاص وانبعاث الضوء يمكن أن يمر عبر ثلاث عمليات أساسية: الامتصاص المحفز ، الإشعاع المحفز والانبعاث التلقائي. كما نعلم جميعًا ، يرتبط تألق أي نوع من مصادر الضوء بحالة حركة الجسيمات في المادة ، فعندما يمتص جسيم (ذرة أو جزيء أو أيون) عند مستوى طاقة منخفض الطاقة الخارجية (الضوء) بتردد مناسب و متحمس للانتقال إلى مستوى الطاقة المرتفع المقابل (امتصاص محفز) ، فهو يحاول دائمًا الانتقال إلى مستوى طاقة أقل وإطلاق الطاقة الزائدة في شكل فوتونات.

إذا تم إطلاق الضوء تلقائيًا دون عمل الفوتونات الخارجية (الانبعاث التلقائي) ، فإن الضوء المنطلق هو ضوء عادي (مثل الأضواء الكهربائية وأضواء النيون وما إلى ذلك) ، والذي يتميز بعدم تناسق تردد الضوء والاتجاه والسرعة.

ومع ذلك ، إذا تم إطلاق الطاقة الزائدة في شكل فوتونات (إشعاع محفز) أثناء الانتقال من مستوى الطاقة العالية إلى مستوى الطاقة المنخفض تحت التأثير المباشر للفوتونات الخارجية ، فإن الفوتونات المحررة تكون متوافقة تمامًا مع الفوتونات الخارجية الواقعة في شروط التردد والطور واتجاه الانتشار مما يعني أن الضوء الخارجي قد تم تقويته وهو ما يسمى بتضخيم الضوء.

الشكل: آلية توليد الليزر: امتصاص محفز (يسار) ، انبعاث تلقائي (متوسط) ، انبعاث محفز (يمين)

يجب أن يفي توليد الليزر بثلاثة شروط: انعكاس رقم الجسيمات ، وردود الفعل من التجويف ، وتلبية شرط العتبة. من خلال الامتصاص المحفز ، يكون عدد الجسيمات عند مستوى الطاقة العالي أكثر من المستوى المنخفض للطاقة (انعكاس رقم الجسيمات). من الضروري أيضًا عمل أسطح انعكاس متوازية يمكنها عكس الفوتونات على طرفي المنطقة النشطة لتكوين تجويف رنيني ، وجعل الكسب أكبر من الخسارة ، أي أن عدد الفوتونات المتولدة حديثًا في نفس الوقت أكبر من عدد الفوتونات الممتصة المبعثرة. فقط عند استيفاء هذه الشروط الثلاثة يمكن إنتاج الليزر.

خصائص الليزر

يُعرف الليزر بالضوء السحري لأنه يتميز بأربع خصائص لا يتمتع بها الضوء العادي على الإطلاق.

—— مصادر الضوء العادية (الشمس ، المصباح المتوهج أو المصباح الفلوريسنت) ينبعث منها ضوء في جميع الاتجاهات ، ويمكن أن يقتصر الاتجاه المضيء لليزر على زاوية صلبة أقل من بضعة ميلي راديان ، مما يزيد الإضاءة في اتجاه الإشعاع بمقدار عشرة مليون مرة قطر انتشار الليزر أقل من 1 متر كل 200 كيلومتر ، إذا كان يبعد عن الأرض 3.8 × عندما يكون القمر على بعد 105 كم ينتشر شعاع الضوء أقل من 2 كم ، بينما الكشاف العادي ينتشر عشرات الأمتار على بعد آلاف الأمتار.

1. الاتجاهية الجيدة

تستخدم الموازاة والتوجيه والمدى بالليزر خاصية التوجيه الجيد.

—— الليزر هو ألمع مصدر ضوء في العصر الحديث. يمكن فقط مقارنة الوميض القوي لحظة انفجار القنبلة الهيدروجينية به ، حيث يبلغ سطوع الشمس حوالي 1.865 × 109Cd / m2 ، ويمكن أن يكون سطوع خرج ليزر عالي الطاقة أعلى من 7 إلى 14 مرة. ذلك من ضوء الشمس.

2. سطوع عالية

على الرغم من أن الطاقة الكلية لليزر ليست بالضرورة كبيرة ، نظرًا للتركيز العالي للطاقة ، فمن السهل إنتاج ضغط مرتفع ودرجة حرارة عالية تصل إلى عشرات الآلاف من الدرجات المئوية أو حتى ملايين الدرجات المئوية عند نقطة دقيقة. مثل عمليات الحفر والقطع واللحام والجراحة بالليزر تستفيد من هذه الخاصية.

—— الضوء عبارة عن موجة كهرومغناطيسية ، ويعتمد لون الضوء على طول موجته ، وعادة ما يحتوي الضوء المنبعث من مصادر الضوء العادية على أطوال موجية مختلفة ، وهي مزيج من ألوان مختلفة ، ويتضمن ضوء الشمس الضوء المرئي بسبعة ألوان: أحمر ، أصفر ، أخضر والأخضر والأزرق والأرجواني ، وكذلك الضوء غير المرئي مثل الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية.

3. أحادي اللون جيد

يتركز الطول الموجي لليزر فقط في نطاق طيفي ضيق جدًا أو نطاق تردد ، على سبيل المثال ، يبلغ الطول الموجي لليزر He Ne 632.8 نانومتر ، ونطاق تغير الطول الموجي الخاص به أقل من 1/10000 نانومتر. وسيلة مواتية للغاية للأجهزة الدقيقة لقياس وتحفيز بعض التجارب العلمية مثل التفاعلات الكيميائية.

—— التداخل هو سمة من سمات ظاهرة الموجة. بناءً على خصائص الاتجاهية العالية وأحادية اللون العالية ، لا بد أن يكون الليزر ضوءًا ذا تماسك ممتاز. هذه الخاصية لليزر تجعل التصوير المجسم حقيقة واقعة.

4- التماسك الجيد

نوع الليزر

في مصدر الضوء ، فإن تحقيق انعكاس رقم الجسيمات على مستوى الطاقة هو فرضية تضخيم الضوء ، أي الشرط الأساسي لتوليد الليزر ، ولإدراك انعكاس رقم الجسيمات ، نحتاج إلى استخدام قوة الضوء الخارجي لجعل عدد الجسيمات عند مستوى طاقة منخفض يقفز إلى مستوى طاقة مرتفع. هذه العملية تسمى "الإثارة".

الليزر الذي نسميه عادةً هو جهاز يثير الجسيمات في مصدر الضوء لإنتاج انتقال إشعاعي محفز ، ويدرك انعكاس رقم الجسيمات ، ثم يولد تضخيمًا ضوئيًا من خلال الإشعاع المحفز ، على الرغم من وجود أنواع عديدة من الليزر ، إلا أن مهمتهم هي: الحصول على الليزر من خلال الإثارة والإشعاع المحفز ، لذلك يتكون الليزر عادة من ثلاثة أجزاء: وسيط التنشيط (أي مادة العمل التي يمكن أن تنتج انعكاس رقم الجسيمات بعد الإثارة) ، وجهاز الإثارة (أي الطاقة التي يمكن أن تجعل الجسيم) رقم انقلاب وسيط التنشيط ، ومصدر المضخة) والرنان البصري (أي المرآتان المستويتان اللتان يمكن أن تجعل الشعاع يتأرجح بشكل متكرر ويتضخم عدة مرات).

الشكل: مبدأ عمل الليزر

نظرًا لأنه يمكننا إثارة العديد من أنواع الذرات المختلفة بعدة طرق مختلفة ، يمكننا (نظريًا) صنع أنواع مختلفة من الليزر.

يوجد العديد من أنواع الليزر ، وأشهرها الأصباغ الصلبة والغازية والسائلة وأشباه الموصلات والليزر الليفي ، ووسط ليزر الحالة الصلبة يشبه قضيب روبي أو غيره من المواد البلورية الصلبة ، ويضخ أنبوب الفلاش الجرح عليه. من أجل العمل بفاعلية ، يجب أن يتم تخدير المواد الصلبة ، وهي عملية استبدال بعض الذرات بأيونات شائبة للحصول على مستويات طاقة مناسبة لإنتاج ليزر بتردد دقيق معين ، تنتج ليزر الحالة الصلبة حزمًا عالية الطاقة ، عادةً ما تكون نبضات قصيرة جدًا ، وعلى النقيض من ذلك ، تستخدم أشعة الليزر الغازية الغاز الخامل (ما يسمى ليزر الإكسيمر) أو ثاني أكسيد الكربون (CO2) كوسيط لإنتاج ضوء ساطع مستمر ، ولليزر ثاني أكسيد الكربون وظيفة قوية وكفاءة عالية. غالبًا ما يستخدم في القطع الصناعي واللحام. تستخدم ليزر الصبغة السائلة محلول جزيئات الصبغة العضوية كوسيط. الميزة الرئيسية هي أنه يمكن استخدامها لإنتاج نطاق تردد بصري أوسع من ليزر الحالة الصلبة والغازية ، ويمكن حتى "ضبطها" لإنتاج ترددات مختلفة.

وفقًا للطول الموجي ، يشمل نطاق الطول الموجي المغطى الأشعة تحت الحمراء البعيدة والأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية والأشعة فوق البنفسجية البعيدة. في الآونة الأخيرة ، ليزر الأشعة السينية وجهاز الأشعة السينية ؛

وفقًا لأنماط الإثارة المختلفة ، هناك إثارة ضوئية (مصدر ضوء أو إثارة فوق بنفسجية) ، وإثارة لتفريغ الغاز ، وإثارة تفاعل كيميائي ، وإثارة تفاعل نووي ، وما إلى ذلك ؛

وفقًا لأوضاع الإخراج المختلفة ، هناك نبضة مستمرة ونبضة واحدة ونبضة مستمرة ونبضة فائقة القصر ، إلخ ؛

فيما يتعلق بإخراج الطاقة ، فإن طاقة الخرج المستمرة صغيرة مثل مستوى ميكرو واط وتصل إلى مستوى ميغاواط ، ويمكن أن يتراوح خرج الطاقة للنبض من ميكرو جول إلى أكثر من 100000 جول ، ويتراوح عرض النبض من ميلي ثانية إلى بيكو ثانية و حتى الفيمتوثانية (1/1000 تريليون).

تفي أنواع الليزر المختلفة بمتطلبات التطبيقات المختلفة ، على سبيل المثال ، تتطلب المعالجة بالليزر وبعض أنواع الليزر العسكرية ليزرًا عالي الطاقة أو ليزرًا عالي الطاقة (ما يسمى ليزر عالي الطاقةيأمل البعض في تقصير وقت النبض قدر الإمكان من أجل الانخراط في البحث عن بعض العمليات السريعة ، كما طرح البعض متطلبات عالية لتحسين أحادية اللون للضوء ، وتحسين وضع الضوء الناتج ، وتحسين توزيع شدة الضوء بقعة الضوء وتتطلب طول موجي قابل للتعديل. تحث هذه المتطلبات باحثي الليزر على مواصلة الاستكشاف ، بحيث تم تطوير عمق الاستكشاف واتساع تطبيق الليزر بشكل غير مسبوق.

ازدهار تطبيقات الليزر

إن ما يسمى بتقنية الليزر هو الاسم العام لاستكشاف وتطوير طرق مختلفة لتوليد الليزر واستكشاف وتطبيق خصائص الليزر هذه لصالح البشرية.

50 على مر السنين ، تطورت تكنولوجيا الليزر وتطبيقاته بسرعة ، وتم دمجها مع العديد من التخصصات لتشكيل عدد من مجالات تكنولوجيا التطبيق ، مثل التكنولوجيا الكهروضوئية وطب الليزر وبيولوجيا الفوتون وتكنولوجيا المعالجة بالليزر وتكنولوجيا الكشف عن الليزر والقياس والليزر التكنولوجيا الثلاثية الأبعاد ، تكنولوجيا التحليل الطيفي بالليزر ، البصريات غير الخطية ، علم الليزر فائق السرعة ، كيمياء الليزر ، البصريات الكمومية ، الليدار ، التوجيه بالليزر ، فصل النظائر بالليزر ، الاندماج النووي المتحكم فيه بالليزر ، أسلحة الليزر ، إلخ. عزز بشكل كبير تطوير الصناعات التقليدية والناشئة.

1- تطبيقات الليزر في مجال المعلومات

يعد ليزر أشباه الموصلات ومكبر الصوت الليفي تقنيتين رئيسيتين لاتصالات الألياف الضوئية.

الليزر المنبعث من ليزر أشباه الموصلات ليس فقط أحادي اللون وتماسك جيد ، ولكن أيضًا تردد موجة الضوء أعلى بـ 10000 مرة من تردد الميكروويف. لذلك ، فإن اتصال الألياف الضوئية بالليزر باعتباره الناقل لنقل المعلومات والألياف الضوئية مثل خط نقل المعلومات لا يتمتع فقط بجودة اتصال جيدة وقدرة قوية على مقاومة التداخل وسرية جيدة ، ولكن أيضًا قدرة الاتصال أعلى بـ 10000 مرة من قدرة الاتصال اتصالات الميكروويف.

أحدث استخدام تقنية الليزر للتخزين البصري ثورة في تخزين المعلومات ، حيث تعادل كثافة التسجيل على قرص صوتي مضغوط 10 ملايين بت / سم 2 ، ويمكنه تسجيل 78 دقيقة من البرامج الموسيقية ، وهو ما يزيد عن ذلك بعدة أوامر. من قرص مضغوط.

الصورة: الليزر وعدسة القرص في مشغل الأقراص المضغوطة أو أقراص DVD. الدائرة الصغيرة الموجودة في أسفل اليمين عبارة عن صمام ثنائي ليزر لأشباه الموصلات ، بينما الدائرة الزرقاء الأكبر عبارة عن عدسة تقرأ الضوء بعد انعكاس الليزر من السطح الأملس للماسحة الضوئية. الأقراص الضوئية.

بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدام الطابعة الليزرية ، وآلة الفاكس بالليزر ، والتنضيد الضوئي بالليزر ، والتلفزيون الملون ذو الشاشة الكبيرة بالليزر ، وتلفاز كابل الألياف الضوئية ، واتصالات الليزر في الغلاف الجوي على نطاق واسع.

2. تطبيق الليزر في التصوير المجسم

كظاهرة موجية ، يتميز الضوء بالطول الموجي (المرتبط باللون) ، والسعة (المرتبط بكثافة الضوء) والطور (يمثل العلاقة بين نقطة بداية الموجة والوقت المرجعي).

يمكن للأشخاص تسجيل الطول الموجي والسعة فقط باستخدام طريقة التصوير الفوتوغرافي الحساسة للضوء ، لذلك بغض النظر عن مدى واقعية ذلك ، فإن النظر إلى الصورة يختلف دائمًا عن النظر إلى المشهد الحقيقي.

يمتلك الليزر تماسكًا عاليًا ويمكنه الحصول على جميع المعلومات الخاصة بمساحة موجة التداخل بما في ذلك الطور ، لذلك ، باستخدام التصوير المجسم بالليزر ، يتم تسجيل جميع معلومات الكائن المصور على الفيلم السلبي ، ويمكن أن تكون الصورة ثلاثية الأبعاد الواقعية للكائن المصور تتكاثر من خلال حيود الضوء.

تتميز صورة الهولوغرام بخصائص التصوير ثلاثي الأبعاد ويمكن تسجيلها بشكل متكرر ، ويمكن لكل صورة ثلاثية الأبعاد سلبية صغيرة إعادة إنتاج الصورة الكاملة ثلاثية الأبعاد للكائن. يمكن استخدامه على نطاق واسع في البحث العلمي مثل قياس التداخل الدقيق والاختبار غير المدمر والمرونة الضوئية الثلاثية الأبعاد وتحليل الإجهاد الدقيق وتحليل الاهتزاز.

من بينها ، تم استخدام مقياس التداخل الهولوغرافي على نطاق واسع لدراسة عملية احتراق الغاز ، ووضع الاهتزاز للأجزاء الميكانيكية ، وجودة الترابط لهيكل قرص العسل وفحص العيوب تحت الجلد لإطارات السيارات. شكلت علامة التزييف للسلع وبطاقات الائتمان صناعة. إن تصوير الأعمال الفنية الثمينة باستخدام التصوير المجسم لا يجعل الناس يشعرون على الفور فحسب ، بل يوفر أيضًا أساسًا موثوقًا وواقعيًا لإصلاح الأعمال الفنية ، كما أن تطوير التلفزيون الهولوغرافي سيضيف متعة جديدة إلى حياة الناس.

3- تطبيقات الليزر في المجال الطبي

ينقسم تطبيق الليزر في الطب إلى فئتين: التشخيص بالليزر والعلاج بالليزر. الأول يأخذ الليزر باعتباره ناقل المعلومات والأخير يأخذ الليزر كحامل للطاقة.

في جانب التشخيص بالليزر ، يمكن أن يخترق الليزر عمق الأنسجة للتشخيص ، ويعكس حالة الأنسجة بشكل مباشر ، ويوفر أساسًا كافيًا لتشخيص الأطباء.

في العلاج بالليزر ، أصبحت تقنية الليزر وسيلة فعالة للعلاج السريري وتقنية أساسية لتطوير التشخيص الطبي ، فهي تحل العديد من المشكلات الصعبة في الطب ، مثل الشق الصغير في الجراحة بالليزر ، وضرر ضئيل أو معدوم للأنسجة ، وقليل الآثار السامة والجانبية في الوقت الحاضر ، تشمل مجالات التطبيق السريري لليزر تصحيح قصر النظر وإصلاح الشبكية وإصلاح تسوس الأسنان والجراحة الجزيئية طفيفة التوغل وما إلى ذلك في الوقت الحاضر ، تنعكس الأبحاث التطبيقية الممتازة لطب الليزر بشكل أساسي في الجوانب التالية: العلاج الضوئي الديناميكي للسرطان ؛ العلاج بالليزر لأمراض القلب والأوعية الدموية ؛ رأب القرنية بالليزر الإكسيمري ؛ التجميل بالليزر ؛ تنظير الألياف بالليزر ؛ الجراحة التنظيرية بالليزر ؛ جراحة التنظير الصدري بالليزر ؛ الجراحة التنظيرية بالليزر ؛ تفتيت الحصوات بالليزر ؛ الجراحة بالليزر ؛ تطبيق الليزر في التفاغر ؛ تطبيق الليزر في جراحة الفم والوجه والفكين وطب الأسنان ؛ العلاج بالليزر الضعيف ، وما إلى ذلك في الوقت الحاضر ، حافظ العلاج بالليزر على sus زخم تطوير قوي وملموس في العديد من الجوانب ، مثل البحث الأساسي ، وتطوير التكنولوجيا الجديدة ، وتطوير المعدات الجديدة والإنتاج.

الشكل: تطبيق الليزر في طب الأسنان

4. معالجة الليزر

باستخدام شدة عالية (سطوع) الليزر ، تم التركيز شعاع الليزر يمكن أن تنبعث طاقة ضوئية 100J في غضون 1 مللي ثانية ، وهو ما يكفي لإذابة أو تبخير المادة في وقت قصير ، وذلك لمعالجة المواد ذات الخصائص المختلفة التي يصعب معالجتها ، مثل اللحام ، والحفر ، والقطع ، والمعالجة الحرارية ، والطباعة الحجرية ، إلخ.

تتميز المعالجة بالليزر بمزايا الدقة العالية والتشويه الصغير وعدم الاتصال وتوفير الطاقة. يمكن أن تغطي مجالات التطبيق الخاصة بها صناعة تصنيع الآلات بأكملها تقريبًا ، بما في ذلك آلات التعدين ، وصناعة البتروكيماويات ، والطاقة الكهربائية ، والسكك الحديدية ، والسيارات ، وبناء السفن ، والتعدين ، والمعدات الطبية ، والطيران ، والأدوات الآلية ، وتوليد الطاقة ، والطباعة ، والتعبئة ، والعفن ، والأدوية وغيرها الصناعات: يمكن إصلاح تآكل وتآكل الأجزاء الرئيسية والمعدات الدقيقة وتحسينه باستخدام تقنية الكسوة بالليزر ، والتي أصبحت أداة قوية لتحويل الفساد إلى سحر.

5. قياس الدقة

يستفيد القياس الدقيق من خصائص أحادي اللون لليزر الجيد والتماسك القوي والتوجيه الجيد. بالمقارنة مع أجهزة تحديد المدى الأخرى ، يتميز النطاق بالليزر بمزايا مسافة الكشف الطويلة والدقة العالية ومقاومة التداخل والسرية الجيدة والحجم الصغير والوزن الخفيف. يرسل جهاز تحديد المدى نبضًا بصريًا ، والذي ينعكس بواسطة الهدف المقاس ، ثم يعود إلى نظام الاستقبال لقياس الفاصل الزمني بين الإرسال والاستقبال.

يتميز الليزر بسطوع عالٍ وتماسك عالٍ ، مما يجعل تأثير دوبلر للضوء يمكن تطبيقه في قياس السرعة. Lidar هو نظام رادار يصدر شعاع ليزر لاكتشاف موضع الهدف وسرعته وخصائصه الأخرى. ، لا يوجد فرق جوهري بين رادار الليدار والميكروويف: قم بإرسال إشارة الكشف (شعاع الليزر) إلى الهدف ، ثم قارن الإشارة المستقبلة المنعكسة من الهدف (صدى الهدف) بالإشارة المرسلة. بعد المعالجة الصحيحة ، يمكن الحصول على المعلومات ذات الصلة بالهدف ، مثل مسافة الهدف ، والسمت ، والارتفاع ، والسرعة ، والموقف حتى الشكل والمعلمات الأخرى ، وذلك لاكتشاف وتتبع وتحديد هوية الطائرات والصواريخ والأهداف الأخرى. يلعب دورًا مهمًا في المجال العسكري وأصبح سلاحًا قويًا لرصد البيئة.

بالإضافة إلى ذلك ، يستخدم اكتشاف الموجات الثقالية أيضًا قياس التداخل بالليزر للكشف المباشر عن موجة الجاذبية في نطاق التردد المتوسط والمنخفض ، ومراقبة إشعاع الموجة الثقالية الناتج عن اندماج الثقوب السوداء المزدوجة والأجرام السماوية مع أقصى نسبة كتلة ، كذلك مثل غيرها من عمليات إشعاع الموجات الجاذبية الكونية.

الليزر من أهم اختراعات البشرية في القرن العشرين. التطبيق الخاص ب تقنية الليزر تم اختراقها على نطاق واسع في جميع جوانب الصناعة والزراعة والجيش والطب وحتى المجتمع. إنها تلعب دورًا أكثر أهمية في تقدم المجتمع البشري وتغير عالمنا بأعجوبة.