ما هو الليزر؟
الليزر هو اختصار لـ "تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع". يعتمد توليد الليزر على ظاهرة الانبعاث المحفز: تحدث هذه العملية في مواد متخصصة (غازات، أشباه موصلات، مواد صلبة، أو سوائل) تحت تأثير الطاقة الخارجية.
شعاع الليزر أحادي اللون تمامًا، أي أن الإشعاع الصادر من مصدر الليزر يتميز بطول موجي واحد، دون تشتت عبر الطيف - أي ضوء أحادي اللون نقي. ينتشر شعاع الليزر بتوجيهية عالية، ويمتلك طاقة مركزة، ويحافظ على تركيزه حتى على مسافات طويلة.
تطبيقات الليزر
الإنتاج الصناعي
تتميز تقنيات القطع واللحام والحفر بالليزر بدقة عالية وإنتاجية كبيرة ومعالجة غير تلامسية. وتُستخدم هذه التقنيات على نطاق واسع في معالجة المعادن والبلاستيك والخشب وغيرها من المواد، مما يقلل من هدر المواد الخام ويزيد من كفاءة الإنتاج.
الطب والتكنولوجيا الحيوية
تُستخدم أشعة الليزر على نطاق واسع في الطب، بما في ذلك جراحة الليزر، وتجميل الليزر، والعلاج بالليزر، وغيرها من التطبيقات. تتيح أشعة الليزر قطع أو تخثير الأنسجة البيولوجية بدقة مع تقليل الضرر الذي يلحق بالأنسجة السليمة المحيطة. كما تُستخدم أشعة الليزر في علاج الأورام، وطب الأسنان، والعلاج الطبيعي.
تكنولوجيا الاتصالات
تُشغّل أشعة الليزر اتصالات الألياف الضوئية، مما يسمح بنقل كميات هائلة من البيانات بسرعات عالية عبر مسافات شاسعة. تُستخدم هذه التقنية في الإنترنت والتلفزيون والاتصالات الهاتفية. كما تُستخدم أنظمة الليدار القائمة على الليزر (LiDAR) على نطاق واسع في أنظمة الطيار الآلي، والمسح الطبوغرافي، والرصد البيئي.
الشؤون العسكرية
تتمتع أشعة الليزر بتطبيقات عسكرية مهمة: فهي تستخدم في أنظمة توجيه الأسلحة وأنظمة الدفاع الجوي، مما يدل على مزايا الدقة العالية وسرعة العمل الفائقة.
ما هو ليزر الألياف؟
الليزر الليفي هو نوع من أنواع الليزر يكون فيه الوسط الفعال عبارة عن ألياف بصرية. على عكس الليزر التقليدي ذي الحالة الصلبة أو الغازية، فإن عنصره العامل الأساسي هو الألياف، وليس البلورة أو الغاز. ينتمي الليزر الليفي إلى فئة الليزر ذي الحالة الصلبة.
مبدأ التشغيل كالتالي: يتم توجيه الضوء من مصدر ضخ عبر مرايا عاكسة إلى ليف مطعّم بعناصر أرضية نادرة. تؤدي هذه العملية إلى انتقال أيونات العناصر الأرضية النادرة إلى مستويات طاقة مثارة، مما يحقق انعكاسًا في توزيع الشحنات، ويولد شعاع ليزر مستقرًا عند المخرج داخل الرنان.
يُنتج صمام ليزري ضخ إشعاعًا بطول موجي 980 نانومترًا؛ يُنقل هذا الضوء بصريًا إلى ليف ضوئي نشط مُطعّم بأيونات الإيتربيوم (Yb). تمتص أيونات الإيتربيوم الإشعاع بطول موجي 980 نانومترًا، فتتحرر إلكتروناتها الداخلية إلى مدارات مثارة. هذه الحالة المثارة غير مستقرة، لذا تعود الإلكترونات إلى مستوياتها الأصلية الأدنى، مُصدرةً فوتونات بطول موجي 1070 نانومترًا. تنعكس الفوتونات بشكل متكرر بواسطة عنصرين عاكسين داخل الليف، فتُضخّم، لتُشكّل إشعاع الليزر النهائي.
الألياف الضوئية
الألياف البصرية هي وسيلة لنقل الضوء تعتمد على ظاهرة الانعكاس الداخلي الكلي لأشعة الضوء.
يتكون من ثلاث طبقات: اللب، والقشرة، والطلاء الواقي.
- اللب هو الجزء المركزي من الألياف، وهو مصنوع من ثاني أكسيد السيليكون فائق النقاء (زجاج الكوارتز)، وهو المسؤول عن نقل الإشارة الضوئية.
- يحيط الغلاف باللب وهو مصنوع أيضاً من ثاني أكسيد السيليكون فائق النقاء، ولكنه ذو معامل انكسار أقل. يشكل هذا الغلاف حاجزاً عاكساً للضوء، ويضمن الانعكاس الداخلي الكامل لأشعة الضوء عند سطح التماس بين اللب والغلاف، ويمنع تسرب الضوء، ويوفر الحماية الميكانيكية.
- الطبقة الواقية هي الطبقة الخارجية للألياف، وهي مصنوعة من الأكريلات والمطاط السيليكوني والنايلون، وتحمي الألياف من الرطوبة والخدوش الميكانيكية والتلف.
عندما يصطدم شعاع ضوئي باللب بزاوية معينة، ينعكس عدة مرات عند الحد الفاصل بين اللب والغطاء، ثم ينتشر على طول الليف. ينتج عن ذلك فقدان أقل بكثير في إشارة الضوء مقارنةً بفقدان الإشارة الكهربائية في كابلات النحاس.
صمام ثنائي للمضخة
يُعد الصمام الثنائي للمضخة مكونًا رئيسيًا في ليزرات الألياف عالية السطوع وهو أمر بالغ الأهمية لتقنيات المضخة 976 نانومتر.
تتمثل عملية الضخ في نقل الإلكترونات من الذرات أو الجزيئات من مستويات طاقة منخفضة إلى مستويات طاقة أعلى مثارة باستخدام الضوء. تُستخدم هذه الآلية في أنظمة الليزر لإحداث انعكاس في توزيع مستويات الوسط النشط. ويُعدّ ثنائي الضخ عنصرًا أساسيًا في تصميمات ليزر الألياف، حيث يُتيح سطوعه العالي إمكانية إنشاء نماذج ليزر ألياف عالية الكفاءة.
