لقد وضع العالم البرت آينشتاين نظرية لأول مرة حول العملية التي تجعل الليزر ممكنًا، والتي تسمى الانبعاث المحفز، حيث قام بتفصيل نظريته حول نظرية الكم للإشعاع؛ اليوم يتم استخدام الليزر في مجموعة واسعة من التقنيات بما في ذلك محركات الأقراص الضوئية وطابعات الليزر وأجهزة مسح الرمز الشريطي، كما أنها تستخدم في الجراحة بالليزر وعلاجات الجلد وكذلك القطع واللحام.
ما هو الليزر
الليزر هو جهاز مبني على مبادئ ميكانيكا الكم لإنشاء شعاع من الضوء، حيث تكون جميع الفوتونات في حالة متماسكة مع نفس التردد والمرحلة، إذ تصدر معظم مصادر الضوء ضوء غير متماسك، حيث تختلف المرحلة بشكل عشوائي من بين التأثيرات الأخرى، وهذا يعني أن الضوء الصادر من الليزر غالبًا ما يكون مركَّزًا بإحكام ولا يتباعد كثيرًا، مما ينتج عنه شعاع الليزر التقليدي.
كيف يعمل الليزر
باستخدام عبارات أبسط، يستخدم الليزر الضوء لتحفيز الإلكترونات في وسيط كسب إلى حالة مثارة تسمى الضخ البصري؛ عندما تنهار الإلكترونات إلى حالة غير مستثيرة منخفضة الطاقة فإنها تصدر فوتونات، تمر هذه الفوتونات بين مرآتين، لذلك هناك المزيد من الفوتونات التي تثير وسط الكسب، مما يؤدي إلى تضخيم شدة الحزمة؛ يسمح الثقب الضيق في إحدى المرايا بمرور كمية صغيرة من الضوء وهو شعاع الليزر نفسه.
هذا وقد تستند هذه العملية إلى عمل العالم البرت آينشتاين والعديد من الآخرين، حيث حصل بعض العلماء الفيزيائيون على جائزة نوبل لتطويرهم لأقدم نماذج الليزر؛ وحصل العالم ألفريد على جائزة نوبل في الفيزياء عن وصفه للضخ البصري، كما عرض العالم ثيودور أول ليزر يعمل.
أشكال الليزر الأخرى
لا يلزم أن يكون الليزر في الطيف المرئي، ولكن يمكن أن يكون أي نوع من الإشعاعات الكهرومغناطيسي، على سبيل المثال، هو نوع من الليزر يصدر إشعاع المايكرويف بدلاً من الضوء المرئي؛ تم تطوير المكبر الإشعاعي بالفعل قبل الليزر الأكثر عمومية.
ولفترة من الوقت ، كان الليزر المرئي يُسمى في الواقع المكبر الإشعاعي البصري، لكن هذا الاستخدام انخفض بشكل جيد عن الاستخدام الشائع، حيث تم استخدام طرق مماثلة لإنشاء أجهزة مثل الليزر الذري، الذي ينبعث منه أنواع أخرى من الجسيمات في حالات متماسكة.
أنواع الليزر المستخدم في ميكانيكا الكم
- ليزر روبي: اخترع أحد العلماء ليزر الياقوت الذي يعتبر أول ليزر ضوئي أو ليزر ضوئي ناجح.
- ليزر جولد: كان جولد أول شخص يستخدم كلمة ليزر؛ حيث استوحى جولد من بناء الليزر البصري الخاص به وقد فشل في تقديم براءة اختراع لاختراعه؛ ونتيجة لذلك تم رفض براءة اختراع جولد واستغل الآخرون تقنيته، حيث استغرق الأمر قليلا لكي ينتصر جولد أخيرًا في حرب براءات الاختراع ويحصل على براءة الاختراع الأولى في الليزر.
- ليزر الغاز: اخترع علي جافان أول ليزر غازي (هيليوم نيون) وكان الليزر الغازي أول ليزر ضوئي مستمر، كما أنه أول ليزر يعمل على مبدأ تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء ليزر، تم استخدامه في العديد من التطبيقات العملية.
- ليزر هول: استخدم للحقن بأشباه الموصلات؛ ابتكر المخترع روبرت هول نوعًا ثوريًا من الليزر، حيث لا يزال مستخدمًا في العديد من الأجهزة الإلكترونية وأنظمة الاتصالات التي نستخدمها كل يوم.
- ليزر ثاني أكسيد الكربون: حيث تعطي شعاع ليزر في مجال الأشعة التحت الحمراء.
- قياس الليزر عن بعد ووكر: اخترع العالم ووكر أنظمة القياس والاستهداف باستخدام الليزر.
تأثير الليزر على الفوتونات
الليزر يعني تكبير الضوء من خلال الانطلاق الدافع للإشعاع، حيث تستند أفكار التكبير والانطلاق المستحث في الليزر على مستويات الطاقة المحددة للإلكترونات في الذرات؛ لصنع ليزر، تأخذ بعض المواد وتذهب إلى مستويات الطاقة الكمومية.
تتمثل الخطوة الأولى في تأثير الليزر على الفوتونات أنه وعادة ستقيم معظم الإلكترونات في أدنى مستويات الطاقة للذرة، وهذا هو المكان الذي يرغبون في الراحة فيه، لكن الليزر يعتمد على دفع معظم الإلكترونات إلى مستوى أعلى والتي تسمى أيضًا حالة الإثارة.
طريقة تأثير الليزر على الفوتونات
يتم ذلك باستخدام مضخة تدفع الإلكترونات إلى حالة الإثارة المحددة؛ بعد ذلك عندما تبدأ بعض هذه الإلكترونات في السقوط تلقائيًا مرة أخرى، حيث تصدر طولًا موجيًا معينًا من الضوء؛ تنتقل هذه الفوتونات عبر المادة وتدغدغ إلكترونات أخرى في حالة الإثارة، مما يؤدي إلى تحفيزها على القفز لأسفل، مما يؤدي إلى انبعاث المزيد من الفوتونات التي لها نفس الطول الموجي.
من خلال وضع المرايا على طرفي المادة، تتراكم هذه العملية حتى يكون هناك حزمة لطيفة وثابتة من الفوتونات التي تملك الطول الموجي ذاته، ثم يتسرب جزء من الفوتونات المتزامنة عبر ثقب في إحدى المرآتين وهذا هو الشعاع الذي تراه قادمًا من مؤشر الليزر الخاص بك.
الفرق بين ضوء المصباح الكهربائي وضوء الليزر
طريقة عمل الذرات في المصباح الكهربائي تحتوي الذرات الموجودة في الفتيل الساخن على إلكترونات تقفز لأعلى ولأسفل بشكل عشوائي بين المستويات المختلفة، حيث تحتوي الفوتونات التي تنبعث منها على مدى واسع من الأطوال الموجية، مما يجعل الضوء يبدو أبيضًا؛ فقط من خلال استغلال المستويات الكمومية الغريبة للإلكترونات في الذرة، يقفز الكم الغريب بين تلك المستويات، الازدواجية الغريبة للجسيم الموجي للضوء نفسه.
استخدامات الليزر
- الليزر في المختبر لاحتجاز الذرات: تمكن الفيزيائيون في بعض المعامل من شل حركة ذرات الغاز لمراقبة خصائصه من أجل القيام بذلك، حيث يستخدمون أشعة الليزر التي تبطئ الذرات عندما يتم ضبطها بدقة شديدة بمجرد تجميد الذرات؛ لاحظ الباحثون تكوين موجة كمومية عملاقة، تسمى مكثف بوز آينشتاين، ولها خصائص مفاجئة، حيث يعمل العديد من العلماء حاليًا على هذه المواد.
- استخدام الليزر لجعل الإنترنت يعمل بشكل أسرع: تستفيد أسرع شبكات الإنترنت من الألياف الضوئية لنقل المعلومات؛ من أجل القيام بذلك، يتم تشفير البيانات التي يجب نقلها في ومضات صغيرة من الضوء المنبعثة من ثنائيات الليزر، وهي نوع من الليزر المصغر المصنوع من أشباه الموصلات، حيث يمكن الوصول إلى إنترنت عالي السرعة بفضل صمامات الليزر الثنائية.
تستخدم تقنية الليزر التي اخترعها الفيزيائيون في تحديد الخصائص الكمومية للذرات لإصدار ضوء من نوع خاص، حيث إن ضوء الليزر غير العادي هو اتجاهي للغاية ولونه نقي، حيث أنه مصنوع من جزيئات الضوء التي تسمى الفوتونات، وكل منها متطابق مع الآخر ومتراكب بشكل جيد، حيث تُستخدم تقنية الليزر في الطب وفي الصناعة وفي مشغلات أقراص DVD الخاصة وفي شبكات الإنترنت ذات الألياف الضوئية.
