فهم مفهوم أشعة الليزر وأهميتها

ما هي أشعة الليزر؟

أشعة الليزر هي أشعة ناتجة عن تضخيم الضوء من خلال ظاهرة الانبعاث الإشعاعي المحفز، مما يجعلها مصدراً ضوئياً مميزاً عن المصادر التقليدية. تتميز أشعة الليزر بإنتاج حزم ضوء ضيقة للغاية تمتاز بعدة استخدامات فائدة في مجالات متنوعة. جذور مفهوم أشعة الليزر تعود إلى اقتراح العالم ألبرت أينشتاين في عام 1916، حيث أوضح أن الذرات يمكن أن تطلق طاقة إضافية كضوء عند تعرضها لظروف مناسبة من التحفيز.

أما الاختراع الرسمي لليزر، فقد تم بواسطة العالِمين تشارلز تونيز وآرثر شاولو، اللذان قدّما ورقة بحثية تتناول مبدأ عمله في ديسمبر 1958، وفي العام التالي حصلوا على براءة اختراع لهذا الابتكار.

خصائص أشعة الليزر

تمتاز أشعة الليزر عن غيرها من أنواع الضوء بعدة خصائص تجعلها ذات طبيعة خاصة، ومنها:

أحادية اللون: أي تحتوي على طول موجي واحد، مما يعني لوناً واحداً فقط.
تجهيزية: تسير بصورة اتجاهية واحدة، على عكس أنواع الضوء الأخرى مثل ضوء الشمس أو المصابيح التي تنتشر في عدة اتجاهات.
تماسك: تسير موجاتها بوحدة متكاملة.

استخدامات أشعة الليزر

تتعدد استخدامات أشعة الليزر، ومنها:

الاستخدامات الطبية

تستخدم أشعة الليزر بشكل واسع في القطاع الطبي بسبب دقتها وسلامتها. تعتبر إجراءات الليزر الطبية آمنة ولا تؤذي المريض أو الفريق الطبي، رغم أن تأثيرها قد يتشابه مع الجراحة التقليدية من حيث الألم والنزيف والندوب، ولكنها تتيح شفاءً أسرع. تشمل استخدامات الليزر الطبية الأخرى:

علاج الدوالي.
تصحيح الرؤية عبر جراحة القرنية.
إعادة الشبكية المنفصلة.
إزالة البروستاتا.
التخلص من حصى الكلى.
إزالة الأورام.

الاستخدامات الصناعية

أصبحت أشعة الليزر واحدة من الأدوات الأكثر استخداماً في المجال الصناعي، مما ساعد المهندسين في تصميم وتصنيع منتجات معقدة كانت صعبة التحقيق باستخدام التقنيات التقليدية. تشمل الاستخدامات الصناعية الرائجة لأشعة الليزر:

طباعة أو حفر الأسماء أو الأرقام على المنتجات المختلفة.
إنشاء تركيبات أو أنسجة محددة على الأسطح.
إزالة مكونات معينة من الأجهزة دون التأثير على أجزاء أخرى.
عمليات الحفر أو القص للأجزاء المتنوعة.
لحام المعادن والبلاستيك.
تعرية الأسلاك.

الاستخدامات العلمية

أعطت إمكانية التحكم في طول الموجة ومدة النبض دافعاً لاستخدام أشعة الليزر بأبحاث علمية في مجالات مثل الفيزياء. من استخدامات أشعة الليزر في العلوم:

دراسة التحليل الطيفي، مما يسمح بدراسة الضوء الذي يمتص ويصدر عن الذرات والجزيئات عند انتقالها بين مستويات الطاقة المختلفة.
إضاءة جزيئات خاصة خلال التفاعلات الكيميائية مما يسهم في دراسة دقيقية للتفاعلات.
التحكم في حركة الذرات أثناء التفاعلات، سواء بتسريعها أو إبطائها.

الاستخدامات التكنولوجية

تُعتبر الألياف الضوئية، وهي نوع من أشعة الليزر، من الاستخدامات التكنولوجية الرئيسية. وتشتمل التطبيقات الرئيسية على:

التعرف على بصمات الأصابع.
معالجة الصور من خلال الأقمار الصناعية.
أنظمة الطيران المرتفعة.
الكمبيوتر البصري الذي يتفوق في الأداء على أجهزة الكمبيوتر التقليدية.
الأقراص الرقمية المرنة التي أحدثت تغييراً في طريقة تخزين المعلومات.
أجهزة تشغيل الأقراص المرنة.

استخدامات أخرى

يمكن لأشعة الليزر تركيز طاقات عالية جداً، وتستخدم في مجالات معينة مثل أبحاث الانصهار واختبارات الأسلحة النووية ومنظومات الدفاع الصاروخي. بدأ استخدام أسلحة الليزر العسكرية منذ ستينيات القرن الماضي، وازداد الاهتمام بها بعد مبادرة الرئيس رونالد ريغان للدفاع الاستراتيجي في عام 1983، لكن الاهتمام تضاءل لاحقًا بعد ثبوت فعالية الغلاف الجوي في تشتيت الأشعة القوية.

أنواع أشعة الليزر

هناك عدة أنواع من أشعة الليزر، وكل نوع يعتمد على الوسط المستخدم. ومن أبرز الأنواع:

ليزر الوسط الصلب: يعتمد على شبكة صلبة لإنتاج أشعة الليزر، مثل ليزر الياقوت أو النيوديميوم- YAG.
ليزر الغاز: مثل الهيليوم والنيون، وله لون أحمر مرئي. كما أن ليزر ثاني أكسيد الكربون ينتج أشعة تحت الحمراء تستخدم لقطع المواد الصلبة.
ليزر إكسيمير: يستخدم نوعان من الغازات مثل الكلور والفلور ممزوجة مع غاز خام مثل الأرغون أو الكريبتون أو الزينون.
ليزر الصبغة: يعتمد على صبغات عضوية معينة مثل صبغة رودامين 6G.
ليزر أشباه الموصلات: يتم استخدامه بشكل شائع في الأجهزة الكهربائية مثل الطابعات ومشغلات الأقراص المرنة.

أضرار أشعة الليزر

تشكل أشعة الليزر خطراً إذا استُخدمت بطريقة غير صحيحة. يمكن أن تتراوح الأضرار من حروق جلدية بسيطة إلى إصابات دائمة في الجلد أو العين. وهناك أضرار بيولوجية ناتجة عن العمليات التي تنتج هذه الأشعة، كما يلي:

أضرار حرارية: تحدث نتيجة ارتفاع درجة الحرارة، وتعتمد على مدة التعرض وطول الموجة ونوع النسيج المعرض للأشعة.
أضرار صوتية: ناتجة عن صدمات ميكانيكية اهتزازية قد تسبب تلفاً في الأنسجة.
أضرار ضوئية كيميائية: تحدث نتيجة تفاعل الفوتونات مع أنسجة الجسم، مما يؤدي إلى تغير كيميائي وضرر.

الملخص

تُعتبر أشعة الليزر نوعاً خاصاً من الضوء، حيث تتميز بأنها تسير في اتجاه واحد وبشكل متماسك في الفضاء. وتمثل أشعة الليزر ضوءاً تم تضخيمه عبر ظاهرة الانبعاث الإشعاعي، وقد كان آينشتاين من أوائل من ناقشوا مبادئها. لكن الاختراع الرسمي لها كان من قبل العالِمين تشارلز تونيز وآرثر شاولو في عام 1958. أثمرت استخدامات الليزر في ثورة في مجالات الطب والصناعة والتكنولوجيا وغيرها من المجالات، لكن يجب أن يُستعمل بحذر لتفادي الأضرار المحتملة التي قد تلحق بالجلد أو العين.