الليزر … مبدأ عمله وتطبيقاته

إعداد: ميشيل رحال، الكيمياء العربي

الإصدار التلقائي Spontaneous Emmission

من المعروف، أنه عندما يسلط إشعاع على المادة، سوف تتهيج الكترونات المادة، وتنتقل لسويات طاقية أعلى، ومن ثم تعود إلى سوياتها الأساسية تلقائياً دون تدخل خارجي مع إصدار فوتونات، والشرط اللازم لحدوث الانتقال، هو أن يكون الفرق بين السويتين مساوياً إلى طاقة الإشعاع  ΔΕ=hv، و هي السمة المميزة لجميع المصادر الضوئية المعروفة، مثل مصباح بخار الزئبق، النيون، حيث تحدث ملايين الانتقالات التلقائية للذرات.

تسمى هذه الظاهرة بالإصدار التلقائي Spontaneous Emmission، خواص هذا الإصدار أن فوتوناته غير مترابطة، أي أن هناك فرق في الطور بين الأطوال الموجية، ومبعثرة في جميع الاتجاهات (بحيود كبير) حيث لا يوجد رابط بين الأزمنة التي تجري فيها الانتقالات الالكترونية في الذرات.

الإصدار المحثوث Emitted Emission

فيه تنتقل ذرة من المستوي الأعلى للأسفل عندما يمر بها فوتون طاقته تعادل الفرق بين السويتين الطاقيتين. ويتميز الإصدار المحثوث بانبعاث فوتون جديد، فضلاً عن الفوتون الأصلي. ويكون للفوتون المحثوث نفس طاقة الفوتون الأصلي، أي له نفس التردد وطول الموجة، لذا فيقال أنّهما مترابطان.

وكون الفوتون المتحرر حديثاً من ذرة مثارة، يمكن أن يصطدم بذرة مثارة أخرى مباشرة فيسبب خللاً  disturbed في حالتها المستقرة ويحثها قسرياً للعودة إلى حالتها المستقرة، وذلك قبل مرور 10^-8 ثانية فلا تلبث أن تطلق فوتوناً له نفس طاقة الفوتون الأصلي وبنفس الطور وطول الموجة، وتواصل الفوتونات انتشارها معاً على نفس المنوال في نظام متتابع.

أشار آينشتاين سنة 1917 إلى إمكانية حدوث الإصدار المحثوث، حيث يمكن توليد حزم ضوئية بخواص مضبوطة وذلك بدراسة إحصائية-كمومية:

عندما ندرس جملة مكونة من عدد هائل من الذرات، ليس بالضرورة أن تكون جميعها ضمن نفس المستوى الطاقي، حيث يكون هناك توزيع إحصائي لتوزع الذرات بحسب طاقاتها الوسطية.

توزيع الذرات ضمن مختلف السويات الطاقية محققا وفق قانون بولتزمان:

G_i هو الوزن الاحصائي الذي يعبر عن طرق توزع الذرات المختلفة في مستوي الطاقة السفلي والعلوي على الترتيب.

حيث N_i هو عدد الذرات في السوية التالية، و N عدد الكلي للذرات في السوية الأساسية.

يتطلب التوازن الحراري عند أية درجة حرارة بأن تكون السوية ذات الطاقة الأخفض ممتلئة أكثر بالذرات من سوية السوية ذات الطاقة الأعلى، كون المعامل الأسي صغير.

معاملات آينشتاين

معاملات احتمالية تعطي فكرة جيدة عن احتمالية حدوث انتقال الكتروني بين سويات الطاقة، وبالمقابل تساعد على التنبؤ بإمكانية حدوث إصدار تلقائي أو محثوث، ويجب إيجاد علاقة تربط بين المعاملات حيث أنّ الانتقالات الثلاثة تحدث في المادة بصورة مستمرة وبمعدل ثابت لكل منها عند شروط التوازن الحراري، وبمعرفة أحد المعاملات يمكن حساب المعاملات الأخرى.

A₂₁  احتمالية حدوث الإصدار التلقائي و الذي يتعلق بعدد المكونات في السوية الاولى N₁. يكون معدل التغير في تعداد السوية الأولى بالنسبة للزمن سالب، لأنّه كلما زاد معدل التغير نقصت N₁:

dN₂/dt=-A₂₁N₁

B₁₂  احتمالية حدوث امتصاص محثوث والذي يتعلق بعدد المكونات في السوية الأساسية. يمكن التعبير عن تأثير عملية الامتصاص على تغير تعداد السوية الاولى:

dN₂/dt= +B₁₂Nϱ(v)

 كثافة طاقة الاشعاع وتمثل عدد الفوتونات التي تواترها v في واحدة الحجم ϱ(v)

B₂₁ احتمالية حدوث الإصدار المحثوث والذي يعتمد على عدد المكونات في السوية الأولى أي كلما زاد N₁ كلما زادت عملية الإصدار المحثوث.

يمكن التعبير عن تأثير عملية الإصدار المحثوث على تغير تعداد المستوي الاول بالمعادلة:

dN₂/dt= -B₂₁N₂ ϱ(v)

تمثل المعادلات الثلاث، الحالات المختلفة التي يمكن من خلالها أن يتفاعل الإشعاع الكهراطيسي مع ذرات المادة. وفي حالة التوازن الحراري عند درجة حرارة T، فإن عدد الذرات N₂ في مستوي الطاقة E₂ يكون ثابتا، بحيث:

N₂=Constant  & dN₂/dt=0

dN₂/dt= -A₂₁N₂ + B₂₁N₁ ϱ(v) –B₂₁N₂ ϱ(v)=0

N₂(-A₂₁-B₂₁ ϱ(v)) + B₁₂N₁ ϱ(v)=0

N₂(A₂₁+B₂₁ ϱ(v)) = B₁₂N₁ ϱ(v)

نحصل على:

حيث أنّ المعادلات الثلاث الأخيرة تم اشتقاقها تحت شروط التوازن الحراري، لهذا فإنّ معادلة ماكسويل بولتزمان محققة:

بمقارنة آخر معادلتين:

g₂/g₁=N₂/N₁ باعتبار KT>> hv

لذلك:  

حيث تدعى المعادلة الأخيرة بمعادلة آينشتاين لإشعاع الجسم الأسود:

نحصل على:

تدعى آخر ثلاث معادلات، بمعادلات آينشتاين، تسمح المعادلة الأخيرة بحساب نسبة احتمال الإصدار التلقائي لاحتمال الإصدار المحثوث من أجل سويتي طاقة.

لتقدير نسبة الحدوث بين الإصدار التلقائي والإصدار المحثوث، نفترض:

R = e^hν/kt-1

لذلك:

النسبة بين الإصدار التلقائي والمحثوث يتحدد بالعلاقة:

عند درجات الحرارة المتوسطة، يكونhv>>KT  فيكون الانتقال التلقائي أكثر احتمالاً بكثير من الانتقال المحثوث الذي يمكن إهماله هنا، وهذا ينطبق على حالة الانتقالات الالكترونية في الذرات والجزيئات وفي حالة الانتقالات المشعة في النوى.

تكون كثافة الاشعاع عند درجات الحرارة العالية كبيرة، وهنا يمكن إهمال تأثير عملية الإصدار التلقائي التي لا تتأثر بتغير درجة الحرارة.

عندما يكون KT>>hv كما هو الحال في مجال الأمواج الميكروئية من الطيف الكهراطيسي، يمكن أن يكون الإصدار المحثوث هو السائد

فمثلاً: إذا سخنا سلك من التنغستن لدرجة حرارة T=2000 K   آخذا تواترا v=5*10¹⁴ Hz، تكون النسبة ما بين الإصدار التلقائي والمحثوث: 1.5*10⁵

مع ذلك، يثبت ما سبق أنّ الإصدار المحثوث تحت الشرط الطبيعي للتوازن الحراري غير محقق، بالتالي لا يحدث الفعل الليزري.

كنتيجة، تنافس عملية الإصدار المحثوث عمليتي الإصدار التلقائي والامتصاص المحثوث، وحتى نضخم شعاعاً ضوئياً بواسطة الإصدار المحثوث فإنّه يجب أن نزيد من معدل هذه العملية بالنسبة للعمليتين الآخرتين. وحتى يتحقق ذلك فيجب زيادة كثافة الاشعاع وتعداد المستوي E₂بحيث يصبح N₂>N₁ وهذا ما يعرف بالانعكاس السكاني Population Inversion والتي تعتبر جوهر أفكار آينشتاين.

حتى يتحقق الفعل الليزري، يجب بلوغ شروط لا توازنية، حيث تثار أعداد كبيرة من الذرات لسوية طاقية أعلى، يتم ذلك بتطبيق طاقة إثارة مناسبة عليه عن طريق عملية الضخ الضوئي optical pumping مما يؤدي لقلب توزع ماكسويل بولتزمان (الانعكاس السكاني) والهدف منه زيادة احتمال حدوث الاصطدام الفوتوني.

يمكن تفسير ذلك بنموذج ليزر السويات الثلاث :three level laser

نعتبر وجود 3 سويات طاقية حيث E₃>E₂>E₁  حيث نعتبر E₂ مستوي شبه مستقر، عمره الزمني طويل نسبياً، يقدر بحوالي جزء من مئة ألف من الثانية، وهو يفوق العمر الزمني لمستويات الإثارة العادية بمقدار مئة ألف مرة.

تحدث العملية بآليتين:

1. عندما تتم إثارة الذرات، سوف تنتقل إلى السوية E_3، وتنتقل إلى السوية E₂ شبه المستقر ونظراً لطول عمره الزمني، يزداد فيه عدد الذرات المثارة حتى يصبح عددها أكبر من تعدادها في المستوي الأرضي E₁ أي تحقق حدوث الانقلاب السكاني.
2. تنتقل فيه الذرات تلقائيا من المستوي E₂ إلى المستوي E₁ ويصحب هذا الانتقال انبعاث فوتونات طولها 6943 آنغستروم، وهذه الفوتونات الصادرة تلقائيا، عندما تمر بالذرات المثارة في المستوي E_2­ فإنّها تحثها على الانتقال من المستوي E­₂ إلى المستوي E₁ قبل أن يحين زمن عودتها تلقائياً. ويتولد نتيجة لذلك عدد من الفوتونات المحثوثة. وهذه وغيرها تولد المزيد من الفوتونات.

 مكونات جهاز توليد أشعة الليزر و أنواعه

بالنسبة لأول جهاز ليزر، فقد استخدم أول مرة سنة 1962، له المواصفات التالية:

اسطوانة ذات الأبعاد: العرض 0.1-2 سم، الطول 2-23 سم

1. مادة الوسط الفعال، قد تكون مادة صلبة مثل الياقوت الصناعي Ruby، يتكون من أوكسيد الألمنيوم Al₂O₃  المشوب بأوكسيد الكروم Cr₂O₃  بنسبة لا تتجاوز 0.05% وزنياً. كون الرابطة Al-O لا تمتص ضمن مجال واسع من الطيف الكهراطيسي، فتكون أيونات الكروم Cr⁺³ ضمن الشبكة البلورية هي المادة الفعالة والمسؤولة عن الظاهرة الليزرية، حيث تكون كثافة أيونات الكروم N₀=1.6*10¹⁹ mol/cm³. للبلورة تناظر مكعبي تقريباً، مع اختلال على طول الجسم القطري. نتيجة للاختلال، يكون تناظر البلورة هو موشور سداسي وجوه.
2. مصدر للطاقة لإثارة مادة الوسط الفعال، وذلك بعملية الضخ الضوئي، استخدم انبوب حلزوني يعطي ومضات ضوئية.
3. المجاوبة الضوئية، عبارة عن لوحين متوازيين من الزجاج، أحدهما عاكس بنسبة 100% والآخر عاكس بشكل جزئي، تكون عادة مطلية بالفضة، حيث تكون انعكاسية الفضة بالنسبة للأشعة بأفضل حالاتها مابين 85-90% من الأشعة.

تم تشكيل العديد من أجهزة الليزر، تكون فيها المادة الفعالة غازية (نيون-هليوم)، أو سائلة متوضعة ضمن مصفوفة بلورية (المثنوي excimer)، ذات كفاءة أكبر من ليزر الياقوت.

 أهم خواص أشعة الليزر

1. أحادية اللون Monochromaticity

معظم المنابع الضوئية التقليدية تعطي مجالاً ضوئياً، فمثلاً يعطي المنبع الضوئي لأجهزة المقياس الطيفية Spectrophotometer مجالاً من الأطوال الموجية، وكلما كان مجال الحزمة أضيق كلما كان الجهاز أدق، بينما يكون الليزر أحادي اللون، وهذا ما يميزه عن الضوء العادي، حيث يعطي الليزر طول موجة وحيد فقط.

2. الاتجاهية Directionally

الضوء الصادر عن الليزر له اتجاه وحيد بحيود مهمل بالمقارنة مع الضوء الصادر من مصباح كهربائي حيث أن الضوء ينبعث في كافة الاتجاهات وبحيود كبير.

3. الترابط Coherence

تعني أنه هناك فرق طور ثابت بين الأمواج المتداخلة مما يؤدي لظاهرة التداخل البناء، بينما تلك التي تختلف في الطور بمقدار عدد فردي من π تتداخل بشكل هدام وتكون المحصلة تلاشي الموجة.

بعض تطبيقات الليزر في وعلم المواد

تمتين السطوح باستخدام الليزر

من المشاكل التي تعانيها بعض عناصر الآلات، هو الاهتراء نتيجة الاحتكاك الدائم، بسبب ظروف العمل المختلفة وتأثير العوامل الغير ملائمة لعمل هذه الآلات.

تستخدم العديد من الطرق لحماية سطوح المعادن، مثل الكربنة، النتردة، الاشعاع بالليزر والبلازما.

يُعرَّف التمتين الليزري Strenghthening ، بأنّه التسخين الموضعي لأجزاء محددة من سطح العنصر بتأثير الاشعاع، ومن ثم تبريد هذا الجزء بسرعة تزيد عن السرعة الحرجة بعد توقف تأثير الإشعاع بقصد امتصاص الحرارة من قبل الطبقات الداخلية للمعدن.

تختلف طريقة المعالجة هذه عن الطرق المتقدمة الأخرى بأنّ التسخين يكون موضعياً على السطح المراد تمتينه ولا يشمل كامل أجزاء كامل أجزاء الجسم المعالج، بالتالي لا يوجد ضرورة لاستخدام أوساط تبريد خاصة.

تتميز هذه الطريقة بزمن قصير وبدون حدوث تشوهات محسوسة لعناصر الآلات، وإمكانية تنظيم تأثيره الحراري ضمن مجال واسع عبر تغيير عوامل الاشعاع الليزري ونظام المعالجة، وإمكانية استعمالها كعملية نهائية دون اتباعها بعملية تالية.

عملياً فإنّ تسليط أشعة الليزر على سطح المعدن، تزيد من تجانس التركيب الطوري حيث يحدث تسخين للطبقات السطحية للمعدن، تؤدي لتغيير التشكيل البلوري، بالتالي تجانس أكبر بين حدود الحبيبات مما يكسب سطح المعدن خواص ميكانيكية مطلوبة مثل مقاومة أعلى للاحتكاك، مقاومة للتآكل، ومقاومة للتعب.

ترسيب الأبخرة الكيميائية المعززة بالليزر Laser Chemical Vapor Deposition

تستخدم تقنية ترسيب الأبخرة الكيميائية CVD   لطلاء أو تشكيل طبقات لمعادن على ركازات معينة، انطلاقاً من مركبات غازية تحوي هذه المعادن، وكان من أول استخداماتها ترسيب بلورات السيلسيوم لتشكيل شيبات الأجهزة الالكترونية، وهي مستخدمة بشكل واسع لتشكيل أنصاف النواقل، المواد الضوئية، والمواد المقاومة للحرارة.

تعتبر هذه العملية دقيقة جدا من ناحية شروط الضغط ودرجة الحرارة، كون الترسيب يحدث وفق شروط مدروسة جداً، للحصول على طبقات بسماكات محددة، ولتخفيض مقدار العيوب المتشكلة أثناء التبلور قدر الإمكان، لذا فيمكن استخدام الليزر كمصدر حراري، مما يوفر دقة في المكان المسخن، والقدرة على التحكم بعملية النمو، تشوه أقل في الركازة، والقدرة على تسخين/تبريد لا توازني يحدث بشكل سريع، حيث يتم تسخين الركازة موضعياً وعندها يحدث ترسيب المعادن بدءاً من الغاز، وانطلاق بقايا الجزيئات غير المطلوبة.

الكشط بالليزر لتشكيل أنابيب الكربون النانوية Laser Ablation For CNTs Synthesis

استخدمت هذه الطريقة لتشكيل كرات الفوليرين. يتم تسخين أنبوب من الكوارتز لحوالي 800 درجة مئوية ضمن فرن. يتدفق ضمن الفرن غاز خامل (آرغون، هيليوم، نيتروجين) بضغط أخفض من الضغط الجوي. يحوي الأنبوب كتلة معينة من الغرافيت المضغوط. باستخدام نبضة من شعاع ليزر CO­₂  باستطاعة 2kW بشكل مركز على الغرافيت، مما يؤدي لتسخينه لحوالي K3000، يتم وضع الانبوب بشكل مواز لمحور الفرن، أثناء العملية يتدفق الغاز الخامل من أسفل لأعلى الفرن.

يتم تبخر الغرافيت أثناء تسخينه وتتشكل أنابيب الكربون النانوية ضمن الأنبوب في الطور الغازي، ويقوم الغاز الخامل بحمل الأنابيب المتشكلة.

يستخدم أثناء العملية معدن انتقالي كحفاز انتقائي، وذلك لتوجيه الذرات المتبخرة لأنّ تشكل أنابيب كربون نانوية بنسبة عالية، وتقليل نسبة المواد الكربونية الثانوية المتشكلة مثل السخام الأسود.

ليزر الالكترون الحر Free Electron Laser

كون الليزرات التقليدية تعاني قيوداً كثيرة تتعلق بالتكلفة والاستطاعة واختيار الطول الموجي فقد بدأ الباحثون يبحثون عن ليزرات جديدة.

أتمت الجمعية الأمريكية LCP بتعاون مع عدة مراكز بحثية وشركات كبرى، المشروع الضخم المسمى بليزر الالكترون الحر FEL لإصدار الإشعاع تحت الأحمر ذو الاستطاعة العالية، وهو منبع ضوئي قابل للضبط وعالي الاستطاعة والفعالية والأداء.

ترتفع كفاءة الـ FEL فيما يخص التكلفة بسبب مقدرته على استرداد كل الطاقة الضائعة تقريبا وإعادتها إلى الحزمة الالكترونية المسرعة. تستخلص إعادة تدوير الحزمة الالكترونية الطاقة التي لم تشع بشكل ضوء. يسمح طول النبضات القصير في FEL والمقاس بال بيكوثانية ps بتحقيق تآزر أكثر فعالية بين الضوء والمادة. يمكن لمعدل نبضات مابين 18-74 MHz أن يزيد بشكل كبير من السرعة التي تعالج بها المادة ليزرياً، بالتالي يمكن إنقاص أزمنة التوضع السريع في نظم التوضع القائمة على الليزر.

تستخدم غالبية طرق معالجة السطوح، وخصوصاً للألياف الصنعية، إجرائيات وعمليات كيميائية رطبة. يدرس الآن استبدالها بليزر FEL، خصوصاً لسطوح ألياف النايلون والبولي استر من أجل تحسين وتعزيز بعض الخواص، مثل الاحتكاك السطحي، والترشيح والخواص الضوئية.

بينت التجارب أنّه يمكن لهذا الليزر أن يكشط البولي إيميد بدون أن يتأثر الألمنيوم. تهتم صناعة الفولاذ باستخدام هذا الليزر من أجل إزالة الطبقات الأوكسيدية المتكونة خلال عملية الطحن من المواج الفولاذية الكربونية. تزال هذه الطبقات عادة بالتخريش الحمضي، باستخدام حموض مركزة وقوية، ضمن حاويات التخليل، لكنها اجرائية خطرة كونها تستخدم حموضاً خطرة على الانسان ومن الممكن أن تتسرب إلى البيئة.

يمكن لهذا الليزر تشكيل طبقات لا بلورية على سطح المعدن لإنشاء سطوح أقسى وأكثر مقاومة للتآكل.

يبقى الذكر أن هناك تطبيقات مستقبلية عديدة لليزر، مثل استخدامه لإشعاع جسيمات نانوية لقتل الخلايا السرطانية في الجسم بشكل انتقائي، والتحكم بالتفاعلات الكيميائية، عبر التحكم بالروابط المتكسرة وبالتالي الحصول على النواتج المطلوبة، خصوصاً في المركبات العضوية المتماكبة.

المراجع:

Lengyel, B. A. (1966). Introduction to laser physics. New York: Wiley.

د. معصراني. الفيزياء الكمومية. كلية العلوم-قسم الفيزياء/منشورات جامعة دمشق الطبعة 2005-2006

د. مغربي، د. حمود، د. أسعد. الفيزياء العامة 2. كلية هندسة الميكانيك و الكهرباء/منشورات جامعة دمشق 2008-2009

اكوبس، كيلدوف/ترجمة نضال شمعون. هندسة تقانة المواد. سلسلة كتب التقنيات الاستراتيجية و المتقدمة /الطبعة الاولى 2011

د. خليل عزيمة. هندسة السطوح. كلية هندسة الميكانيك و الكهرباء/ طبعة 2008-2009