How does laser work? How are its rays generated? - b-biotech-blog

1. مقدمة :

تعرفنا في  مقالات  سابقة على  تعاريف البيو تكنولوجيا الرسمية والدولية وكذا تاريخها ومستقبلها  ، كما تعرفنا على  العلوم الأساسية  و التقنية وغير التقنية و  العلوم الإقتصادية والتجارية والمالية والإدارية   وكذا العلوم الإجتماعية والإنسانية المساهمة في البيوتكنولوجيا إلى جانب العلوم الجنائية والعسكرية والأمنية  وفروعها المساهمة في البيوتكنولوجيا   . كما تعرفنا على علم  ليزر البيوضوئيات و تاريخ الليزر  وخصائصه  و أسس تصنيفه  وعلى أنظمة استلامه وتوصيله وتطبيقاته الطبية  واستخداماته في التصوير والتشخيص الطبي وعلى تأثيره الحراري الضوئي والميكانيكي .  وفي هذه المقالة سنتعرف  على  المبادئ الاساسية لعمل الليزر

2. المبادئ الاساسية لعمل الليزر (Basic principles of laser operation)

        ان فهم عمل الليزر وآليات توليده يستوجب الالمام ببعض المبادئ الاساسية المتعلقة بالتفاعل المتبادل بين الاشعاع الكهرومغناطيسي والمادة لأن نظرية الليزر تتعلق بنظام ذي عدد كبير من الذرات او الجزيئات الفعالة تتعامل مع اشعاع كهرومغناطيسي يتذبذب بصيغ عديدة في تجويف مفتوح، وأن هذا التركيب يبعث أشعة الليزر بصورة مستمرة مع الزمن من إحدى مراياه. من جهة أخرى هناك طاقة تستمد من المحيط لتضخ باستمرار الى هذا الجهاز لإدامة عملية انتاج الليزر. وإن ذرات هذا النظام تنتهج باستمرار وتبعث إشعاعاً محفزاً (قندلا، 1992).

يتألف أي جهاز ليزري من ثلاث مكونات أساسية موضحة في الشكل (2) وهي:

1- الوسـط الفعّال (Active medium) .

2- مصدر طاقة الضخ (Source of pumping energy).

3- المرنان البصري (Optical resonator).

        يتطلب عمل الليزر مشاركة الاجزاء الثلاثة، إذ يوفر كل واحد منها شرطاً من الشروط الثلاثة الأساسية لتوليد الليزر وهي: الشرط الأول: وجود الوسط الفعال، الشرط الثاني تحقيق التأهيل العكسي (Population Inversion) بالضخ والشرط الثالث وجود المرنان الضروري لحدوث عملية التضخيم الضوئي (Oshea et al., 1977).

  3.كيف يعمل الليزر ؟ وكيف تتولد أشعته ؟

فيما يتعلق بالشرط الأول المتمثل في الوسط الفعال يمكن اعتباره مجموع ذرات، جزيئات او ايونـــات وعليه يمكن ان يكون الوســـط الفعـــال مـــادة صلبـــة مثــل: Er: YAG laser, Ti:saph laser, Nd: YAG laser, Ruby laser او مادة شبه موصلة مثل ليزر الدايود او مادة سائلة متمثلة في صبغة متفلورة مذابة في مذيب خاص مثل (Dye laser) ، او يكون غازاً مثل He- Ne laser، CO₂ laser، ليزر الارغون ، ليزر الكربتون وليزر النتروجين، وكذلك ليزرات الاكسايمر (Excimer lasers) (Chopra and Chawla, 1992).

        أما الشرط الثاني فهو التأهيل العكسي او الشعبية المعكوسة (Population Inversion) التي تستحدث في الوسط الفعال بواسطة تهييج ذراته، او أيوناته بضخ الطاقة من الوسط الخارجي ضخاً ضوئياً بواسطة مصباح ومضي او ليزر آخر. او كيمياوياً او بواسطة قدحة كهربائية او تفريغ كهربائي. ورغم كون حالة التأهيل العكسي شاذة وغير اعتيادية، الا انها ضرورية لحدوث الانبعاث المحفز وتوليد الليزر (قندلا، 1991).

        وبما ان النظم الممثلة بذرات، أيونات او جزيئات تمتلك مستويات طاقة محددة، فان الموجه الكهرومغناطيسية ذات الطاقة المساوية لمقدار فرق الطاقة بين مستويين محددين خاصين بنظام ذري معين سوف تتفاعل معه، إذ تنقل ذراته او جزيئاته من مستوى الطاقة الاوطأ E₁ الى المستوى الطاقة الأعلى E₂ تسمى هذه العملية الامتصاص شكل (3.أ) والطاقة الممتصة حسب قانون بلانك تساوي . وبما ان مُكوث الذرات في المستوى الطاقوي المهيج E₂ لن يطول كثيراً فإنها ستهبط تلقائياً دون مؤثر وبشكل عشوائي محررة طاقة على شكل فوتون طاقته مساوية لفرق الطاقة بين المستويين وتدعى هذه العملية الانبعاث العشوائي (الشكل (-3 ب) (الاحمدي وقدار، 1985).

        لقد أشار أينشتاين عام 1914 الى ان عمليتي الامتصاص والانبعاث العشوائي ليستا الوحيدتين المعبّرتين عن تفاعل النظام الذري مع الاشعاع الكهرومغناطيسي، بل أثبت ان الانبعاث المحفز شكل (-3جـ) موجود وضروري لموازنة الانتقالات باتجاه الاعلى والاسفل، ويقصد به تحفيز الذرة على الانتقال من المستويات المتهيجة الا مستويات أخرى بفوتون له طاقة مساوية لفرق الطاقة بين المستويين مما يؤدي الى انبعاث فوتون ثان له التردد والطور نفسه.

في حالة التوازن الحراري (الظروف الطبيعية) يكون توزيع الذرات او الجزيئات في المســـتويات واطئة الطاقة اعلى بكثير من توزيعها في المستــويات عالية الطاقة (توزيع بولتزمان) الشكل (4-أ). وهذا التوزيع محكوم او معبر عنه بالعلاقة الآتية:

                               N₂/ N₁ = exp [(-E₂-E₁)/KT]

حيث ان:

E: الطاقة (جول)

N: توزيع الذرات

(KT): 0.025 الكترون فولت

K: ثابت بولتزمان ويساوي 1.38×10^-23 جول/ كالفن

وتوزيع الذرات او تأهيلها هنا يقل بزيادة الطاقة (الوتار وآخرون، 1991).

         وعلى العموم فان هذا التوزيع لا يخدم فكرة توليد الليزر، إذ يتطلب عمل الليزر تبديل هذه الحالة او عكسها تماماً. أي تأهيل المســـتويات تأهيلاً عكســـياً (Population Inversion) (الشكل 4- ب) ويقتضي تحقيق هذا استعمال مصدر ضخ خارجي لنقل الذرات او الجزيئات من مستوى الطاقة الادنى الى مستوى الطاقة الأعلى وبعدها تفقد الذرات المتهيجة طاقتها بالانبعاث المحفـز، حيث ينبعث فوتون مساوٍ للفوتون الساقط طاقة وتردداً واتجاهاً شكل ( 4جـ) (Hecht,1986).

        أمـا الشــرط الثالث والأخيـر لتوليـد الليـزر فهو توفـــر المرنان البصري (Optical Resonator) الذي يعدُ وسيلة التغذية الاسترجاعية بإرجاعه للأشعة مرات عديدة حتى تمتلك الطاقة الكافية لاجتياز العتبة (Threshold) وتوليد الليزر ويتألف المرنان من تجويف يحوي مرآتين متقابلتين وعموديتين على المحور البصري للوسط الفعال، إحداهما عاكسة كلياً والاخرى عاكســة جزئيــاً تأتي في مقدمة المرنان وتنبثق منها حزمة الخرج الليزري (Hetch, 1986).

 للمزيد من المعلومات الإطلاع على كتاب 

Laser Biophotonics: Principles and Applications in Medicine and

Life Sciences

للمؤلف د. بن عمر شبة