تويت
ليزر (تطبيقات) -
الليزر والميزر
الميزر Maser هو جهاز يولّد أو يضخم الإشعاع في مجال الأمواج الميكروية من الطيف الكهرمغنطيسي اعتماداً مبدأ الإصدار المحثوث للإشعاع. لذلك يطلق عليه أحياناً اسم ليزر الأمواج الميكروية، على الرغم من أن اكتشافه قد سبق الليزر، ولكن تطبيقات الليزر كانت أهم وأعم، وسادت بعدها كلمة الليزر. وكلمة ميزر مأخوذة من الأحرف الأولى للعبارة الإنكليزية:Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation أي تضخيم الأمواج الميكروية بالإصدار المحثوث للإشعاع.
أما الليزر فهو جهاز يولد حزمة ضيقة من الأشعة الضوئية المترابطة؛ بمعنى أنه توجد علاقة زمانية ومكانية تربط بين طور جميع نقاط الحقل الكهرطيسي المرافق للإشعاع. وكلمة الليزر مأخوذة من الأحرف الأولى للعبارة الآتية باللغة الإنكليزية: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ، وتعني تضخيم الضوء بالإصدار المحثوث للإشعاع.
ويُرى الليزر في العديد من التطبيقات في الحياة اليومية وغيرها لخواص الضوء الفريدة الذي يصدره. ولابد لفهم مبدأ عمل كل من الليزر والميزر من التمهيد أولاً بعرض المبادئ الفيزيائية التي يستند إليها.
تفاعل المادة مع الأمواج الكهرطيسية
تتكون المادة عموماً من جزيئات. والجزيئات من ذرات، والذرات بدورها تتألف من نواة مركزية تدور حولها إلكترونات في مدارت محدده. وقد بيَّن ميكانيك الكم [ر] quantum mechanics أن كل توزع إلكتروني على المدارات يقابل حالة state للطاقة الداخلية للذرة، وأن الانتقال من مدار إلى آخر يتم بقفزات طاقية؛ وليس باستمرار. هذه القفزات توافق طاقة مقدارها محدد بمضاعفات من وحدة طاقية أساسية تدعى «كمّ» quantum الطاقة. هناك شروط وقواعد تسمح بانتقال الإلكترونات بين هذه المدارات مؤدية لحالات كمومية عديدة، وتبعاَ لذلك هناك مخطط طاقي لكل ذرة يتكون من السويات الطاقية energy levels تحدث بينها هذه الانتقالات الإلكترونية. وفي حالة كون المادة مكونة من جزيئات- كما هي الحال في الغازات مثلاً- توجد حركة اهتزازية ودورانية لذرات الجزيء توافق حالات طاقية كمومية محددة أيضاً، ولكل جزيء مخطط مميّز لسويات الطاقة الموافقة للانتقالات المسموحة. والحالة الموافقة للطاقة الدنيا هي حالة مستقرة تدعى الحالة الأساسية ground state، لكن الذرة (أو الجزيء) يمكن أن توجد- في فترة زمنية قصيرة نسبياً- في حالة لا تكون فيها الطاقة دنيا؛ كحالة انتقال الإلكترونات إلى مدارات أكثر بعداً عن النواة نتيجة الحصول على طاقة خارجية، فتصبح الذرة في حالة مُثارةexcited state ، وهي حالة غير مستقرة توافق سوية طاقية أعلى.
والأمواج الكهرطيسية هي شكل من أشكال الطاقة مؤلفة من كمّات طاقيّة أساسيّة تدعى الفوتونات، تكون طاقة الفوتون E مساوية لتواتر frequency الموجة v مضروباً بثابت h يدعى ثابت بلانك (E =hv) Planck constant. وتتعلق شدة الموجة الكهرطيسية بعدد الفوتونات المكونة لها. ويشغل الضوء [ر] تردداً محدداً من الطيف الكهرطيسي الممتد من الأمواج الراديوية الطويلة جداً إلى أشعة غاما القصيرة جداً.
يتفاعل الضوء (والأمواج الكهرطيسية عموماً) مع المادة وفق الظواهر الآتية:
1ـ الامتصاص: في حالة التوازن الترموديناميكي لذرة معزولة، تشغل الإلكترونات مدارات أقرب إلى النواة وتكون الذرة - في الحالة الأساسية - ذات السوية الطاقية الأدنى E0. ويمكن أن تنتقل الذرة (أو الجزيء) إلى سوية طاقية أعلى E1، وتصبح ذرة مثارة؛ إذا تلقت طاقة تساوي الفرق بين السويتين (DΔE = E1- E0). هذه الطاقة يمكن أن تكون طاقة حركية، مثل طاقة الصدم بذرات أخرى أو بإلكترون..، أو أن تكون ذات شكل كهرطيسي. وعندما يتوافق تواتر الموجات الكهرطيسية الواردة مع الفرق بين سويتين من مخطط السويات الطاقية يتمّ امتصاص الضوء أو الأمواج الكهرطيسية من قِبَل ذرات المادة أو جزيئاتها، وينجم عن ذلك تغيّر في الحالة الطاقية لتلك الذرات أو الجزيئات التي تصبح في حالة مثارة. يُعَبَّر عن ذلك بانتقالات من الأدنى إلى الأعلى بين السويات الطاقية المختلفة.
2ـ الإصدار التلقائي: بما أن الحالة المثارة للذرة (أو للجزيء) هي حالة غير مستقرة فإن العودة لحالة طاقية أدنى أو للحالة الطاقية الأساسية تتم تلقائياً بعد زمن وجيز؛ مصدرة الطاقة المكتسبة إما على شكل طاقة حركيّة خلال عملية صدم مثلاً؛ لتتحول إلى حرارة لاحقاً، أو بإطلاق فوتون ذي تواتر v = DΔE / h. وتسمى هذه العملية بالإصدار التلقائي spontaneous emission. لا يحدث هذا الإصدار آنياً لجميع الذرات المثارة. يسمى الزمن الوسطي عمر lifetime السوية الطاقية الموافقة للحالة المثارة، ويتعلق بالمادة وبطول الموجة الصادرة، ويراوح بين عدة ثوان وأجزاء من النانو ثانية. من خواص الإصدار التلقائي للمادة أن كل ذرة مثارة تُصْدِر الإشعاع بشكل مستقل وفي لحظة مختلفة عن باقي الذرات، ولذلك فإن الإشعاع الصادر غير مترابط، بمعنى أنه لا توجد علاقة ثابتة بين أطوار الموجات الصادرة، إنما يكون التواتر نفسه لكل الفوتونات الصادرة؛ لأنه محدد بالفرق الطاقي DΔE بين الحالتين.
3- الإصدار المحثوث: يمكن أن تعود الذرات أو الجزيئات من الحالة المثارة إلى حالة طاقية أدنى نتيجة التحريض بوساطة فوتون وارد عليها يؤدي إلى إطلاقها فوتوناً مطابقاً للفوتون الوارد من حيث التواتر والطور والاتجاه والاستقطاب، فلا يمكن التمييز بين الفوتون الوارد المحرِّض والفوتونات المنبعثة المحرَّضة. وتظهر عملية تضخيم الضوء (أو الإشعاع الكهرطيسي) جلياً نتيجة هذا الإصدار الذي يدعى الإصدار المحثوث stimulated emission. وهذه العملية تمثل الأساس الفيزيائي لليزر والميزر.
تنبّأ أينشتاين [ر] بالإصدار المحثوث نظرياً عام 1917 في معرض تفسيره لمظاهر إشعاع الجسم الأسود، ولكن هذا الاكتشاف لم يستثمر حتى عام 1951 حين بدأت الأبحاث على الميزر. وكان أينشتاين قد بين أن هناك علاقة تربط بين الإصدار المحثوث والإصدار التلقائي، وأن احتمال حدوث الإصدار المحثوث يساوي احتمال حدوث الامتصاص في حالة السويات البسيطة.
الميزر
تم اختراع أول ميزر من قبل العالم الأمريكي تشارلز تاونس Charles Townes وفريقه، وبشكل من قبل مستقل العالمين السوفيتيين باسوف Basov وبروخوروف Prokhorov عام 1953 وحصل الثلاثة على جائزة نوبل للفيزياء عن هذا الاختراع.
يعمل الميزر والليزر وفق المبدأ نفسه الذي يتطلب الوسط الفعّال مكمن الذرات أو الجزيئات المثارة، وآلية الضخ أو الإثارة للوسط الفعّال، وحجرة تجاوب مناسبة.
في درجة حرارة معينة، وفي حالة التوازن الترموديناميكي، يخضع توزع ذرات الوسط الفعّال وجزيئاته في السويات الطاقية المختلفة لقانون بولتزمان حيث يتناقص انشغال السويات الطاقية العليا بشكل أسّيّ تبعاً لفرق الطاقة ودرجة الحرارة. وتكون السويات الطاقية الدنيا مأهولة أكثر من السويات الطاقية العليا. ويجب أن تؤدي الإثارة المطبقة على ذرات أو جزيئات الوسط الفعال ـ نتيجة الضخ ـ إلى نقل أغلبها من المستوى الطاقي المنخفض إلى المستوى الطاقي الأعلى لتحقيق ما يسمى الانقلاب السكاني population inversion للسويات الطاقية، وهذا يسمح بالحصول على تضخيم يعرف بظاهرة الإصدار المحثوث للأشعة.
المجاوب resonator هو حجرة ذات مواصفات فيزيائية مناسبة عاكسة للموجة وذات أبعاد هندسية دقيقة تساوي مضاعفات نصف طول الموجة، وهذا ما يسمح بتكوين أنماط عديدة من الموجات المستقرة متوافقة مع الحجرة. وتكون الضياعات الموافقة لنمط مستقر صغيرة جداً. وهكذا يمكن تخزين الأشعة الكهرطيسية لفترة أطول في حالة التجاوب في حين تتخامد الأمواج التي لا يتوافق ترددها مع النمط المستقر في المجاوب، ومن أجل الأطوال الموجية من مرتبة عدة ميليمترات أو أكثر، يمكن أن تكون حجرة المجاوب صندوقاً معدنياً أبعاده تناسب وجود نمط mode اهتزاز وحيد يتوافق تواتره مع التواتر الذي تصدره الذرات المثارة. عند ذهاب الأشعة وإيابها في الوسط الفعّال يتم حث الذرات المثارة على إصدار موجات مطابقة لها بحيث تزداد الطاقة المخزنة في حجرة المجاوب ازدياداً كبيراً. ويتم الحصول على طاقة خرج مناسبة بالسماح لجزء من الأشعة الموجودة في حالة التجاوب بالخروج من ثقب صغير في جدار المجاوب، ويتحقق التوازن الترموديناميكي بالمساواة بين ما فقد من الطاقة الخارجة والربح الناجم عن الضخ في الوسط الفعّال.
استخدمت في الميزر الأول حزمة من جزيئات النشادر الخارجة من فرن تسخين، تمرّ وفق محاور قفص معدني مؤلف من أربعة قضبان طبقت عليها بالترتيب جهود عالية سالبة وموجبة. يقوم الحقل الكهربائي غير المنتظم بفصل الجزيئات المثارة من غاز النشادر؛ ليمحرقها عبر ثقب صغير في حجرة تجاوب موافقة لتواتر الانتقال في جزيئات النشادر المثارة.
الشكل (1) المبدأ الفيزيائي للتضخيم الضوئي المحثوث
من تطبيقات الميزر: استخدامه مضخماً للإشارات الراديوية الضعيفة جداً، وبما أن ضجيجه شبه معدوم؛ فإنه يستخدم في تضخيم الإشارات الضعيفة جداً في الفلك الراديوي[ر]. كذلك يتميز الميزر بأنه مضخّم ذو نطاق طيفي ضيق جداً، ففي ميزر النشادر مثلاً يبلغ عرض هذا النطاق DΔv = 5kHz حول التواتر المركزي المساوي 24GHz، وبما أن تواتر الاهتزاز مستقر جداً فيمكن بناء وحدة نظامية لقياس الزمن؛ لذلك يستخدم الميزر معياراً لتواتر الساعة الذرية atomic clock.
الشكل (2)
الليزر Laser
اخترع العالم الأمريكى تيودور ميمان T.Maiman أول ليزر عام1960، وكان ليزر الياقوت المشوب بالكروم.
يتكون الليزر عموماً من الأجزاء الرئيسية الآتية، (الشكل 2):
1- الوسط الفعال: يحوي هذا الوسط الذرات أو الجزيئات التي يكون لها مخطط سويات طاقية مناسب بحيث توجد حالة شبه مستقرة توافق انتقالاً مسموحاً بين سويتين طاقيتين، ولكنه بطيء مقارنة مع الانتقالات الأخرى. وهذا يتيح تجميع عدد كبير من الذرات المثارة في تلك الحالة محققة انقلاباً سكانياً مناسباً للإصدار المحثوث. ويمكن أن يكون الوسط الفعّال بحالة غاز أو سائل أو صلب.
تصنّف الليزرات وفقاً للحالة. فهناك الليزرات الصلبة مثل ليزر النيوديميوم، أو الغازية مثل ليزر ثنائي أكسيد الكربون، أو السائلة مثل الليزرات الصباغية. وتوجد أيضاً الليزرات نصف الناقلة والليزرات الكيميائية وليزرات الإلكترونات الحرة وغيرها.
2- الإثارة أو الضخ: يتم تحقيق إثارة ذرات الوسط الفعّال بتقديم طاقة يمكن أن تكون ضوئية، مثل ضخ الليزرات الصلبة بوميض مصباح غازي، أو بانفراغ كهربائي في الوسط الغازي كما في حالة الليزرات الغازية. ويمكن تقديم طاقة الضخ بتفاعل كيميائي مُصْدِرٍ للطاقة كما في الليزرات الكيميائية، وغير ذلك من الطرائق التي تلائم طبيعة الوسط الفعّال.
3- المجاوِب الضوئي: يتكون المجاوِب عادة من مرآة عاكسة تماماً لطول موجة الليزر ومرآة خرج نَفوذة جزئياً تسمح بخروج جزء من الطاقة المولدة في الوسط الفعال والمخزّنة في المجاوب. توجد مجاوبات مستقرة بمرايا مستوية أو مرايا مقعرة، وتوجد كذلك مجاوبات غير مستقرة تعتمد على تضخيم الموجة العابرة في الأوساط عالية الربح، وتستخدم خصوصاً في ليزرات الاستطاعة العالية.
يتصف إشعاع الليزر بمزايا فريدة، منها:
- الاتجاهية: تنتج هذه الصفة مباشرة من حقيقة توضّع الوسط الفعال ضمن مجاوب ضوئي مكون من مرايا مستوية مثلاً، يكون اتجاه انتشار الأشعة محدداً وفق محور المجاوب أو قريباً منه. ويكون التباعد صغيراً جداً مقارنة مع المصادر الأخرى المعروفة مما يسمح بنقل الطاقة إلى مسافات بعيدة.
- الشدّة: تنجم أشعة الليزر عن تضخيم متزايد لفوتونات واردة متطابقة تقريباً، فلا يوجد فرق في الطور بينها يؤدي لتداخل هدّام، بل يوجد تراكم للطاقة وشدة تتناسب مع عدد الفوتونات. يسمح هذا التراكم بالحصول على شدة ضوئية في واحدة السطح قادرة على صهر أقسى المواد.
- وحيد اللون: يُصدر الليزر أشعة لها التواتر نفسه تقريباً ضمن مجال طيفي ضيق جداً يفرضه نمط المجاوب الضوئي. ينجم عن ذلك ضوء على درجة عالية من النقاء الطيفي المحدد بعرض مجال أقل بمليون مرة من عرض الخط الطيفي للإصدار التلقائي الموافق.
- الترابط coherence الزماني والمكاني: يلخص مصطلح الترابط الزماني أن فرق الطور في أي نقطة من الحقل الكهرطيسي الموافق للإشعاع الليزري بين لحظة t ولحظة τ + t يبقى ثابتاً في أي لحظة من الزمن t فيقال: هناك ترابط للموجة على زمن τ. أما الترابط المكاني المثالي فيعني أن فرق الطور في أي لحظة من الزمن بين نقطتين من صدر الموجة يبقى معدوماً. وأشعة الليزر على درجة كبيرة من الترابط الزماني والمكاني؛ وهذا يعطيها الخواص الفريدة التي تسمح باستخدامها في مختلف التطبيقات.
تطبيقات الليزر
الليزر أداة مهمة في البحث العلمي، فقد أتاح الإشعاع الليزري معرفة أفضل لظواهر مثل الانتثار والانعراج كما أتاح تحسين القياسات الطيفية. يستخدم الليزر لفصل نظائر اليورانيوم وللقياسات الدقيقة وفي الاتصالات وفي التركيب الضوئي وفي الصناعة الميكانيكية في اللحام والقص وكذلك في صنع الأخيلة المجسمة (الهولوغرافية) وفي المعلوميات وفي قراءة الأقراص المدمجة الرقمية.
1ـ التطبيقات الطبية: يتقدم استخدام الليزر في الطب باستمرار؛ ليصبح وسيلة فعّالة بامتياز للعديد من التخصصات الطبية. ففي طب العيون يعدّ وسيلة فريدة لمعالجة الأمراض داخل العين كانفصام الشبكية أو النزيف الداخلي، وكذلك يستخدم بفعّالية كبيرة لتصحيح عيوب البصر وأمراض الزرق والسّاد وغيرها. وفي الجراحة يستخدم مبضعاً من دون تلامس مما يحقق تعقيماً نموذجياً وتخثيراً للدم يقلل النزيف كثيرًا. وفي المعالجات الجلدية أثبت فعالية كبيرة لمعالجة الوحمات وبعض الأمراض الجلدية ونزع الشعر. تتفاعل أشعة الليزر مع الأنسجة الحيوية بعدة مظاهر، منها:
أ- الفعل الحراري: ينجم عن امتصاص الأنسجة للطاقة المحمولة بالحزمة الليزرية وتبددها الموضعي على شكل حرارة، يؤدي إلى تخثر الخلايا أو حرقها أو تبخيرها، تبعاً لكثافة الطاقة السطحية الساقطة وتبعاً لطيف الامتصاص للأنسجة الحيوية المختلفة يتحدد عمق التفاعل.
من أجل التبخير يعد ليزر ثنائي أكسيد الكربون CO2 هو الأفضل، ومن أجل التخثر السطحي هناك ليزر غاز الأرغون Ar+، أما من أجل التخثر الحجمي فيستخدم ليزر النيوديميوم: Nd:YAG
ب - فعل الامتصاص الانتقائي: تمتص بعض الأعضاء الحيوية - ونتيجة لتركيبتها الكيمياوية - شكلاً انتقائياً واحداً أو أكثر من الأطوال الموجية في الطيف الكهرطيسي. وهكذا إذا شُعِّعت هذه الأعضاء بليزر ذي طول موجي يوافق قمة الامتصاص لبعض المركبات؛ فإنه يمكن تدمير هذه المركبات الموجودة في الخلية، من دون تدمير الخلية وهذا أحد مجالات الأبحاث للقضاء على الخلايا السرطانية .
ج- فعل الحقل الكهرطيسي: تبلغ شدة الحقل الكهرطيسي في نبضة الليزر نحو 10 7 إلى 10 12 فولت/م، في حين شدة الحقل الكهربائي الذي يربط الإلكترونات السطحية مع النواة هو من مرتبة 10 8 إلى 10 12 فولت/م؛ لذلك من الممكن أن يتم تأيين الذرات وتخريب الروابط العضوية للجزيئات وظهور الجذور الحرة. كما أن شدة الحقل الكهرطيسي يمكن أن تؤثر في الثوابت الفيزيائية للوسط، مثل الناقلية وثابت العازلية واستقطاب أغشية الخلايا؛ وهذا يؤدي إلى فوضى في التبادل الأيوني عبر جدار الخلايا العضوية. يحدث هذا في حالة النبضات القصيرة جداً من مرتبة النانو ثانية أو البيكو ثانية، تكون شدة الحقل الكهرطيسي في نقطة المحرق كبيرة جداً بحيث يخلق الحقل بلازماplasma موضعية تكون درجة الحرارة الموضعية والضغط فيها شديدين جداً، ويؤدي تمدد هذه البلازما إلى خلق موجة صدم ميكانيكية تؤثر في الخلايا.
د- فعل القشط الإشعاعي photo-ablatives: تعتمد ليزرات الأكسايمر المستخدمة في الجراحة العينية هذا الفعل حيث إن البروتينات تمتص كثيراً الأشعة فوق البنفسجية UV، فإذا كانت شدة الإشعاع فوق البنفسجي من مرتبة 10 8 W/cm2 فإن هذا الامتصاص يؤدي إلى تحطيم الروابط العضوية بالفعل الضوئي للسلاسل البوليميرية المكونة للمادة الحية مع تدافع إلكترونى بين الأجزاء، وتكون هذه الأجزاء من مرتبة 3-5 μm. هذا القشط نظيف يشفى بسرعة كبيرة.
من الليزرات الطبية المستخدمة:
- ليزر هليوم - نيون He-Ne طول موجته λ = 632 nm أحمر اللون، وله استطاعة ضعيفة.
- ليزر نصف ناقل طول موجته λ = 850 nm أو λ = 904 nm تحت أحمر قريب غير مرئي.
- ليزر غاز الأرغون طول موجته λ = 514 nm أخضر اللون.
- ليزر نيودميوم ياغ Nd:YA، طول موجته λ = 1064 nm، نبضي أو مستمر.
- ليزر نيودميوم ياغ مع مضاعف تواتر ضوئي طول موجته λ = 532nm، نبضي أو مستمر.
- ليزر غاز ثنائي أكسيد الكربون طول موجته λ = 10.6 μm.
- ليزر الإيربيوم ياغ Er: YAG طول موجته λ = 2.9 μm تتفاعل بشكل جيد مع جزيئات الماء.
- ليزرالهولميوم ياغ Ho:YAG طول موجته λ = 2.1 μm تتفاعل بشكل جيد مع جزيئات الماء
- ليزرات صباغية: قابلة للتوليف في المجال المرئي.
- ليزرات صلبة قابلة للتوليف في مجال طيفي عريض، مثل ليزر الألكسندريت أو التيتانيوم سفير في المجال تحت الأحمر القريب. وتستخدم مع الليزرات الصباغية في المعالجة بالكيمياء الضوئية photochemical therapy.
- ليزرات الأكسايمر، ولها أطوال موجية في المجال فوق البنفسجي، مثل KrF وXeF XeCl وتستخدم كثيراً لتصحيح عيوب البصر.
2ـ تطبيقات الليزر العسكرية: يستخدم الليزر في كثير من المجالات العسكرية، فقد استخدم منذ اختراعه حتى اليوم قائساً للمسافة؛ وفي الاتصالات حيث يمكن تحميل كثير من المكالمات على حزمة ضوئية؛ كذلك يستخدم مقلد سلاح في المناورات الحربية وللتدريب على الرمي. أما الرادار الليزري LIDAR إضافة إلى إمكانية عمله راداراً تقليدياً فيمكن استخدامه في كشف عناصر الحرب الكيمياوية والبيولوجية، وتوجد أنواع عديدة منه. يوجد كذلك كثير من التطبيقات العسكرية الأخرى، من أهمها:
- أنظمة قيادة القذائف وتوجيهها ليزرياً: باستخدام الليزر يمكن توجيه مقذوفات مختلفة من صواريخ و قنابل إلى الهدف بالاعتماد على مبادئ مختلفة؛ منها الإنارة والحزمة الموجهة.
الشكل (3) مبدأ الإنارة بالليزر
أ- الإنارة بالليزر، (الشكل 3):
المبدأ هو قيادة قذيفة نحو هدف معلّم بحزمة ليزريّة، يمكن أن تكون القذيفة صاروخاً بتوجيه ذاتي أو قنابل ذكية أو قذائف موجهة. يوجد المرسل الليزري على حامل القذيفة أو غيره، مثلاً الطائرة نفسها تكون حاملة للمرسل الليزري، وتحمل القذيفة الموجهة بالليزر، أو أن المرسل الليزري موجود على طائرة استطلاع أو مع مراقب متقدم يمكن أن يعلّم هدفاً بحزمة ليزرية؛ لكي يضرب من طائرة مهاجمة أخرى.
الغاية من تعليم الأهداف بالليزر هي زيادة احتمال الإصابة في النهاية؛ لأن القذائف الكلاسيكية - مثل القنابل والصواريخ - يمكن أن تنحرف عن المسار المطلوب تحت تأثير عوامل عديدة، مثل سرعة الريح واتجاه المتغيرتين خلال مسار القذيفة، وقد يكون من الصعب أخذ هذه العوامل في الحسبان في حاسب منصّة الإطلاق. يترجم الجهل بهذه العوامل بتبعثر عشوائي لمسقط القذائف حول الهدف؛ ولكن يكون التوجيه بالإنارة الليزرية سواء للقنابل أم للصواريخ دقيقاً جداً.
ب- الحزمة الموجّهة: يوضع الليزر في هذه الحالة على منصة الإطلاق للقذيفة، ويصدر حزمة ليزرية باتجاه الهدف ذات تباعد يمكن التحكم به. في لحظة الإطلاق تكون الحزمة الليزرية ذات تباعد كبير لكي تدخل القذيفة ضمن مخروط الحزمة بسرعة. يتوضع الكاشف في هذه الحالة في مؤخرة القذيفة بوضع هندسي معين بشكل يسمح بتعيين موقعها ضمن الحزمة دوماً؛ وبذلك التوجه الذاتي نحو الهدف. عندما تقترب القذيفة من الهدف يتناقص تباعد الحزمة الليزرية؛ ولكن مع بقائها موجهة بدقة نحو الهدف.
طورت الصواريخ المضادة للدروع، والصواريخ جو- أرض، والصواريخ أرض - جو المحمولة على الحزمة الليزرية. من محاسن هذه الأنظمة أن قيادة الصاروخ تتم بالمتابعة عبر مؤخرة الصاروخ وباستخدام حزمة ليزرية ضيقة مكانياً وطيفياً. وهذا ما يجعل من الصعوبة القصوى التشويش على القذائف الموجهة بهذه الطريقة.
ج- السلاح الليزري: يمكن استخدام الليزر في تحييد الأهداف أو تدميرها بإعماء الحساسات الإلكتروبصرية الموجودة في الأهداف أو ضربها أو إعطاب بعض الأجزاء الميكانيكية فيها. الليزرات المستخدمة إما صلبة أو غازية (CO2) أو كيمياوية (COIL, (HF, DF. بعض النظم الليزرية المستخدمة في الإعماء موجودة، وتخدم في بعض الجيوش، ولكن النظم التدميرية مازالت في طور البحث والتطوير، ويمكن أن تخدم الجيوش البرية والبحرية والجويّة.
وتتجه البحوث اليوم نحو سلاح ليزري ذي استطاعة عالية جداً قاعدته في الفضاء الخارجي قادر على تدمير الصواريخ البالستية العابرة للقارات منذ مرحلة إطلاقها. ويشكّل هذا الموضوع حجر الزاوية في البرنامج الأمريكي المسمى مبادرة الدفاع الاستراتيجي أو حرب النجوم.
3ـ تطبيقات أخرى: يمكن استخدام الليزر النبضي في الرادار الضوئي، أو ما يدعى الليدار LIDAR (Light Detection and Ranging)، حيث تقاس المسافة عن الهدف بمعرفة الزمن الذي تستغرقه النبضة الضوئية للوصول إليه، والعودة بعد انعكاسها عليه؛ مع أخذ سرعة انتشار الضوء المعروفة في الحسبان. وكلما قصر زمن النبضة ازدادت الدقة في تعيين موضع الهدف؛ لذلك يجري توليد نبضات ليزرية لا تتعدى مدتها بضعة نانو ثانية (جزء من مليار من الثانية). جرى قياس صدى الليدار المنعكس على عاكس مكون من عدة مواشير وضع على سطح القمر مع أول رحلة مأهولة إليه، ومن ثم أمكن قياس المسافة بين مرصاد فضائي على سطح الأرض والمرآة القمرية بخطأ لا يتجاوز عدة سنتيمترات. يمكن لقياسات متواقتة للمسافة بين هذه المرآة القمرية ومرصادين موجودين في منطقتين مختلفتين على سطح الأرض أن تقيس المسافة الدقيقة بين المرصادين. كما يمكن لسلسلة من هذه القياسات توفير معلومات عن المسافات بين القارات.
يمكن بتثبيت رادار ضوئي شاقولياً على طائرة إجراء مسح دقيق لإنشاءات على سطح الأرض، مثل مناسيب المدرجات في ملعب كرة قدم، أو شكل سقف بيت. كما يمكن استخدام النبضات المرتدة من الغبار أو حتى من جزيئات الهواء في طبقات الجو العليا من أجل قياس كثافة الهواء ورسم التيارات الهوائية، أو الكشف عن بعض الانبعاثات الغازية، أو وجود مواد ملوثة في الهواء.
إن الترابط العالي للحزمة الليزرية، أو وجود علاقة واضحة بين اهتزازات الموجة الضوئية بين مختلف نقاط الحزمة، هو عنصر مهم في القياسات أو التطبيقات التي تعتمد على تداخل الحزم الضوئية. وإذا قسمت حزمة ضوئية إلى قسمين يسلكان طريقين مختلفين، ثم جمعا في منطقة واحدة؛ فإنهما يمكن أن يتوافقا في بعض نقاط الفضاء بحيث يعطيا شدة ضوئية كبيرة، أو يختلفا بحيث يُعدمان بعضهما بعضاً، وهذا ما يعطي شكل أهداب مضيئة وعاتمة تعرف باسم أهداب التداخل، ويوافق الانتقال بين هدب مضيء وهدب عاتم فرق في المسير الضوئي بين القسمين بقدر نصف طول الموجة. يدعى الجهاز الذي يستخدم هذه الطريقة بالمداخل الليزري laser interferometer، ويمكن بوساطته الكشف عن انتقالات صغيرة جداً. وباستخدام الليزر يمكن إنجاز هذه القياسات على مسافات كبيرة جداً. وتستخدم المداخلات الليزرية لقياس الانتقالات الصغيرة في القشرة الأرضية على طول الفوالق الجيولوجية. وتستخدم هذه الأجهزة لمعايرة الخيوط الدقيقة، ولمراقبة منتجات الآلات المؤتمتة، ولفحص العناصر البصرية.
تتميز بعض الليزرات بوحدانية لون عالية بحيث يمكن كشف تغيّر بسيط في تردد الموجة الضوئية (أو انزياح بسيط في اللون). يزداد تردد الضوء المنعكس عن جسم متحرك مقترباً من المنبع الليزري بمقدار يتعلق بسرعة هذا الجسم، وتعرف هذه الظاهرة باسم ظاهرة دوبلر Doppler effect. ومن أجل جسم يتحرك مبتعداً من المنبع الليزري يتناقص تردد الضوء المنعكس. إذا جمع على محس ضوئي جزء من الضوء الليزري الأصلي مع الضوء المنعكس ذي التردد المزاح؛ تتولد إشارة عن المحس الضوئي بتردد يعادل فرق التردد بين الضوءين. فيمكن بهذه الطريقة قياس سرعات صغيرة للأجسام المتحركة، وتستخدم لمراقبة تدفق الدم في الأوعية والشعيرات الدموية ، كما تستخدم لقياس سرعة السيارات.
مع توافر حزمات ليزرية بشدة كافية وترابط عال، وباستخدام التداخل الضوئي؛ أصبح من السهل تشكيل الهولوغرامات holograms التي تستخدم لتطوير طرائق تصويرية بحيث تشكل صوراً مجسمة ثلاثية الأبعاد للأجسام المصورة، ويوجد في العالم العديد من المتاحف الفنية التي تعرض صوراً مجسمة فريدة. وللهولوغرامات تطبيقات صناعية واسعة، فهي تسمح بالكشف عن تشوهات صغيرة لسطوح الأجسام، أو الكشف عن اهتزازات غير مرئية. كما أصبحت الهولوغرامات الرقيقة تستخدم عناصر بصرية في بعض الأجهزة البصرية بدلاً عن العدسات الزجاجية ، مختزلة بذلك حجم هذه الأجهزة ووزنها.
تسمح صفة الترابط للحزمة الضوئية بإمكانية تركيزها على مساحات صغيرة جداً، أبعادها بحدود طول الموجة الضوئية، وذلك بوساطة عدسات تقليدية. ويسمح تركيز الحزم الضوئية المترابطة والناتجة عن بعض الليزرات ذات الاستطاعة المتوسطة أو العالية؛ يسمح بالحصول على شدات ضوئية عالية جداً (أي نسبة الاستطاعة إلى واحدة السطح). وغالباً ما تسمح الليزرات النبضية بتوليد نبضات ضوئية باستطاعة أكبر من الليزرات المستمرة، فإذا ركّزت هذه النبضات ينتج منها شدات هائلة.
يمكن لليزرات النبضية باستطاعات متوسطة أن تبخر مقادير صغيرة من أي مركب وحفر ثقوب ضيقة في أقسى المواد. فمثلاً يستخدم ليزر الياقوت من أجل ثقب الألماس ومن أجل تشكيل الحجارة المستخدمة في الساعات من مادة الياقوت.
مع الشدات الضوئية الكبيرة التي يمكن الحصول عليها أصبح الليزر يستخدم أيضاً في قصّ المواد ولحمها على أبعاد صغيرة. يمكن قص مقاومات كهربائية لإنجاز قيم دقيقة بإزالة أجزاء منها، كما يمكن تعديل الوصلات بين عناصر الدارات الإلكترونية الدقيقة في الدارات المتكاملة، وتستطيع نبضة ليزرية تبخير عينة من مركب لتحليله بوساطة أجهزة مناسبة. بهذه الطريقة يمكن تحليل عينات صغيرة للغاية دون التسبب بالتلوث.
إن سطوع الضوء الليزري ولونه الصافي وانتشاره المستقيم وفق اتجاه محدد يجعله مثالياً لإجراء تجارب انتثار الضوء، ويمكن تحديد حتى مقادير صغيرة من الضوء المنتثر مع تغيير طول الموجة أو تغيير الاتجاه. يُسبب نوع خاص من الانتثار الضوئي- معروف باسم انتثار رامان Raman Effect- انزياحاً بطول الموجة مميزاً للجزيئات الكيمياوية، يمكن بوساطته تحديد نوع هذه الجزيئات؛ ومعرفة تركيبها الكيميائي. بهذه الطريقة يمكن تحليل عينات صغيرة من غاز أو سائل أو صلب شفاف، كما يمكن قياس ملوثات موجودة في الجو وعلى مسافات بعيدة باستخدام انتثار رامان لضوء حزمة ليزرية.
تستخدم الحزم الليزرية في الاتصالات؛ لكون تردد الموجة الضوئية مرتفعاً جداً (بحدود 5 × 1410 هرتز من أجل الضوء المرئي)، ويمكن تعديل الشدة الضوئية لتحميلها إشارات معقدة. هذا، ويمكن لحزمة ليزرية واحدة أن تحمل من المعلومات بقدر ما تحمله جميع الأقنية الراديوية. ولكن يمكن للمطر أو الضباب أو الثلج أن يوقفها، أو يضعفها، أو يبعثرها؛ لذلك تحتاج الحزمة الليزرية أن تنتشر ضمن وسط محمي من أجل تحقيق اتصالات موثوقة على الأرض، فتستخدم الألياف البصرية optical fibers المصنوعة من الزجاج والمغلّفة بمواد حافظة من أجل هذا الغرض. ومنذ عام 1980 تستخدم مرشدات الموجة هذه بتزايد من أجل الاتصالات على مسافات بعيدة جداً. وتستطيع الألياف البصرية نقل المعلومات بمعدل يفوق غيغا بايت في الثانية (Gbps أو 910 بايت في الثانية) ولمسافات تصل إلى مئات الكيلومترات أو آلافها، مثل خطوط النقل تحت المحيطات. هذا، وإن الليزرات المستخدمة مع الألياف البصرية هي ثنائيات ليزرية مصنوعة من أنصاف النواقل بأطوال موجات تحت الحمراء (1.55 ميكرومتر).
تتكامل تقانة الليزر مع أنظمة التسجيل والقراءة للأقراص الليزرية CD (Compact Disc) أو DVD (Digital Versatile Disc)، يجري تسجيل المعطيات الرقمية بحفر سلسلة من الثقوب المجهرية- تسمى حفراً pits- بوساطة حزمة ليزرية على سطح غشاء معدني رقيق متوضع على سطح القرص. وبهذه الطريقة يُصنع قرص أساسي يجري نسخه بوساطة طريقة طباعة خاصة. عند قراءة القرص، ينعكس الضوء الليزري ذو الشدة الضعيفة نسبياً على سطح القرص؛ ليسقط على محس بصري مكون من ثنائي ضوئي photodiode. تختلف شدة الضوء المنعكس على سطح القرص في حال وجود حفرة عن عدم وجودها، وتدوّن هذه المعلومات الرقمية الثنائية بوساطة دارة المحس البصري. وفي حال كان مضمون القرص صوتاً أو «فيديو»؛ فإن الإشارات الرقمية تحول إلى إشارات تماثلية ترسل إلى مكبر الصوت، أو إلى الشاشة المرئية.
تستخدم الليزرات أيضاً في كثير من الطابعات الحاسوبية حيث توجّه منظومة من العناصر البصرية الحزمة الليزرية داخل الطابعة لرسم الصورة المراد طباعتها على أسطوانة كهرضوئية بدقة عالية (تولد شحنات كهربائية في المناطق المعرضة للضوء)، وتنقل الصور المرسومة على الأسطوانة إلى الورقة عن طريق التصوير الكهربائي الساكن، ثم تزال الشحنة الكهربائية من الأسطوانة لطباعة الصفحة التالية.
جمال صبح سعيد، إياد سيد درويش
الليزر والميزر
الميزر Maser هو جهاز يولّد أو يضخم الإشعاع في مجال الأمواج الميكروية من الطيف الكهرمغنطيسي اعتماداً مبدأ الإصدار المحثوث للإشعاع. لذلك يطلق عليه أحياناً اسم ليزر الأمواج الميكروية، على الرغم من أن اكتشافه قد سبق الليزر، ولكن تطبيقات الليزر كانت أهم وأعم، وسادت بعدها كلمة الليزر. وكلمة ميزر مأخوذة من الأحرف الأولى للعبارة الإنكليزية:Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation أي تضخيم الأمواج الميكروية بالإصدار المحثوث للإشعاع.
أما الليزر فهو جهاز يولد حزمة ضيقة من الأشعة الضوئية المترابطة؛ بمعنى أنه توجد علاقة زمانية ومكانية تربط بين طور جميع نقاط الحقل الكهرطيسي المرافق للإشعاع. وكلمة الليزر مأخوذة من الأحرف الأولى للعبارة الآتية باللغة الإنكليزية: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ، وتعني تضخيم الضوء بالإصدار المحثوث للإشعاع.
ويُرى الليزر في العديد من التطبيقات في الحياة اليومية وغيرها لخواص الضوء الفريدة الذي يصدره. ولابد لفهم مبدأ عمل كل من الليزر والميزر من التمهيد أولاً بعرض المبادئ الفيزيائية التي يستند إليها.
تفاعل المادة مع الأمواج الكهرطيسية
تتكون المادة عموماً من جزيئات. والجزيئات من ذرات، والذرات بدورها تتألف من نواة مركزية تدور حولها إلكترونات في مدارت محدده. وقد بيَّن ميكانيك الكم [ر] quantum mechanics أن كل توزع إلكتروني على المدارات يقابل حالة state للطاقة الداخلية للذرة، وأن الانتقال من مدار إلى آخر يتم بقفزات طاقية؛ وليس باستمرار. هذه القفزات توافق طاقة مقدارها محدد بمضاعفات من وحدة طاقية أساسية تدعى «كمّ» quantum الطاقة. هناك شروط وقواعد تسمح بانتقال الإلكترونات بين هذه المدارات مؤدية لحالات كمومية عديدة، وتبعاَ لذلك هناك مخطط طاقي لكل ذرة يتكون من السويات الطاقية energy levels تحدث بينها هذه الانتقالات الإلكترونية. وفي حالة كون المادة مكونة من جزيئات- كما هي الحال في الغازات مثلاً- توجد حركة اهتزازية ودورانية لذرات الجزيء توافق حالات طاقية كمومية محددة أيضاً، ولكل جزيء مخطط مميّز لسويات الطاقة الموافقة للانتقالات المسموحة. والحالة الموافقة للطاقة الدنيا هي حالة مستقرة تدعى الحالة الأساسية ground state، لكن الذرة (أو الجزيء) يمكن أن توجد- في فترة زمنية قصيرة نسبياً- في حالة لا تكون فيها الطاقة دنيا؛ كحالة انتقال الإلكترونات إلى مدارات أكثر بعداً عن النواة نتيجة الحصول على طاقة خارجية، فتصبح الذرة في حالة مُثارةexcited state ، وهي حالة غير مستقرة توافق سوية طاقية أعلى.
والأمواج الكهرطيسية هي شكل من أشكال الطاقة مؤلفة من كمّات طاقيّة أساسيّة تدعى الفوتونات، تكون طاقة الفوتون E مساوية لتواتر frequency الموجة v مضروباً بثابت h يدعى ثابت بلانك (E =hv) Planck constant. وتتعلق شدة الموجة الكهرطيسية بعدد الفوتونات المكونة لها. ويشغل الضوء [ر] تردداً محدداً من الطيف الكهرطيسي الممتد من الأمواج الراديوية الطويلة جداً إلى أشعة غاما القصيرة جداً.
يتفاعل الضوء (والأمواج الكهرطيسية عموماً) مع المادة وفق الظواهر الآتية:
1ـ الامتصاص: في حالة التوازن الترموديناميكي لذرة معزولة، تشغل الإلكترونات مدارات أقرب إلى النواة وتكون الذرة - في الحالة الأساسية - ذات السوية الطاقية الأدنى E0. ويمكن أن تنتقل الذرة (أو الجزيء) إلى سوية طاقية أعلى E1، وتصبح ذرة مثارة؛ إذا تلقت طاقة تساوي الفرق بين السويتين (DΔE = E1- E0). هذه الطاقة يمكن أن تكون طاقة حركية، مثل طاقة الصدم بذرات أخرى أو بإلكترون..، أو أن تكون ذات شكل كهرطيسي. وعندما يتوافق تواتر الموجات الكهرطيسية الواردة مع الفرق بين سويتين من مخطط السويات الطاقية يتمّ امتصاص الضوء أو الأمواج الكهرطيسية من قِبَل ذرات المادة أو جزيئاتها، وينجم عن ذلك تغيّر في الحالة الطاقية لتلك الذرات أو الجزيئات التي تصبح في حالة مثارة. يُعَبَّر عن ذلك بانتقالات من الأدنى إلى الأعلى بين السويات الطاقية المختلفة.
2ـ الإصدار التلقائي: بما أن الحالة المثارة للذرة (أو للجزيء) هي حالة غير مستقرة فإن العودة لحالة طاقية أدنى أو للحالة الطاقية الأساسية تتم تلقائياً بعد زمن وجيز؛ مصدرة الطاقة المكتسبة إما على شكل طاقة حركيّة خلال عملية صدم مثلاً؛ لتتحول إلى حرارة لاحقاً، أو بإطلاق فوتون ذي تواتر v = DΔE / h. وتسمى هذه العملية بالإصدار التلقائي spontaneous emission. لا يحدث هذا الإصدار آنياً لجميع الذرات المثارة. يسمى الزمن الوسطي عمر lifetime السوية الطاقية الموافقة للحالة المثارة، ويتعلق بالمادة وبطول الموجة الصادرة، ويراوح بين عدة ثوان وأجزاء من النانو ثانية. من خواص الإصدار التلقائي للمادة أن كل ذرة مثارة تُصْدِر الإشعاع بشكل مستقل وفي لحظة مختلفة عن باقي الذرات، ولذلك فإن الإشعاع الصادر غير مترابط، بمعنى أنه لا توجد علاقة ثابتة بين أطوار الموجات الصادرة، إنما يكون التواتر نفسه لكل الفوتونات الصادرة؛ لأنه محدد بالفرق الطاقي DΔE بين الحالتين.
3- الإصدار المحثوث: يمكن أن تعود الذرات أو الجزيئات من الحالة المثارة إلى حالة طاقية أدنى نتيجة التحريض بوساطة فوتون وارد عليها يؤدي إلى إطلاقها فوتوناً مطابقاً للفوتون الوارد من حيث التواتر والطور والاتجاه والاستقطاب، فلا يمكن التمييز بين الفوتون الوارد المحرِّض والفوتونات المنبعثة المحرَّضة. وتظهر عملية تضخيم الضوء (أو الإشعاع الكهرطيسي) جلياً نتيجة هذا الإصدار الذي يدعى الإصدار المحثوث stimulated emission. وهذه العملية تمثل الأساس الفيزيائي لليزر والميزر.
تنبّأ أينشتاين [ر] بالإصدار المحثوث نظرياً عام 1917 في معرض تفسيره لمظاهر إشعاع الجسم الأسود، ولكن هذا الاكتشاف لم يستثمر حتى عام 1951 حين بدأت الأبحاث على الميزر. وكان أينشتاين قد بين أن هناك علاقة تربط بين الإصدار المحثوث والإصدار التلقائي، وأن احتمال حدوث الإصدار المحثوث يساوي احتمال حدوث الامتصاص في حالة السويات البسيطة.
الميزر
تم اختراع أول ميزر من قبل العالم الأمريكي تشارلز تاونس Charles Townes وفريقه، وبشكل من قبل مستقل العالمين السوفيتيين باسوف Basov وبروخوروف Prokhorov عام 1953 وحصل الثلاثة على جائزة نوبل للفيزياء عن هذا الاختراع.
يعمل الميزر والليزر وفق المبدأ نفسه الذي يتطلب الوسط الفعّال مكمن الذرات أو الجزيئات المثارة، وآلية الضخ أو الإثارة للوسط الفعّال، وحجرة تجاوب مناسبة.
في درجة حرارة معينة، وفي حالة التوازن الترموديناميكي، يخضع توزع ذرات الوسط الفعّال وجزيئاته في السويات الطاقية المختلفة لقانون بولتزمان حيث يتناقص انشغال السويات الطاقية العليا بشكل أسّيّ تبعاً لفرق الطاقة ودرجة الحرارة. وتكون السويات الطاقية الدنيا مأهولة أكثر من السويات الطاقية العليا. ويجب أن تؤدي الإثارة المطبقة على ذرات أو جزيئات الوسط الفعال ـ نتيجة الضخ ـ إلى نقل أغلبها من المستوى الطاقي المنخفض إلى المستوى الطاقي الأعلى لتحقيق ما يسمى الانقلاب السكاني population inversion للسويات الطاقية، وهذا يسمح بالحصول على تضخيم يعرف بظاهرة الإصدار المحثوث للأشعة.
المجاوب resonator هو حجرة ذات مواصفات فيزيائية مناسبة عاكسة للموجة وذات أبعاد هندسية دقيقة تساوي مضاعفات نصف طول الموجة، وهذا ما يسمح بتكوين أنماط عديدة من الموجات المستقرة متوافقة مع الحجرة. وتكون الضياعات الموافقة لنمط مستقر صغيرة جداً. وهكذا يمكن تخزين الأشعة الكهرطيسية لفترة أطول في حالة التجاوب في حين تتخامد الأمواج التي لا يتوافق ترددها مع النمط المستقر في المجاوب، ومن أجل الأطوال الموجية من مرتبة عدة ميليمترات أو أكثر، يمكن أن تكون حجرة المجاوب صندوقاً معدنياً أبعاده تناسب وجود نمط mode اهتزاز وحيد يتوافق تواتره مع التواتر الذي تصدره الذرات المثارة. عند ذهاب الأشعة وإيابها في الوسط الفعّال يتم حث الذرات المثارة على إصدار موجات مطابقة لها بحيث تزداد الطاقة المخزنة في حجرة المجاوب ازدياداً كبيراً. ويتم الحصول على طاقة خرج مناسبة بالسماح لجزء من الأشعة الموجودة في حالة التجاوب بالخروج من ثقب صغير في جدار المجاوب، ويتحقق التوازن الترموديناميكي بالمساواة بين ما فقد من الطاقة الخارجة والربح الناجم عن الضخ في الوسط الفعّال.
استخدمت في الميزر الأول حزمة من جزيئات النشادر الخارجة من فرن تسخين، تمرّ وفق محاور قفص معدني مؤلف من أربعة قضبان طبقت عليها بالترتيب جهود عالية سالبة وموجبة. يقوم الحقل الكهربائي غير المنتظم بفصل الجزيئات المثارة من غاز النشادر؛ ليمحرقها عبر ثقب صغير في حجرة تجاوب موافقة لتواتر الانتقال في جزيئات النشادر المثارة.
الشكل (1) المبدأ الفيزيائي للتضخيم الضوئي المحثوث
من تطبيقات الميزر: استخدامه مضخماً للإشارات الراديوية الضعيفة جداً، وبما أن ضجيجه شبه معدوم؛ فإنه يستخدم في تضخيم الإشارات الضعيفة جداً في الفلك الراديوي[ر]. كذلك يتميز الميزر بأنه مضخّم ذو نطاق طيفي ضيق جداً، ففي ميزر النشادر مثلاً يبلغ عرض هذا النطاق DΔv = 5kHz حول التواتر المركزي المساوي 24GHz، وبما أن تواتر الاهتزاز مستقر جداً فيمكن بناء وحدة نظامية لقياس الزمن؛ لذلك يستخدم الميزر معياراً لتواتر الساعة الذرية atomic clock.
الشكل (2)
الليزر Laser
اخترع العالم الأمريكى تيودور ميمان T.Maiman أول ليزر عام1960، وكان ليزر الياقوت المشوب بالكروم.
يتكون الليزر عموماً من الأجزاء الرئيسية الآتية، (الشكل 2):
1- الوسط الفعال: يحوي هذا الوسط الذرات أو الجزيئات التي يكون لها مخطط سويات طاقية مناسب بحيث توجد حالة شبه مستقرة توافق انتقالاً مسموحاً بين سويتين طاقيتين، ولكنه بطيء مقارنة مع الانتقالات الأخرى. وهذا يتيح تجميع عدد كبير من الذرات المثارة في تلك الحالة محققة انقلاباً سكانياً مناسباً للإصدار المحثوث. ويمكن أن يكون الوسط الفعّال بحالة غاز أو سائل أو صلب.
تصنّف الليزرات وفقاً للحالة. فهناك الليزرات الصلبة مثل ليزر النيوديميوم، أو الغازية مثل ليزر ثنائي أكسيد الكربون، أو السائلة مثل الليزرات الصباغية. وتوجد أيضاً الليزرات نصف الناقلة والليزرات الكيميائية وليزرات الإلكترونات الحرة وغيرها.
2- الإثارة أو الضخ: يتم تحقيق إثارة ذرات الوسط الفعّال بتقديم طاقة يمكن أن تكون ضوئية، مثل ضخ الليزرات الصلبة بوميض مصباح غازي، أو بانفراغ كهربائي في الوسط الغازي كما في حالة الليزرات الغازية. ويمكن تقديم طاقة الضخ بتفاعل كيميائي مُصْدِرٍ للطاقة كما في الليزرات الكيميائية، وغير ذلك من الطرائق التي تلائم طبيعة الوسط الفعّال.
3- المجاوِب الضوئي: يتكون المجاوِب عادة من مرآة عاكسة تماماً لطول موجة الليزر ومرآة خرج نَفوذة جزئياً تسمح بخروج جزء من الطاقة المولدة في الوسط الفعال والمخزّنة في المجاوب. توجد مجاوبات مستقرة بمرايا مستوية أو مرايا مقعرة، وتوجد كذلك مجاوبات غير مستقرة تعتمد على تضخيم الموجة العابرة في الأوساط عالية الربح، وتستخدم خصوصاً في ليزرات الاستطاعة العالية.
يتصف إشعاع الليزر بمزايا فريدة، منها:
- الاتجاهية: تنتج هذه الصفة مباشرة من حقيقة توضّع الوسط الفعال ضمن مجاوب ضوئي مكون من مرايا مستوية مثلاً، يكون اتجاه انتشار الأشعة محدداً وفق محور المجاوب أو قريباً منه. ويكون التباعد صغيراً جداً مقارنة مع المصادر الأخرى المعروفة مما يسمح بنقل الطاقة إلى مسافات بعيدة.
- الشدّة: تنجم أشعة الليزر عن تضخيم متزايد لفوتونات واردة متطابقة تقريباً، فلا يوجد فرق في الطور بينها يؤدي لتداخل هدّام، بل يوجد تراكم للطاقة وشدة تتناسب مع عدد الفوتونات. يسمح هذا التراكم بالحصول على شدة ضوئية في واحدة السطح قادرة على صهر أقسى المواد.
- وحيد اللون: يُصدر الليزر أشعة لها التواتر نفسه تقريباً ضمن مجال طيفي ضيق جداً يفرضه نمط المجاوب الضوئي. ينجم عن ذلك ضوء على درجة عالية من النقاء الطيفي المحدد بعرض مجال أقل بمليون مرة من عرض الخط الطيفي للإصدار التلقائي الموافق.
- الترابط coherence الزماني والمكاني: يلخص مصطلح الترابط الزماني أن فرق الطور في أي نقطة من الحقل الكهرطيسي الموافق للإشعاع الليزري بين لحظة t ولحظة τ + t يبقى ثابتاً في أي لحظة من الزمن t فيقال: هناك ترابط للموجة على زمن τ. أما الترابط المكاني المثالي فيعني أن فرق الطور في أي لحظة من الزمن بين نقطتين من صدر الموجة يبقى معدوماً. وأشعة الليزر على درجة كبيرة من الترابط الزماني والمكاني؛ وهذا يعطيها الخواص الفريدة التي تسمح باستخدامها في مختلف التطبيقات.
تطبيقات الليزر
الليزر أداة مهمة في البحث العلمي، فقد أتاح الإشعاع الليزري معرفة أفضل لظواهر مثل الانتثار والانعراج كما أتاح تحسين القياسات الطيفية. يستخدم الليزر لفصل نظائر اليورانيوم وللقياسات الدقيقة وفي الاتصالات وفي التركيب الضوئي وفي الصناعة الميكانيكية في اللحام والقص وكذلك في صنع الأخيلة المجسمة (الهولوغرافية) وفي المعلوميات وفي قراءة الأقراص المدمجة الرقمية.
1ـ التطبيقات الطبية: يتقدم استخدام الليزر في الطب باستمرار؛ ليصبح وسيلة فعّالة بامتياز للعديد من التخصصات الطبية. ففي طب العيون يعدّ وسيلة فريدة لمعالجة الأمراض داخل العين كانفصام الشبكية أو النزيف الداخلي، وكذلك يستخدم بفعّالية كبيرة لتصحيح عيوب البصر وأمراض الزرق والسّاد وغيرها. وفي الجراحة يستخدم مبضعاً من دون تلامس مما يحقق تعقيماً نموذجياً وتخثيراً للدم يقلل النزيف كثيرًا. وفي المعالجات الجلدية أثبت فعالية كبيرة لمعالجة الوحمات وبعض الأمراض الجلدية ونزع الشعر. تتفاعل أشعة الليزر مع الأنسجة الحيوية بعدة مظاهر، منها:
أ- الفعل الحراري: ينجم عن امتصاص الأنسجة للطاقة المحمولة بالحزمة الليزرية وتبددها الموضعي على شكل حرارة، يؤدي إلى تخثر الخلايا أو حرقها أو تبخيرها، تبعاً لكثافة الطاقة السطحية الساقطة وتبعاً لطيف الامتصاص للأنسجة الحيوية المختلفة يتحدد عمق التفاعل.
من أجل التبخير يعد ليزر ثنائي أكسيد الكربون CO2 هو الأفضل، ومن أجل التخثر السطحي هناك ليزر غاز الأرغون Ar+، أما من أجل التخثر الحجمي فيستخدم ليزر النيوديميوم: Nd:YAG
ب - فعل الامتصاص الانتقائي: تمتص بعض الأعضاء الحيوية - ونتيجة لتركيبتها الكيمياوية - شكلاً انتقائياً واحداً أو أكثر من الأطوال الموجية في الطيف الكهرطيسي. وهكذا إذا شُعِّعت هذه الأعضاء بليزر ذي طول موجي يوافق قمة الامتصاص لبعض المركبات؛ فإنه يمكن تدمير هذه المركبات الموجودة في الخلية، من دون تدمير الخلية وهذا أحد مجالات الأبحاث للقضاء على الخلايا السرطانية .
ج- فعل الحقل الكهرطيسي: تبلغ شدة الحقل الكهرطيسي في نبضة الليزر نحو 10 7 إلى 10 12 فولت/م، في حين شدة الحقل الكهربائي الذي يربط الإلكترونات السطحية مع النواة هو من مرتبة 10 8 إلى 10 12 فولت/م؛ لذلك من الممكن أن يتم تأيين الذرات وتخريب الروابط العضوية للجزيئات وظهور الجذور الحرة. كما أن شدة الحقل الكهرطيسي يمكن أن تؤثر في الثوابت الفيزيائية للوسط، مثل الناقلية وثابت العازلية واستقطاب أغشية الخلايا؛ وهذا يؤدي إلى فوضى في التبادل الأيوني عبر جدار الخلايا العضوية. يحدث هذا في حالة النبضات القصيرة جداً من مرتبة النانو ثانية أو البيكو ثانية، تكون شدة الحقل الكهرطيسي في نقطة المحرق كبيرة جداً بحيث يخلق الحقل بلازماplasma موضعية تكون درجة الحرارة الموضعية والضغط فيها شديدين جداً، ويؤدي تمدد هذه البلازما إلى خلق موجة صدم ميكانيكية تؤثر في الخلايا.
د- فعل القشط الإشعاعي photo-ablatives: تعتمد ليزرات الأكسايمر المستخدمة في الجراحة العينية هذا الفعل حيث إن البروتينات تمتص كثيراً الأشعة فوق البنفسجية UV، فإذا كانت شدة الإشعاع فوق البنفسجي من مرتبة 10 8 W/cm2 فإن هذا الامتصاص يؤدي إلى تحطيم الروابط العضوية بالفعل الضوئي للسلاسل البوليميرية المكونة للمادة الحية مع تدافع إلكترونى بين الأجزاء، وتكون هذه الأجزاء من مرتبة 3-5 μm. هذا القشط نظيف يشفى بسرعة كبيرة.
من الليزرات الطبية المستخدمة:
- ليزر هليوم - نيون He-Ne طول موجته λ = 632 nm أحمر اللون، وله استطاعة ضعيفة.
- ليزر نصف ناقل طول موجته λ = 850 nm أو λ = 904 nm تحت أحمر قريب غير مرئي.
- ليزر غاز الأرغون طول موجته λ = 514 nm أخضر اللون.
- ليزر نيودميوم ياغ Nd:YA، طول موجته λ = 1064 nm، نبضي أو مستمر.
- ليزر نيودميوم ياغ مع مضاعف تواتر ضوئي طول موجته λ = 532nm، نبضي أو مستمر.
- ليزر غاز ثنائي أكسيد الكربون طول موجته λ = 10.6 μm.
- ليزر الإيربيوم ياغ Er: YAG طول موجته λ = 2.9 μm تتفاعل بشكل جيد مع جزيئات الماء.
- ليزرالهولميوم ياغ Ho:YAG طول موجته λ = 2.1 μm تتفاعل بشكل جيد مع جزيئات الماء
- ليزرات صباغية: قابلة للتوليف في المجال المرئي.
- ليزرات صلبة قابلة للتوليف في مجال طيفي عريض، مثل ليزر الألكسندريت أو التيتانيوم سفير في المجال تحت الأحمر القريب. وتستخدم مع الليزرات الصباغية في المعالجة بالكيمياء الضوئية photochemical therapy.
- ليزرات الأكسايمر، ولها أطوال موجية في المجال فوق البنفسجي، مثل KrF وXeF XeCl وتستخدم كثيراً لتصحيح عيوب البصر.
2ـ تطبيقات الليزر العسكرية: يستخدم الليزر في كثير من المجالات العسكرية، فقد استخدم منذ اختراعه حتى اليوم قائساً للمسافة؛ وفي الاتصالات حيث يمكن تحميل كثير من المكالمات على حزمة ضوئية؛ كذلك يستخدم مقلد سلاح في المناورات الحربية وللتدريب على الرمي. أما الرادار الليزري LIDAR إضافة إلى إمكانية عمله راداراً تقليدياً فيمكن استخدامه في كشف عناصر الحرب الكيمياوية والبيولوجية، وتوجد أنواع عديدة منه. يوجد كذلك كثير من التطبيقات العسكرية الأخرى، من أهمها:
- أنظمة قيادة القذائف وتوجيهها ليزرياً: باستخدام الليزر يمكن توجيه مقذوفات مختلفة من صواريخ و قنابل إلى الهدف بالاعتماد على مبادئ مختلفة؛ منها الإنارة والحزمة الموجهة.
الشكل (3) مبدأ الإنارة بالليزر
أ- الإنارة بالليزر، (الشكل 3):
المبدأ هو قيادة قذيفة نحو هدف معلّم بحزمة ليزريّة، يمكن أن تكون القذيفة صاروخاً بتوجيه ذاتي أو قنابل ذكية أو قذائف موجهة. يوجد المرسل الليزري على حامل القذيفة أو غيره، مثلاً الطائرة نفسها تكون حاملة للمرسل الليزري، وتحمل القذيفة الموجهة بالليزر، أو أن المرسل الليزري موجود على طائرة استطلاع أو مع مراقب متقدم يمكن أن يعلّم هدفاً بحزمة ليزرية؛ لكي يضرب من طائرة مهاجمة أخرى.
الغاية من تعليم الأهداف بالليزر هي زيادة احتمال الإصابة في النهاية؛ لأن القذائف الكلاسيكية - مثل القنابل والصواريخ - يمكن أن تنحرف عن المسار المطلوب تحت تأثير عوامل عديدة، مثل سرعة الريح واتجاه المتغيرتين خلال مسار القذيفة، وقد يكون من الصعب أخذ هذه العوامل في الحسبان في حاسب منصّة الإطلاق. يترجم الجهل بهذه العوامل بتبعثر عشوائي لمسقط القذائف حول الهدف؛ ولكن يكون التوجيه بالإنارة الليزرية سواء للقنابل أم للصواريخ دقيقاً جداً.
ب- الحزمة الموجّهة: يوضع الليزر في هذه الحالة على منصة الإطلاق للقذيفة، ويصدر حزمة ليزرية باتجاه الهدف ذات تباعد يمكن التحكم به. في لحظة الإطلاق تكون الحزمة الليزرية ذات تباعد كبير لكي تدخل القذيفة ضمن مخروط الحزمة بسرعة. يتوضع الكاشف في هذه الحالة في مؤخرة القذيفة بوضع هندسي معين بشكل يسمح بتعيين موقعها ضمن الحزمة دوماً؛ وبذلك التوجه الذاتي نحو الهدف. عندما تقترب القذيفة من الهدف يتناقص تباعد الحزمة الليزرية؛ ولكن مع بقائها موجهة بدقة نحو الهدف.
طورت الصواريخ المضادة للدروع، والصواريخ جو- أرض، والصواريخ أرض - جو المحمولة على الحزمة الليزرية. من محاسن هذه الأنظمة أن قيادة الصاروخ تتم بالمتابعة عبر مؤخرة الصاروخ وباستخدام حزمة ليزرية ضيقة مكانياً وطيفياً. وهذا ما يجعل من الصعوبة القصوى التشويش على القذائف الموجهة بهذه الطريقة.
ج- السلاح الليزري: يمكن استخدام الليزر في تحييد الأهداف أو تدميرها بإعماء الحساسات الإلكتروبصرية الموجودة في الأهداف أو ضربها أو إعطاب بعض الأجزاء الميكانيكية فيها. الليزرات المستخدمة إما صلبة أو غازية (CO2) أو كيمياوية (COIL, (HF, DF. بعض النظم الليزرية المستخدمة في الإعماء موجودة، وتخدم في بعض الجيوش، ولكن النظم التدميرية مازالت في طور البحث والتطوير، ويمكن أن تخدم الجيوش البرية والبحرية والجويّة.
وتتجه البحوث اليوم نحو سلاح ليزري ذي استطاعة عالية جداً قاعدته في الفضاء الخارجي قادر على تدمير الصواريخ البالستية العابرة للقارات منذ مرحلة إطلاقها. ويشكّل هذا الموضوع حجر الزاوية في البرنامج الأمريكي المسمى مبادرة الدفاع الاستراتيجي أو حرب النجوم.
3ـ تطبيقات أخرى: يمكن استخدام الليزر النبضي في الرادار الضوئي، أو ما يدعى الليدار LIDAR (Light Detection and Ranging)، حيث تقاس المسافة عن الهدف بمعرفة الزمن الذي تستغرقه النبضة الضوئية للوصول إليه، والعودة بعد انعكاسها عليه؛ مع أخذ سرعة انتشار الضوء المعروفة في الحسبان. وكلما قصر زمن النبضة ازدادت الدقة في تعيين موضع الهدف؛ لذلك يجري توليد نبضات ليزرية لا تتعدى مدتها بضعة نانو ثانية (جزء من مليار من الثانية). جرى قياس صدى الليدار المنعكس على عاكس مكون من عدة مواشير وضع على سطح القمر مع أول رحلة مأهولة إليه، ومن ثم أمكن قياس المسافة بين مرصاد فضائي على سطح الأرض والمرآة القمرية بخطأ لا يتجاوز عدة سنتيمترات. يمكن لقياسات متواقتة للمسافة بين هذه المرآة القمرية ومرصادين موجودين في منطقتين مختلفتين على سطح الأرض أن تقيس المسافة الدقيقة بين المرصادين. كما يمكن لسلسلة من هذه القياسات توفير معلومات عن المسافات بين القارات.
يمكن بتثبيت رادار ضوئي شاقولياً على طائرة إجراء مسح دقيق لإنشاءات على سطح الأرض، مثل مناسيب المدرجات في ملعب كرة قدم، أو شكل سقف بيت. كما يمكن استخدام النبضات المرتدة من الغبار أو حتى من جزيئات الهواء في طبقات الجو العليا من أجل قياس كثافة الهواء ورسم التيارات الهوائية، أو الكشف عن بعض الانبعاثات الغازية، أو وجود مواد ملوثة في الهواء.
إن الترابط العالي للحزمة الليزرية، أو وجود علاقة واضحة بين اهتزازات الموجة الضوئية بين مختلف نقاط الحزمة، هو عنصر مهم في القياسات أو التطبيقات التي تعتمد على تداخل الحزم الضوئية. وإذا قسمت حزمة ضوئية إلى قسمين يسلكان طريقين مختلفين، ثم جمعا في منطقة واحدة؛ فإنهما يمكن أن يتوافقا في بعض نقاط الفضاء بحيث يعطيا شدة ضوئية كبيرة، أو يختلفا بحيث يُعدمان بعضهما بعضاً، وهذا ما يعطي شكل أهداب مضيئة وعاتمة تعرف باسم أهداب التداخل، ويوافق الانتقال بين هدب مضيء وهدب عاتم فرق في المسير الضوئي بين القسمين بقدر نصف طول الموجة. يدعى الجهاز الذي يستخدم هذه الطريقة بالمداخل الليزري laser interferometer، ويمكن بوساطته الكشف عن انتقالات صغيرة جداً. وباستخدام الليزر يمكن إنجاز هذه القياسات على مسافات كبيرة جداً. وتستخدم المداخلات الليزرية لقياس الانتقالات الصغيرة في القشرة الأرضية على طول الفوالق الجيولوجية. وتستخدم هذه الأجهزة لمعايرة الخيوط الدقيقة، ولمراقبة منتجات الآلات المؤتمتة، ولفحص العناصر البصرية.
تتميز بعض الليزرات بوحدانية لون عالية بحيث يمكن كشف تغيّر بسيط في تردد الموجة الضوئية (أو انزياح بسيط في اللون). يزداد تردد الضوء المنعكس عن جسم متحرك مقترباً من المنبع الليزري بمقدار يتعلق بسرعة هذا الجسم، وتعرف هذه الظاهرة باسم ظاهرة دوبلر Doppler effect. ومن أجل جسم يتحرك مبتعداً من المنبع الليزري يتناقص تردد الضوء المنعكس. إذا جمع على محس ضوئي جزء من الضوء الليزري الأصلي مع الضوء المنعكس ذي التردد المزاح؛ تتولد إشارة عن المحس الضوئي بتردد يعادل فرق التردد بين الضوءين. فيمكن بهذه الطريقة قياس سرعات صغيرة للأجسام المتحركة، وتستخدم لمراقبة تدفق الدم في الأوعية والشعيرات الدموية ، كما تستخدم لقياس سرعة السيارات.
مع توافر حزمات ليزرية بشدة كافية وترابط عال، وباستخدام التداخل الضوئي؛ أصبح من السهل تشكيل الهولوغرامات holograms التي تستخدم لتطوير طرائق تصويرية بحيث تشكل صوراً مجسمة ثلاثية الأبعاد للأجسام المصورة، ويوجد في العالم العديد من المتاحف الفنية التي تعرض صوراً مجسمة فريدة. وللهولوغرامات تطبيقات صناعية واسعة، فهي تسمح بالكشف عن تشوهات صغيرة لسطوح الأجسام، أو الكشف عن اهتزازات غير مرئية. كما أصبحت الهولوغرامات الرقيقة تستخدم عناصر بصرية في بعض الأجهزة البصرية بدلاً عن العدسات الزجاجية ، مختزلة بذلك حجم هذه الأجهزة ووزنها.
تسمح صفة الترابط للحزمة الضوئية بإمكانية تركيزها على مساحات صغيرة جداً، أبعادها بحدود طول الموجة الضوئية، وذلك بوساطة عدسات تقليدية. ويسمح تركيز الحزم الضوئية المترابطة والناتجة عن بعض الليزرات ذات الاستطاعة المتوسطة أو العالية؛ يسمح بالحصول على شدات ضوئية عالية جداً (أي نسبة الاستطاعة إلى واحدة السطح). وغالباً ما تسمح الليزرات النبضية بتوليد نبضات ضوئية باستطاعة أكبر من الليزرات المستمرة، فإذا ركّزت هذه النبضات ينتج منها شدات هائلة.
يمكن لليزرات النبضية باستطاعات متوسطة أن تبخر مقادير صغيرة من أي مركب وحفر ثقوب ضيقة في أقسى المواد. فمثلاً يستخدم ليزر الياقوت من أجل ثقب الألماس ومن أجل تشكيل الحجارة المستخدمة في الساعات من مادة الياقوت.
مع الشدات الضوئية الكبيرة التي يمكن الحصول عليها أصبح الليزر يستخدم أيضاً في قصّ المواد ولحمها على أبعاد صغيرة. يمكن قص مقاومات كهربائية لإنجاز قيم دقيقة بإزالة أجزاء منها، كما يمكن تعديل الوصلات بين عناصر الدارات الإلكترونية الدقيقة في الدارات المتكاملة، وتستطيع نبضة ليزرية تبخير عينة من مركب لتحليله بوساطة أجهزة مناسبة. بهذه الطريقة يمكن تحليل عينات صغيرة للغاية دون التسبب بالتلوث.
إن سطوع الضوء الليزري ولونه الصافي وانتشاره المستقيم وفق اتجاه محدد يجعله مثالياً لإجراء تجارب انتثار الضوء، ويمكن تحديد حتى مقادير صغيرة من الضوء المنتثر مع تغيير طول الموجة أو تغيير الاتجاه. يُسبب نوع خاص من الانتثار الضوئي- معروف باسم انتثار رامان Raman Effect- انزياحاً بطول الموجة مميزاً للجزيئات الكيمياوية، يمكن بوساطته تحديد نوع هذه الجزيئات؛ ومعرفة تركيبها الكيميائي. بهذه الطريقة يمكن تحليل عينات صغيرة من غاز أو سائل أو صلب شفاف، كما يمكن قياس ملوثات موجودة في الجو وعلى مسافات بعيدة باستخدام انتثار رامان لضوء حزمة ليزرية.
تستخدم الحزم الليزرية في الاتصالات؛ لكون تردد الموجة الضوئية مرتفعاً جداً (بحدود 5 × 1410 هرتز من أجل الضوء المرئي)، ويمكن تعديل الشدة الضوئية لتحميلها إشارات معقدة. هذا، ويمكن لحزمة ليزرية واحدة أن تحمل من المعلومات بقدر ما تحمله جميع الأقنية الراديوية. ولكن يمكن للمطر أو الضباب أو الثلج أن يوقفها، أو يضعفها، أو يبعثرها؛ لذلك تحتاج الحزمة الليزرية أن تنتشر ضمن وسط محمي من أجل تحقيق اتصالات موثوقة على الأرض، فتستخدم الألياف البصرية optical fibers المصنوعة من الزجاج والمغلّفة بمواد حافظة من أجل هذا الغرض. ومنذ عام 1980 تستخدم مرشدات الموجة هذه بتزايد من أجل الاتصالات على مسافات بعيدة جداً. وتستطيع الألياف البصرية نقل المعلومات بمعدل يفوق غيغا بايت في الثانية (Gbps أو 910 بايت في الثانية) ولمسافات تصل إلى مئات الكيلومترات أو آلافها، مثل خطوط النقل تحت المحيطات. هذا، وإن الليزرات المستخدمة مع الألياف البصرية هي ثنائيات ليزرية مصنوعة من أنصاف النواقل بأطوال موجات تحت الحمراء (1.55 ميكرومتر).
تتكامل تقانة الليزر مع أنظمة التسجيل والقراءة للأقراص الليزرية CD (Compact Disc) أو DVD (Digital Versatile Disc)، يجري تسجيل المعطيات الرقمية بحفر سلسلة من الثقوب المجهرية- تسمى حفراً pits- بوساطة حزمة ليزرية على سطح غشاء معدني رقيق متوضع على سطح القرص. وبهذه الطريقة يُصنع قرص أساسي يجري نسخه بوساطة طريقة طباعة خاصة. عند قراءة القرص، ينعكس الضوء الليزري ذو الشدة الضعيفة نسبياً على سطح القرص؛ ليسقط على محس بصري مكون من ثنائي ضوئي photodiode. تختلف شدة الضوء المنعكس على سطح القرص في حال وجود حفرة عن عدم وجودها، وتدوّن هذه المعلومات الرقمية الثنائية بوساطة دارة المحس البصري. وفي حال كان مضمون القرص صوتاً أو «فيديو»؛ فإن الإشارات الرقمية تحول إلى إشارات تماثلية ترسل إلى مكبر الصوت، أو إلى الشاشة المرئية.
تستخدم الليزرات أيضاً في كثير من الطابعات الحاسوبية حيث توجّه منظومة من العناصر البصرية الحزمة الليزرية داخل الطابعة لرسم الصورة المراد طباعتها على أسطوانة كهرضوئية بدقة عالية (تولد شحنات كهربائية في المناطق المعرضة للضوء)، وتنقل الصور المرسومة على الأسطوانة إلى الورقة عن طريق التصوير الكهربائي الساكن، ثم تزال الشحنة الكهربائية من الأسطوانة لطباعة الصفحة التالية.
جمال صبح سعيد، إياد سيد درويش