الوسم: الليزر

دخلت أشعة الليزر في العديد من المنتجات التكنولوجية فتجدها عنصر اساسي في أجهزة تشغيل الأقراص المدمجة أو في ألات طبيب الأسنان أو في معدات قطع ولحام الحديد أو في أدوات القياس وغيرها من المجالات. كل تلك الأجهزة تستخدم الليزر ولكن ما هو الليزر وما الذي يجعل الليزر مميز عن غيره من المصادر الضوئية. في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كل ما يتعلق بالليزر بشكل مبسط وواضح.

مختبر أبحاث يستخدم شعاع الليزر.

جاءت تسمية كلمة ليزر LASER من الأحرف الأولي لفكرة عمل الليزر والمتمثلة في الجملة التالية :

وتعني تكبير الضوء Light Amplification بواسطة الانبعاث الاستحثاثي Stimulated Emission للإشعاع الكهرومغناطيسي Radiation. وقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت اينشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث الاستحثاثي stimulated emission وتم تصميم أول جهاز ليزر في 1960 بواسطة العالم ميمان T.H. Maiman باستخدام بلورة الياقوت ويعرف بليزر الياقوت Ruby laser .

اساسيات فيزيائية حول الذرة
يوجد في الكون 100 نوع مختلف من الذرات وكل شيء حولنا هو مكون من الـ 100 ذرة تلك، ولكن كيف تتحد وتترابط الذرات مع بعضها البعض لتكون المواد مثل الماء المكون من ذرتين هيدروجين وذرة اكسجين أو كيف تكونت قطعة من الحديد أو النحاس. إن الذرات في حركة مستمرة حيث تتذبذب الذرات حول موضع استقرارها في المادة كما أن الذرات لها حركة دائرية أو حركة انتقالية أيضاً. فلو نظرت إلى طاولة خشبية مثلاً وبالرغم من أنها ثابتة في مكانها إلى أنها ذراتها التي كونت الخشب في حركة مستمرة.
نتيجة لحركة الذرات التي تكتسبها من الطاقة الحرارية فإنها تتواجد في حالات مختلفة من الأثارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة ما بكمية من الطاقة فإن الذرة تنتقل من المستوى الأرضي ground state الذي تتواجد فيه إلى مستوى طاقة أعلى يسمى بمستوى الإثارة excited state . يعتمد مستوى الإثارة على كمية الطاقة التي ذودت بها الذرة ومصدر الطاقة إما حرارة أو ضوء أو كهرباء.
في الشكل التالي نموذج توضيحي لمكونات الذرة

نموذج بسيط لتمثيل شكل الذرة يتكون من النواة والالكترونات التي تدور في مدارات حول النواة.

تحتوي الذرة على النواة (المكونة من البروتونات والنيوترونات) والإلكترونات التي تدور حول النواة في مدارات مختلفة كل مدار هو عبارة عن مستوى طاقة.

امتصاص الطاقة Absorbing Energy
إذا ذودت الذرة بطاقة حرارية لأو طاقة من مصدر ضوئي أو كهربائي فإن بعض الإلكترونات في الذرة سوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة الأدنى إلى مدار طاقته أعلى وابعد من النواة.

امتصاص الطاقة

تمتص ذرة الطاقة من الحرارة أو الضوء أو الكهرباء. تنتقل الإلكترونات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقة أعلى.

هذه افكرة السابقة هي مبسطة عن امتصاص الطاقة في الذرة ولكن تعتبر الأساس في دور الذرة لانتاج الليزر.
عندما ينتقل الإلكترون إلى المدار ذو مستوى الطاقة الأعلى فإنه ما يلبث إلا أن يعود وينتقل إلى المستوى الطاقة الأدنى، وعندها فإن الإلكترون يحرر طاقة في صورة فوتون (ضوء).
تصدر الإلكترونات الفوتونات عند اثارتها وعلى سبيل المثال عند تسخين معدن مثل سلك السخان الكهربي فإنه يتحول لونه من اللون المعتم إلى اللون المتوهج وهذا التوهج ناتج من الفوتونات التي انطلقت بعد اثارة ذرات مادة سلك السخان الكهربي. كذلك لو فكرنا في فكرة عمل شاشة التلفزيون فهي تعطي الصورة من خلال الفوتونات التي تنتجها مادة الشاشة (الفوسفور) عند اثارتها بشعاع إلكتروني.
إذا نستنتج أن الضوء ينتج من الفوتونات المنبعثة من إثارة إلكترونات الذرة وتعتمد لون الفوتون (لون الضوء) على طاقة الفوتون.

علاقة الذرة بالليزر
لتعريف مبسط لليزر نقول معتمدين على الشرح السابق أنه جهاز يقوم بالتحكم في كيفية تحرير الذرات للفوتونات.
وكما ذكرنا فإن كلمة ليزر هي اختصار للجملة l ight a mplification by s timulated e mission of r adiation والتي معناها يشرح بالتفصيل فكرة عمل الليزر والذي يعتمد على إن الليزر ماهو إلا ضوء مكبر بواسطة عملية تسمى الإنبعاث الإستحثاثي للإشعاع وهذا ما قصدنا به التحكم بكيفية تحرير الذرة للفوتون.

بالرغم من وجود عدة أنواع من الليزر إلا انهم جميعاً يشتركون في نفس الخصائص. ففي الليزر يوجد المادة التي تنتج الليزر يتم اثارتها بواسطة عملية ضخpumping للإلكترونات من المستوى الأرضي إلى مستوى الإثارة. يستخدم للضخ الإلكتروني ضوء فلاش قوي أو بواسطة التفريغ الكهربي ويساعد هذا الضخ على تزويد أكبر قدر ممكن من الإلكترونات لتنتقل إلى مستويات الطاقة الأعلى فتصبح مادة الليزر مكونة من ذرات ذات إلكترونات مثارة ونسميها بالذرة المثارة. ومن الجدير بالذكر أن أنه من الضروري جداً إثارة عدد كبير من الذرات للحصول على ليزر وتسمى هذه العملية بإنقلاب التعداد population inversionأي جعل عدد الذرات المثارة في مادة الليزر أكبر من عدد الذرات الغير مثارة.
قلب التعداد هو الذي يجعل الضوء الذي تنتجه المادة ليزراً وإذا لم نصل إلى مرحلة انقلاب التعداد نحصل على ضوء عادي.
وكما امتصت الإلكترونات طاقة كبيرة من خلال عملية الضخ فإن الإلكترونات هذه تطلق الطاقة التي امتصتها في صورة فوتونات أي ضوء.
الفوتونات المنبعثة لها طول موجي محدد (ضوء بلون محدد) يعتمد على فرق مستويات الطاقة التي انتقل بينها الإلكترونات المثارة. وإذا كان الإنتقال لكافة الإلكترونات بين مستويين طاقة محددين كما هز موضح غب الشكل أدناه فإن كل القوتونات المنبعثة سيكون لها نفس الطول الموجي.

الإلكترون باللون الأحمر مثار ينتقل إلى مستوى طاقة أدنى (الإلكترون باللون الأزرق) ويفقد طاقته في صورة فوتون

ضوء الليزر
ضوء الليزر يختلف عن الضوء العادي حيث يكون له الخصائص التالية:
الضوء المنبعث أحادي اللون monochromatic أي أن له طول موجي واحد. يحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته.
الضوء المنبعث من الليزر يكون متزامن coherent أي ان الفوتونات كلها في نفس الطور مما يجعل شدة الضوء كبيرة فلا تلاشي الفوتونات الضوئية بعضها البعض نتيجة لاختلاف الطور بينها.
الضوء المنبعث له اتجاه واحد directional حيث يكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة من الفوتونات في مسار مستقيم بينما الضوء العادي يكون مشتت وينتشر في أنحاء الفراغ.
المسؤول عن هذه الخصائص هي عملية الانبعاث الإستحثاثي stimulated emission بينما في الضوء العادي يكون الإنبعاث تلقائي حيث يخرج كل فوتون بصورة عشوائية لا علاقة له بالفوتون الآخر.

عملبة الإنبعاث التلقائي عملية الإنبعاث الإستحثاثي

العامل المهم في انتاج الليزر هو المرايا المثبتة على جانبي مادة انتاج الليزر. تساعد المرايا على عكس بعض الفوتونات إلى داخل مادة الليزر عدة مرات لتعمل هذه الفوتونات على استحثاث الكترونات مثارة أخرى لتطلق مزيدا من الفوتونات بنفس الطول الموجي ونفس الطور، وهذه هي عملية التكبير للضوء light amplification . تصمم إحدى هتين المرأتين لتكون عاكسيتها اقل من 100% لتسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع الليزر الذي نحصل عليه.

في الشرح التالي سنرى مكونات الليزر من خلال شرح عمل ليزر الياقوت ruby laser .

ليزر الياقوت Ruby Laser
مكونات ليزر الياقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وساق من الياقوت ومرأتين مثبتتين على طرفي الساق احدى هاتين المرأتين لها مقدار انعكاس 90%. يعتبر المصدر الضوئي مسؤولاً عن عملية الضخ وساق الياقوت هو مادة انتاج الليزر.

(1) مكونات ليزر الياقوت

(2) فرق جهد عالي يعمل على تزويد الفلاش بالطاقة الكافية لتوليد ضوء ذو شدة عالية ولفترة زمنية قصيرة. هذا الضوء يعمل على اثارة الذرات في بلورة الياقوت إلى مستويات الطاقة الأعلى.

(3) تطلق بعض الذرات فوتونات

تنطلق الفوتونات بموازاة محور ساق الياقوت لتصطدم بالمرآة وتنعكس إلى داخل الياقوت عدة مرات لتستحث إلكترونات أخرى لتطلق فوتونات.

(5) فوتونات بطول موجي واحد وفي تفس الطور ومتجمعة في حزمة تعبر من المرآة لتعطي ضوء اليزر.

نظام ليزر ثلاثي المستويات

تسلسل مراحل انتاج شعاع ليزر

أنواع الليزر
يأتي الليزر بأنواع مختلفة حسب الاستخدامات وتنوع الليزر يأتي من تنوع المادة المستخدمة لإنتاجه فهناك من المواد الصلبة والسائلة والغازية، ويعتبر نوع المادة الأساس الاكثر استخداماً للتميز بين الأنواع المختلفة. ويسمى الليزر من خلال نوع المادة المستخدمة فمثلاً ليزر الهيليوم نيون He-Ne يعني ان المادة المستخدمة هي خليط من الهيليوم والنيون وليزر الياقوت يعني ان المادة المنتجة لليزر هي الياقوت وهكذا لباقي الأنواع الأخرى. ولنأخذ بعض الأمثلة لأنواع مختلفة لليزر:
ليزر الحالة الصلبة solid-state laser هو الليزر الذي ينتج بواسطة مادة أو خليط من مواد صلبة مثل الياقوت ruby أو خليط الالومنيوم واليتريم والنيودينيم neodymium:yttrium-aluminum ويسمى بليزر الـ TAG اختصاراً ويكون طوله الموجي في منطقة الأشعة تحت الحمراء.
ليزر الغاز Gas laser وهو يعتمد على مادة غازية مثل الهيليوم والنيون وغاز ثاني اكسيد الكربون وتكون اطوالها الموجية في مدى الاشعة تحت الحمراء وتستخدم في قطع المواد الصلبة لطاقتها العالية.
ليزر الإكسيمر Excimer laser وتطلق على أنواع الليزر التي تستخدم الغازات الخاملة مثل غاز الكلور أو الفلور أو الكربتون أو الأرجون وتنتج هذه الغازات اشعة ليزر ذات أطوال موجية في مدى الأشعة فوق البنفسجية.
ليزر الأصباغ Dye laser وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامين rhodamine 6G مذابة في محلول كحولي وتنتج ليزر يمكن التحكم في الطول الموجي الصادر عنه.
ليزر أشباه الموصلات Semiconductor laser ويطلق عليه احياناً بليزر الديود ويعتمد على المواد شبه الموصلة ويمتاز بحجم ليزر صغير ويستهلك طاقة قليلة ولذلك يستخدم في الأجهزة الدقيقة مثل أجهزة السي دي وطابعات الليزر.

يتميز الليزر بطوله الموجي فمثلا الطول الموجي لليزر الياقوت هو 694nm ، ويتم أختيار مادة الليزر بناء على الطول الموجي المطلوب كما في الجدول التوضيحي أدناه، فمثلاً يستخدم ليزر غاز ثاني أكسيد الكربون في قطع المعادن الصلبة لأن طوله الموجي في مدى الأشعة تحت الحمراء وهي أشعة حرارية إذا سقطت بتركيز على سطح معدن تذيبه.

تصنيفات الليزر
يصنف الليزر بأربعة تصنيفات تعتمد على خطورتها على الخلايا الحية. فعند التعامل مع الليزر يجب الإنتباه إلى الإشارة التي توضح تصنيفه.

إشارة تحذير بوجود ليزر

يمكننا ان نشبه فكرة عمل العين بالكاميرا التي نستخدمها في التصوير الفوتوغرافي، تلك العملية التي تقوم فيها الكاميرا بتجميع الضوء المنعكس عن الجسم بواسطة عدسة الكاميرا على الفيلم وبعدها تتم العملية الكيميائية لتحويل الصورة المختزنة في الفيلم إلى صورة يمكن طباعتها على الورق لنحصل على صورة بين ايدينا لمشهد معين تم تصويره، والعين تقوم أيضا بتجميع الضوء المنعكس عن الجسم او المشهد الذي ننظر اليه وتركزه في داخل العين. ولتوضيح كيف تتم عملية الرؤية دعنا ننظر إلى تركيب العين.

الأجزاء الرئيسية في العين

تقوم الشبكية بدور رئيسي في عملية الرؤية حيث تتفاعل الشبكية مع الضوء الساقط عليها وتحوله الى معلومات ترسل إلى الدماغ. ويعمل الدماغ على ترجمة هذه المعلومات وتحويلها الى صورة. تحتوى الشبكية على خلايا عصبية تسمى مجسات الابصار وهي نوعان هما المخاريط cones والعصي rods وتكون وظيفة هذه المجسات هو تحويل فوتونات الضوء إلى اشارات كهربية ترسل عبر الالياف العصبية البصربة المتصلة بها لترسل بعدها إلى مركز الابصار في الدماغ لتتم الترجمة والرؤية.

التفاصيل السابقة لتركيب العين مختصرة ويمكن ان نخصص لها موضوع منفصل لشرح كيف تعمل العين بالتفصيل في مقالات اخرى ان شاء الله.
تعتمد دقة الرؤية ووضوحها على المرحلة الاولي للجزء الامامي للعين والتي يتم فيها تركيز الضوء بواسطة القرنية وعدسة العين على الشبكية، وبالتالي فإن شكل كلاً من القرنية والعدسة بالاضافة إلى مرونة حركتهما ومرونة العضلات التي تتحكم بحركة العين ككل كلها تلعب دوراً متكاملاً في تركيز الضوء على شبكية العين.
فعندما ننظر إلى جسم ما فإن ثلاثة اشياء تحدث فوراً وتلقائياً وهي:
1. تصغير حجم الصورة لتناسب حجم شبكية العين.
2. تجميع الضزء المتشتت عن الجسم وتركزه focus على الشبكية
3. الصورة المتكونة على الشبكية يجب ان تكون منحنية لتناسب شكل الشبكية تماماً.
وكما هو موضح في الشكل التالي فإن الضوء المار خلال القرنية وحدقة العين ينحني وفيزيائيا نقول انه ينكسرrefractive بواسطة العدسة ليصل إلى نقطة على الشبكية نقول عنها نقطة التركيز او التبئير focus حيث تتشكل الصورة (تماماً كما نقوم بذلك في الكاميرا فاهم خطوة للحصول على صورة واضحة ان نضبط التركيز focusing والذي يتم اوتوماتيكياً في معظم الكاميرات العادية).

ولعمل كل ذلك فإن العين تمتلك عدسة تقع في مركز العين بين الشبكية والحدقة وتغطي العدسة طبقة شفافة تسمى القرنية تعمل كنافذة لحماية العدسة. كلا من العدس والقرنية تعملان مع بعضهما البعض لتركيز الصورة على الشبكية.

العين الطبيعية الخاليةمن العيوب تتميز بوجود تناسب بين قوة القرنيةوالعدسة وموقع الشبكية التي تقع على مسافة 24 مليمتراً خلف القرنية. وهذا التناسب يجعل الضوء الساقط على العين يتركز على الشبكية تماماً، وأياختلال فيه يؤدي إلى حدوث عيوب البصر والتي تسمى في الكثير من الأحيان بالعيوب الانكسارية دلالة على الخاصية الفيزيائية لعدسة والقرنية في عملية انكسار الضوء وان كل هذه العيوب منشؤها خلل في القوة الانكسارية التي تتمثلفي:
1. قصر النظر (mypopia)
2. طول النظر (Hyperopia)
3. انحراف البصر (Astigmatism)
4. مد البصر أو قصو البصر (Presbyopia)
وفيمايلي لمحة موجزة عن كلٍّ من هذه العيوب:
قصر النظر mypopia وهو أشهر أنواعالعيوب الانكسارية وأكثرها شيوعاً، والسبب الرئيسي له تجمع الأشعةالضوئية قبل وصولها إلى شبكية العين. مما يسبب زيغ في الصورة المتكونة، وتحدث هذه الحالة بسبب زيادة قوة تركيز عدسة العين ولذلك نرى هؤلاء الاشخاص يتمتعون بقدرة على القراءة والنظر بوضوح للاجسام القريبة.

في قصر النظر تتكون صورة الاجسام البعدة امام الشبكية

طول النظر (Hyperopia) على عكس قصر النظر تماماً، يحدث أن تتجمع الأشعة الضوئيةبعد شبكة العين فتسبب فيما يسمى بطول النظر، وفي هذه الحالة يعاني طويلالنظر من عدم الرؤية بوضوح عن قرب، وقد يستطيع ذلك ولكنه يصاب بإجهادشديد من شدة التركيز والضغط على العين لزيادة قوة العدسة. ولكن الاجسام البعيدة فهو يراها بوضوح.

في طول النظر تتكون صورة الاجسام خلف الشبكية

انحراف البصر (Astigmatism) تحدث مشكلة انحراف البصر عندما يحدث تشوه في عدسة العين أو القرنية مما ينتج عنه تكون نقطتين للبؤرة مما ينتج عنه قوة انكسارية غير متساوية في جميع الاتجاهات فينتج انحراف البصر أوالاستجماتيزم.

قصو البصر (Presbyopia)تستطيع عدسة العين الطبيعية بقدرة الله عز وجل أن تغيرقوتها التكبيرية خلال لحظة من الزمن، الأمر الذي يجعلنا قادرين علىتحويل نظرنا من البعيد جداً إلى القريب جداً، وفي لمح البصر نرى كل شيءبوضوح وعلى مختلف المسافات. وحين تفقد عدسة العين مرونتها وقدرتها على تغيير قوتها التكبيريةيصبح الإنسان غير قادر على رؤية الأشياء القريبة بوضوح خاصةالقراءة.
ويتم معالجة كل هذه المشاكل باستخدام انواع مختلفة من العدسات الطبية والتي تحسب قوتها ودرجتها ونوعها حسب تشخيص دقيق يخضع له الشخص المصاب.
عملية الليزك مفيدة جداً في حالات قصر النظر وفي الكثير من الحالات تتمكن من تصحيح العيب والتخلص من النظارة وتعطي عملية الليزك نتائج جيدة في حلات طول النظر وانحراف النظر ولكن حالة قصو النظر تحتاج إلى عملية جراحية بالليزر laser eye surgery.

سوف نقوم بشرح فكرة عملية الليزك من خلال تصحيح مشكلة قصر النظر.

تقنية الليزك اكتشفت بواسطة العالم Jose Barraquer في العام 1960 عندما طور الة التشريط microkeratomeلقطع جزء من القرنية وتعديل شكلها بواسطة تقنية تسمى keratomileusis، وفي العام 1981 وبعد اكتشاف الاكسيمر ليزر الذي يعمل في مجال الاشعة فوق البنفسجية وقدرته على انتزاع طبقات من الأغشية الرقيقة بدون اي اثار حرارية للمناطق المحيطة تمكن العالم Srinivasan من استخدام الاكسيمر ليزر قطع جزء من القرنية وبدون اثار جانبية بالمقارنة باشعة ليزر اخرى تعمل في مجال الضوء المرئي. وبعد العديد من التجارب تم تطوير تقنية الليزك في العام 1991 بواسطة العالم الايطالي Lucio Buratto والعالم اليوناني Ioannis Pallikaris لتصبح اكثر دقة لتحل محل الطريقة القديمة keratomileusis.

وخلال إجراء العمليةبالليزر هناك من يرصد العملية ويرقبها، وذلك من خلال جهاز كمبيوتر موجودضمن جهاز الإكسيمر ليزر مهمته تحديد المقدار المراد إزالته من أنسجةالقرنية بالضبط.

1. قياس ضغط العين
2. التصوير الطبوغرافي للعين
3. قياس سماكة القرنية
4. قياس الانحراف الانكساري مع توسيع الحدق
5. فحص الجزء الأمامي من العي
6. فحص قاع العين
7. قياس رؤية الألوان
8. فحص الحول
9. قياس تحدب القرنية
10. قياس قطر الحدقة
11. قياس الانحرافات الانكسارية الدقيقة
ولكل فحص من هذه الفوحوصات الاجهزة الخاصة به وتبين نتائج الفحص اذا ما كان من المناسب ان يخضع المصاب للعملية أم ان هناك عامل مهم لم يتحقق مثل ان تكون القرنية رقيقة السمك أو ان تكون ذات شكل مخروطي.

كيف تتم عملية الليزك
1
تبدأ عملية الليزك بوضع المشرط الإلكتروني على العين وتثبيته بدقة.

2
بتحريك المشرط الإلكتروني في اتجاه السهم يتم ازالة الغشاء الرقيق الذي يغطي القرنية.

3
يقوم الطبيب بازالة الغشاء بواسطة ملقط معقم ووضعه جانباً لتكون القرنية معرضة لاشعة الليزر للمرحلة التالية.

4
يتم تسليط أشعة الإكزيمر ليزر داخل أنسجة القرنية والتي تكون محسوبة بعدد محدد لازالة السمك المطلوب من سطح القرنية.

5
تتم العملية بإعادة الغشاء الرقيق مكانه كما كان قبل العملية.

في هذه الموقع عرض فيديو لعملية ليزك تتضمن مرحلة ازالة الغشاء وتسليط الليزر واعادة الغشاء.