بـــحــث مـــفـــصـــل عــــ || أشــعــة اللــيــزر || ـــــــن
ط¢ط®ط±
ط§ظ„طµظپط­ط©
الأيام الخوالي

  • ط§ظ„ظ…ط´ط§ط±ظƒط§طھ: 28913
    ظ†ظ‚ط§ط· ط§ظ„طھظ…ظٹط²: 6392
ط¹ط¶ظˆ ط£ط³ط§ط³ظٹ
الأيام الخوالي

ط¹ط¶ظˆ ط£ط³ط§ط³ظٹ
ط§ظ„ظ…ط´ط§ط±ظƒط§طھ: 28913
ظ†ظ‚ط§ط· ط§ظ„طھظ…ظٹط²: 6392
ظ…ط¹ط¯ظ„ ط§ظ„ظ…ط´ط§ط±ظƒط§طھ ظٹظˆظ…ظٹط§: 3.7
ط§ظ„ط£ظٹط§ظ… ظ…ظ†ط° ط§ظ„ط¥ظ†ط¶ظ…ط§ظ…: 7825
  • 02:06 - 2009/06/13

img374/1871/simond6.gif

 

 
img356/2986/simo1wl2.gif
 
بـــحــث مـــفـــصـــل عــــ ||أشــعــة اللــيــزر || ـــــــن
 
 

المقدمة

قلما تركت اكتشافات علمية من الأثر على مجالات وأفرع قائمة مثلما ترك اكتشاف أشعة الليزر على أفرع العلوم الأساسية، كالكيمياء، والجيولوجيا، والبيولوجيا، وأفرع العلوم التطبيقية، كالطب والهندسة، بصفة عامة، وعلى علم البصريات وعلم الفيزياء بصفة خاصة.

ولقد دأب كتاب الخيال العلمي لعشرات من السنين، في قصصهم على ذكر استخدام سلاح رهيب يصدر أشعة ذات قوة تدميرية عالية، أطلقوا عليها اسم "أشعة الموت". ولعل أول من استخدمها هو الكاتب الإنجليزي "ويلز" في روايته الشهيرة "حرب الكواكب" Star Wars ، إذ دمر بها سكان المريخ مناطق من كوكب الأرض. وهكذا لعب الخيال العلمي دوراً كبيراً في تكوين صورة معينة عن الأشعة القادرة على تدمير أي أهداف، مهما كانت مسافتها، وفتح الخزائن المغلقة، وقتل الأفراد. والخيال العلمي لا يقف عند حد. وما نعده خيالاً اليوم قد يصبح حقيقة واقعة في يوم قريب.

وعندما خرج أول ليزر هليوم _نيون للوجود عام 1961، بعد بحوث استمرت ست سنوات، في نظرية الإشعاع وتفاعل الموجات الكهرومغناطيسية مع ذرات المواد، سواء منها الغازية أو الصلبة، كان الأمل منعقداً على أن العلم قد توصل أخيراً إلى "أشعة الموت"، القادرة على تدمير الأهداف وقتل الأفراد. ولكن الطبيعة الضوئية لليزر أوضحت أن هذا المطلب سوف يكون بعيد المنال. ولكن الليزر فتح الطريق أمام أفرع المعرفة في مجال الكهروبصريات عموماً. وقد تميزت العقود التالية بسرعة تطور نظم الليزر. وظهرت التطبيقات الواسعة في مجال نظم التسليح عموماً، وتوجيه المقذوفات خاصة، وفي الاتصالات والكيمياء الحيوية.

وتحققت نبوءة الخيال العلمي، إذ بدأ استخدام أشعة الليزر في المجالات العسكرية. وأضافت أشعة الليزر بالطبع قدرات هائلة إلى نظم التسليح، بما حققته لها من إمكانية قياس مسافة الأهداف بدقة عالية، في حدود الأمتار، لحظياً، مع سهولة كبيرة في الاستخدام. ويؤثر ذلك بالطبع بدرجة كبيرة على دقة نظم إدارة النيران، كما استخدمت نظم الليزر في توجيه المقذوفات البالغة الدقة في إصابة الأهداف، مما يعود بالتالي على فاعلية النيران، إذ تحولت المقذوفات من أسلوب الضرب التقليدي إلى التوجيه الدقيق. ولا تنحصر استخدامات الليزر في نظم التسليح على هذين الاستخدامين، ولكنهما أكثر الاستخدامات فاعلية وانتشاراً.


المبحث الأول

طبيعة أشعة الليزر وخصائصها

أولاً: اكتشاف أشعة الليزر

كلمة ليزر LASER بالإنجليزية هي الحروف الأولى من عبارة Amplification by Stimulated Light Emission of Radiation ، وهي تعني "تضخيم الضوء بواسطة إثارة موجاته الإشعاعية" [1]. وكان "أينشتين" [2]   Einstien أول من تنبأ في عام 1916م بأن الإلكترونات تستطيع أن تطلق نوعاً خاصاً من الضوء، ولكن ذلك لم يحدث إلا في شهر يوليه من عام 1960م، عندما نجح العالم "ثيودور ميمان" Theodore H. Maiman ، المهندس بمختبرات شركة "هيوز" Hughes للبحوث بالولايات المتحدة الأمريكية، في توليد شعاع ضوئي قوي نفاذ من ياقوتة [3] حمراء تغطى الفضة طرفيها، ويسقط عليها ضوء غامر من مصباح أنبوبي زجاجي يحيط بها. فعندما سقط ضوء المصباح على الياقوتة أهاج ذراتها، وانبعث منها وميض انتشر إلى طرفيها ليصطدم بالفضة التي عكسته كالمرآة، فتردد ذهاباً وإياباً، فزادت قوته وتركيزه، وانطلق شعاع لامع من الضوء الأحمر من نوع غير معهود من قبل.

وتذكر بعض المصادر، أن أول جهاز ليزر قد صمم ونفذ عام 1959 بواسطة عالم إيراني يعيش في الولايات المتحدة، وكان جهاز هليوم-نيون، أي أن المادة الفعالة هي خليط من غازي الهليوم والنيون في أنبوبة طولها 4 سم وقطرها 1 سم. وكان العالم الأمريكي "شاولو" قد سبق وأثبت إمكانية الحصول على أشعة الليزر بالحسابات النظرية.

وليزر "مايمان" الأول بعث ضوءاً أحمر فقط، الأمر الذي حد من فائدته. فأحد أسباب بطء استخداماته التطبيقية كان أسباب الحاجة إلى تطوير أشعة ليزر متنوعة ترسل ضوءاً بموجات وطاقات مختلفة. واليوم، هناك عدد كبير من أنواع أشعة الليزر التي تستخدم مواد مختلفة لتوليد أشعة ضوئية، لأغراض متخصصة. وأشعة الليزر قد تكون في الطيف المنظور، أو في منطقة الأشعة تحت الحمراء، أو في منطقة الأشعة فوق البنفسجية .

والضوء هو نوع من الإشعاع. والضوء الأبيض الذي نراه، كأشعة الشمس، مكون من ألوان الطيف التي تتدرج من الأحمر إلى البرتقالي، فالأصفر، فالأخضر، فالأزرق، فالنيلي، ثم البنفسجي . وقد تمكن العالم الإنجليزي "إسحق نيوتن" من الحصول على هذه الألوان عندما مرر شعاعاً ضوئياً في منشور زجاجي، فخرج الضوء وقد تفرق إلى هذه الألوان التي تعرف بـ "الطيف المرئي". ويفسر حدوث هذا الطيف بأن الضوء يتكون من موجات ضوئية ذات ترددات مختلفة [4]، وهذه الموجات تسير بالسرعة نفسها في الهواء، ولكن سرعتها تختلف عن بعضها عندما تمر في وسط أكثر كثافة من الهواء، فتنكسر وتخرج في مجموعات طبقاً لتردداتها.

ثانياً: جهاز الليزر

جهاز الليزر عبارة عن مصدر للضوء، يعمل على تجميع الإشعاعات الضوئية، التي تتولد داخل الجهاز، وتركيزها، وتقويتها، على شكل حزمة ضوئية رفيعة جداً في اتجاه واحد مركز، وهي أشعة كهرومغناطيسية متجانسة coherent ومتماسكة، وتستطيع قطع مسافات لا نهائية في خط مستقيم. وتتميز بأنها تزداد شدتها، ويقوي بعضها بعضاً عند الانطلاق.

وعملية توليد أشعة الليزر تنتج عن تعريض المواد المختلفة لمصادر إثارة وتغذية خارجية. ويختلف الطول الموجي لأشعة الليزر الناتجة باختلاف المادة التي تنتجه، مع احتفاظها بطبيعتها الأساسية، وخصائصها العامة بوصفها موجة ضوئية، والخصائص العامة للموجات الكهرومغناطيسية. ويتكون جهاز الليزر من ثلاثة أجزاء رئيسة هي:

1. مادة الوسط الفعال: وهي التي تنتج أشعة الليزر، وقد تكون مادة صلبة، مثل الياقوت الصناعي، الذي يتكون من أكسيد الألومنيوم مضافاً إليه كمية ضئيلة من الكروم، لا تزيد نسبتها عن 0.05%. وهذه النسبة من الكروم هي المسؤولة عن إنتاج الليزر القوى، أي أنها المادة الفعالة في هذا النوع من الليزر. وقد تكون مادة الوسط الفعال مادة سائلة، مثل مادة النيوديوم Nudium المذابة في أكسيد كلوريد الصوديوم، أو قد تكون مادة غازية، مثل الهليوم أو النيون، أو ثاني أكسيد الكربون. والوسط الفعال يقذف بضوء شديد التركيز والتماسك، إذا وجهت إليه طاقة مثل تيار كهربي أو إشعاع ضوئي.

2. مصدر للطاقة لإثارة ذرات مادة الوسط الفعال.

3. وحدة تضخيم الضوء، وتكون غالباً في شكل مرآتين.

ثالثاً: نظرية إنتاج أشعة الليزر

يمكن توضيح نظرية إنتاج أشعة الليزر بسهولة ويسر إذا أخذنا في الاعتبار تركيب الذرة،  ومنسوبي الطاقة E1, E2 فلكي تنتقل ذرة من المنسوب الأدنى E1 إلى المنسوب الأعلى E2 فإنها تمتص قدراً من الطاقة يساوي الفرق بين هذين المنسوبين. ولكي تنتقل الذرة من المنسوب الأعلى إلى المنسوب الأدنى، فإنها تطلق قدراً من الطاقة يساوي، أيضاً، الفرق بينهما، ويكون ذلك على شكل فوتون photon [5] ، (وفي عام 1917، أوضح "أينشتين" أن الانبعاث يمكن أن يتم بإحدى الطريقتين:

1. الانتقال التلقائي

وفيه تنتقل الذرة من المنسوب الأعلى E2 إلى المنسوب الأدنى E1 تلقائياً، دون تدخل خارجي. والانبعاث التلقائي هو السمة المميزة لجميع المصادر الضوئية المألوفة، كمصباح بخار الصوديوم، أو بخار الزئبق، أو النيون. وفي كل منها تحدث ملايين الانتقالات التلقائية، نظراً لأن الانتقال التلقائي للذرات يحدث بدون تحكم. ونتيجة لذلك، فإن الضوء المنبعث تكون فوتوناته غير مترابطة.

2. الانبعاث المستحث

وفيه تنتقل الذرة من المنسوب الأعلى E2 إلى المنسوب الأدنى E1 عندما يمر بها فوتون طاقته تعادل الفرق بين منسوبي الطاقة. ويتميز الانبعاث المستحث بانبعاث فوتون جديد، فضلاً عن الفوتون الأصلي. ويكون للفوتون المستحث نفس طاقة الفوتون الأصلي، ونفس تردده، وطوله الموجي، ولذلك يقال إنهما مترابطان. والانبعاث المستحث هو السمة المميزة لمصادر الليزر، إذ تحدث الانتقالات المستحثة.

ويمكن توضيح كيفية إنتاج شعاع الليزر من خلال دراسة ليزر الياقوت على سبيل المثال. فأول جهاز ليزر ياقوت Ruby Laser صممه "ميمان" عام 1960، ويتكون من قضيب اسطواني من الياقوت ذي اللون الأحمر الوردي، قطره 1 سم وطوله 5 سم، وطرفاه متوازيان ومصقولان صقلاً جيداً، وأحدهما مغطى بطبقة غير شفافة من الفضة، وثانيهما مغطى بطبقة نصف شفافة من الفضة، أيضاً. والياقوت هو عبارة عن أكسيد ألومنيوم تم استبدال بعض ذرات الألومنيوم فيه ببعض ذرات الكروم. واسطوانة الياقوت محاطة بأنبوبة تفريغ حلزونية الشكل بها غاز زينون Xenon ، وعند تشغيلها ينبعث منها ضوء أبيض متوهج يحتوي على مدى عريض من الترددات.

ويمكن فهم فكرة عمل ليزر الياقوت بالاستعانة بنظام ثلاثي مناسيب الطاقة ، إذ المنسوب E3 هو المنسوب الأرضي، والمنسوب E1 هو منسوب الإثارة، والمنسوب E2 هو منسوب شبه مستقر، عمره الزمني طويل نسبياً، ويقدر بحوالي جزء من مائة ألف من الثانية، وهو يفوق العمر الزمني لمناسيب الإثارة العادية بمقدار مائة ألف مرة.

فعندما يضاء الياقوت المطعم بالكروم بالضوء المنبعث من أنبوبة زينون، وعندما تكون قدرة الأنبوبة مناسبة، تثار معظم ذرات الكروم الموجودة في المنسوب الأرضي E1 لتنتقل إلى منسوب الإثارة E3 . ويطلق على عملية نقل الطاقة إلى المادة الفعالة في الليزر، والتي يترتب عليها نقل ذرات المادة الفعالة من المنسوب الأرضي إلى منسوب الإثارة اسم عملية "الضخ" Pumping .

وعودة ذرات الكروم من منسوب الإثارة E3 إلى المنسوب الأرضي E1 تتم بطريقتين:

أ. الطريقة الأولى

وفيها تفقد ذرات الكروم المثارة في المنسوب E3 بعض طاقتها إلى بلورة الياقوت، ونتيجة لذلك تهبط هذه الذرات إلى المنسوب E2 شبه المستقر. ونظراً لطول عمره الزمني، يزداد فيه عدد ذرات الكروم المثارة حتى يصبح أكبر من عددها في المنسوب الأرضي E1 ، وهذا هو شرط الحصول على الانبعاث المستحث، أو هو شرط الحصول على أشعة الليزر.

ب. الطريقة الثانية

وفيها تنتقل بعض ذرات الكروم تلقائياً من المنسوب E2 إلى المنسوب. E1 ويصحب هذا الانتقال انبعاث فوتونات طولها الموجي 6943 انجستروم [6]. وهذه الفوتونات، المنبعثة تلقائياً، عندما تمر بذرات الكروم المثارة في المستوى E2 فإنها تستحثها على الانتقال من المستوى E2 إلى المستوى E1 قبل أن يحين زمن عودتها تلقائياً. ويتولد نتيجة لذلك عدد من الفوتونات المستحثة. وهذه وغيرها تولد مزيداً من الفوتونات، وهكذا سرعان ما يتولد شلال من الفوتونات يكون لها اتجاه الفوتونات الساقطة نفسه.

والفوتونات التي يكون اتجاه حركتها موازياً، تقريباً، لمحور الاسطوانة تعاني من انعكاسات متعددة عند سطحي المرآتين الموجودتين عند نهايتي الاسطوانة، فيزداد تبعاً لذلك طول المسار الذي تقطعه داخل البلورة، مما يتيح لها أن تستحث عدداً أكبر من ذرات الكروم المثارة في المستوى E2 لتنتقل إلى المستوى E1 ، فيتضخم بذلك شلال الفوتونات في اتجاه المحور، وعندما تبلغ شدته حداً معيناً، ينفذ جزء منه إلى خارج الجهاز خلال المرآة نصف الشفافة. وجدير بالذكر أن الفوتونات المنبعثة تلقائياً في الاتجاهات الأخرى ستفقد بنفاذها خلال السطح الجانبي للاسطوانة.

وليزر الياقوت ليزر نبضي، أي تنبعث أشعة الليزر منه على هيئة نبضات، وتتولد أثناء عملية تشغيل الجهاز كمية كبيرة من الحرارة داخل البلورة، مما يتطلب تبريدها بهواء مسال يمر في غلاف يحيط باسطوانة الياقوت.

رابعاً: أنواع الليزر

هناك أنواع مختلفة من أشعة الليزر، تختلف في طولها الموجي، وبالتالي في بعض خواصها. وأهم أنواع الليزر المعروفة حتى الآن هي:

1. ليزر المواد الصلبة

ومنها ليزر الياج [7]، وليزرالياقوت، ويستخدمان بدرجة كبيرة في المجالات الطبية والصناعية. وتنتج أجهزة ليزر المواد الصلبة أشعة ليزر بأطوال موجية مختلفة، تتراوح بين الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء.

2. ليزر أِشباه الموصلات

وتستخدم فيه مجموعة خاصة رقيقة من أشباه الموصلات Semiconductors [8] تسمى "الدايود الباعث للضوء" Light Emitted Diode (LED) ، وقد عد هذا النوع منفصلاً عن ليزر المواد الصلبة؛ لأنه يعمل بنظرية مختلفة عنه. ومن مميزاته انخفاض كلٍّ من الجهد والطاقة الكهربية اللازمة لتشغيله، وصغر الحجم والوزن. ولكن من عيوبه انخفاض طاقة الليزر الناتج.

ويستخدم هذا الليزر في الاتصالات بين الأقمار الصناعية، أو بين هذه الأقمار ومكوك الفضاء، إذ تقل الضوضاء، وتنعدم الأمطار والسحب، وقطرات الندى والغبار، وتكون الظروف مثالية لنقل معدل مرتفع جداً من المعلومات.

ويستخدم هذا الليزر، أيضاً، في نقل المعلومات في أجهزة الكمبيوتر، أو حتى مصدر ضوء يمكن توجيهه إلى أجهزة الليزر الأخرى لتشغيلها.

3. الليزر الغازي

وتعد الأشعة الصادرة من أجهزة الليزر الغازي أفضل بكثير من تلك التي تصدر من أجهزة ليزر المواد الصلبة، وذلك لشدة تماسك ضوئها، سواء على الأرض، أو في الفضاء، وأيضاً، لمداها الكبير وطاقتها العالية. وتستخدم أشعة ليزر الغاز في البحوث العلمية، وفي الأغراض الصناعية.

وتركز الأبحاث على إنتاج نوع جديد من ليزر الهليوم - نيون قادر على إنتاج شعاع ليزر أخضر بدلاً من الأحمر التقليدي، مع زيادة فاعلية أنابيب الليزر وتقليل أسعارها، مما يسمح بمنافسة بعض الأنواع الرخيصة الأخرى. وقد أنتج ليزر هليوم- نيون قادر على توليد ثلاثة خطوط طيفية مختلفة، يمكن اختيار أي منها بواسطة منشور ثلاثي. وليزر الهليوم - نيون له استخدام رئيسي في مجال التصوير المجسم وتشفير الصور.

ويحتل ثاني أكسيد الكربون الأهمية التالية لليزر الهليوم ـ نيون، إذ يستخدم على نطاق واسع في الصناعة، وقد توصلت البحوث إلى إنتاج ليزر ثاني أكسيد الكربون له طاقة خرج حوالي 100 وات لاستخدامه في الأغراض الطبية، مع توفير ألياف ضوئية تعمل عند الطول الموجي 10.6 ميكرون.

4. ليزر "الاكسايمر"

وهو يتبع فصيلة الليزر الغازي، واسمه مشتق من المصطلح الإنجليزي Excited Dimer . وهو نوع وسط بين الليزر الغازي الذي يعمل بالطاقة الكهربية مباشرة، ونوع آخر من الليزر الغازي يعتمد على التفاعلات الكيماوية، بالإضافة إلى الطاقة الكهربائية. وفي جهاز ليزر "الاكسايمر" تنتقل طاقة الإلكترونات المكتسبة من الإشعاع الإلكتروني، أو التفريغ الكهربي، إلى الغاز. وإلى هذا الحد يُعدُّ "الاكسايمر" مثل أي غاز آخر يضخ بالطاقة الكهربية، ولكن هذه الطاقة تفعل شيئاً مختلفاً تماماً، فهي تسبب تفاعل الغازات الخاملة المستخدمة، مثل الأرجون Argon ـ الكريبتون Krypton ـ الزينون مع ذرات الهلوجين، مثل الكلورين Chlorine ،أو الفلورين Fluorine ، أو البرومين Bromine ،أو الأيودين Iodine ، ويتكون بذلك جزئ "الاكسايمر" الذي يتكون فقط في مستويات طاقة مثارة.

5. الليزر الكيماوي

ومن أمثلته ليزر الهيدروجين ـ فلورايد، وفيه تتفاعل ذرة من غاز الهيدروجين مع ذرة أخرى من غاز الفلورين، وينتج عن ذلك جزئ هيدروجين ـ فلورايد. والتفاعل بين هاتين الذرتين ينتج عنه طاقة كيماوية كافية، بحيث تسبب تكوين الجزيء في مستويات إثارة. وإذا أمكن وضع هذا الجزيء المثار في وعاء الليزر الخاص، يمكن فصل هذه الطاقة على هيئة شعاع ليزر في نطاق الأشعة تحت الحمراء بطول موجي 3 ميكرومتر. ويتميز هذا النوع من الليزر بإنتاج طاقة ضوئية عالية. ومن أنواع الليزر الكيماوي ذلك النوع المعروف باسم "الليزر الكيماوي المتطور في الحيز المتوسط للأشعة تحت الحمراء" Mid -Infrared Advanced Chemical Laser: MIRACL .

6. ليزر السوائل

ويتميز بسهولة تحضيره في المختبرات، كما أن المواد المستخدمة فيه اقتصادية إلى درجة كبيرة، بالمقارنة بأجهزة الليزر الأخرى، بالإضافة إلى إمكانية تغيير السائل المستخدم بسهولة للحصول على أشعة ليزر ذات مواصفات جديدة، دون تغيير جهاز الليزر. ويمكن لجهاز ليزر السوائل أن ينتج أشعة ليزر بألوان مختلفة، وبموجات ضوئية ذات أطوال متباينة. والسوائل المستخدمة هنا تعتمد في تركيبها على مادة الصبغة العضوية الكيماوية التي توجد في الطبيعة على هيئة أجسام صلبة تختلف في التركيب الكيماوي.

7. ليزر أشعة "اكس" X rays [9]

في عام 1984 أمكن تصنيع أول ليزر أشعة سينية ناجح في معمل Lawrence Livermore National Laboratory في الولايات المتحدة الأمريكية. وهو ليزر بالغ الخطورة والأثر. ومن المعروف أن أشعة "إكس" ذات تردد أعلى بكثير من الأشعة الضوئية، وبالتالي فإن لها قدرة عالية جداً على اختراق الأجسام التي لا يخترقها الضوء العادي. وقد أمكن إثبات إمكانية الحصول على أشعة "اكس" بطريقة عمل الليزر نظريا. وتكمن الصعوبة في أنه يجب تحويل المادة إلى حالة البلازما [10] للحصول على أشعة "اكس" الليزرية، وهذا يتطلب درجة حرارة عالية جدا لا يمكن الحصول عليها إلا من خلال تفاعل نووي، مما أدى إلى ظهور عدة اقتراحات بأن يكون توليد الطاقة في مثل هذا الليزر عن طريق انفجار نووي صغير تحت التحكم.

والأشعة السينية تحتل منطقة من الطيف الكهرومغناطيسي طول موجاته من 10 إلى 0.01 نانومتر، والأطوال الموجية الأطول تسمى "ناعمة"؛ لأن الفوتونات عند هذا الطول تكون غير قادرة على اختراق الهواء أو الأنسجة الحية، بينما الأطوال الموجية الأقصر، مثل الطول الموجي 0.03 نانومتر تقريباً، والذي يستخدمه أطباء الأسنان، تسمى "قاسية"، نظراً لمقدرتها على الاختراق.

8. ليزر الإلكترون الحر  Free Electron Laser

وعبارة "الإلكترون الحر" تأتي من أن حقيقة الوسط الفعال في هذا الجهاز، والذي ينتج الليزر، هو الشعاع الإلكتروني، وهذه الإلكترونات محررة تماماً من الذرات، وتمر بطريقة خاصة خلال مجال مغناطيسي للتحكم في مسارها. وبالإضافة إلى القدرة الضوئية العالية لهذا الجهاز، فقد كان التفكير دائماً في استخدام الشعاع الإلكتروني ذاته كسلاح فعال في مجال الدفاع، خاصة عندما تتجمع هذه الإلكترونات، ذات الشحنة السالبة، في بؤرة واحدة. وهذا الليزر يمكن التعامل معه بسهولة بحيث تتجمع أشعته في بؤرة واحدة ولمسافة محددة من الهدف. ويجري حالياً تطوير نماذج من هذه الأشعة، لاستعمالها في مهام متنوعة في الدفاع الاستراتيجى، بما في ذلك أسلحة الطاقة الموجهة.

ويعد ليزر الإلكترونات الحرة، من الناحية النظرية، مصدر ضوء بالغ التكيف، إذ يمكن موالفته لأي طول موجي مطلوب، وهو يعمل بقدرة عالية. أما الليزرات الأخرى، فإنها تنتج الضوء عند أطوال موجية محددة، تتفق مع انتقالات الطاقة في أوساطها الليزرية.  

خامساً: خصائص أشعة الليزر

وبما أن أشعة الليزر عبارة عن أشعة ضوئية مركزة، فإنها تخضع لقوانين الضوء من حيث: الانعكاس، والانكسار، والانحراف بواسطة المرايا والعدسات والمناشير الزجاجية. وقد تمكن الفنانون من استخدام أشعة الليزر في تشكيل صور رائعة باستخدام العدسات والمرايا والألياف البصرية [11] Fiber Optics ، وذلك من خلال انعكاس وانكسار أشعة الليزر المتوهجة، وتحويلها إلى نماذج ضوئية مبهرة.

وقد تكون أشعة الليزر على شكل نبضات pulses ، أو موجات مستمرة continuous waves . فالليزر النبض d يصدر أشعته على شكل سلسلة من نبضات الضوء البالغة القصر. وتصدر هذه النبضات فقط عندما يكون الوسط الفعال في أعلى حالات الإثارة. وبعض أنواع أجهزة الليزر تصدر أشعتها بمعدل نبضة واحدة كل عدة دقائق. وهناك أنواع من الليزر، مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون، يمكن أن تكون موجاته نبضية أو مستمرة. وأهم الخصائص التي تتميز بها أشعة الليزر عن الأشعة الضوئية هي:

1. النقاء الطيفي

فشعاع الليزر حزمة ضوئية غاية في النقاء من ناحية الطول الموجي [12]. فأشعة الضوء المنبعثة من المصادر الضوئية العادية، كمصباح الصوديوم أو الزئبق، وهي ما تستخدم في الإنارة، هذه الأشعة على الرغم من وصفها بأنها وحيدة الطول الموجي، إلا أنها في الواقع تحتوى على أطوال موجية أخرى حول الطول الموجي الرئيس، ومعنى هذا أن الاتساع الطيفي لشعاع الليزر ضئيل للغاية، مقارنة بالمصادر العادية للضوء، ولهذا فإنه غاية في النقاء من ناحية الطول الموجي أو التردد.

2. شدة الشعاع

وتقاس شدة أشعة الليزر بنفس وحدات قياس القدرة الكهربية، وهي الـ "وات" wat . وتتراوح هذه الشدة بين عدة واتات، وآلاف الملايين من الواتات [13]. وتعد أشعة الليزر النبضية أقوى أنواع الليزر؛ لأن طاقتها مركزة في شكل نبضات سريعة، ويمكن لأشعة الليزر المستمرة أن تنتج نفس كمية الطاقة مثل الأشعة النبضية، ولكن ذلك يستغرق وقتاً طويلاً.

وتستخدم أشعة الليزر القوية في الأغراض الصناعية، مثل تثقيب وقطع المعادن، بينما تستخدم الأشعة الضعيفة لتشغيل الأقراص البصرية التي تسجل عليها الموسيقى. أما الأشعة متوسطة القوة فتستخدم في الأغراض الطبية.

ويتميز شعاع الليزر بأنه شعاع قوي، فالشعاع الذي شدته 5 ـ10 كيلووات قادر على اختراق المعادن وثقبها حتى عمق 20 مم. وتصل قدرة بعض أجهزة الليزر النبضي إلى 5 ـ10 ميجاوات. ويستطيع شعاع ليزر لا تزيد شدته على وات واحد، ويستخدم في الاتصالات، أن يحقق مدى اتصال يصل إلى 500 كم.

3. تركيز الأشعة

شعاع الليزر عبارة عن حزمة ضوئية، رفيعة جداً، إذ أن زاوية انفراجها صغيرة جداً، وتسير هذه الأشعة في خطوط مستقيمة، أقرب ما تكون إلى التوازي، ويصاحب عدم انفراج الأشعة بريق شديد، ضار بالعين إذا ما استقبلته مباشرة، بينما مصادر الضوء الأخرى تشع ضوءها في جميع الاتجاهات. وهذا يعنى أن حزمة الليزر لا تفقد شدتها إلا ببطء شديد، فإذا أرسلت أشعة في اتجاه القمر، على بعد 400 ألف كيلومتر من سطح الأرض تقريباً، وكانت بالشدة الضوئية الكافية، فإنها تفرش على سطح القمر بقعة مضاءة لا يزيد قطرها على كيلومتر واحد، في حين أنه إذا أرسل الضوء العادي ووصل، فرضاً، إلى سطح القمر، فإن قطر البقعة المضاءة يصل إلى 4376 كيلومتر تقريباً.

وتستطيع أشعة الليزر أن تكثف طاقة تسافر إلى مسافات كبيرة، كما تبين في عام 1969 عندما أرسل العلماء شعاعاً من الليزر ليرتد من فوق عاكسات وضعها رواد الفضاء الأمريكيين في برنامج "أبوللو" على سطح القمر، ، وتلقوا إشارة مرتدة على الأرض، وهو أمر نادر الاحتمال باستخدام مصادر الضوء العادية.

4. ترابط وتماسك فوتونات الأشعة.

من الخصائص المهمة لأشعة الليزر ترابط وتماسك الفوتونات المكونة لها. والأشعة الضوئية تصدر عن إثارة العناصر، وتنبعث منها فوتونات لها طول موجي واحد، يحدده منسوبا طاقة الذرة التي انتقلت بينها هذه الفوتونات. وملايين هذه الانتقالات، التي تحدث في ملايين الذرات المثارة، ينبعث عنها ملايين الفوتونات، وتظهر للعين المجردة أشعة ضوئية، ويلاحظ هنا عدم وجود رابطة بين الفوتونات المنبعثة. ويمكن تشبيه الأشعة العادية بأصوات منطلقة من ملايين المصادر المتماثلة، ولها التردد نفسه، ولكنها لا تصدر في وقت واحد، وبهذا فإنها تسمع من بعد وكأنها ضجيج، في حين أنه إذا انطلقت هذه الأصوات في الوقت نفسه، فإنها تصبح حادة، شديدة الأثر.

5. أحادية اللون

يكون الضوء الناتج من الليزر أحادي اللون monochromatic ، بينما الضوء الأبيض الناتج من الشمس يتكون من ألوان الطيف المرئية. ويوجد حالياً أنواع من الليزر تنتج جميع الألوان الطيفية، المرئية منها وغير المرئية، مثل الأشعة تحت الحمراء، وفوق البنفسجية.

سادساً: خطورة الليزر على العين

إن أقصى شدة إضاءة تتحملها عين الإنسان دون أن تصاب بأضرار تبلغ حوالي 5 ميكروجول [14] على السنتيمتر المربع. ولما كانت الطاقة التي تتعرض لها عين الإنسان تقل كلما ابتعد عن مصدر أشعة الليزر، فإن مسافة الأمان هي أقل مسافة بين العين وجهاز الليزر، بحيث إذا تعرضت العين لنبضة ليزر مباشرة فلا تصاب بضرر. وتختلف هذه المسافة حسب العوامل الآتية:

1. حالة الجو.

2. أجهزة التكبير الضوئية المستخدمة في أجهزة الرؤية.

3. الانعكاسات الضارة.

4. درجة تركيز شعاع الليزر.

5. نوع مادة الليزر.

6. نوع شعاع الليزر، نبضي أو مستمر.

ولتوضيح خطورة الليزر، فإن مقدرات المسافة التي تستخدم الياج لها قدرة أكبر من 1ميجاووات، ومن ثم، فإن أقل مسافة للتعرض المباشر لمصدر ليزر الياج تكون حوالي 500متر، بينما مقدرات المسافة التي تستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون تصل مسافة الأمان بالنسبة لها إلى حوالي 2 ـ 3 سنتيمترات. أي أنها في الواقع مأمونة تماماً.

سابعاً: الوقاية من أشعة الليزر

يمكن تحقيق الوقاية من أشعة الليزر بثلاث طرق رئيسية وهي:

1. استخدام المرشحات   Filters الامتصاصية

وفيها يمكن امتصاص الضوء باستخدام صبغات ملونة، توضع بداخل المواد المكونة للأجهزة البصرية، مثل الزجاج أو البلاستيك، والتي تمتص أطوالاً موجية معينة. فالبلاستيك جيد في امتصاص أطوال موجات ليزر ثاني أكسيد الكربون، بينما يسمح لباقي الطيف الكهرومغناطيسي بالمرور خلاله. والمرشح الملون أزرق/ أخضر يمنع الأطوال الموجية لليزرات الياقوت الأحمر من المرور.

ولقد أدت بساطة المرشحات الملونة بالصبغات إلى إنتاج مرشحات بلاستيك رفيعة، يمكن لفها بسهولة حول الأجهزة البصرية المستخدمة في نظم التسليح، وحتى حول الوجه البشرى.

ومن عيب هذه المرشحات أنها تقلل الضوء المرئي فيها، فمرشح الياقوت يقلل كمية الضوء المار فيه بنسبة 20% إلى 40%. وهذا يعنى أن المنظر يصبح داكناً، أو أكثر إظلاماً، كلما زادت درجة الوقاية من أشعة الليزر، ويكون لهذا تأثير سلبي أثناء العمل في ظروف الإضاءة الضعيفة.

وتعمل المرشحات على تلوين الصورة، وبالتالي تقل درجة التباين contrast بين الهدف المراد رؤيته والخلفية المحيطة به، كما أن بعض المرشحات تنتج إزاحات لونية بسيطة، كأن تجعل اللون الأخضر يميل إلى الاصفرار، وأيضاً، ترفع المرشحات الامتصاصية من درجة حرارة العدسات، وقد يسبب ذلك بعض المشكلات عندما تواجه المرشحات بأشعة ليزر ذات قدرة عالية.

2. استخدام المرشحات الانعكاسية:

وهي تتكون من طبقات رقيقة من مواد خاصة، ذات معاملات انعكاس ضوئي مختلفة، يتم ترسيبها على الزجاج.

3. استخدام مرشحات "روجيت" Rugate Filters :

ويتم فيها وضع خليط من الفلوريدات والأكاسيد في طبقات لها أحرف خشنة، أو أحرف متمازجة مع بعضها. وهذه الطبقات لها تغير تدريجي في معاملات الانعكاس الضوئية، مما يزيد من فعاليتها، بحيث تجعل المرشح أفضل لإمرار الضوء، ويعمل بكفاءة أحسن في ظروف الرؤية الضعيفة.



[1] صيغ بالمشابهة اسم شعاع آخر وهو `الميزر` Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ومعناه` تكبير موجات الميكروويف بالقذف القوي للإشعاع`، ويعمل الميزر بموجب المبادئ الأساسية لليزر، ويستخدم للتكبير في أجهزة الاستقبال لمتابعة ما يجرى في الفضاء من خلال تكبير الإشارات الضعيفة التي يتم استقبالها من الفضاء

[2] ألبرت أينشتين (1879 ـ 1955) ولد بمدينة أولم بألمانيا، وهو ينحدر من أصل يهودي، وحصل على الجنسية الأمريكية عام 1940. وتناولت أبحاثه جوانب النظرية الخاصة للنسبية، التي ظهرت بعد ذلك في ثوبها النهائي عام 1915 باسم `النظرية النسبية العامة`

[3] ورد ذكر الياقوت في القرآن الكريم، وشبهت به الحور العين في الجمال والبهاء. قال تعالى: ] كأنهن الياقوت والمرجان [ (سورة الرحمن، الآية 58). وذكر النبي r أنه من أحجار الجنة

[4] التردد هو عدد الذبذبات في الثانية

[5] في نهاية القرن الثامن عشر أوضح العالم الألماني `ماكس بلانك ` Max Plank ، أنه بجانب أن الضوء ينتقل في موجات، فهو يأتي في حزم من الطاقة الضوئية تسمى فوتونات

[6] المتر = عشرة آلاف مليون أنجستروم

[7] الياج YAG مادة صناعية تنتمي إلى عائلة الجرانيت، وتتكون من عناصر:اليتربيوم و الألومنيوم والجرانيت. ويتكون اسمه من الأحرف الأولى لأسماء هذه المواد: Yttribum - Aluminium- Garnet

[8] هي مواد تسمح بمرور التيار الكهربي في اتجاه واحد فقط وتمنعه من المرور في الاتجاه الآخر. وبالتحكم الدقيق في نسب خلط هذه المواد يمكن التحكم في كفاءة التوصيل الكهربي مع تقليل الفاقد في الطاقة

[9] تسمى، كذلك، `الأشعة السينية`، وقد اكتشفها العالم الألماني رونتجن عام 1895صدفة أثناء قيامه ببعض تجاربه، وأطلق عليها `أشعة اكس` X ، أي الأشعة المجهولة، نظراً لأن طبيعتها كانت غير معلومة في ذلك الوقت

[10] البلازما هي الحالة الرابعة للمادة بعد الحالات: الصلبة، والسائلة، والغازية

[11] الألياف البصرية عبارة عن كابلات ليفية مصنوعة من السيليكا والزجاج النقي

[12] يعرف طول الموجة بأنه المسافة بين قمتين أو قاعين متتاليين بها

[13] مضاعفات الوات هي:كيلووات = ألف وات، ميجاوات = مليون وات، وجيجاوات = ألف مليون وات، وتيراوات = مليون مليون وات.

[14] الميكرو = جزء من المليون


المبحث الثاني

الاستخدامات العسكرية لليزر

انطلق الخيال العلمي ليرسم صورة لسلاح، تصوره الإنسان له قوة تدميرية تستطيع الانتقال بسرعة الضوء، وتخترق كل الحواجز والمسافات، بدلاً من القذائف. ومع التطور التكنولوجي أمكن بالفعل الحصول على عديد من أنواع الليزر، والتي تغطى النطاق الطيفي من الأشعة فوق البنفسجية حتى الموجات تحت الحمراء، إلا أن المستخدم منها في نظم التسليح محدود حتى الآن. وقد يرجع ذلك إلى عدم إمكان استخدام معظم أنواع الليزر الأخرى لأسباب تتعلق بمصدر الطاقة المطلوبة، والحجم، والوزن، بالإضافة إلى أهمية قدرة أشعة الليزر نفسها، وإمكانية التحكم فيها، وتعديلها أو تضمينها modulation .

وقد انتشر استخدام الليزر في نظم التسليح المختلفة خلال السنوات الأخيرة انتشاراً خطيراً، وكان له أثر بالغ في زيادة فاعليتها، فأصبحت معدات الليزر تتداول من الجندي المشاة، حتى المقاتلات والقاذفات، بل وبدأت تدخل في نظم الحرب ضد الصواريخ الباليستية.

وتقع أنواع الليزر المستخدمة حالياً في نظم التسليح في حيز الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء، وإن كان النوع الأول، الذي يقع في حيز الضوء المرئي، غير مستخدم حالياً على نطاق واسع؛ لأنه يقع في نطاق الضوء الأحمر، مما يجعله سهل الاكتشاف. وعلى الناحية الأخرى، فإن الليزر الذي يقع في حيز الأشعة تحت الحمراء حديث الاستخدام في التطبيقات العسكرية، ويمتاز بالعمل في حيز الأشعة تحت الحمراء البعيدة، مما يحقق له قدرة على اختراق الضباب والدخان والأمطار، ويفضل كذلك استخدامه مع نظم الرؤية السلبية بالاستشعار الحراري، نظراً لعمله في النطاق الموجي نفسه، فيمكنه بالتالي التعامل مع الأهداف نفسها التي ترى بالمنظار الحراري. وتتعدد مجالات الاستخدامات العسكرية لأشعة الليزر، ونلخص أهمها فيما يلي:

أولاً: جهاز رادار [1] الليزر

تعرف أجهزة رادار الليزر باسم "ليدار" LADAR ، وهي الحروف الأولى من عبارة Laser Detection and Ranging ، وتعني "الكشف وقياس المدى بواسطة الليزر". وهذا النوع من الرادار يتميز بدقته العالية في كشف ومتابعة وتعيين الأهداف. وهنا تستخدم أشعة الليزر في الإرسال، بدلاً من الأشعة الرادارية، ويكون جهاز الاستقبال كهروضوئياً بدلاً من المستقبل الإلكتروني التقليدي في الرادار، وتستخدم لذلك أنابيب "فيديوكون" Videocon ، بدلاً من أنابيب أشعة المهبط Cathode Ray Tube : CRT .  مقارنة بين بعض خصائص جهاز الليدار، الذي يستخدم ليزر الياج، وجهاز الرادار التقليدي.

ويستخدم جهاز الليدار في قياس المدى من القواعد الأرضية، أو من السفن، أو من الطائرات والمركبات الفضائية. ويستخدم، أيضاً، في الاستشعار عن بعد، إذ تتم دراسة مكونات الغلاف الجوي وقياس بعض المكونات الكيماوية فيه.

ويتكون جهاز رادار الليدار بوجه عام من:

1 . مرسل

2. أجهزة ضوئية للإرسال.

3. مستقبل، يتكون من أجهزة ضوئية لتجميع الأشعة المنعكسة من الهدف، ثم مرشح Filter ليقلل من تداخل الموجات الضوئية.

وفي نظام الدفاع الجوي البريطاني "ليزرفاير" LASERFIRE الذي يستخدم للتعامل مع الأهداف المنخفضة، يتكون نظام التتبع الآلي من نظام تتبع ليزري للأهداف، ونظام تتبع تليفزيوني للصاروخ. ويحقق شعاع الليزر الضيق دقة التتبع، وعدم التأثر بأعمال الإعاقة.

ثانياً: قياس المسافة

تعتمد نظرية تشغيل جهاز قياس المسافة بالليزر على إطلاق نبضة ليزر لكي تصل إلى هدف مرئي ضوئياً، فتنعكس منه هذه النبضة إلى جهاز الاستقبال، وتقوم دوائر خاصة بحساب الزمن من لحظة الإطلاق حتى عودة النبضة، وبالتالي حساب مسافة الهدف، إذ أن سرعة انتشار الموجات الضوئية معلومة [2]. وعلى هذا الأساس فإن الجهاز يتكون من :

1. تليسكوب للتصويب، حتى يتمكن المستخدم من تحديد الهدف المراد تقدير مسافته.

2. المرسل، وبه مصدر الليزر، وغالباً ما يستخدم الياج في الأغراض العسكرية.

3. المستقبل، وبه الكاشف Detector .

وتدخل معدات قياس المسافة بالطبع في أغلب النظم الميدانية، ابتداء من الجندي الذي يحمل معدة مدمجة في نظارة الميدان، لقياس مسافة الهدف بدقة كبيرة، إلى نظم إدارة النيران لأطقم المدفعية، ونظم إدارة النيران للدبابات. وتكون الأخيرة بالطبع مرتبطة ومدمجة ضمن حاسب إدارة النيران.

وجدير بالذكر أن ليزر ثاني أكسيد الكربون له دور فعال في نظم تقدير المسافة، وإدارة نيران المدرعات، فقد بدأ إنتاج مقدرات مسافة بالليزر تستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون، بدلاً من ليزر "الياج"، لاستخدامه متكاملاً مع أجهزة الرؤية الليلية الحرارية، مما يسمح باستخدام الكاشف الحراري للرؤية الليلية والتصويب نفسه، وبالتالي فإن ذلك يقلل من تكلفة المعدة العسكرية المتكاملة. وتجري الدراسة الآن لاستخدام هذا الأسلوب مع قاذف الصاروخ المضاد للدبابات "تو" TOW ، والدبابة الكورية طراز XK-1 .

ويتميز ليزر ثاني أكسيد الكربون بأن درجة نفاذيته خلال السحب والدخان أفضل منها في الأنواع الأخرى، مثل الياج أو الياقوت. ويرجع ذلك إلى أن تأثير ذرات الغبار والدخان يزيد عكسيا مع الطول الموجي، فكلما قل الطول الموجي كلما زادت درجة تشتت الشعاع. وحيث إن ليزر ثاني أكسيد الكربون طوله الموجي عالي نسبياً، فإنه لا يتأثر بالغبار والدخان، ولكن العامل المؤثر على انتشار موجات ليزر ثاني أكسيد الكربون هو نسبة بخار الماء في الهواء.

وقد تم تزويد أنظمة الأسلحة المضادة للدبابات، وأنظمة الصواريخ المضادة للطائرات من نوع "رولاند" ROLAND ، بجهاز قاس المسافة بالليزر الذي يستخدم غاز ثاني أكسيد الكربون عند الطول الموجي 10.6 ميكرون. وتم دمج هذا الجهاز الليزري مع جهاز تصوير حراري يعمل في الطول الموجي 8-12 ميكرون.

وأنتجت كندا جهاز التصويب الليزري طراز CLASS ، الذي يستخدم مع أسلحة الضرب المباشر، مثل القاذف "كارل جوستاف" عيار 84 مم، والقواذف عديمة الارتداد عيار 106 مم. ويتكون الجهاز من مقدر مسافة ليزري، غير ضار بالعين لمدى حتى 4000متر، ونظام تكثيف للصورة من الجيل الثالث، وحاسب ذي قدرة على الاحتفاظ ببيانات عشرة أنواع من الذخيرة.

ثالثاً: إضاءة الأهداف وتوجيه المقذوفات

وتعتمد فكرة إضاءة الأهداف بواسطة أشعة الليزر على إرسال شعاع الليزر لإضاءة الهدف المطلوب التعامل معه، ثم تنعكس هذه الأشعة من الهدف، فيتم توجيه الصواريخ والقنابل ودانات المدفعية من خلال ركوبها لهذه الأشعة. وكل هذه المقذوفات مجهزة بباحث seeker خاص لاستشعار أشعة الليزر المنعكسة والتوجه إليها، وهناك عديد من نظم إضاءة الأهداف المستخدمة حالياً بكفاءة عالية في المدفعية، ومنها نظم محمولة جواً لتوجيه المقذوفات جو/ أرض. وبينما لا تحتاج بعض النظم المحمولة جواً إلى معاونة في إضاءة الأهداف، فإن نظم المدفعية تحتاج بالطبع إلى إضاءة الأهداف بواسطة عناصر الملاحظة الأمامية.

ومن النظم المستخدمة لإضاءة الأهداف كذلك على مستوى الأسلحة الصغيرة، هناك معدات تركب على هذه الأسلحة، وخاصة بنادق القناصة، التي تقوم بإطلاق شعاع الليزر، الذي يسهل التصويب عليه، بضبط نقطة الإضاءة على المنطقة من الشخص أو الهدف المطلوب إصابتها، والضغط على الزناد، دون الحاجة إلى تدقيق التصويب. وتظهر بالطبع خطورة هذا النظام، إذ يستخدم في أعمال القنص، في حالات الضرب السريع المؤثر دون الحاجة إلى التصويب.

وقد تمكنت شركة "هيوز" Hughes الأمريكية لصناعة الطائرات من التوصل لإنتاج نظام إضاءة أهداف يصلح للاستخدام مع جميع نظم التسليح الموجهة بالليزر، مثل قذائف المدفعية "كوبرهيد" [3] Copperhead ، أو الصواريخ "مافريك" [4] Mavric ، أو الصواريخ "هلفاير" Hellfire [5] أو"سكيبر" Skipper طراز AGM-123A ، أو القنابل "بيف واي" Pave Way و "جريفن" Grifen ، والقنبلة المنزلقة Gpu-848 [6] ، والصاروخ جو/أرض الفرنسي AS-30 . وتستخدم هذه النظم مصدر إشعاع ليزري، ذا كود خاص، لإضاءة هدف محدد، وينعكس هذا الإشعاع من الهدف، فيستقبله المقذوف، ويوجه من خلاله إلى الهدف.

ويستخدم نظام "تقدير المسافة الليزري المحمول جواً بواسطة التصوير الحراري والتليفزيوني" Thermal and TV Imaging Airborne Laser Designator : TIALD في توجيه القنابل الأمريكية الموجهة بالليزر من نوع Pave way II زنة ألف رطل. ويستخدم هذا النظام كاميرا مزدوجة (تليفزيونية/ حرارية)، ويمكن التحكم فيها من غرفة الطيار لتحقيق أفضل رؤية، طبقاً للظروف الجوية المتغيرة، وذلك باستخدام الصورة الحرارية، أو التليفزيونية، بالتبادل.

وتستخدم المقاتلات الأمريكية نظام " الملاحة والتصويب الليلي على الارتفاعات المختلفة باستخدام الأشعة تحت الحمراء" Low Altitude Navigation and Targeting IR for Night LANTIRN ، والذي يوجد منه نوعان : الأول طراز AAQ-13 المخصص للملاحة الجوية، والثاني طراز AAQ-14 المخصص للتصويب بالليزر، وبه نظام رؤية حراري ذو مجال رؤية مزدوج: الأول واسع لاكتشاف الأهداف، والثاني ضيق لاختيار الأهداف وتتبعها.

أما الذخائر التي تركب شعاع الليزر، فإنها تختلف عن ذلك في أن لها "عين" مركبة في المقذوف. وحين يطير المقذوف في اتجاه الهدف، فإن هذه "العين" تنظر إلى النقطة التي يضيئها شعاع الليزر على الهدف، إذ يقوم الضارب بتوجيه المقذوف نحوها، وباحتفاظ المقذوف باتجاهه مع شعاع الليزر، فإنه يحقق إصابة الهدف.

رابعاً: أسلحة الليزر

وهذه الأسلحة تطلق أشعة قاتلة أو مدمرة. ولا تزال هناك خطوات تجرى في هذا المجال. وكانت تجارب استخدام سلاح الليزر في الولايات المتحدة الأمريكية قد نجحت في تدمير خمس طائرات موجهة بدون طيار من نوع PMQ-34 ، وكذلك صاروخ من نوع Vandal . وفي إطار مبادرة الدفاع الإستراتيجي [7] Strategic Defense Initiative SDI الأمريكية، والتي عرفت باسم "برنامج حرب النجوم"، أجريت عدة تجارب منها:

1. في عام 1982، نجح شعاع من الليزر في تدمير صاروخ أرض/ أرض من نوع "ثور" على قاعدة الإطلاق.

2. تمكنت طائرة أمريكية في عام 1983 من تدمير طائرة بدون طيار، بواسطة جهاز يعمل بأشعة الليزر، كما وجهت إشعاعات الليزر، أيضاً، إلى صاروخ مضاد للدبابات من نوع " تو" TOW .

3. في عام 1983، استخدمت أشعة الليزر، ذات الطاقة العالية، في تعطيل صاروخ جو/ جو من نوع "سايدويندر" Sidewinder .

4. في 19 سبتمبر،1985 أفرجت السلطات العسكرية الأمريكية لأجهزة الإعلام عن صورتين معبرتين لصاروخ من نوع "تيتان" Titan توضحان كيف تمكنت أشعة الليزر من تدميره، وهو على قاعدة الإطلاق على الأرض، وكانت المسافة بينهما مئات الكيلومترات.

5. في 18 أكتوبر 1985، وجهت الولايات المتحدة شعاعاً من الليزر نحو صاروخ على ارتفاع 670 كيلومتراً، فدمره في الفضاء.

6. في عام 1986، نجح الجيش الأمريكي في توجيه أشعة الليزر إلى عدة أهداف مختلفة، وشل فاعليتها، وكان منها طائرة بدون طيار.

وليزر ثاني أكسيد الكربون هو الوحيد في الوقت الحاضر القادر على إنتاج مستويات الطاقة اللازمة لتدمير الأهداف،وهذا ما تقوم به إحدى الشركات الألمانية لمحاولة استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون وسيلة للدفاع الجوي ضد الأهداف الجوية المنخفضة، ولكن دراسة الجدوى الاقتصادية، والفعالية، ونسبة الإصابة، قد لا تبشر بالخير في الوقت الحاضر.

ويعتبر الليزر وسيلة فعالة للدفاع ضد القذائف الموجهة العابرة للقارات. فأشعة الليزر تقطع المسافة من قاعدة الإطلاق إلى الصاروخ المعادي في أجزاء من الثانية، بدلاً من الدقائق التي تلزم أي صاروخ مضاد للصواريخ لقطع المسافة نفسها.

وقد أدى تهديد الصواريخ الباليستية الحاملة للمواد الكيماوية والبيولوجية، إلى أن تقوم الولايات المتحدة بالسير قدماً في مشروع اعتراض هذه الصواريخ، باستخدام نظم إطلاق لأشعة الليزر المحمولة جواً في قتل هذه الصواريخ، وهي في المراحل الأولى من الهجوم. فقد وقعت الولايات المتحدة مع مجموعة من الشركات المتخصصة في إنتاج السلاح بقيادة شركة "بوينج" عقدا لتطوير نظام إنتاج وقذف الليزر الكيماوي عالي الطاقة، يستخدم من الطائرة "بوينج 400-747 " لإطلاق قذائف شعاع ليزرية تقوم بقتل الصاروخ المهاجم في المراحل الأولى من انطلاقه، بحيث يتم مهاجمة الصاروخ بالشعاع القاتل للصواريخ الباليستية بعد إضاءة الهدف بالليزر والطائرة على ارتفاع 40 ألف قدم. وتقدر قيمة الطلقة الإشعاعية بألف دولار. وكذلك يمكن للطائرة توجيه نظم اعتراض أخرى لمهاجمة الهدف، مثل الصاروخ "باتريوت" Patriot ، أو الطائرة المقاتلة التكتيكية F-22 ، إذ يقوم النظام الليزري، المحمول جواً، باكتشاف الصواريخ المحمولة على وسائل نقل متحركة في أماكن تمركزها في عمق العدو. والليزر الذي تقوم بتطويره الشركة المذكورة لصالح سلاح الجو الأمريكي هو من نوعية الليزر الكيماوي Chemical Oxygen Iodine Laser الذي ينتج عدة مئات من الكيلووات لمدة عدة ثوان بكفاءة، بحيث تستطيع الطائرة التي تحمل عدداً كافياً من المفاعلات تدمير العدد المطلوب من الصواريخ الباليستية، ويمكن للطائرة الاشتباك مع 40 هدفا في مدة 3-5 ثوان.

خامساً: التدريب على الرماية

تستخدم أشعة الليزر في تدريب الأفراد على رماية الأسلحة الصغيرة، أثناء التدريبات والمناورات. وتقوم هذه الفكرة على استخدام الأفراد، تحت التدريب، بنادق وأسلحة صغيرة، مجهزة بأجهزة ليزر صغيرة، تقوم بإطلاق أشعتها، بدلاً من الذخيرة الفعلية، على نماذج الأفراد المطلوب إصابتهم، والتي تزود ملابسهم بأجهزة اكتشاف صغيرة لأشعة الليزر، في مواضع مختلفة، مثل: الصدر، الرأس، البطن. وإذا تم التقاط هذه الأجهزة لشعاع الليزر الصادر من السلاح، فإن ذلك يكون دليلاً على إصابة الفرد، ويصدر الإنذار بذلك، مع إمكانية تسجيل لاحق لأعداد الإصابات.

ويمتاز استخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون في هذا المجال بعدم إضرار العين، بخلاف الأنواع الأخرى، مما يسهل استخداماته في عمليات التدريب، ولكنه يحتاج إلى مستشعرات متقدمة لاكتشافه ورصده وقياسه. وجميع هذه المعدات تعمل بالنظام النبضي بطاقة محدودة (عشرات الميللي جول)، وبنبضات ذات أزمنة تتراوح من 10 إلى 100 نانو [8]ثانية، بينما تعمل بنظام الموجة المستمرة إذا استخدمت لإضاءة الأهداف.

سادساً: الإنذار من أشعة الليزر

مما سبق يتضح الانتشار الواسع لمعدات الليزر في الميدان، والخطورة التي تمثلها هذه النظم، مما استوجب بالتالي الاتجاه إلى توفير وسائل للإنذار من استخدام العدو لمثل هذه المعدات، لإمكان محاولة اتخاذ الإجراءات المناسبة. ويمكن مقارنة هذه النظم بنظم رادارات إضاءة الأهداف، التي يستتبعها بالضرورة تهديد نيراني ضد أهداف مثل الرشاشات أو المدفعية المضادة للطائرات، أو الصواريخ أرض/ جو، أو جو/ أرض.

وفي مواجهة تهديد الأسلحة التي تستخدم أشعة الليزر كان البحث عن وسائل مبتكرة للحماية من معدات الليزر وتقليل فاعليتها، إن لم يمكن التغلب عليها. وبالطبع تكون أول خطوة في هذا الاتجاه اكتشاف نظم التسليح بالليزر. ونشأ عن هذا أنواع من معدات الإنذار للإنذار بأن الهدف قد أصيب بشعاع ليزر، وأن ذلك يعني إما أنه جارٍ تقدير مسافة الهدف بواسطة العدو، أو أن مقذوفاً موجهاً بشعاع الليزر يتجه نحو الهدف.

وللإنذار ضد تهديد الصواريخ الموجهة بالليزر قد تم تطوير مستقبلات إنذار ليزرية يمكن حملها على متن الطائرات الهليكوبتر القتالية، والطائرات الهجومية، ومركبات القتال المدرعة.

وتنتج شركة " هيوز" الأمريكية نظاماً للكشف والإنذار عن أشعة الليزر للاستخدام على مختلف أنواع الطائرات، ويطلق عليه AN-AVR-2 ، ويقوم باكتشاف أي تهديد ليزري، من أي اتجاه حول الطائرة. ويتكون النظام من 4 مستشعرات لأشعة الليزر، تعمل على حيز واسع من الأطوال الموجية لتغطية أكثر من نوع من الليزر. وتستخدم الألياف البصرية للربط بين المستشعرات ووحدة التحكم لتقليل الفقد وزيادة الحساسية.

وقد عرضت شركة روسية نظاماً يزعم أنه يوفر الحماية للدبابات من الصواريخ الموجهة ضدها ومن قذائف المدفعية الموجهة بالليزر. وقد أطلق على هذا النظام اسم Shtora-1 .

كما تنتج شركة "سيلامس" الفرنسية التابعة لمجموعة "ايروسباسيال" جهازاً للكشف الليزري، والمسمى Sight Laser Detector SLD 400 لحماية الشخصيات المهمة وأفراد القوات المسلحة. ويستطيع هذا الجهاز الكشف عن أي نوع من المعدات البصرية التي تستخدم في ميدان المعركة، أو المناطق العسكرية الحساسة. وفي التطبيقات العسكرية، يوفر الجهاز القدرة على كشف القناصة المجهزين بتلسكوبات التصويب، وخصوصاً في المناطق المدنية.

وقد تم تصميم نظم الإنذار بحيث تعطى إنذاراً بمجرد وجود شعاع ليزر في مجال رؤيتها، وتعطى اتجاه شعاع الليزر.

ونظم الإنذار المتاحة حالياً تستخدم إحدى الوسائل التالية:

1. التمييز الطيفي

يُعد شعاع الليزر مصدراً كهرومغناطيسياً ذا تردد،أو طول موجي، يتوقف على نوع المادة المنتجة للشعاع ذاتها. وبالتالي فإن نظم الإنذار تستخدم مرشحات ضوئية Optical Filters دقيقة، لا تسمح إلا للأشعة ذات الطول الموجي المطلوب بالمرور من خلالها. فإذا كانت قدرة شعاع الليزر المستخدم لإضاءة الأهداف تصل إلى كيلو وات في النبضة، بينما تبلغ شدة إضاءة أشعة الشمس وقت الظهيرة حوالي 2 وات على السنتيمتر المربع، موزعة على النطاق الطيفي الذي يمتد من الأشعة فوق البنفسجية وحتى الأشعة تحت الحمراء، فيكون نصيب الطول الموجي - المناظر لأشعة الليزر- لا يزيد على ميكرووات. ومن ثم فإن نظم الإنذار تستطيع، إذا سقط عليها إشعاع من نفس الطول الموجي المتوقع من مصدر التهديد، أن تستخلص الإنذار دون أن تتأثر بأي إشعاعات خلفية. ويعيب هذه الطريقة أن الطول الموجي المتوقع يجب أن يكون معلوماً مسبقاً. فإذا استخدم العدو مصادر ليزر مختلفة عن نطاق عمل مرشحات جهاز الإنذار فلن يتم الإنذار المطلوب.

2. التمييز الزمني

لما كانت معظم نظم الليزر الميدانية، المعروفة حالياً، تعمل بالنظام النبضي، فهناك إمكانية خداعها بواسطة مصدر إضاءة نبضي، وبالتالي لا يمكن تحديد المعلومات المطلوبة لتحديد مصدر التهديد، وهي: الطول الموجي الذي يعمل عليه التردد النبضي، وعرض النبضة. وهذه المعلومات ضرورية لتحديد هوية مصدر الليزر.

ومن هذا المنطلق، فقد كان لزاماً استحداث نظم إنذار جديدة قادرة على استطلاع هذه المعلومات. وتقوم نظرية عمل هذه النظم الجديدة على استغلال خاصية شعاع الليزر التي يتميز بها عن أي إشعاعات كهر ومغناطيسية أخرى، سواء الضوئية أو غيرها، وهي خاصية التقارب. فشعاع الليزر أحادي الطول الموجي، وذو زاوية طور phase angle محدودة، وبالتالي فإن شعاعين من الليزر، من الطول الموجي نفسه، سيكونان قادرين على التداخل معاً ، وإنتاج ما يسمى بـ "هدب التداخل " Interference Fringes "، والذي يتكون من حلقات مضيئة ومظلمة على التبادل، وبواسطة هذه الحلقات يمكن تحديد الطول الموجي للأشعة المتداخلة، وكذا زاوية سقوطها. وبينما تتداخل أشعة الليزر، فإن أي إشعاعات خلفية، أو ضوضاء، لن تكون قادرة على إنتاج هدب تداخل إطلاقاً بسبب طبيعتها غير التقاربية.

وتقوم بعض النظم الحديثة القائمة على استخدام أنواع متقدمة من أجهزة التداخل التي يمكنها تسجيل هدب التداخل على مصفوفة Array مكتشفات، يتوقف نوعها على النطاق الطيفي للتهديد، إذ أن هدب التداخل لن تكون مرئية إلا إذا كان الليزر يعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء. وفي هذه الحالة فإن هدب التداخل ستحتاج إلى مصفوفة مكتشفات حرارية لالتقاطها وتصويرها، تمهيداً لاستنتاج البيانات المطلوبة بواسطة كمبيوتر مبرمج لهذا الغرض، يحتفظ في ذاكرته بمكتبة التهديدات المحتملة.

وهناك فكر طموح يهدف إلى استخدام معدات الرؤية التي تعتمد على تكوين صور تليفزيونية، سواء في الطيف المرئي أو بالاستشعار الحراري، وتوقيع مصدر أشعة الليزر على شريحة التصوير الإليكترونية لتحديد الاتجاه بدقة كبيرة. وهذا الفكر الجديد يمثل أهمية خاصة للاستخدام في الدبابات، إذ قد يتيح فرصة للطاقم للتعامل بالنيران بسرعة مع مصدر الليزر.

ويمكن أن تعمل نظم الإنذار من الليزر منفصلةً، أو أن تكون أحد مدخلات لنظام إنذار متعدد، يستقبل المعلومات من مجموعة متنوعة من المستشعرات، إذ يتم معالجتها وترتيب أولويات التهديد لاستخدام وسائل المقاومة. وقد تستخدم وسائل الإنذار من الليزر لتأكيد أي معلومات عن التهديد أو استكمالها.

ويؤكد فكر نظم الإنذار المشترك أن عديداً من نظم الليزر للإضاءة تستخدم مع نظم رادارات الإنذار، أو إدارة النيران، سواء للتتبع، أو لقياس المسافات في بعض حالات الإعاقة الرادارية، أو لتوجيه الصواريخ. ويساعد وجود الإنذار من الليزر النظام المشترك في التقاط التهديد وتحديده.

وتختلف أساليب مقاومة التهديد الليزري اختلافاً كبيراً، فقد تكون مجرد مناورة سريعة للمعدة، كافية للخروج من دائرة التهديد المباشر. ويظهر ذلك غالباً في الطائرات الخفيفة. وقد يحتاج الموقف إلى اتخاذ إجراءات مقاومة يصعب تنفيذها خلال الزمن المحدود للغاية، والمتيسر من لحظة الإنذار، وحتى وصول المقذوف، مما يزيد العبء على النظام، إذ يحتاج بالتالي إلى ضرورة توفير قدرة لتحليل التهديد بسرعة بالغة، وتحديد نوعه واتجاهه بدقة مناسبة. وتظهر خطورة هذا الموقف بالنسبة للدبابات، إذ أن الزمن المتيسر من لحظة التقاط الإنذار إلى وصول المقذوف من الأسلحة المضادة للدبابات قد يقل كثيراً عن الوقت المطلوب للمناورة أو للرد بالنيران، ولا يبقى بالتالي إلا اتخاذ وسائل مقاومة سلبية سريعة ومناسبة.

وتطور شركة "لوكهيد" الأمريكية نظاماً فضائياً للجيل الثاني من منظومة الأقمار الصناعية للإنذار والتعقب التي تعتمد على أشعة الليزر والمعروفة باسم SPIRS ، وسوف تقوم المنظومة بالإنذار عند بداية اكتشاف هجوم صاروخي باليستي على الولايات المتحدة، أو أحد حلفائها، أو على قواتها المنتشرة. ويقوم النظام بالإنذار والتحذير من الصواريخ في نفس وقت إطلاقها، ويمرر معلومات الإنذار إلى نظام إدارة المعارك والدفاع ضد الصواريخ، وسوف يحل نظام SPIRS الفضائي للإنذار محل برنامج الأقمار الصناعية للدعم الدفاعي، وسوف يبدأ البرنامج بإطلاق خمسة أقمار متزامنة في المرحلة الأولى لنشر النظام.

سابعاً: الإعاقة على أشعة الليزر

وتقوم فكرة الإعاقة على أشعة الليزر، عموماً، على منع وصول شعاع الليزر المعادى إلى الهدف، وذلك باستخدام عديد من الأساليب الفنية التي تحول دون استمرار تقدم الشعاع وانعكاسه من الهدف، وهي تشبه بقدر كبير الإعاقة الإلكترونية السلبية التي تستخدم مع الرادارات.

ومن أبسط الأساليب التي تستخدم لمنع وصول شعاع الليزر إلى الهدف، استخدام ستائر الدخان المختلفة، وهو أسلوب سهل وسريع الاستخدام، يقوم على إطلاق خراطيش دخان من المعدة ذاتها، في اتجاه مصدر أشعة الليزر المعادية، فيعمل الدخان على امتصاص هذه الأشعة، أو على الأقل، امتصاص أكبر قدر منها، بما يمنع وصول الشعاع إلى الهدف.

ويراعى أهمية التأكد من فاعلية هذه السواتر المختلفة في امتصاص الأشعة، في الحيز المحدد الذي تعمل خلاله أجهزة الليزر. وتجدر الإشارة هنا إلى قدرة أشعة ليزر ثاني أكسيد الكربون على اختراق ستائر الدخان والضباب، مما يستدعي عدم إمكانية الاعتماد على الدخان المستخدم لمواجهة هذا النوع من الليزر، وضرورة استخدام أنواع أخرى مختلفة من الدخان، ذات قدرة امتصاص أكبر خلال هذا الحيز من الترددات.

وهناك أسلوب تشتت أشعة الليزر الذي يعتمد على استخدام ستائر من الأيروسولات التي تطلق في الجو، وهي عبارة عن جسيمات دقيقة ذات أحجام تتناسب مع الطول الموجي لأشعة الليزر التي تعمل على مقاومته، فتسبب تشتت أشعة الليزر الساقطة عليها قبل وصولها للهدف، فتمنع بالتالي الوصول، بالإضافة إلى ما تسببه من امتصاص جزء من الأشعة الساقطة.

وتمتاز فكرة استخدام الأيروسولات كذلك بسهولة الاستخدام من خراطيش أو دانات، مثل الدخان تماماً، كما قد تنثر من مستودعات في الطائرات. وتمتاز كذلك بطول فترة عملها، إذ تبقى في الجو بطبيعتها لفترات زمنية قد تطول إلى 80 ثانية.

هذا وتقوم عدة شركات بتطوير نظم تشويش ليزرية عالية الشدة، لإعاقة الجيل الجديد من الصواريخ، الذي يعمل على الموجة التي طولها 4 - 5 ميكرون [9]، وهي موجة طويلة نسبياً. وتتطلب عملية حماية الطائرات من خطر الصواريخ الحديثة التي تعمل على هذه الموجة عدداً من نظم التشويش الليزرية. فمثلاً تحتاج طائرة النقل الأمريكية C-130 إلى وحدتين من النظام المذكور لحمايتها. كما أن حماية الطائرة المقاتلة F-15 يكون أكثر صعوبة نظراً لصغر حجمها.



[1] كلمة "رادار" RADAR هي الحروف الأولى من عبارة Radio Detection and Ranging ، وتعني الكشف وقياس المدى بواسطة موجات الراديو

[2] سرعة الضوء = 300 ألف كم/الثانية

[3] هي ذخيرة مدفعية أمريكية الصنع عيار 155مم، وتقوم الدانة بعملية توجيه ذاتي على الهدف الذي يتم إضاءته بالليزر من مصدر أرضي، أو من طائرة عمودية، أو من طائرة موجهة من دون طيار

[4] صاروخ جو/ أرض تم تطويره ليوجه بالليزر

[5] صاروخ جو / أرض مضاد للمدرعات، ويمكن إطلاقه من طائرة عمودية، ويكون جهاز الإضاءة إما على الأرض، أو على الطائرة التي تقوم بالإطلاق

[6] استخدمت هذه القنبلة أثناء حرب تحرير الكويت لسد مضخة البترول التي أصيبت. وقد تم إضاءة المضخة بشعاع ليزر من طائرة، ثم قامت طائرة أخرى بإلقاء القنبلة موجهة بهذا الشعاع، وأحدثت موجة انفجارية مركزة في بقعة محددة دون أن تنتشر في مساحة واسعة، وبذلك أمكن سد فوهة المضخة وإغلاقها بدقة

[7] في عام 1983 أعلن الرئيس الأمريكي الأسبق رونالد ريجان هذه المبادرة، وحورت وسائل الإعلام مسماها، وأطلقت عليها "حرب النجوم"، أو "حرب الكواكب". وكان هدفها نقل ساحة الحرب من الأرض إلى الفضاء

[8] النانو = جزء من البليون

[9] الميكرون = جزء من الألف من الميليمتر


المبحث الثالث

الاستخدامات المدنية لليزر

أصبحت أشعة الليزر جزءاً حيوياً في الطب، والترفيه، والصناعة، والعديد من المجالات المدنية. وعندما يجري الإنسان مكالمة تليفونية، أو يشترى سلعة من حانوت، أو يستخدم بطاقة الاعتماد Credit Card ، أو يشغل قرصاً مدمجاً Compact Disc على جهاز ستيريو، يكون الليزر جزءاً من العملية. وفي الصناعة، تستخدم أشعة الليزر في المساعدة على تصميم السيارات، واختبار دقة الأجزاء، وتحليل مكونات الكمبيوتر الفائقة النقاء، وقص المعادن، فضلاً عن أداء عدد كبير من الوظائف الأخرى. وفي الطب تستخدم أشعة الليزر لمنع العمى، ووقف نزيف القناة الهضمية، وإجراء أنواع مختلفة من الجراحات، وتسليك الشرايين المسدودة.

وسيكون هناك في المستقبل ذاكرات كمبيوتر بالليزر، تستطيع أن تسجل دائرة معارف كاملة على قرص واحد، وكمبيوتر الليزر أسرع مئات المرات من أسرع كمبيوتر موجود اليوم. وأهم المجالات المدنية التي تستخدم فيها أشعة الليزر هي:

أولاً: في مجال الطب

أصبح الليزر أداة طبية متزايدة الأهمية، بعد أن أصبحت المشارط الضوئية تستخدم في معالجة خلايا منفردة أو أعضاء كاملة، لقدرتها على الانتقاء الفائق، أكثر من كونها مجرد أدوات تقطع أي شيء تصادفه. وتلك الخصوصية هي التي تسمح لأشعة الليزر بالنفاذ إلى داخل خلية ما، أو عضو معين، في حين يبقى ظاهرهما سليماً، وهو ما لا يستطيعه أي مشرط جراحي آخر.

وقد مكن التحسن الذي طرأ على دقة هذه الأدوات خلال العقود الأخيرة من تشعب استعمالات الليزر الطبية في أكثر من مجال. ففي البدء، كانت الحرارة المتولدة من أشعة الليزر تستخدم لتخريب الأنسجة. أما الآن، فعلى الرغم من أن التأثيرات الحرارية لا تزال هي الأكثر استعمالاً في الأغراض الطبية، فإن التأثيرات الأخرى، غير الحرارية، قد برهنت، أيضاً، أنها ذات أهمية متزايدة في المعالجة والتشخيص. فإضافة إلى تسخين الأنسجة، يمكن للفوتونات المنطلقة من أشعة الليزر أن تثير التفاعلات الكيماوية، أو أن تفصم الروابط الذرية التي تحفظ تماسك الذرات بعضها مع بعض، أو أن تولد موجات صدمية shock waves .

وتشمل التطبيقات الطبية الحيوية لأشعة الليزر أعمالاً كثيرة من هذا القبيل، كإزالة السدادات الشريانية، وتحطيم الحصوات الكلوية، والتخلص من الغشاوة العينية Cataract ، وحتى تغيير المادة الوراثية. وتستطيع أشعة الليزر أن تمد العلماء بمعلومات عن العمليات التي تجرى داخل الخلايا، إذ يمكن للمعلومات البيولوجية، التي تتيحها مثل هذه الدراسات، أن يكون لها تطبيقات طبية مهمة. وأهم الاستخدامات الطبية لأشعة الليزر هي:

1. المجهر الضوئي

في عام 1986 صمم العالم الفيزيائي "آرثر أشكين" Arthur Ashkin المجهر الضوئي لمعالجة الجسيمات الصغيرة، إذ يمكن دمج المجهر الضوئي في المجهر التقليدي بإدخال ضوء الليزر إليه. وهكذا يمكن رؤية ومعالجة عينة موضوعة على صفيحة المجهر بتحريك حزمة الليزر، وقد جذب هذا الاستخدام للمجهر الضوئي اهتمام البيولوجيين الذين وجدوا أنه يمكن معالجة البكتيريا الحية بواسطة هذا المجهر، دون إلحاق أي ضرر بها، وكان ذلك مدهشاً؛ لأن شدة حزمة الليزر في بؤرة المجهر الضوئي تصل إلى نحو 10 ملايين وات في السنتيمتر المربع.

2. المنظار الضوئي ذو الألياف البصرية

المنظار الضوئي Endoscope ذو الألياف البصرية عبارة عن أنبوب يسمح للطبيب بأن ينظر في داخل جسم المريض. وهو لم يصبح ذو قيمة عملية إلا بعد تطوير الألياف البصرية التي صممت لنقل الضوء على طولها كلها، حتى إذا انحنت. وهذا المنظار من المرونة والصغر بحيث أن الطبيب يستطيع أن يدخل واحداً منها عبر حنجرة المريض لكي ينظر في داخل معدته، أو في الشرج لكي يفحص الأمعاء. ويستخدم الأطباء اليوم هذا المنظار بشكل روتيني لفحص الأعضاء الداخلية.

3. الجراحة العامة

استخدم مؤسسو جراحة الليزر الحزم الضوئية بسبب الحرارة الكثيفة التي تولدها. واليوم، فإن أكثر جراحات الليزر يقوم على هذه الخاصية الحرارية بالدرجة الأولى، لما تتمتع به من صفات انتقائية في تأثيراتها، ولسهولة التحكم فيها بدرجة كبيرة. فإذا توافق طول موجة أشعة الليزر بدقة مع حزمة الامتصاص للنسيج الحيوي الذي توجه إليه، فإن هذا النسيج يمتص الأشعة وينتج عن ذلك تخريبه بالكامل.

وكمثال لذلك فإن أصباغ "الميلانين" Melanin ، ذات اللون البني القاتم في شبكية العين، تمتص الأشعة الخضراء في ليزر الأرجون، وبالتالي، فإن ليزر الأرجون يخرب مناطق محددة من الشبكية، دون أن يسبب الضرر بالمناطق الأخرى في العين، والتي تمتص أشعة ذات أطوال موجية أخرى. ولهذا فإن هذه الطريقة تستخدم بشكل فعال في معالجة المرض الشبكي السكري Diabetic retinopathy ، وهو مرض يؤدي إلى تحلل الأنسجة المصابة، ويعد سبباً لنسبة كبيرة من حالات فقد البصر.

وفي ميدان الجراحة، بصفة عامة، يستخدم مشرط خاص من أشعة الليزر يتيح للجراح إحداث قطع في الأنسجة دون نزيف دموي، إذ تقوم تلك الأشعة بإحكام إغلاق الأوعية القابلة للنزف عن طريق الكي في الوقت نفسه الذي يتم فيه قطع الأنسجة، أي من أجل إجراء جراحة دون فقد الدم Bloodless Surgery .

وفي مجال علاج انسداد الشرايين، أصبح من الممكن إدخال قساطر دقيقة من فتحة في الجلد إلى داخل الأوردة والشرايين. وتلك القساطر عبارة عن ألياف زجاجية تحمل الأشعة المكثفة إلى مناطق الانسداد لإذابة الجلطات الدموية، وتوسيع بعض الشرايين الضيقة المتصلبة من الداخل، فيعود الدم للسريان الطبيعي فيها. وأصبحت أحلام مؤلفي قصص الخيال العلمي حقيقة، ولم يعد من الضروري، كما ورد في بعض الروايات، إجراء تصغير متناه لغواصة تحمل فريقاً من الأطباء كي تحقن مادة في وريد أحد المرضى لتسري هذه المادة مع الدم إلى شريان مسدود، فتذيب جلطة فيه.

ويستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون الذي يطلق ضوءاً ذا طاقة لافحة، والقادر على قص الأنسجة وسد الأوعية الدموية للإقلال من النزف. فقد استخدم هذا الليزر في الجراحة، مثلاً، لإزالة نمو السرطان، أو لكي الأنسجة السرطانية في الفم. ويقوم ليزر ثاني أكسيد الكربون بكي ورم غير طبيعي في أنسجة الرحم ناشئ عن مرض نسوي يسمى "التهاب بطانة الرحم". وجدير بالذكر أن ليزر ثاني أكسيد الكربون قد استخدم مؤخراً في جراحات الأعصاب، وأمراض النساء والتوليد، وجراحة الأنف والأذن، وجراحات التجميل التكميلية.

ويقوم ليزر الياج بكي ورم خبيث يسد الأمعاء، وسد الأوعية الدموية التي تسبب نزيف المعدة. وفي مرحلة التجارب أسلوب يستخدم أشعة الليزر لتحويل مركب -لا ضرر منه عادة- يسمى "هيموتبورفين" إلى مادة قاتلة للسرطان. ويتجمع هذا المركب في الأنسجة السرطانية، وعندما يصطدم به الليزر الأحمر، يحدث تفاعل سمي يدمر خلايا السرطان. ويستخدم ليزر "الياج"، من النوع النبضي في مجال جراحة العيون، وبالذات حالات الانفصال الشبكي، ويستخدم النوع المستمر " CW " في مناظير الجهاز الهضمي والمسالك البولية.

4. علاج العيون

وفكرة استعمال الضوء في علاج العيون سبقت ظهور الليزر. ففي عام 1949 قام طبيب ألماني باستعمال الشمس في معالجة انفصال الشبكية، وفي إتلاف بعض الأورام في عيون عدد من مرضاه. وفي عام 1961، بعد سنة واحدة فقط من تركيب "ميمان" أول جهاز ليزر، استعمل العالم الأمريكي"زاريت"، من كلية الطب بجامعة نيويورك، الليزر لعلاج إصابات عينية لدى بعض الحيوانات. وبعد ذلك بسنتين توالت التجارب على الإنسان، عندما بدأ الطبيب الأمريكي "زوينك" من مؤسسة "بالو التو" للأبحاث الطبية بكاليفورنيا، في معالجة أمراض الشبكية بين مرضاه. وهكذا أصبحت أشعة الليزر وسيلة معتمدة من وسائل إجراء الجراحات العينية الروتينية.

وفي طب العيون، يستخدم الضوء الأزرق لليزر غاز الأرجون لسد ثقب في الشبكية، أو لعلاج زرقة العين، المعروفة بالجلوكوما، التي قد تسبب العمى، ويتم ذلك بإحداث ثقب يسمح بخروج السوائل الزائدة. أو قد يستخدم لإنقاذ بصر شخص مصاب بمرض الشبكية الناتج عن السكري بتدمير الأوعية الدموية غير الطبيعية التي يسببها هذا المرض. فمن المعروف أن مرض السكري يؤثر على شبكية العين وشعيراتها الدموية الدقيقة فتصبح الشبكية قابلة للنزف والانفصال عن مهدها في قاع العين، وتصبح العين مهددة بالعمى. وبإطلاق شعاع الليزر بدقة، وبجرعات محسوبة في مناطق محددة من الشبكية، فإنه يحدث بها نوع من الكي phatocagulation الذي يوقف النزيف، ويمنع تشعب الشعيرات الدقيقة غير المرغوب فيها، ويحدث قدراً من التليف المحدود، يؤدي إلى تثبيت الشبكية في مكانها، فلا تنفصل عنه.

وفي مجال علاج قصر النظر، حيث تتجمع الأشعة الضوئية الساقطة على العين في بؤرة أمام الشبكية بعيداً عنها، مما يؤدي إلى قلة وضوح الرؤية، إلا مع استخدام عدسات خاصة تجمع الأشعة في بؤرة على الشبكية، أمكن استخدام أشعة الليزر من أجل تقليل سمك قرنية العين الشفافة بواسطة إزالة بعض الأنسجة الزائدة من سطحها، فتقل قدرة العين على إحداث انكسار في الضوء، وتتجمع الأشعة الضوئية على الشبكية، دون الحاجة إلى استخدام النظارة.

5. علاج الجلد

وفي طب الأمراض الجلدية، يستخدم ليزر الأرجون لإزالة البقع التي تسببها زيادة نمو الأوعية الدموية الموجودة في الجلد. وتمتص الوحمات الحمراء (الصباغية)، التي يطلق عليها Port wine stain ، أيضاً، أشعة ليزر الأرجون الزرقاء أو الخضراء، حسب أطوال موجاتها، فتخرب الأشعة الممتصة مئات الأوعية الدموية الزائدة، والمتركزة تحت الطبقة الخارجية للجلد مباشرة، إذ تزيل لونها.

6. علاج الأسنان

وتستخدم أشعة الليزر في علاج تسوس الأسنان، وذلك عن طريق توجيه الأشعة إلى مكان التسوس لحرقه، ومن ثم منعه من القضاء على السن تماماً، وفي هذه الحالة لا يستخدم تخدير موضعي. وكذلك فإن المناطق السوداء في الأسنان - التسوس- هي التي تمتص أشعة الليزر. أما المناطق البيضاء - السليمة- فتعكس الأشعة، ومن ثم فإنها لا تتأثر. وتستخدم أشعة الليزر أيضا في تثقيب الأسنان لحشوها، ولتثبيت أطقم الأسنان الصناعية.

7. علاج الجهاز الهضمي

ويمكن استخدام أشعة الليزر في علاج الأمراض التي تصيب المعدة، وخاصة قرحة المعدة، وهي عبارة عن شرايين تنزف في داخل المعدة، وذلك عن طريق استخدام المنظار الضوئي "اندوسكوب" Endoscope . وتقوم أشعة الليزر بتسخين نهايات الشرايين التي تنزف ولحامها. والميزة الحقيقية لليزر هنا، هي أنه يعطى شعاعاً ضوئياً مركزاً بسهولة داخل الألياف البصرية دون فقد فعلي في الطاقة.

ثانياً: في مجال الاتصالات

يمكن بث المعلومات عن طريق أشعة الليزر بتحويل هذه المعلومات إلى نبضات كهربية تعبر عنها تماماً، ثم يتم توجيهها إلى جهاز الليزر، فيصدر أشعة تتحول وتتطابق مع النبضات الكهربية، وتساويها، أيضاً، في الشدة، أي أن المعلومات قد تحولت إلى أشعة ليزر معدلة modulated يمكنها أن تطلق ومضاتها عبر الألياف البصرية.وعند المستقبل هناك أجهزة استقبال خاصة تحول أشعة الليزر إلى معلومات مرة أخرى، وهكذا يمكن لأشعة الليزر نقل المعلومات من مكان إلى آخر،

وهناك نوعان من قنوات الاتصال بين طرفي الاتصالات الضوئية، أولهما القنوات الموجهة، وهي عبارة عن ألياف بصرية ينتقل الضوء بداخلها من المرسل إلى المستقبل.والنوع الثاني هو القنوات غير الموجهة، وتكون عبر الفضاء، وتتأثر بالعوامل الجوية، مثل الأمطار وقطرات الندى والغبار، واختلاف الكثافة بين طبقات الجو، وكذلك درجة التأين [1] في كل طبقة. كما تتأثر بالضوضاء الناتجة من الإشعاعات الضوئية الطبيعية والدوامات الهوائية.

وكان للجمع بين الألياف البصرية والليزر أثر عظيم على الاتصالات. فمنذ عام 1880م استخدم ألكسندر جراهام بيل شعاع ضوء عادي لنقل صوته عبر الغرفة. واليوم، تستخدم أشعة ليزر لنقل المكالمات التليفونية خلال كابلات الألياف البصرية، عبر القارات. وفي وقت قريب سيتم نقلها عبر المحيطات.

وتوفر الألياف البصرية مزايا أعظم من كابلات النحاس التي تستخدم عادة لخطوط التليفون. فموجات ومضات الضوء المتناهية القصر تعني أنها تستطيع أن تحمل من المعلومات أكثر مما تحمله الإشارات الكهربائية العادية، بأقل تشويه. ويستطيع السلك النحاسي أن يحمل 48 مكالمة تليفونية متزامنة، ولكن أحد الألياف البصرية يستطيع أن يحمل أكثر من 8000 مكالمة.

وهناك تطوران تكنولوجيان رئيسيان جعلا الاتصالات بالألياف البصرية ممكنة. أحدهما هو تطوير ألياف فائقة النقاوة، قادرة على حمل إشارات الضوء على مدى العديد من الكيلومترات. والثاني، هو ابتكار ليزر دقيق، شبه موصل، يلتقط الإشارات الضوئية ويضخمها لتنقل على مسافة طويلة.

وربما جاء أكثر الدلائل على قوة الألياف البصرية في عالم الاتصالات إثارة في أواخر عام 1987م، عندما بدأ اتحاد من 29 شركة أوروبية وأمريكية في مد أول كابل للألياف البصرية عبر الأطلنطي. وتبلغ طاقة الكابل 40 ألف مكالمة تليفونية متزامنة، بالمقارنة بتسعة آلاف مكالمة لأحدث كابل نحاسي كان قد تم مده عام 1983م. وسوف يزود الكابل الذي أطلق عليه اسم "تات- 8"، بأشباه موصلات الليزر كل 50 كيلومترا لتوليد الإشارات الضوئية.

ويتم التخطيط لمد كابل الألياف البصرية عبر المحيط الهادي بين الولايات المتحدة واليابان والفلبين. وبالإضافة إلى المكالمات التليفونية، سوف توفر كابلات الألياف البصرية، عبر المحيط، أيضا، قنوات معلومات فائقة السرعة، لنقل معلومات الكمبيوتر بأمان أكثر مما هو متاح عبر شبكة أقمار الاتصالات.

وفي حالة الاتصالات بواسطة الأقمار الصناعية باستخدام أشعة الليزر فإن هناك عدة اعتبارات أهمها:

1. الطاقة الكهربية المحدودة على متن القمر الصناعي، وهي لا تزيد على 100 وات لنظام الاتصال بالكامل.

2. الفراغ المحدود المتاح لوسائل الاتصال.

3. أهمية الوزن الاقتصادي للمكونات.

4. كفاءة توليد أشعة الليزر، والمقصود منها نسبة الطاقة الضوئية لشعاع الليزر المتولد في جهاز الإرسال إلى طاقة التغذية المستنفدة في توليده.

ويحقق استخدام الليزر في مجال الاتصالات العسكرية المزايا الآتية:

1. خفض درجة الاضمحلال في الإشارة الصوتية.

2. نقل حجم كبير من المعلومات.

3. مقاومة عالية للتداخل والشوشرة.

4. الحماية من التصنت.

5. قلة الحجم وخفة الوزن بالنسبة للأجهزة المستخدمة.

ثالثاً: الأقراص البصرية

يتكون القرص البصري Optical Disc من سطح معدني فضي كالمرآة، يعكس الضوء في شكل ألوان الطيف، ويغطي بطبقة رقيقة من البلاستيك النقي. والقرص البصري في حجم اسطوانة الموسيقى العادية، وعلى سطحه العديد من الثقوب الدقيقة جداً، يطلق عليها "الحفر". أما المناطق المستوية التي بينها فيطلق عليها "المسطحات". ويطلق أحياناً على القرص البصري اسم "القرص المدمج" Compact Disc : CD ، وقطره 12 سم، أو 4.72 بوصة. وأحدث ما وصلت إليه التكنولوجيا الآن هو نظم الأقراص المدمجة للقراءة فقط CD-ROM: Compact Disc Read Only Memory لتخزين المعلومات واسترجاعه.

ويتزايد الجمع بين أشعة الليزر وأجهزة الكمبيوتر في أحوال كثيرة. وأحدث شيء في هذا المجال هو إنتاج نظام لذاكرة الكمبيوتر memory باستخدام فكرة أقراص السمعيات المدمجة التي تستولي بسرعة على سوق تسجيل الموسيقى. وجوهر مشغل القرص السمعي عبارة عن ليزر دقيق، يترجم المعلومات الموجودة على حفر ميكروسكوبية على سطح القرص الفضي إلى موسيقى. وحيث إن الضوء فقط هو الذي يلمس القرص، فإنه لا يتعرض للبلى والتدهور، كما يحدث في اسطوانات الفينيل. وتتضاعف مبيعات أقراص السمعيات ثلاث مرات كل عام، منذ طرحها في السوق عام 1983م.

وباستخدام أقراص السمعيات، جهاز ذاكرة للكمبيوتر، فإن قرصاً واحداً قطره 12 سم، مشابه للقرص المستخدم في تسجيل الموسيقى، يمكن أن يخزن 550 ميجابايت، أي مليون وحدة عناصر ثنائية من معلومات الكمبيوتر، أي ما يوازي 100 ألف صفحة مطبوعة على الآلة الكاتبة.

وأكبر عيب لقرص السمعيات، عن استخدامها ذاكرةً للكمبيوتر في هذه المرحلة، هو انه لا يمكن تغيير المعلومات المسجلة عليه. ومع ذلك فإن فكرة تسجيل دائرة معارف كاملة على قرص واحد، لها من الجاذبية ما يدفع العلماء إلى الاستمرار في تطوير هذه التقنية. وفي هذه الأثناء يحاول الباحثون إيجاد طريقة لتغيير المعلومات المسجلة على هذه الأقراص، مما سوف يجعلها أوسع استعمالاً.

وللتعرف على دور أشعة الليزر في عرض المعلومات [2] نأخذ حالة أفلام الفيديو، وفيها يتم عرض المعلومات ـ فيلم الفيديو ـ عن طريق توجيه أشعة الليزر من جهاز الفيديو، بشكل عمودي على سطح القرص البصري المسجلة عليه المعلومات، وذلك أثناء دورانه. ويعكس السطح اللامع للقرص أشعة الليزر إلى جهاز الفيديو مرة أخرى، إذ يتم التقاطها بواسطة وحدة إلكترونية تقوم بإصدار نبضات كهربية مختلفة، بمجرد وصول أشعة الليزر إليها.

وحيث إن الحفر والمسطحات فوق سطح القرص البصري تعكس أشعة الليزر بشكل مختلف، فعند وصولها إلى الوحدة الإلكترونية بجهاز الفيديو تقوم هي، أيضاً، بإصدار نبضات كهربية مختلفة تماماً، مثل أشعة الليزر التي انعكست إليها، ثم يحول جهاز الفيديو هذه النبضات الكهربية إلى صوت وصورة، أي فيلم فيديو.

ويُعد هذا التطبيق أسرع استخدامات الليزر تطوراً باستخدام اسطوانات للتسجيلات الصوتية أو المرئية، واستخدام أجهزة تشغيل الاسطوانات، أي الجرامافون، الضوئية التي يمكنها استعادة التسجيل من على الاسطوانة بواسطة شعاع ليزر، بدلاً من الإبرة التقليدية، بما تسببه من مشكلات نتيجة تآكل سطح الاسطوانة.

وأكثر أنواع الليزر شيوعاً لهذا الغرض هو ليزر الدايود، والذي حل محل ليزر الهليوم - نيون المستخدم في بعض الأنواع القديمة من أجهزة الاسطوانات الضوئية.

ويستخدم القرص البصري وسيطاً لتخزين المعلومات في الكمبيوتر، وتتم الكتابة على القرص بواسطة شعاع ليزر يؤدي إلى تكوين حفر دقيقة على القرص. ومعظم الأقراص البصرية المتوافرة في الأسواق يمكن الكتابة عليها مرة واحدة، ثم يمكن بعد ذلك قراءة ما تمت كتابته عدة مرات. ويطلق على الأنظمة التي يمكنها عمل ذلك " اكتب مرة واقرأ مرات" Write Once Read Many. WORM :

وأشكال الأقراص البصرية المختلفة هي:

1. القرص المدمج للقراءة فقط CD ROM: Compact Disc Read Only Memory ، ويغطي البيانات الرقمية.

2. قرص للكتابة مرة واحدة وقراءة متعددة WORM: Write Once Read Many ، ويغطي البيانات الرقمية وصور الخرائط.

3. قرص مدمج تفاعلي K Compact Disc Interactive : CD-I ويغطى البيانات الرقمية والصور والرسوم الورقية.

4. قرص مدمج للفيديو CD-V: Compact Disc-Video .

5. قرص مدمج تفاعلي للفيديو CD-IV: Compact Disc-Interactive Video ، وهو خليط من النوعين السابقين، ويغطي البيانات الرقمية والصور والحركة الكاملة.

6. القرص المدمج المصور Compact Disc Xerographic ، وهو هجين بين الفيديو والقرص المدمج، ويغطي البيانات الرقمية وغير الرقمية.

7. قرص مدمج رقمي مرئي Compact Disc -Digital Audio ، ويغطي الصور والإيضاحات المرئية.

8. قرص مدمج ومبرمج قراءة فقط CD-PROM: Compact Disc- Programmable Read Only Memory ، ويستخدم كوسيلة تخزين كبيرة.

9. قرص مدمج قابل للمحو Erasable CD-ROM ، وهو يحوي كمّاً كبيراً من البيانات ويغني عن مئات من الأقراص الصلبة.

10. القرص المدمج ذو الوجهين DATA-ROM أحدهما قابل للمسح، والآخر للقراءة فقط.

رابعاً: الطباعة

واجتياح تكنولوجيا الليزر لصناعة الطباعة يُعد امتداداً منطقياً للاستخدامات الجارية. فالكثير من الناسخات تستخدم أشعة الليزر التي يتحكم فيها الكمبيوتر لخلق أشكال على اسطوانة حساسة للضوء، تتحول بدورها إلى كلمات مطبوعة على الورق. وبالإضافة إلى السرعة الفائقة، يوفر الليزر، أيضاً، وضوحاً أفضل للنسخ. وجودة النوعية هي السبب في تحول وكالات الأنباء والمجلات إلى نسخ صورها بالليزر. وأحياناً تطبع الصحيفة أو المجلة لتوزع على القراء في عدة دول متباعدة، في الوقت نفسه، ويتم ذلك باستخدام تقنيات الليزر والكمبيوتر. وفي هذه الحالة تقوم أجهزة المسح التي تعمل بأشعة الليزر بتحويل الكلمات والصور إلى بيانات كمبيوترية يمكن إرسالها من خلال الأقمار الصناعية إلى آلات طابعة في هذه الدول المتباعدة خلال ثوان معدودة.

وفي الكثير من المكاتب الآن طابعات بالليزر، تأخذ إنتاج أجهزة الكمبيوتر الشخصي، وتعطي نسخاً مطبوعة بنوعية لم تكن ممكنة من قبل إلا بمعدات الطباعة المحترفة فقط.

والفارق الوحيد بين ناسخة الليزر وطابعة الكمبيوتر العاملة بالليزر، هو أن الأخيرة تستخدم الضوء للطباعة المباشرة على الورق، بدلاً من نقلها على اسطوانة تنقلها بدورها إلى الورق.

وأكثر النظم الليزرية المستخدمة في الطباعة هي ليزر الهليوم ـ النيون، وليزر الهليوم ـ كادميوم. والعقبة الرئيسية أمام تطوير هذه النظم زيادة فاعلية لمبات الليزر المستخدمة، إذ أنها قصيرة العمر نسبياً، أو تحتاج لتغيير كل حوالي 5000 ساعة تشغيل.

خامساً: الهولوجرافي

في محاولة من العالم الإنجليزي دنيس جابور [3] Dennis Gabor لتحسين قوة التكبير في الميكروسكوب الإلكتروني، وتقليل الصورة المكونة فيه، توصل هذا العالم إلى ما يسمى الآن "الهولوجرافى" Holography ، وتعني "فن التصوير المجسم". وفي هذه التكنولوجيا، يستخدم الليزر لخلق أشكال ثلاثية الأبعاد تجعل الصور كالمناظر الطبيعية.

ولتوضيح الفرق بين الصورة العادية والصورة ثلاثية الأبعاد، تخيل أن آلة تصوير عادية التقطت صورة لرجل يقف أمام سيارة، فإذا نظرت إلى هذه الصورة وحركت رأسك من جهة لأخرى، سيظهر الرجل دائماً وهو يحجب نفس الجزء من السيارة. أما إذا أخذت صورة هولوجرافية للمنظر نفسه، فلو حركت رأسك من جهة لأخرى، لاتضح لك أن الرجل يتحرك بالنسبة إلى السيارة، ومن كل زاوية يبدو أن المشهد مختلف.

والهولوجرام hologram ببساطة عبارة عن عملية تحويل صورة الجسم المطلوب تسجيل صورته إلى معلومات مشفرة على لوح حساس، بحيث لا تظهر الصورة بالعين المجردة إطلاقاً، ولكن يمكن استرجاع الصورة ورؤيتها مجسمة، إذا تم تعريض الفيلم لضوء أشعة الليزر.

وللحصول على الهولوجرام، يتم إسقاط شعاع الليزر على عدسة مفرقة لتغطية مساحة كبيرة، ثم يسقط شعاع الليزر على مجزئ للشعاع splitter للحصول على شعاعين، أحدهما يستعمل لإضاءة الجسم، ويسمى "شعاع الجسم" Objective beam ، والآخر يسقط مباشرة على اللوح الحساس، أو الفيلم، ويسمى "الشعاع المرجع" Reference Beam . وعند سطح اللوح الحساس، أو الفيلم، يلتقي كلا الشعاعين مرة أخرى، ويتداخلان معاً ليكونا حلقات التداخل، ويتم تسجيل ناتج التداخل على الطبقة الحساسة، إذ تحتوي هدب التداخل المتكونة على الفيلم على كل المعلومات الخاصة بالجسم المراد تصويره. وبعد عملية التحميض والتثبيت التي تجرى للفيلم، نحصل على الهولوجرام، وما هو إلا لوح زجاجي شفاف، أو فيلم شفاف، مغطى بطبقة شبه شفافة، أيضاً.

وإذا نظرنا إلى الهولوجرام، فلن يمكننا رؤية الجسم نفسه، ولكننا سوف نرى مجموعة من الخطوط والحلقات المضيئة والمظلمة مرتبة عشوائياً. فالصورة في الواقع يتم إخفاؤها، أو بمعنى آخر، يمكن تشفيرها.

ومن الضروري أن يكون الشعاع المستخدم في استخلاص الصورة يطابق تماماً شعاع المرجع المستخدم في تصوير الجسم.

دخل الهولوجرام الحياة اليومية في عدد من التطبيقات، فالكثير من آلات الفحص التي تقرأ الشفرة الخطية المطبوعة على علب الأغذية في السوبر ماركت تستخدم الليزر. وإذا كان العميل يدفع ثمن مشترياته ببطاقة ائتمان، فالأغلب أن بطاقته تحتوي على هولوجرام مطبوع على صفحتها، احتياطاً من التزوير، فيمكن للمزور أن يصنع بطاقة ائتمان بسرعة مذهلة، ولكنه يلاقي صعوبة كبيرة في إنتاج هولوجرام منمنم.

كما يستخدم الهولوجرام في الصناعة، أيضاً، لإجراء اختبارات مفصلة على كل شيء، بدءاً من قطع غيار الآلات، إلى مكبرات الصوت. والخطوة الأولى هي عمل هولوجرام لقطعة الغيار المراد اختبارها، وحينما يركب الهولوجرام على قطعة الغيار الفعلية، فإن التغييرات التي تحدث، تحت ظروف الحرارة والجهد والإدارة العادية، تظهر بأدق تفاصيلها.

والتصميم بالهولوجرام سوف يستغني عن الأسلوب الحالي لعمل نماذج لكل سيارة جديدة، والذي يستغرق الكثير من الوقت. وسوف يضع السيارات الجديدة في مرحلة الإنتاج في وقت أسرع؛ لأن المعلومات المخزنة في الكمبيوتر يمكن استخدامها لإعداد عملية الإنتاج بالكمبيوتر.

سادساً: فحص السطوح

بدأ العلماء في عام 1980م، في البحث عن طريقة أفضل لفحص بعض السطوح الدقيقة، مثل شريط الفيديو،  أو شذرة الحاسب chip ، حيث إن أداءها يكون هزيلا إذا كانت غير ملساء، أو أشكالها غير مناسبة. ويقتضي صقل سطوح أشياء كهذه صقلاً متقناً استخدام أساليب دقيقة لقياس بنية نسيجها. وبدا أن قياس التداخل الضوئي الذي يعتمد على طبيعة الضوء الموجية هو الأفضل. فالتداخل يتيح تحليلاً مثالياً، ولا يتضمن تماساً مع السطح الذي يراد دراسته، فلا يتلفه. ويمكن للتداخل ـ من حيث المبدأ ـ أن يحلل تضاريس السطح التي تبلغ ارتفاعاتها بضعة أنجسترومات.

والمبدأ الأساسي في التداخل هو أنه عندما تلتقي موجتان ضوئيتان فإنهما تتداخلان، فإذا انطبقت ذروة إحداهما مع قاع الأخرى كان التداخل هداماً. أما إذا تطابقت ذروة الموجتين فإن الموجتين تقوي إحداهما الأخرى . وقد طور الفيزيائي الأمريكي "ميكلسون" تقنيات استخدمت ظاهرة التداخل للقيام بقياسات غاية في الدقة. ويعرف الجهاز الذي صممه باسم "مقياس ميكلسون التداخلي"، وفي هذا الجهاز تسقط حزمة ليزر على مرآة نصف عاكسة، تجزئ الحزمة إلى حزمتين في مسارين متعامدين، فتنعكس إحدى الحزمتين عن العينة المطلوب قياس سطحها، وتنعكس الأخرى عن المرآة المرجعية. وحين تلتقي الموجتان بعد انعكاسهما، تتولد من تداخلهما موجة تكون شدة ضوئها عظمى إذا كانت الموجتان متفقتين في الطور phase ، وتكون شدتها صغرى إذا كانت الموجتان متعاكستان في الطور.وتغير تنوعات سطح العينة وأغواره يغير طول المسار الذي تقطعه الحزمة الأولى، فتتغير بذلك العلاقة المكانية بين الحزمتين وشكل الأهداب التي تظهر تضاريس سطح العينة.

وتقوم شركات صناعات الطيران باستخدام تقنية ليزرية متقدمة لفحص الأجزاء المصنوعة من مواد مركبة في الطائرات، مثل الجرافيت والأيبوكسي، المستخدمة في محركات الطائرات الحديثة، والتي يستغرق فحصها بالطرق التقليدية وقتاً طويلاً، وكلفة باهظة. والتقنية الجديدة تختصر زمن الفحص بنسبة 90%، مما يختصر وقت التصنيع عدة أسابيع، كما أن دقة النظام المتناهية ترفع من مستوى التصنيع،

سابعاً: تشغيل المواد

ويستخدم لهذا الغرض ليزر ثاني أكسيد الكربون، أو ليزر الياج، على نطاق واسع في صناعات الإلكترونيات والحواسب والسيارات وهياكل الطائرات، وأكثر الاستخدامات شيوعاً لحام المعادن. ويمكن باستخدام عدسات ضوئية تركيز طاقة أشعة الليزر في نقطة البؤرة Focus على مساحة ضيقة جداً، فترتفع درجة حرارتها أكثر من مائة ألف درجة مئوية، فتتبخر المادة، وهذا يؤدي إلى قطع ولحام وحفر الأجسام المعدنية المختلفة، كأجزاء السيارات والطائرات، والمواد الزجاجية والبلاستيك، والخزف. وفي هذه الحالات لا تجد الحرارة وقتاً كافياً لتسري داخل المادة فتسبب التشققات أو تتلفها. ويستخدم في هذه الأغراض الليزر النبضي الذي يوفر حزماً ذات طاقة عالية من أشعة الليزر.

وتستخدم أشعة الليزر في تثقيب المواد،  مهما كانت درجة صلابتها،مثل الماس، ويساعد ذلك في استخدامها في صناعة الساعات.

كما يمكن استخدام أشعة الليزر في الطلاء بالمعادن الثمينة، إذ يتم تسخين سطح المعدن رخيص الثمن حتى يمكن وضع المعادن الأخرى الثمينة، كالفضة والكروم، فوقه.

ثامناً: في أعمال المساحة والخرائط

تستخدم أجهزة الليزر في القياس الدقيق للمسافات والزوايا، بما يمكن من تحديد الهيئات الأرضية، ورسم التضاريس، عن طريق تركيب جهاز رادار ليدار في طائرة لرصد المرتفعات والوديان بدقة عالية.

وتستخدم أشعة الليزر في تحديد استقامة المستويات بدقة، إذ يتم التأكد من استقامة المباني العالية، وتحديد أماكن مد خطوط أنابيب الغاز والبترول والماء والصرف الصحي، وكوابل الاتصالات لمسافات بعيدة، وفي بناء الجسور وحفر الأنفاق. كما تستخدم أشعة الليزر في قياس أعماق البحار والمحيطات ورسم خرائط للقاع، حيث إن هذا النوع من الأشعة يمكنه اختراق الماء إلى عمق عدة مئات من الأمتار.

وتستخدم أجهزة الليزر في قياس التحركات ـ الصغيرة جداً ـ التي تحدث في القشرة الأرضية أثناء الزلازل، أو عندما تجرى تجارب نووية تحت الأرض. وفي عام 1976 م، أطلقت وكالة الفضاء الأمريكية "ناسا" NASA القمر الصناعي "لاجيوس"، الذي يستخدم عدسات تعكس أشعة الليزر بحيث يمكن استخدامها في دراسة تحركات القشرة الأرضية، التي تحدث عادة قبل وقوع الزلازل أو الانفجارات البركانية، وأيضاً، في دراسة ظاهرة تحرك القارات ببطء شديد، بما يعادل عدة سنتيمترات سنوياً.

تاسعاً: في مجال البيئة

يستخدم التحليل الطيفي بواسطة أشعة الليزر لمراقبة تلوث الهواء والماء، وفي فحص تصريف المواد الكيماوية من المصانع، وكذلك لقياس مستوى الغازات والجسيمات الدقيقة في عوادم السيارات، ومداخن المصانع، والتي تؤدي إلى تلوث البيئة. ومن أخطر هذه الجسيمات، الزنك، والخارصين، والكادميوم، والرصاص. ومن الغازات الخطرة أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكبريت. وتستخدم بعض أجهزة الوقاية من الحريق التحليل الطيفي بواسطة أشعة الليزر لمراقبة مستويات الأبخرة القابلة للاشتعال.

وقد قامت مجموعة من الشركات الأوروبية بتطوير نظام ليزري، لرسم خريطة عن توزيع الأوزون في طبقات الجو العليا، وقياس نسبة كل من ثاني أكسيد الكربون وأكسيد النيتروجين، وغاز كلوريد الهيدروجين المنبعثة من أماكن جمع القمامة.

عاشراً: في مجال الفضاء

في عمليات استعادة الأقمار الصناعية التالفة بواسطة مكوك الفضاء، تستخدم منصات عاكسة فوق هذه الأقمار لتعكس أشعة الليزر إلى جهاز الكمبيوتر الموجود في المكوك، ليتمكن من تحديد قياسات دقيقة لموقع القمر المطلوب استعادته، ومن ثم يتم توجيه المكوك في الاتجاه الصحيح ليمد ذراعاً آلياً، ويجذب القمر إلى داخل المكوك.

ويستخدم رادار الليزر لكشف وقوع ظاهرة "قص الريح" Wind Shear ، ذات الأثر الخطير على الملاحة الجوية، لأخذ الحيطة في حالة حدوثه فوق موقع إطلاق مكوك الفضاء، وخاصة منطقة المكوك وما يجاورها في الغلاف الجوي، خاصة في الطبقات العليا منه، وتأجيل الإطلاق حتى زوال هذه الظروف. وهذا الجهاز عبارة عن جهاز رادار يعمل بأشعة الليزر من أشباه الموصلات.

وفي الفضاء تتم بعض التفاعلات الكيماوية بمساعدة أشعة الليزر في مركبات الفضاء، بطرق مغايرة تماماً للطرق التي تتم بها على سطح الأرَض. فقد أثبتت البحوث التي تمت في الفضاء إمكانية تحديد لحظة التفاعل الكيماوي بين المواد باستخدام شعاع الليزر وكاميرا من نوع فريد، إذ تم تصوير لحظة ميلاد الجزيئات ولحظة التحامها بغيرها، في مدة زمنية لا تتعدى جزءاً من مليون من البليون من الثانية الواحدة. وتمهد هذه النتائج لمعرفة الخلل في تتابع الأحماض الأمينية الذي ينتج عنه الأمراض الخلقية والوراثية، ومن ثم التدخل لعلاجها.

ونظراً لأن أشعة الليزر تستطيع أن تكثف طاقة عظيمة تسافر إلى مسافات كبيرة، فقد قام الأمريكيون في عام 1969م في إطار برنامج "أبوللو" بتجربة لقياس بعد القمر عن الأرض. وفي هذه التجربة وجهت أشعة الليزر من الأرض لقياس بعد القمر بدقة بالغة، على مدى استمر عشر سنوات. وكان الجهاز مكوناً من صندوق عليه مصفوفات تتكون من 100 مرآة صغيرة، قطر كل منها 5 سم. ووضع الجهاز بزاوية ميل محددة فوق القمر، لتنعكس على مراياه أشعة الليزر، مرتدة إلى الأرض، لتسجل بعده عن الأرض بدرجة دقة لا تتجاوز 15 سم، بينما متوسط بعده عنا يبلغ 383,000 كم. وقد ظل الجهاز على سطح القمر طوال هذه السنوات، ليحسم خلافاً علمياً عن نظرية تمدد الكون أو اتساعه، إذ تفترض هذه النظرية ابتعاد القمر عن الأرض بمقدار 3 سم كل سنة.

حادي عشر: قياس سرعة الريح

تستخدم الطائرات المدنية نظاماً لقياس سرعة الريح باستخدام أشعة الليزر أطلق عليه اسم ALEV-3 أنتجته شركة Sextant Avionique . وكان النموذج الأصلي لهذا النظام قد تم تصنيعه أصلاً لمعايرة أنظمة البيانات الجوية أثناء اختبارات الطائرات الجديدة.

ويعمل الجهاز استناداً على مبدأ العالم "دوبلر" Doppler الذي اكتشف ظاهرة اختلاف تردد الذبذبات الصادرة أو المنعكسة، حسب السرعة النسبية للمصدر الناشئة عنه، وبين جهاز القياس. ويقوم هذا الجهاز بإصدار حزمة من ضوء الليزر، ثم يقوم النظام الكهروبصري باستقبال الأشعة المنعكسة التي تبعثرها ذرات الجو، وتقوم دوائر إلكترونية باستخراج الفرق بين تردد الشعاع المنبعث وتردد الأشعة المنعكسة، والمتناسب مع سرعة الطائرة بالنسبة إلى سرعة الهواء المحيط الذي تمر فيه هذه اللحظة.



[1] تتكون الذرة من نواة مركزية، تحتوي على نيوترونات وبروتونات، وتحاط بسحابة من الإلكترونات، ويكون عدد البروتونات المشحونة بشحنة موجبة مساوياً لعدد الإلكترونات ذات الشحنة السالبة، لذلك فإن الذرة تكون متعادلة كهربائياً. ولكن عندما تكتسب الذرة أو تفقد إلكتروناً، أو أكثر، فإنها تصبح مشحونة كهربائياً، وعندئذ تسمى `أيون`

[2] في عام 1972، أدخلت شركة `فيليبس` Philips    أول نمط لاستخدام الليزر في مجال التسجيل وإعادته

[3] عالم الفيزياء الفائز بجائزة نوبل، والذي ابتكر فكرة الهولوجرام، ولكن فكرة استخدام الليزر من أجل صنعه تنتمي إلى باحثين في جامعة `ميتشيجان` الأمريكية هما Emmet Leith و Juris Upatnik


المبحث الرابع

اتجاهات التطور المستقبلية لتقنيات وتطبيقات الليزر

ومن الدراسة المستفيضة لاتجاهات التطوير المستقبلية لتقنيات وتطبيقات الليزر، فإن الواضح أن الاستخدامات الصناعية هي أكبر الاستخدامات شيوعاً، نتيجة رخصها ودقتها ومرونة استخدام الوسائل التقليدية. والأهم من هذا إمكانية التحكم فيها باستخدام وسائل التحكم الإليكترونية الآلية. ويتجه التطوير العام نحو زيادة قدرة الليزر، وفي الوقت نفسه تقليل الحجم والوزن، مما يسمح بالاستخدام الأفضل.

وبالنسبة لليزر الدايود، فإن الخرج الذي أمكن التوصل إليه في المعامل هو 2.6 وات، بينما لم تحقق الصناعة أكثر من 100 ميللي وات. وهذه هي مهمة التطوير الصناعي خلال السنوات القادمة.

وأهم مشكلات استخدامات الليزر وأخطرها العمر الافتراضي للمعدات وفاعليتها، فالمعروف أن عمر تشغيل عناصر توليد الليزر، سواء كانت غازية أو صلبة، لا تزيد على 5000 ساعة، والمطلوب زيادة هذا العمر إلى 10.000 ساعة،على الأقل، وكذلك نوعيات المرايا المستخدمة في أجهزة الليزر، وبالذات الأنواع عالية القدرة، ومدى قدرة هذه المرايا على تحمل نبضات الليزر القوية.

وتتجه الصناعة إلى إدماج وحدات الليزر الصناعية مع "الروبوت" Robot لاستخدامها في خطوط إنتاج العديد من المنتجات، بحيث يمكن تحريك مصدر شعاع الليزر والتحكم فيه من على بعد.

ولا يقتصر الاستخدام الصناعي على الصناعات الثقيلة فقط، ولكن يشمل، أيضاً، الصناعات الإليكترونية، وعلى الأخص منها الصناعات التكنولوجية المتقدمة، كإنتاج أشباه الموصلات والدوائر المتكاملة Integrated Circuits:IC وغيرها. ويعول هنا على التقدم في نظم الليزر التي تعمل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

ولقد تميزت الأعوام الأخيرة بظواهر ومكتشفات جديدة في مجال الليزر يمكن تلخيصها فيما يلي:

1. أمكن لأول مرة تشغيل ليزر يعطى خرج "أشعة أكس" ذو طول موجي يصل إلى 200 أنجستروم. وهذا حدث له دلالة على طريق استخدام أشعة الليزر في أسلحة الفضاء.

2. إنتاج مرسل ليزر على نمط هوائيات "المصفوفة المتراصة phased array " مما يسمح، لأول مرة، بتشكيل شعاع ليزر، والتحكم فيه إليكترونيا، وزيادة قدرة الخرج.

3. إنتاج أول ليزر متغير التردد يعمل تحت الظروف الجوية العادية، وبدون تبريد.

4. وصل المشروع القومي الياباني لإنتاج ليزر ثاني أكسيد الكربون الذي تبلغ قدرته 20 كيلووات إلى مراحله النهائية، وقد استغرقت البحوث والتطوير مدة 8 أعوام كاملة.

5. إنتاج أنواع جديدة من الليزر تعمل بترددات لم يسبق استخدامها من قبل.

وفيما يلي نعرض أهم اتجاهات التطور المستقبلية لتقنيات وتطبيقات الليزر.

أولاً: في مجال البحوث العلمية

وفي مجال البحوث العلمية والأكاديمية، سيتجه الطلب نحو نظم الليزر ذات النبضات القصيرة جدا، وكذا النظم التي يمكن توليفها في نطاق ترددي عريض، بحيث يمكن استخدامها في مجال بحوث الكيمياء الحيوية والهندسة الوراثية.

وقد أمكن الحصول على نبضات ليزرية قصيرة جداً، وأهمية هذا التطوير تكمن في قياس بعض الظواهر الطبيعية السريعة، أو قياس ورصد بعض العمليات الكيماوية التي تحدث داخل الخلية البشرية.

ثانياً: في مجال الكمبيوتر

وقمة التزاوج بين الليزر والكمبيوتر سيكون كمبيوتر بصري يستخدم أشعة الليزر لتخزين المعلومات ومعالجتها. ومثل هذا الكمبيوتر سيكون أسرع ألف مرة من أجهزة الكمبيوتر العادية التي بدأت تواجه القيود التي فرضتها عليها سرعة تحرك الإلكترونات خلال الدوائر ذات الأساس السيليكوني. ويعمل العلماء في الولايات المتحدة وأوروبا واليابان على ابتكار نظائر بصرية لكمبيوتر اليوم الإلكتروني.

ثالثاً: في مجال الطب

وفي مجال الطب، استقرت أساليب جراحة الانفصال الشبكي باستخدام ليزر "الياج". ولكن استخدام الليزر في أغراض طبية أخرى ما زال رهن التجربة والاختبار، ومن ذلك، على سبيل المثال، استخدام بعض أنواع الليزر في علاج الأورام الخبيثة، واستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون في لحام الأوعية الدموية. وتحتاج التطبيقات الطبية إلى تطوير الليزر في اتجاه تقليل حجمها، وإمكانية تشغيلها ببطاريات، وزيادة فاعلية مكوناتها.

ومن الاستخدامات ذات الاهتمام البحثي حالياً، استخدام ليزر ثنائي الطول الموجي، أحدهما يستخدم في الجراحة، والثاني يستخدم في إغلاق الشرايين. وعلى وجه العموم، فما زال تأثير الليزر على الأنسجة البشرية وتفاعلهما معاً مادة خصبة للبحث بهدف فتح آفاق جديدة لاستخدام الليزر طبياً.

أما مجالات التطوير المستقبلية فتشمل استخدام ثاني أكسيد الكربون لإذابة الجلطات في الشرايين التاجية وتكسيرها، أو لإزالة الرواسب من جدران الأوعية الدموية، والتي قد تؤدي إلى الأزمات القلبية وتصلب الشرايين.

وتجرى الآن التجارب الطبية لاستخدام أحدث أنواع الليزر، والتي تستخدم الليزر الناتج من بخار الذهب أو النحاس، لعلاج بعض أنواع الأورام الخبيثة. وقد بلغت طاقة الخرج المستخدمة حوالي 10 وات.

رابعاً: في مجال الاتصالات

وفي مجال الاتصالات، فإن الأهداف بعيدة المدى للتطوير تتركز في زيادة مدى الاتصال، وزيادة معدل نقل البيانات باستحداث أنواع جديدة من الألياف البصرية، ومرسلات ليزر تعمل في أطوال موجية تسمح بالانتشار في الألياف بدون فاقد يذكر.

وقد تم استخدام ليزر الدايود diode لتغذية "الياج"، بدلاً من مصدر التغذية الضوئي التقليدي. وعلى وجه التحديد فقد بدأ الإنتاج الكمي لأشباه موصلات تعطي ليزر ذا طول موجي 1.550 ميكرون، لأهميته في الاتصالات باستخدام الألياف الضوئية.

وهناك اهتمام كبير باستخدام الليزر في الاتصال بالغواصات، إذ ترسل الإشارات والمعلومات بمعدل إرسال سريع عن طريق الأقمار الصناعية، أو من خلال منظومة محمولة جواً. ويوفر ذلك إمكانية استمرار الغواصات في الأعماق، والتحرك بسرعتها العادية، وفي الوقت نفسه يمكنها استقبال أوامر القيادة دون الظهور على السطح والتعرض لاحتمال الكشف. ومن المعروف أن مياه البحار والمحيطات تسبب اضمحلالاً وفقداً للأشعة الكهرومغناطيسية، يزدادان بازدياد العمق، ومع ذلك، فإن حيز الأشعة الليزرية يقل داخله هذا الفقد عن أي حيز آخر.

خامساً: في مجال الهندسة الوراثية

ويتوقع العلماء أن يكشف المستقبل القريب عن المزيد من التطبيقات المفيدة لتقنية الليزر، مثل استخدامها في مجال الهندسة الوراثية، إذ تساعد في نقل المادة الوراثية في الخلايا، والمعروفة باسم "الحمض النووي" [1] DNA: Deoxyribonucleic Acid من خلية إلى أخرى. فإذا وجهت أشعة الليزر إلى الخلية المطلوب نقل الـ DNA إليها، فإنها تفتح ثقوباً دقيقة جداً في الغشاء الخارجي للخلية، ويستمر هذا لمدة كافية للسماح للـ DNA الجديدة بالدخول إلى الخلية. ويمكن استخدام هذه التقنية في التعرف على الجينات التي تسبب السرطان، وفي تطوير الأدوية.

سادساً: الليزر الشمسي

والليزر الشمسي، هو أحد التطبيقات المستقبلية للاستفادة من شدة الضوء العالية في توليد الليزر. وفي هذه الحالة يدخل الضوء الشمسي من أحد طرفي بلورة الليزر، فيحث الذرات فيها على إصدار ضوء ذي ترددات معينة. وينتقل هذا الضوء ذهاباً وإياباً بين مرآتين موضوعتين خارج البلورة. وينفذ بعض الطاقة الضوئية عبر إحدى المرآتين مولداً حزمة الليزر التي تنطلق إلى خارج الجهاز.

سابعاً: الليزر عالي القدرة

ومع الحاجة إلى قدرات أعلى، فقد بدأت نظم الليزر التي تعمل بأسلوب المصفوفات المتراصة phased arrays في الـظهور، وهي تعطي قدرة خرج حوالي 0.2 وات، بدون الحاجة إلى تبريد النظام. وقد وصلت فاعلية هذه النظم إلى معدل أعطال مرة كل 50.000 ساعة تشغيل. أما ليزر الياج، فقد ظهرت منه أنواع جديدة ذات طاقة خرج أكبر وتردد نبضي يصل إلى 20 نبضة/ ثانية، وهو من أعلى المعدلات المعروفة حالياً.

ويستخدم ثاني أكسيد الكربون في تغذية بعض الأنواع الأخرى من الليزر القادر على إنتاج طول موجي 1.22 مم، أي في نطاق موجات الميكروويف microwaves . وحيث إن الموجات الميللمترية قيد البحث حالياً لاستخدامها في التوجيه الراداري الإيجابي للقذائف، فإن هذا الكشف قد يكون فتحاً لآفاق جديدة في هذا المجال.

وتم إنتاج البصريات التوافقية Adaptive optics ، وهي المرايا التي يمكن تشكيل سطحها حسب حالة الجو، مما يسمح بانتشار شعاع الليزر الصادر منها بدون تشوه، وبالتالي يمكن تركيزه على الأهداف بكفاءة أعلى.

ثامناً: إنتاج مصادر ليزر تعمل بالحث الإشعاعي من الثنائيات المشعة

ويتمثل هذا الاتجاه في استبدال اللمبات الوامضة Flash Lamps التي تستخدم الأشعة الصادرة منها في إنتاج أشعة الليزر بمصادر أشعة بديلة، وهي الثنائيات Diodes المشعة؛ لأن استخدام اللمبات الوامضة في مصادر الليزر يحد من كفاءتها وعمرها الافتراضي، نظراً لكبر حجمها وقلة كفاءتها. أما الثنائيات المشعة فتوفر كفاءة تشغيل لليزر تعادل عشرة مرات تلك التي يوفرها استخدام اللمبات، إضافة إلى خفض وزن مصدر الطاقة ونظام التبريد بدرجة كبيرة.

تاسعاً: إنتاج أشعة ليزر غير ضارة بالعين

أهم ما يحد من استخدامات أجهزة قياس المسافة بالليزر أنها تضر بالعين، ما لم تكن هناك مسافة أمان كافية، وهو ما يمثل عائقاً في استخدامها في التدريب. ولذلك تتجه البحوث نحو إنتاج أشعة ليزر غير ضارة بالعين.

عاشراً: وسائل وقاية متطورة

يُجرى العديد من البحوث لتطوير وسائل تحقق حماية كافية للأفراد من أخطار أشعة الليزر. وأحد الاحتمالات المستقبلية هو استخدام المواد المصنوعة من البوليمرات Polymers [2] البصرية، التي يمكنها تغيير خصائصها البصرية عند تعرضها للضوء الشديد، وتصبح معتمة تقريباً عند تعرضها لشعاع الليزر، ثم تعود لحالتها الشفافة السابقة. وهكذا، فإن هذه المواد يمكنها حجب أشعة الليزر، ولكنها في الوقت نفسه تسمح للضوء العادي بالمرور، من دون تغيير.

حادي عشر: توليد الطاقة النووية

هناك نوع من التفاعلات النووية يعطي قدراً هائلاً من الطاقة عند حدوثه، وهو الاندماج النووي Fusion . ويتم ذلك باندماج بعض الذرات الخفيفة معاً لتكوين ذرات أثقل منها. والمصدر الرئيسي لهذه الطاقة هو غاز الهيدروجين. ويمكن تصور مقدار الطاقة الهائلة التي تنتج من اندماج الذرات إذا عرفنا أن حرارة الشمس الهائلة تنتج من اندماج ذرات الهيدروجين في مركزها.

وهناك بحوث لتحقيق الاندماج النووي بواسطة أشعة الليزر، وقد استخدم الباحثون عشرين مصدراً من مصادر الليزر لتركيز نحو 26 مليون وات على قرص صغير من الزجاج، قطره نصف ملليمتر، ويحتوي على خليط من نظائر الهيدروجين، وذلك لمدة قدرت بجزء من عشرة ملايين جزء من الثانية.



[1] فاز مكتشفو الحمض النووي بجائزة نوبل للطب والفسيولوجي عام 1962م. وهذا الاكتشاف كان البداية للثورة الهائلة في مجال الهندسة الوراثية، ليتمكن العلماء من فصل الجينات، التي كان من أثرها مشروع `الجينوم البشرى` عام 1990 دراسة وتحديد مواقع المائة ألف جين المتراصة داخل خلايا الإنسان. وقد تم الإعلان عن تفاصيل المسودة الكاملة للجينوم البشري في يونيه 2000م

[2] جزئيات مواد كيماوية عضوية متحدة


المصادر والمراجع

أولاً: المراجع العربية

1.    رءوف وصفي، "الليزر. ضوء المستقبل"، المؤسسة العربية الحديثة للطبع والنشر والتوزيع، القاهرة، 1998م.

2.    محمد زكي عويس، "أشعة الليزر والحياة المعاصرة"، الهيئة المصرية العامة للكتاب، القاهرة، 1990م.

3.    محمد فهمي طلبة وآخرون، "الموسوعة الشاملة لمصطلحات الحاسب الآلي"، موسوعة دلتا كمبيوتر، المكتب المصري الحديث، 1991.

4.    ميشيل تكلا، "قصة الليزر"، مؤسسة سجل العرب، 1978، ط 2.

ثانياً: المجلات العربية

1.    "المجلة العسكرية"، "تكنولوجيا الوقاية من أشعة الليزر المدمرة"، نجيب محمود نصر، القاهرة، العدد الصادر في أبريل 1994م.

2.    "مجلة الجندي"، "نظم الأقراص الليزرية"، سالم عبد الجبار، دولة الإمارات العربية المتحدة، العدد 321، الصادر في أكتوبر 2000م.

3.    مجلة "التكنولوجيا والتسليح"، "رادارات ومقدرات المسافة بالليزر"، محمود فتحي حسن، المجلد الثاني، العدد الأول، الصادر في يناير 1987م.

4.    مجلة "التكنولوجيا والتسليح"، صلاح حسب النبي، المجلد الثاني، العدد الأول، الصادر في يناير 1987م.

5.    مجلة "الدفاع الخليجي"، "الأسلحة الإشعاعية وحرب الكواكب"، لواء مهندس سعد شعبان، دولة الإمارات العربية المتحدة، العدد الصادر في يونيه 1999م.

6.    مجلة "العلوم"، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي، المجلد 11، العدد 12،الصادر في ديسمبر 1995م.

7.    مجلة "العلوم"، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي، المجلد 11، العدد 2، الصادر في فبراير 1995م.

8.    مجلة "العلوم"، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي، المجلد 12، العدد 3، الصادر في مارس 1996م.

9.    مجلة "العلوم"، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي، المجلد 6، العدد 7، الصادر في يوليه 1989م.

10. مجلة "العلوم"، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي، المجلد 6، العدد 9، الصادر في سبتمبر 1989م.

11. مجلة "العلوم"، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي، المجلد 9، العددان 3 و4، الصادران في أبريل 1993م.

12. مجلة "العلوم"، مؤسسة الكويت للتقدم العلمي، المجلد 9، العددان 7 و8، الصادران في يوليه وأغسطس 1993م.

13. مجلة "القوات الجوية"، دولة الإمارات العربية المتحدة، العدد 37.

ثالثاً: المراجع الأجنبية

1.       Alan H. Cromer, “PHYSICS FOR THE LIFE SCIENCES”, 1981,Second Edition.

2.       B.S.Wherrett,”LASER: Advances and Applications”, JOHN WILEY & SONS, Chichester, New York, 1979,First Edition.

3.       Clarence Karr, Jr.,”Infrared and Raman Spectroscopy of Lunar and Terrestrial Minerals”, Academic press, New York, San Francisco, London, 1975, First Edition.

4.       CONDON and ODISHAW,”HANDBOOK of PHYSICS”, McGRAW HILL International Book Company, 1958,First Edition.

5.       Robert M.Besancon,”The Encyclopedia of Physics”,VAN NOSTRAND REINHOLD COMPANY, New York.1985,Third Edition.

 



 

 
 
 
img135/1910/simofn6.gif

 img356/2986/simo1wl2.gif

 بـــحــث مـــفـــصـــل عــــ || أشــعــة اللــيــزر || ـــــــن
ط¨ط¯ط§ظٹط©
ط§ظ„طµظپط­ط©