ما هو الليزر؟ وكيف يعمل؟

الليزر عبارة عن جهاز يركز أشعة الضوء عن طريق إجبار أشكالها الموجية وتردداتها على الانطلاق بنفس الاتجاه وبمحاذاة بعضها البعض… طُورت تقنية الليزر الحديثة لأول مرة في ستينيات القرن العشرين لتضخيم الموجات الدقيقة، ويمكن لتكنولوجيا الليزر الحديثة تكثيف أشعة الضوء في أي جزء من الطيف الكهرومغناطيسي، باستثناء موجات جاما.

كلمة ليزر هي اختصار لجملة (تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المحفز للإشعاع)، وهذا من الناحية التقنية، يشرح كيفية عمل الليزرات.

ولكن لنكن أكثر دقة، الليزرات في الوقت الحاضر لا تقوم بتضخيم الضوء، بل تذبذب الموجات داخل الشعاع لترتيبها بشكل منتظم ومرتب.

كيف يقوم الليزر بوظيفته؟

يمثل الجزء الأساسي من أجهزة الليزر مواد تعطي لأجزاء من الطيف الكهرومغناطيسي دفعة من الطاقة أثناء انبعاثها، يُشار إلى هذا التحفيز مصطلح (الكسب) ويمكنه بفعالية تضخيم قوة الضوء.

وراء هذا التضخيم هناك عملية تسمى الانبعاث المحفز. يُعطى للذرات في المادة نفسها زخمًا من الطاقة (مثل تيار كهربائي عالي)، مما يدفع بالإلكترونات إلى حالة الإستثارة. يتسبب توجيه الضوء أو انعكاسه عبر هذه المادة المُحفَّزة لامتصاص الإلكترونات وإشعاع فوتوناتها.

في بعض أجهزة الليزر، لا يكون هذا الوسط مادة مصنوعة من الذرات على الإطلاق، بل مجرد مجموعة من الإلكترونات تتحرك بسرعة وعالقة داخل تجويف يعكس الضوء حوله، تقنيًا يعزز الوسط المكتسب كمية الضوء الساطع الذي يمر عبره. وهذه هي القاعدة الأساسية لتضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز.

ينتهي الضوء الذي يمر عبر وسط الاكتساب جميعه بنفس اللون. بالضبط نفس اللون، بطول موجة متطابق، وبنفس الاتجاه، ونفس الاستقطاب، لكن بنسبة أكبر قليلًا من ذلك.

إرسال الموجات ذهابًا وإيابًا من خلال التجويف الضوئي ثم تصفية الشعاع، يُنتج أمواج بنفس الخصائص. كل فوتون في هذا الشعاع ليس لديه فقط نفس الخصائص، بل يتزامن تذبذبه مع حزمة الفوتونات.

أقوى ليزر موجود على الإطلاق:

يمكن العثور على أقوى ليزر صُمم حتى اليوم في منشأة European Extreme Light Infrastructure (البنية التحتية الأوروبية للضوء الشديد) في رومانيا. تعد ليزراتها من بين أكثر الليزرات كثافة في العالم، حيث يُنتج نبضات فائقة القصر من الفوتونات، والبروتونات، والنيوترونات، والنيوترينوات بطاقة مذهلة.

يستخدم في نظام الليزر ذو القدرة العالية وسط اكتساب مشبع التيتانيوم والياقوت اللذان يمكنهما توليد نبضات ليزر بقوة تصل إلى 10 بيتاواط.

لنفرض أن واط واحد يُعادل وحدة جول واحدة من الطاقة في ثانية واحدة. يلزم حوالي 4000 وحدة جول لتسخين لتر واحد من الماء درجة مئوية واحدة.

البيتاواط واحدة تساوي تريليون جول (10 أُس 15 جول) في الثانية. بصراحة، تتلاشى النبضة عند ال 22 فيمتوثانية (22 × 10 أُس -15 ثانية)، ولكن تلك لا تزال كمية جيدة من الطاقة مضغوطة في جزء صغير جدًا من الزمن.

ربما لن تدوم (البنية التحتية الأوروبية للضوء الشديد) في الصدارة لفترة طويلة، إذ قد تتفوق عليها (محطة الضوء الشديد) في الصين في السنوات القادمة باستخدام تكنولوجيا متطورة يمكن أن تولد ليزرات بقوة 100 بيتاواط، اندفاع طاقة بهذه الكثافة يمكن أن تهز المساحات الفارغة لتوليد زخات من الجسيمات في عرض للفيزياء لم نشهد مثله من قبل.