يعد الليزر اختراعًا رئيسيًا آخر للبشرية منذ القرن العشرين، بعد الطاقة النووية وأجهزة الكمبيوتر وأشباه الموصلات. يُعرف باسم "أسرع سكين" و"أدق مسطرة" و"ألمع ضوء". في 16 مايو 1960، اخترع الفيزيائي الأمريكي ثيودور ميمان أول ليزر في العالم. لأول مرة، تمكنت البشرية من الوصول إلى مثل هذا المصدر المعجزة للضوء ذو اللون الأحادي الممتاز، والموازاة العالية، وكثافة الطاقة العالية. منذ اختراع أول ليزر في عام 1960، تم استخدام الليزر على نطاق واسع في الاتصالات، والطب، والإنتاج الصناعي، والأسلحة العسكرية، ومجالات أخرى، ليصبح تكنولوجيا ذات أغراض عامة-متعددة التخصصات وكان لها تأثير هائل على الأبحاث في العديد من المجالات وعززت تحسين كفاءة الإنتاج الاجتماعي. إذًا، ما هو الليزر بالضبط؟ وكيف يتم إنتاجه؟
الليزر هو اختصار لـ "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation"، ويعني تضخيم الضوء الناتج عن انبعاث الإشعاع المحفز. عندما تم تقديم هذه التكنولوجيا إلى الصين في عام 1964، صاغ السيد Qian Xuesen هذا الاسم لها. في الاستخدام الشائع، له أيضًا اسم مترجم صوتي مثير للإعجاب إلى حد ما، "leishe". قبل أن نفهم الليزر، دعونا نلقي نظرة أولاً على ما هو الضوء.
يتم إنتاج الضوء بواسطة الفوتونات. في عام 1905، قدم ألبرت أينشتاين لأول مرة مفهوم الفوتونات في ورقته البحثية حول التأثير الكهروضوئي. الفوتونات هي إحدى الجسيمات الأساسية التي تشكل المادة. الفوتونات صغيرة للغاية وليس لها كتلة في حالة الراحة. وفقًا لمبادئ ميكانيكا الكم، عندما يسقط إلكترون من غلاف خارجي ذو طاقة أعلى- إلى غلاف داخلي أقل طاقة-، تطلق النواة الذرية المقابلة فوتونًا، وبالتالي تنتج الضوء. كلما زاد عدد الأغلفة التي يمر بها الإلكترون، زادت طاقة الفوتون. هذه العملية قابلة للعكس. عندما يسقط الفوتون، تمتص النواة الذرية الفوتون، وينتقل الإلكترون، بعد اكتسابه للطاقة، من الغلاف الداخلي-ذو الطاقة الأقل إلى الغلاف الخارجي-ذو الطاقة الأعلى.
من مميزات الليزر أن جميع فوتوناته تتحرك معًا بنفس الطول الموجي والطور. في النظام الذري، تتحرك الإلكترونات بشكل أساسي في طبقات. عندما تتأثر الذرة ببيئتها الخارجية، وتنتقل الإلكترونات عالية الطاقة-إلى مستويات طاقة أقل، فهناك ظاهرتان: "الانبعاث التلقائي" و"الانبعاث المحفز". يتم إنتاج الليزر من خلال الانبعاث المحفز. ببساطة، الليزر هو "الإشعاع الضوئي" المنبعث عندما يتم "إثارة" ذرات المادة بواسطة "مصدر ضخ" محدد.
الليزر هو جهاز يولد ضوء الليزر، ويتكون بشكل أساسي من مصدر مضخة، ووسط كسب، وتجويف رنين. مصدر المضخة هو مصدر إثارة الليزر، حيث يوفر الطاقة للإلكترونات منخفضة الطاقة-لإثارتها إلى مستويات طاقة أعلى. تشمل مصادر المضخات الشائعة الإثارة البصرية، وإثارة تفريغ الغاز، والإثارة الكيميائية، وإثارة الطاقة النووية. تجويف الرنين هو الدائرة بين مصدر المضخة ووسط الكسب، وعادةً ما يتكون من مرآتين لهما أشكال هندسية محددة وخصائص انعكاس بصري مدمجة بطريقة معينة. وهذا يسمح للضوء المثار بالسفر ذهابًا وإيابًا عدة مرات داخل التجويف، مما يشكل تذبذبات متماسكة ومستدامة يتم تضخيمها، كما يحد من تردد واتجاه شعاع الضوء. يشير وسط الكسب إلى وسط العمل الذي يعمل على تضخيم الضوء.
منذ أن اقترح أينشتاين الانبعاث المحفز في عام 1917، قضى العلماء 43 عامًا من الاستكشاف المتواصل قبل إنشاء أول ليزر في العالم أخيرًا في عام 1960. استخدم العالم ميمان، من مختبرات أبحاث هيوز في كاليفورنيا، مصباحًا وامضًا عالي الشدة-لإضاءة حجر الياقوت، مما أدى إلى إثارة ذرات الكروم داخل الياقوت لإصدار الضوء الأحمر. ومن خلال حفر ثقب في سطح الياقوتة، المغطى بمرآة عاكسة، يمكن للضوء الأحمر أن يهرب من خلال هذا الثقب، منتجًا شعاعًا ضيقًا شديد التركيز من الضوء الأحمر. وعندما يتم توجيه هذا الشعاع إلى نقطة ما، فإنه يمكن أن يصل إلى درجات حرارة أعلى من سطح الشمس. وهكذا وُلد أول ليزر في العالم-ليزر الياقوت-، بطول موجة يبلغ 0.6943 ميكرومتر. وكان هذا أول شعاع ليزر ينتجه الإنسان على الإطلاق.
