تعدد استخدامات الليزر الطاقه الهائله البديله

تعددت استخداماته الليــزر الطاقة البديلة الهائلة
________________________________________
كُتب : [ 08-28-2008 - 11:02 AM ]


امتدت استخدامات الليزر في السنوات الأخيرة لتشمل قطاعات واسعة من الصناعة ابتداءمن اللحام والقطع لمختلف المعادن وانتهاء في صناعة الحاسبات الدقيقة كما يستخدم فيالطب والاتصالات على نطاق واسع

ويكفي ان نذكر ان الكلفة التخمينية المرصدة لاستخدام الاليافالبصرية في الاتصالات المتقدمة تقدر بحوالي (3 بلايين دولار) لغاية نهاية القرنالعشرين في الولايات المتحدة ولكن استخدامات الليزر العسكرية ربما تفوق جميعالاستخدامات بسبب الأهمية الستراتيجية ونستطيع ان نقدر الميدان الواسع المشمولباستخدامات الليزر وانه ربما يدخل كل مختبر وكل مستشفى وكل مصنع في نهاية القرنالحالي والمستخدمون او العاملون في ميدان الليزر هم علماء ومهندسون واطباء وكذلكقطاعات اخرى في المجتمع وجاءت تسمية كلمة ليزر (LASER) من الاحرف الاولى لفكرة عملالليزر التي تعني تكبير الضوء بواسطة الانبعاث الاستحثاثي للاشعاع الكهرومغناطيسيوقد تنبأ بوجود الليزر العالم البرت اينشتاين في العام 1917 اذ وضع الاساس النظريلعملية الانبعاث الاستحثاثي وتم تصميم اول جهاز ليزر في العام 1960 بواسطة العالمميمان باستخدام بلورة الياقوت ويعرف بليزر الياقوت كما ان اجهزة الليزر تصنع عادةبأحجام واشكال مختلفة بعضها صغيرة جدا بحيث لا يزيد حجمها عن حجم قلم الرصاص اواصغر (ليزرات اشباه الموصلات) وبعضها كبيرة جدا بحيث تشغل ساحة تزيد على اربعة الافمتر (ليزر ثاني اوكسيد الكربون ذو القدرة العالية) وهناك بعض الليزرات تضم موادسامة وهناك انواع لا يحتاج الا ان تربط بمصدر الكهرباء الاعتيادي.
خصائص الليزر
ضوء الليزر يختلف عن الضوء العادي اذ تكون له خصائص متنوعة يحدثنا عنها المهندسسعدون عبدالحافظ فيقول:
ـ الضوء المنبعث احادي اللون اي ان له طولا موجيا واحدايحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته. والضوء المنبعث من الليزر يكونمتزامنا اي ان الفوتونات كلها في الطور نفسه ما يجعل شدة الضوء كبيرة فلا تتلاشىالفوتونات الضوئية بعضها عن البعض نتيجة لاختلاف الطور بينهما ويكون انبعاث الضوءله اتجاه واحد اذ يكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة من الفوتونات في مسار مستقيمبينما الضوء العادي يكون مشتتا وينتشر في انحاء الفراغ والمسؤول عن هذه الخصائص هيعملية الانبعاث الاستحثاثي بينما في الضوء العادي يكون الانبعاث تلقائيا اذ يخرج كلفوتون بصورة عشوائية لا علاقة له بالفوتون الاخر والعامل المهم في انتاج الليزر هوالمرايا المثبتة على جانبي مادة انتاج الليزر تساعد هذه المرايا على عكس بعضالفوتونات الى داخل مادة الليزر عدة مرات لتعمل هذه الفوتونات على استحثاثالكترونات مثارة اخرى لتطلق مزيدا من الفوتونات بالطول الموجي نفسه والطور نفسهوهذه هي عملية التكبير للضوء وتصمم احدى هاتين المرآتين لتكون عاكستيهما اقل من 100 بالمئة لتسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع الليزر الذي نحصلعليه.
تطبيقات مختلفة الفوائد
والليزرات في ايامنا تستعمل في عدد هائل منالتطبيقات تحدثنا الباحثة سرى يوسف محمد الجامعة التكنولوجية عن ابرزها فتقول:
ـالتطور الذي حصل في انواع الليزرات كان سريعا وما زال مستمرا ومع ذلك فقد ظهرتللعيان نماذج عامة لانواع الليزرات وطرق الاثارة وكذلك مواصفاتها وسوف نتطرق الىاستخدامات الليزر في المجالات الصناعية مثل (التثقيب، اللحام، القطع..)
عملياتالتثقيب Drilling Process
تستعمل الليزرات في عمليات التثقيب وذلك بتبخيرالمادة في بؤرة الشعاع وقد تمت دراسة هذا النوع بصورة مركزة يبين الشكل التالي جهازالليزر والمنظومة الضوئية المستعملة لغرض التثقيب واللحام الدقيق وصنع الاجزاءالالكترونية الدقيقة ويمكن ملاحظة هذه العمليات وبصورة مستمرة اذا استخدم مجزئ شعاعبدلا من المرآة المحورية مع وضع مرشحات بين مجرئ الشعاع والعدسة الشيئية وذلك لمنعوصول الطاقة المنعكسة الى العين وفي عملية التثقيب يجب ان تكون شدة الطاقةالمستخدمة الى الحد الذي يؤدي الى تبخر سريع للمادة قبل انتشار الحرارة ووصولها الىالاجزاء المساعدة المستخدمة في عملية التثقيب وهذا يحد من الانصهار كما يؤدي الىحصر الحرارة بجوار الثقب.
عملية القطع Cutting Process
ان عمليات القطعاساسا هي ازالة المادة من حز القطع او المنشار عدا في حالة التصوع الحراري والقطعيتطلب استخدام الليزرات النبضية او المستمرة التي تتكرر دوريا فتعمل سلسلة متتاليةمن الثقوب المتداخلة التي بدورها تسبب قطعا مستمرا في المادة ويمكن زيادة تأثيرالقطع بالليزر باستعمال تيار من الهواء يسري مع محور حزمة الليزر وقد استعمل هذا معليزرات ثاني اوكسيد الكاربون وان احدى افضل تطبيقات الليزر هو تقطيع الاسلاكوالصفائح وان مشكلة الغبار والنفايات تقل وتحدث عملية القطع بشكل صامت تقريبا. هنالك العديد من الصناعات تحتاج الى كميات كبيرة من المواد وبأشكال مختلفة مثلتصنيع ادوات لصناعة الصناديق الكرتونية وكذلك قطع الاقمشة لصناعة الملابس وان ليزرثاني اوكسيد الكاربون التي تعمل بشكل مستمر يمكن ان تقطع كل شيء تقريبا ولو تمتركيز الحزمة ومن ثم توجيه تيار من الغاز على منطقة العمل.
عمليات اللحام Welding Process
وتشمل عمليات اللحام صهر حافتي قطعتي معدن منفصلتين بحيثتندمجان معا لتكوين تركيب صلب متصل عند التبريد ومن محاسن اللحام بالليزر لبعضالمعادن هو ان بعض الشوائب مثل الاوكسجين ان تصعد الى السطح خلال عملية اللحامونتيجة لذلك يكون اللحام اقوى من ذلك الناتج بالطرق الاعتيادية للحام ومنالاعتبارات المهمة في اللحام هو ان تكون القدرة كافية لصهر المادة وليس تبخيرهاوكنتيجة لذلك فان اللحام يكون اكثر صعوبة مع مواد مثل الكروم والتانتاليوم بسببتقارب درجتي انصهارهما وغليانهما ولقد تم استخدام ليزر الياقوت والناديميومالنبضيتان بنجاح في عملية اللحام ايضا وهنالك نوعان اساسيان من اللحام (التوصيلالمحدود والاختراق العميق) ويستعمل الليزر النبضي والمستمر في لحام التوصيل المحدودعندما يحدد التوصيل الحراري عمق منطقة اللحام من السطح العلوي وللحصول على لحامبجودة عالية فمن الضروري ان يكون الليزر ذا استقرارية عالية وان امتصاص معظمالمعادن يزداد بازدياد درجة الحرارة ويكون اعلى في حالتي الانصهار والبخار مقارنةبالحالة الصلبة ونتيجة لذلك تحصل حالة غير مستقرة فالتغير الهندسي بسبب الحرارةيؤثر على حالة اللحام.
الاستئصال Ablation
عندما تكون قدرة حزمة الليزرالمركزة كبيرة بما فيه الكفاية فيمكن رفع درجة حرارة المادة اعلى من درجة الغلياناذ يمكن ازالتها بالتبخير وان عملية الاستئصال هذه لها تطبيقات عديدة وتشمل التصنيعوتبخير المواد او للتحليل الطيفي عندما يكون المطلوب بتبخير المادة يستخدم ليزربنبضية لغرض تحقيق كثافة قدرة عالية وهذه العملية تعجل من الوصول الى نقطةالانصهار. اذ تزداد عملية تحديد المساحة ويقل عمق المادة المتأثرة وهو شيء مرغوبفيه اذا كانت تجنب تسخين المادة التي يرسب عليها مطلوبا من ناحية اخرى يجب ان لايكون زمن النبضات قصيرا اذ تحصل الصدمات الحرارية وهذا يسبب اشكالا في حالة الموادواطئة التوصيل الحراري على الرغم من ان الميزة الاخيرة تساعد في الوصول الى نقطةالانصهار بسهولة. حتى الان تمت مواجهة بعض المشاكل في حفر الثقوب في الماس مثلاستخدام الجزء الفولاذي الصلب القاطع ذي الطرف الماسي وكذلك عجينة الثقب الغاليةوان العملية تاخذ وقتاً كبيراً باستخدام عدسة لتركيز الحزمة من ليزر الياقوتالنبضية اوليزر النديميوم يمكن حفر ثقوب في بضعة دقائق وفي تصنيع الدوائر الدقيقةوتصنيع الاقنعة ولقد استخدم لهذا الغرض ليزر هيليوم ـ نيون بطول موجه (15 ,1) مايكرومتر لتكوين اقنعة لعمل توصيلات داخلية للدوائر.
وتطبيقات اخرى ذات الطبيعةالاساسية وهي التفاعلات الكيمياوية الضوئية الحاصلة بواسطة حزمة الليزر.
اما عنتطبيقات الليزر في مجال التشغيل الالي فتضيف الباحثة قائلة:
ـ تأتي فائدةاستخدام الليزرات من حفر الابعاد التي يمكن بلوغها للحام او القطع وهي عالية القدرة (مثل ليزر ثاني اوكسيد الكاربون بقدرة 10 كيلو واط تقريباً) للحام العميق وقطعالمداد السميكة (بسمك يساوي سنتيمتراً واحداً تقريباً وان حفر هذه الابعاد يكونمهماً عندما يكون اللحام او القطع الذي يجب عمله قريباً من جزء ميكانيكي يتطلبالدقة ويجري حديثاً استخدام الليزر في نوع جديد من التلفزيون الملون ذي الشاشةالكبيرة حيث تستخدم ثلاث حزم ليزرية ذات الون مختلفة (مثل الحزمتين الزرقاءوالخضراء من ليزر الاركون الايوني والحزمة الحمراء من ليزر الكربون الايوني) وتضمنسعة هذه الحزمة بواسطة اشارة الفديو ثم تجمع وتذكر على الشاشة.
تطبيقاتطبية
يمكن القول بأن الليزر له تأثير على المناطق الحساسة في جسم الانسانكالعين والجلد والعمليات الجراحية من دون ان يقطع جلد الانسان او يسيل الدم ويوفربذلك معاناة الم وطالما نصور الانسان بالمقابل الحصول على (اشعة الموت) والتي بمجردان يسلطها على اي مخلوق، يحوله الى هباء. ويستخدم الليزر في اجراء العملياتالجراحية وفي طب العيون لكونه من مصادر الطاقة ذات الشدة العالية ويقوم باداءالعمليات الجراحية في الجسم من دون لمس ومعالجة الامراض الجلديةوالانسان.
وهنالك بعض المزايا البارزة لليزر ومجالات تطبيقاته الحاليةوالمستقبلية وهي
التصرف باشعاع وطب العيون والجراحة والتشخيص وطب الاسنانوتقنية التحليل وكشف التلوث.
ان لليزر تأثيرات على الجسم عند استخدامه فيالعمليات الجراحية ففي التطبيقات الجراحية تحدد طاقة الليزر الى المستوى الكافيللقيام بالعملية الجراحية وفي حال استخدام الطاقات العالية يكون الضرر كبيراوبالطاقة العالية جدا مؤذيا وخطيرا.
انواع الليزرات
واذا كنا تعرفنا على عددمن تطبيقات الليزر فمن المهم ان نتعرف على انواع الليزرات وهذا ما حدثتنا عنهالباحثة هند خالد في الجامعة التكنولوجية اذ قالت:
ـ التطور الذي حصل في انواعالليزرات كان سريعا وما زال مستمرا ومع ذلك فقد ظهرت للعيان نماذج عامة لانواعالليزرات وطرق الاثارة وكذلك مواصفاتها ويأتي الليزر بانواع مختلفة حسب الاستخداماتوتنوع الليزر يأتي من تنوع المادة المستخدمة لانتاجه فهناك من المواد الصلبةوالسائلة والغازية ويعد نوع المادة الاساس الاكثر استخداما للتميز بين الانواعالمختلفة ويسمى الليزر من خلال نوع المادة المستخدمة فمثلا ليزر الهيليوم (He - Ne) يعني ان المادة المستخدمة هي خليط من الهيليوم والنيون وليزر الياقوت وهكذا لباقيالانواع الاخرى ولنأخذ بعض الامثلة لانواع مختلفة لليزر.
ليزر الحالة الصلبة Solid - state Lasers
ـ وتتكون من مادة المضيف التي تنتشر فيها مادة الليزرويهيج بالاشعة الضوئية ويجب ان لا تكون المادة المضيفة محددة لعمليات الليزر كمايجب ان تكون شفافة للاشعة المهيجة وان تمتلك خصائص بصرية وحرارية جيدة وقد استخدمعدد كبير من المواد.
الياقوت Ruby
كان الياقوت اول مادة اظهرت الفعاليةالليزرية وتمت دراستها بصورة مستفيضة وقد عرف على انه حجر كريم طبيعي.
وانالياقوت هو الشكل البلوري لاوكسيد الالمنيوم (الزفير) مطعم باوكسيد الكروم (Cr2 o5) بتركيز يقترب من 3 .0 بالمائة ويمكن الحصول عليه على شكل قضبان كبيرة واقراص وانالمجالات الرئيسة لاستعمال ليزرات الياقوت هي عندما تكون الحاجة الى قدرات نبضيةعالية لغاية (/0 12W) او عندما يكون المزج الضوئي ذا فائدة.
النيوديميوم
هومن الليزرات الصلبة ذات الاربعة مستويات وقد تم صنعه حديثا مقارنة بليزر الياقوتويستخدم بكثرة ولاغراض عديدة داخل وخارج المختبر وفي معظم التطبيقات التي تستلزمفيها تصريف قدرة خارجة ضخمة وان مجموعة ليزرات النيوديميوم تلقي اهتماما في تطبيقاتواسعة وخاصة ليزرات بلورة الياك (YAG).
ليزر الغاز
لقد اتضح ان عددا منالغازات تظهر الفعالية الليزرية ومن تلك الغازات اصبح الكثير منها متوفر تجاريااكثر من مواد ليزرات الحالة الصلبة ومن هذه الليزرات ليزر الهليوم نيون الاركونايون. ليزرات ثاني اوكسيد الكربون (Co2) وكل واحد منها قد استخدم في الصناعة بصورةواسعة.
ليزرات اشباه الموصلات
يظهر العديد من المواد شبه الموصلة خواص ليزريةعندما توضع في مجال كهربائي وبعض الاحيان تسمى بالليزرات الحقن.
ليزرالاكسيمر
تطلق على انواع الليزر التي تستخدم الغازات الخاملة مثل غاز الكلور اوالفلور او الكربتون او الارجون وتنتج هذه الغازات اشعة ليزر ذات اطوال موجبة في مدىالاشعة البنفسجية.
ليزر الاصباغ
وهي عبارة عن مواد عضوية معقدة مثل الرودامينمذابة في محلول كحولي وتنتج ليزراً يمكن التحكم في الطول الموجي الصادرعنه:
ليزرات السوائل
والليزرات الكيمياوية
ويتميز هذا الليزر بطوله الموجيفمثلاً الطول الموجي لليزر الياقوت هو (694 nm) ويتم اختيار مادة الليزر بناء علىالطول الموجي المطلوب فمثلاً يستخدم ليزر غاز ثاني اوكسيد الكربون في قطع المعادنالصلبة لان طوله الموجي في مدى الاشعة تحت الحمراء وهي اشعة حرارية اذا سقطت بتركيزعلى سطح معدن