أشعة الليزر وكيف يتم استخدامها؟ 

ما هو الليزر؟

يعد الليزر مكونًا رئيسيًا للعديد من المنتجات التي نستخدمها يوميًا. تعتمد المنتجات الاستهلاكية في أجهزة الكمبيوتر التي تقرأ أقراص Blu-Ray و DVD على تقنية الليزر لقراءة معلومات القرص. كما تعتمد ماسحات الباركود على أجهزة الليزر لمعالجة المعلومات. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام الليزر في العديد من العمليات الجراحية مثل جراحة العين بالليزك. وفي الإنتاج الصناعي، يتم استخدام أشعة الليزر للقطع والنقش أو وضع علامات على مجموعة واسعة من المواد.

من بين المزايا التي توفرها تقنية الليزر، هناك العديد من التطبيقات والاستخدامات المفيدة، مثل:

• قياس المسافات باستخدام أشعة الليزر
• معالجة المعلومات في أقراص DVD و Blu-Ray
• قراء أكواد الباركود على المنتجات والسلع
• جراحة العين وتصحيح البصر باستخدام الليزر
• التقاط صور ثلاثية الأبعاد
• التحليل الطيفي بالليزر
• قطع المواد
• النقش على المواد
• الرسم على المواد

تاريخ تكنولوجيا الليزر

بدأت تقنية الليزر مع ألبرت أينشتاين في أوائل القرن العشرين. وقد تطورت هذه التكنولوجيا بشكل أكبر في عام 1960، عندما تم بناء أول ليزر في مختبرات أبحاث هيوز.

لتحليل وفهم تطور تقنية الليزر، اتبع الجدول الزمني أدناه:

في عام 1917، وضع ألبرت أينشتاين الأساس لتقنية الليزر عندما تحدث عن ظاهرة “الانبعاث المحفز”، وهو أمر أساسي لعمل جميع أشعة الليزر.

في عام 1939، قام فالنتين فابريكانت باستخدام الانبعاث المحفز لتضخيم الإشعاع.

في عام 195، قام تشارلز تاونز ونيكولاي باسوف وألكسندر بروخوروف بتطوير نظرية الكم للانبعاث المحفز وإثبات الانبعاث المحفز للموجات الدقيقة. ونتيجة أبحاثهم هذا، حصلوا على جائزة نوبل في الفيزياء تكريمًا لهذا العمل الثوري.

في عام 1959، طرح جوردون جولد – وهو طالب دراسات عليا في جامعة كولومبيا الأمريكية – فكرة استخدام الانبعاث المحفز لتضخيم الضوء. وقام بوصف مرنان بصري قادر على إنشاء شعاع ضيق من الضوء المتماسك والذي يعرفه باسم الليزر LASER، وهي كلمة مركبة تشمل الأحرف الأولى من جملة “تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع”.

في عام 1960، بنى ثيودور ميمان أول نموذج أولي يعمل بالليزر في معامل هيوز للأبحاث في ماليبو بولاية كاليفورنيا الأمريكية. حيث استخدم هذا الليزر الياقوت الصطناعي كوسيط نشط يبعث شعاع ضوء أحمر متماسك بطول موجة 694.3 نانومتر. كان أول تطبيق لهذا النوع من الليزر هو استخدامه في أجهزة لتحديد المسافات والإحداثيات العسكرية، ولا يزال يستخدم تجاريًا لحفر ثقوب في قطع الماس بفضل قوته العالية.

في عام 1963، تم تطوير ليزر ثاني أكسيد الكربون (CO2) من قبل كومار باتل في مختبرات AT&T Bell. وهو أحد أنظمة الليزر التي تعتمد على غاز ثنائي أكسيد الكربون في تشغيلها، يتميز ليزر ثاني أكسيد الكربون بأن تكلفة تشكيله وتشغيله أقل بكثير من أي نوع أخر، كما أنه ذو كفاءة أعلى من ليزر الياقوت. كل هذه العوامل جعلت منه الليزر الأكثر استخدامًا لأكثر من 50 عامًا.

استخدامات الليزر في مجال الصناعة

قطع بالليزر

القطع باستخدام أشعة الليزر هو فصل وقطع المواد بشكل كامل من السطح العلوي إلى السطح السفلي. يمكن إجراء القطع بالليزر على مادة تكون من طبقة واحدة الطبقة أو عدة الطبقات.

عند قطع مادة متعددة الطبقات، يمكن التحكم في شعاع الليزر بدقة لقطع الطبقة العلوية دون التأثير على الطبقات الأخرى للمادة.

يعتبر سمك وكثافة المواد من العوامل المهمة التي يجب مراعاتها عند إجراء القطع بالليزر. يتطلب قطع مادة رقيقة طاقة ليزر أقل من قطع نفس المادة إذا كانت أكثر سمكًا. تتطلب المواد منخفضة الكثافة عادةً طاقة ليزر أقل. ومع ذلك، فإن زيادة مستوى طاقة الليزر يحسن بشكل عام من سرعة القطع بالليزر.

بشكل عام، يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون ذو الطول الموجي 10.6 ميكرون في المقام الأول لقطع المواد غير المعدنية. في حين يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الألياف على حد سواء لقطع المعادن. ومع ذلك، يتطلب قطع المعادن عادة مستويات طاقة أعلى بكثير من المواد غير المعدنية.

إن تقنية الليزر هي أداة مثالية لتلبية مواصفات القطع الدقيقة حيث تسمح بتحديد وتعديل قوتها واستخدامها.

النقش بالليزر

يتضمن النقش بالليزر إزالة المواد من الأعلى إلى الأسفل حتى عمق محدد دون أن يتم قطع المادة.

يحدد نوع المادة ومستوى طاقة الليزر الحد الأقصى لعمق النقش وسرعة العملية. بشكل عام يكون الشق السطحي أسرع من الشق العميق. علاوة على ذلك، يتم حفر المواد ذات الكثافة المنخفضة بشكل أسرع من تلك المواد ذات الكثافة الأعلى. تعمل زيادة مستوى طاقة الليزر بشكل عام على تحسين سرعة النقش بالليزر.

ليزر ثاني أكسيد الكربون ذو الطول الموجي 10.6 ميكرون يستخدم على نطاق واسع للنقش المواد غير المعدنية.

ليزر ثاني أكسيد الكربون لا تستخدم في الحفر أو النقش على المعادن، لأن معظم طاقة الليزر تنعكس. ومع ذلك، يمكن استخدام ليزر الألياف ذو الطول الموجي 1.06 ميكرون للنقش السطحي على المعادن.

وضع العلامات بالليزر

يتم وضع العلامات بالليزر بطريقتين. في الطريقة الأولى، يزيل الليزر القليل من المادة لإنشاء عمق (حفر دقيق بالليزر)، أما في الطريقة الثانية، يغير المادة (اللون أو التباين أو الانعكاس على لسطح).

بشكل عام، يعد وضع العلامات بالليزر طريقة لوضع تعريف أو معلومات يمكن قراءتها من قبل الإنسان و / أو يمكن قراءتها آليًا، مثل الرمز الباركود أو رمز التاريخ أو الدُفعة أو الرقم التسلسلي أو الرقم الجزئي. يمكن أيضًا وضع علامة على معلومات أخرى مثل الشعارات والرسوم البيانية والرسوم التوضيحية والصور الفوتوغرافية على مادة ما.

لوضع علامات على المواد غير المعدنية، يستخدم ليزر ثاني أكسيد الكربون ذو الطول الموجي 10.6 – 9.3 ميكرون. ويستخدم ليزر الألياف ذو الطول الموجي 1.06 ميكرون لوضع علامات على سطح العديد من المواد المعدنية.