تطبيقات الليزر الصناعية 2

17- علم طبقات الأرض :

قدرة الليزر على اختراق الصخور لأعماق طويلة عن طريق تبخير مكوناتها ، هذا البخار المتصاعد يوجه في نفس خط الحفر إلى جهاز مطياف Spectroscope ، لمعرفة مكونات الصخور من العناصر المختلفة والنسبة المئوية لتواجدها ،والميكانيكية الرئيسية في استعمال الليزر لمعاملة المواد هي العملية الثنائية في الإذابة والتبخير . تصرف الطاقة الشعاعية الساقطة على سطوح المواد بتركيز حزمة الليزر بأربع طرق :

1 ) جزء من الطاقة يعكس ويفقد .

2 ) تستعمل أكثر الطاقة المتبقية لذوبان المعادن .

3 ) يستخدم جزء صغير نسبياً من الطاقة لتبخير السوائل المعدنية .

4 ) يوصل الجزء الأصغر من الطاقة إلى المعادن غير الذائبة على شكل حرارة .

يمكن استخدام الليزر في المناجم للتعرف على مكونات الصخور من المعادن المختلفة، وكذلك من الممكن الاستفادة منه في حفر الآبار البترولية والكشف عن كميات ومعدلات وجود البترول والمواد الأخرى المصاحبه لها ، وأعماقها الأرضية ، ونوعية طبقات التربية








هناك فرق كبير بين ما هو معروف من أعداد الليزرات المكتشبفة والمصنعة في مراكز البحوث المختلفة ، وبين المستخدم منها تجارياً في التطبيقات الصناعية ، حيث أن المتطلبات التجارية تختلف عن استعمالات البحث والتطور ، وتدخل في ذلك معايير كثيرة فنية وتجارية على حد سواء . إلا أن الملاحظ هو الزيادة المستمرة في عدد الليزرات للتطبيقات الصناعية ، وما هو متوفر اليوم تجارياً قد يتغير من شهر إلى آخر . ونذكر على سبيل المثال بأن الليزرات المستخدمة في عمليات تصنيع المواد هي :

ليزر الياقوت ، وليزر الياج ، وليزر الزجاج ، وليزر ثاني أكسيد الكربون ، والأرجون . فطريقة الحث في الليزرات الثلاثة الأولى تتم بالضخ الضوئي ، أي تستخدم مصادر ضوئية متوهجة ذات قدرات عالية في إثارة موادها وتحفيزها على بعث شعاع الليزر . أما الليزرين الآخرين فطريقة الحث فيهما بالضخ الكهربائي أي تستخدم أقطاب كهربائية تحت جهد عالي في تأين الغازات المستخدمة ، وبالتالي إثارة ذراتها وتحفيزها على إشعاع الليزر أو ما يعرف بالحصول على التعداد المعكوس ، المبدأ الأساسي في الحصول على شعاع الليزر من المواد .

1 ) أجهزة الليزر مع معاملة المواد :

يُستخدم الليزر في عمليات تصنيعية عديدة أبدى فيها كفاءة عالية في رفع الإنتاج وتقليل التكلفة من جراء السرعة العالية في الإنجاز ، وهبوط معدلات الضياع والفقدان ومن الأجهزة والوحدات الشائعة الاستعمال حالياً ، نذكر منها ما يلي :

أ) وحدة القطع والحفر :

تستعمل هذه الوحدة لقطع وحفر المواد التالية : المعادن بأنواعها ، والمواد البلاستيكية، والخزف أو السيراميك ، والأنسجة الكيميائية ، والأقمشة المختلفة ، وحتى المواد الزجاجية عندما يطلى سطحها بطبقات من المواد الماصة للإشعاع الضوئي مثل الكربون .

ب ) وحدة التشذيب :

في عمل الدوائر الإلكترونية المتناهية في الصغر يجرى ترسيب المواد الموصلة والعازلة على رقائق من المواد نصف الموصلة للتيار الكهربائي مثل السيليكون والعقيق والخزف ومن ثم تسلخ الزوائد من الرقائق الدقيقة بين الدوائر الإلكترونية وتفصل عن بعضها لإعطاء الصيغة النهائية للدائرة الإلكترونية .



الليزر في التصوير الشجي الهولوكراف



أولاً : مبادئه وأهميته

استخدام أشعة الليزر في التصوير الشبحي المتكامل المجسم بأبعاده الثلاثة :

تعتبر القدرة على الرؤية المجسمة إحدى الخواص الفريدة التي تملكها العين عند الإنسان ، والليزر فتح المجال للقدرة على التصوير المجسم ، لما يمتلكه من صفات غير عادية في خصائص شعاعه ، أهمها في هذا المجال هي شدته وترابط موجاته المنبعثة في الزمان والمكان أو ما يعرف بالترابط الموجي لإشعاعاته . وقد عرف هذا العالم الجديد باسم الهلولوجراف وهذا تعبير مركب من كلمتين يونانيتين الأصل هي هولو … وجراف ومعناهما التسجيل المتكامل ، وفي الواقع ليس تصويراً بمعنى التصوير التقليدي (الفوتوغرافي) بل إظهاراً وتسجيلاً متكاملاً للجسم بحيث لا نفرقه عن أصله ولا نميزه عن حقيقته إلا إذا قيل لك .

عندما ترى الهولوجرام لجسم ما فإنك تجد التفاصيل الدقيقة ، وتستطيع أن تتفحصه من كل الجهات وباختلاف الزوايا كأنك ترى شبحاً مجسماً في الفضاء وإذا هممت بتلمسه انبرى لك فضاء فارغاً وتصعقك الحقيقة لأول وهلة بأنها خيالاً مجرداً ، لا حياة فيه ، ولا تملك إلا أن تتساءل كيف حيث هذا ؟

أما في الهولوجراف فإنك ترى كل الجسم وعندك متسع من الوقت لفحصه ودراسته من كل الجوانب والاتجاهات لترى حقائق أخرى قد غابت عنك في واقعها . يسحرك هذا العالم ويدخلك عالماً آخراً تمتزج فيه الصورة والخيال .

لا حاجة في الهولوجراف لاستخدام العدسات ، بل نحتاج إلى شعاع الليزر في أبسط أشكاله ، وصفيحة شفافة وحساسة لضوء الليزر مع مرآة عاكسة . يقسم شعاع الليزر إلى قسمين : القسم الأول يسمى بشعاع الجسم حيث يتجه إلى الجسم نفسه وينعكس منه حاملاً في طيات أمواجه التفاصيل الكاملة له على صيغة التغييرات الحادثة في أطوار وسعات الموجات والجزء الآخر من الشعاع والمسمى بالشعاع الأصل يعكس بمرآة ليلتقي مع الجزء الأول على الصفيحة الحساسة والتي تسمى بالهولوجرام ومن تداخل هاتين الحزمتين . تتكون على الصفيحة الحساسة دوائر مركزية وخطوط متشعبة لا تمت بصلة للجسم المصور ولكننا إذا أمعنا النظر في داخلها فسنرى عالماً آخر تجد فيه الجسم المصور يحتل مكاناً بارزاً وإن ثُبتت الصفيحة الحساسة ووجهت عليها الإضاءة الملائمة برز الجسم بأبعاده الثلاثة وبشجيته المذهلة مرتكزاً في الفضاء الفارغ .

ولو أردت أن تكون نفس هذه الصورة بالطرق الفوتوغرافية العادية لوجدت أنك بحاجة لأخذ ملايين الصور وبزوايا مختلفة لتعطي كامل التفاصيل الدقيقة ، وطبعاً من المجال جمعها سوياً .

والأغرب من ذلك لو أنك حطمت الصفيحة الحساسة ( الهولوجرام ) إلى قطع صغيرة متناثرة سوف تجد في كل قطعة منها الصورة الشبحية نفسها كأن شيئاً لم يتغير فيها ولكنك لو دققت النظر سوف تجد بأن إحدى الزوايا مفقودة .



ثانياً : تطبيقات الهولوجراف



يمكن إيجاز أهم تطبيقات الهولوجراف في النقاط التالية : -

إنه استقطب خيال الكثير من المهندسين والباحثين في التطبيقات الصناعية ، المدنية منها والعسكرية فبوساطة ، الهولوجراف تخزن المعلومات في الكمبيوتر وبذلك ترتفع كفاءة وسعة وسرعة خزن المعلومات في ذاكرة العقول الإلكترونية .

× في المجاهر ( الميكروسكوبات ) يمكن استطلاع ورؤية الخلايا الحية وبأبعادها المجسمة الثلاثة ، وبذلك تعطي العلماء والباحثين ولأول مرة القدرة على رؤية الخلايا والجسيمات الدقيقة والتي لا ترى بالعين المجردة ، بوضعها الطبيعي المجسم .

× تصوير الأجزاء المعدنية والميكانيكية في السبائك والمواد المطاطية المختلفة ، وتدرس بذلك عيوب التصنيع وجودة الآلات ، بالإضافة إلى مراقبة التغيرات الحادثة نتيجة الاستعمال والاستهلاك وهي تعطي مؤشرات الخطورة قبل وقوعها .

× لمنع السرقات للتحف والآثار الثمينة أو المجوهرات النادرة والأعمال النفيسة فإنه تصور بالهولوجراف ، وعرض صورها المجسمة بدلاً منها وهذه الصور لا تفرق عن أصولها في كل دقيقة من دقائق تكوينها ، وهذه ، كما لا يخفى ، معالجة رائعة ومذهلة لسرقات التحف النفيسة .

× يستفاد من طريقة الهولوجراف في الطرق الدولية داخل المدن في إظهار الإرشادات المختلفة لسائقي العربات على شكل كلمات مجسمة للتدليل عن إغلاق لبعض الممرات ، أو استخدام مسارات مختلفة منعاً لوقوع الحوادث ، ويستعاض عن النشرات الراديوية بذلك .



الخيال العلمي :



ربما يجعلنا هذا الموضوع أن نحلق في أحلام وخيالات كثيرة عن مستقبل تطبيقاته . خصوصاً إذا ما تذكرنا بأن أشعة الليزر نفسها كانت خيالاً قبل أن تكون حقيقة . وما نقصده هنا - كيف إن العلم والخيال ترابط بين المعروف والمجهول ، مما يجعل التخيل لمستقبل الهولوجراف مفتوح على مصراعيه . ومنها استخداماته في الفضاء لإرسال الصور المجسمة إلى أغوار الكون ، من كواكب ، ونجوم ، ومرات ، وأجرام سماوية ، لدراستها وتفهمها . أو استخداماته في النواحي العسكرية وخصوصاً في الحروف النفسية والتمويه للأعداء ، حيث بالاستطاعة عمل الكثير من الصور والمجسمات الخيالية الشبحية باستخدام هذا الأسلوب في التصوير بأشعة الليزر .

أما الاتصالات التلفزيونية ونقل الصور المجسمة باستخدام الهولوجرام ستكون حدثاً فريداً في رؤية الأِشكال والصور بأبعادها الثلاثة كما أنه لا حاجة إلى جهاز لاستبقال مثل الصور التي يمكن تركيزها في الفضاء الفارغ ؟






رغم تعدد وتنوع الأجهزة الليزرية إلا أنها تتفق بشيء واحد هو تركيبها . ونقصد بتركيب العناصر الداخلة في تقنية أجهزة الليزر . إذ يشترط لعمل أي جهاز ليزر توفر العناصر التالية، وبدونها لا تعمل تلك الأجهزة وهي :

1 ) المادة الفعالة .

2 ) جملة ضخ الطاقة .

3 ) جملة التضخيم الضوئي .

1 ) المادة الفعالة :

وهي الوسط المادي المولد للأشعة المحثوثة ( الليزرية ) والمضخم الأولي لها . وقد تكون تلك المادة غازاً نقياً أو مزيجاً منه ، وقد تكون سائلة أو صلبة . ويتم اختيار المادة الفعالة بعد دراستها طيفياً وتحديد جميع سويات الطاقة فيها والتعرف على مداراتها الالكترونية ، وخاصة المدارات التي تحدث بينها الإصدارات الضوئية التلقيائية والليزرية .



2 ) جملة ضخ الطاقة :

وهي تتكون من فلاش ضوئي ( وامض ) ومن النوع المستعمل في التصوير الفوتوغرافي العادي . وهي بشكل أنبوب زجاجي حلزوني يرفيع ، وتومض الإشارة الضوئية فيه بسبب حدوث تفريغ كهربائي للتيار المار في الغاز الموجود فيه . وللومضة الضوئية الصادرة عنه فترة زمنية هي جزء بالألف من الثانية الواحدة . وهذه الفترة الزمنية كافية لإثارة شوارد الكروملسوية طاقة عالية . بحيث يؤدي ذلك لحدوث انعكاس جماهيري للذرات . وينقلب عندئذ منحني بولتزمان ، وتصبح قاعدة هرم توزع الذرات في الأعلى ، ورأسه في الأسفل ويغذي هذا الفلاش الوامض مجموعة من المكثفات الكهربائية بطاقة إجمالية تبلغ 4000 فولط . ويكون الضوء الصادر عنه أبيض اللون ، ويحقن هذا الضوء في مادة القضيب من جميع أطرافها . كما تترواح طاقة الفلاش الضوئية بين 100-1000 جول .

3 ) جملة التضخيم الضوئية ( الرنانة الضوئية ) .

وهي تتكون من مرآتين مستويتين أو كرويتين ، وتوضعان متقابلتين ، والوجه العاكس لهما سكون نحو الداخل ، أي باتجاه المادة الفعالة . وهذا الترتيب يقوم بعملية تضخيم وتكبير وتنمية الإشعاع المحثوث بطريقة التغذية الراجعة . لأن تضخيم المادة الفعالة لوحده لا يكفي لانبثاق شعاع الليزر منها . كما أن الفوتونات الصادرة عنها تكون متناثرة في كل الاتجاهات والمناحي . فتقوم الرنانة الضوئية بتجميعها وتنظيمها في حزمة ضيقة جداً لا يزيد قطرها عن بضع ميليمترات ، وعملها هو جعل الفوتونات تهتز جيئة وذهاباً ضمن المادة الفعالة لزيادة طاقتها وتركيز شدتها .

× عن حركة الفوتونات التكرارية ضمن المجاوبة الضوئية يطيل مسارها ضمن المادة الفعالة، وبالتالي يحدث لها تغذية وتقوية . وتزداد طاقة الشعاع وشدته .






يمكننا القول أن لكل نوع من أجهزة اللزر ميزة خاصة يتمتع بها دون سواه من الأجهزة . فالجهاز الذي يصلح في العمليات الجراحية لا يصلح لصهر المعادن ، والذي يستخدم في التحليل الكيميائي لا يصلح في تعيين المسافات .

وهكذا يمكننا تصنيف أجهزة الليزر وفق الأنواع التالية :-



1 ) ليرزات غازية

وهي تشمل العديد من الغازات النقية أو بشكل مزيج منها ويتم مزجها بنسب معينة وبشروط خاصة من الضغط والحرارة . وهي تبدأ بغاز الهيدروجين وحتى تشمل جميع الغازات تقريباً . وحتى بالإمكان الحصول على إشعاع ليزر في الهواء لكن ضمن شروط معينة . وبما أن لكل غاز ميزة فربدة تميزه عن غيره من الغازات . لذا يكون لكل متطلب ما يناسبه من تلك الليزرات .



أهم الليزرات الغازية هي : الآزوتي - الآرغوني المؤين - وغاز الكربون - والليزر الغازي هيليوم - نيون .



2) ليزات الجسم الصلب :

مثل الياقوت الأحمر والزجاج المنشَّط من نوع نيوديميوم ياغ ، وليزرات الأتربة النادرة .



3 ) ليزرات السوائل :

مثل ليزر معقد الشيلات في محلول الكحول المشوب بشاردة النوديميوم وهناك ليزر أوكسي كلور الفوسفور وليزر الروادمين - والليزرات الصبغية - والليزرات الكيميائية .



4 ) الليزرات النصف ناقلة :

وهي التي تمرر التيار الكهربائي باتجاه دون الآخر إذا عكس التيار المار فيها ، وهي تتكون من تطعيم بلورة الجرمانيوم أو السيليكون أو الغاليوم آرسنيد أو الآرسنيك بشوائب كالزرنيخ أو الأنديوم او التوتياء أو التلاريوم . ولهذا النوع من البلورات نموذجان ، الأول يكون غنياً بالإلكترونات وله صفة الشحنة السالبة ويدعى بالنوع ( ن ) ، بينما النوع الثاني يكون شحيحاً بالإلكترونات وغنياً باماكن فارغة من الإلكترونات تدعى بالثقوب وتعاكسه بالإشارة . وتكسب هذه الثقوب المعدن صفة الشحنة الموجبة (ب ) فإذا وصلنا ما بين قطعتين من هذين النموذجين اندفعت الشحنات المتعاكسة . نحو بعضها البعض ، ليحدث اندماج بنيهما وانطلاق فوتون ضوئي ليزري إذا كانت الشروط محققة . وهذا الفوتون يصدر من تحول طاقتي الشحنتين لضوء أثناء الاندماج