الحد الأقصى للطاقة الذي لا تتجاوزه الليزرات أبداً

أحدثت أجهزة الليزر - وهي أجهزة تُضخّم الضوء عبر الإصدار المُحفّز - ثورةً في العلوم والصناعة والطب، وحتى في الفيزياء الأساسية. بدءاً من أجهزة الهيليوم-النيون ذات الموجة المستمرة المبكرة وصولاً إلى ليزرات اليوم متعددة البيتاواط، تميّزت هذه الرحلة بتطور هائل في الطاقة والقدرة ومدة النبضة. ومع ذلك، تُحدّد الحدود النهائية الجوهرية - النظرية والعملية - مقدار الطاقة التي يُمكن لأنظمة طاقة الليزر تقديمها. تتناول هذه المقالة تطوير الليزر، ومبادئ فيزياء الليزر، والتصنيفات حسب الطاقة، والعوامل التي تُحدّد الأداء، وهذه الحدود النهائية، وتوجهات البحث المستقبلية. تُثري الرسوم التوضيحية الأقسام الرئيسية.

بعض ألوان أشعة الليزر

1. تاريخ اختراع الليزر وتطويره.

• في عام 1957، اقترح جون إيتشي نيشيزاوا مفاهيم "المايزر الضوئي شبه الموصل"، بينما سعى تاونز وشاوولو إلى تطوير المايزر الضوئي بالأشعة تحت الحمراء. في العام نفسه، صاغ جوردون غولد مصطلح "ليزر" ورسم مخططات تصاميم الضخ ضوئياً.

• طوّر علي جافان وبينيت وهيريوت أول ليزر موجة مستمرة (ليزر غاز الهيليوم-نيون). في عام 1962، قدّم روبرت هول أول ليزر أنصاف نواقل (GaAs، الأشعة تحت الحمراء القريبة)، تلاه ليزر أنصاف نواقل مُصدرة للضوء المرئي بواسطة هولونياك الابن. في أواخر سبعينيات القرن الماضي، ظهرت ليزرات الصمام الثنائي ذات الموجة المستمرة في درجة حرارة الغرفة.

• على مر العقود، شملت الإنجازات الرئيسية تطوير تبديل Q وقفل الوضع في ستينيات وسبعينيات القرن الماضي، مما أتاح نبضات طاقة عالية الذروة، وإدخال تضخيم النبضات الزقزقة (chirped-pulse amplification CPA) في منتصف ثمانينيات القرن الماضي، وهو أمر بالغ الأهمية لتحقيق مستويات طاقة تتراوح بين تيراواط وبيتاواط دون إتلاف وسائط الكسب.

الجدول الزمني لتطوير الليزر

2. المبادئ الأساسية لظاهرة الليزر.

يتكون الليزر في جوهره من:

• وسط ربح (كسب) (صلب، غاز، نصف ناقل، إلخ)، حيث يسمح انعكاس التعداد بالإصدار المُحفّز.

• مصدر مضخة لتنشيط الوسط (بصري، كهربائي، كيميائي).

• مرنان بصري (مرايا أو أوجه) يوفر التغذية الراجعة والتحكم في الوضع.

مخطط تشغيل الليزر

3. فيزياء تشغيل الليزر.

تعتمد أشعة الليزر على:

• الإصدار المُحفَّز، الذي وضعه أينشتاين نظرياً عام 1917.

• انعكاس التجمعات، حيث يشغل عدد أكبر من الذرات حالات مُثارة مقارنةً بحالات الطاقة المنخفضة.

• التغذية الراجعة لتعزيز التماسك واختيار الوضع داخل الحجرة الضوئية.

تقنيات التمكين الرئيسية:

• التبديل Q، الذي يُخزِّن الطاقة في وسط الربح (الكسب) ويُطلقها في نبضة قصيرة عالية الطاقة.

• قفل الوضع، الذي يجمع بين العديد من الأوضاع الطولية للحصول على نبضات فائقة القصر (بيكو ثانية وأقصر).

• مُكثِّف الطاقة (CPA)، الذي يُمدد النبضات مؤقتاً لتجنُّب التلف أثناء التضخيم، ويُعيد ضغطها لتحقيق قوى ذروة عالية للغاية.

مفاهيم فيزياء الليزر

4. أول تطبيق لإشعاع الليزر.

أول ليزر تشغيلي: ليزر غازي ذو موجة مستمرة من الهيليوم-النيون، طوره جافان وبينيت وهيريوت. تلى ذلك سريعاً ليزر النبض الياقوتي الذي ابتكره مايمان (1960)، وليزرات أنصاف النواقل المُبكِّرة (الأشعة تحت الحمراء والمرئية) عام 1962.

5. المكونات الرئيسية لتوليد إشعاعات الليزر.

• وسط الربح (الكسب) (مثل: Nd:YAG، Ti:Sapphire، مواد أنصاف النواقل).

• مصدر المضخة (مثل: مصابيح الوميض، الثنائيات، التفريغ الكهربائي).

• مرنان (مرايا كبيرة، طلاءات، عاكسات براغ) يوفّر تغذية راجعة وانتقائية طيفية.

مكونات الليزر الأساسية

6. الأجيال الرئيسية لإشعاعات الليزر.

تتطور الليزرات من خلال:

أ. ليزرات الغاز (He-Ne، CO₂، Excimer).

ب. ليزرات الحالة الصلبة (Ruby، Nd:YAG، Ti:Sapphire).

ت. ليزرات أنصاف النواقل (الثنائيات).

ث. ليزرات الألياف.

ج. الليزرات الكيميائية (HF، DF، MIRACL).

ح. الليزرات عالية الطاقة فائقة السرعة (أنظمة تعتمد على CPA تحقق مخرجات تتراوح بين تيراواط وبيتاوات).

7. تصنيف منابع الليزر وأنظمته.

• حسب الوسط: غاز، حالة صلبة، أنصاف نواقل، ألياف، مواد كيميائية.

• حسب وضع التشغيل: موجة مستمرة (CW)، نبضية (مُبدّلة Q، مُقفلة الوضع، فائقة القصر).

• حسب الطاقة/القدرة: طاقة منخفضة (<١ واط)، كيلوواط، فئة ميغاواط، أو نبضية عالية الطاقة (جول-ميغاجول).

• حسب التطبيق: صناعي، طبي، بحثي، دفاعي.

8. تعريف طاقة الليزر ومفهومها.

تشير طاقة الليزر إلى الطاقة لكل نبضة (جول)، وغالباً ما تُضاف إلى مدة النبضة لتحديد ذروة الاستطاعة. في الأنظمة المستمرة، يُعتبر متوسط

الاستطاعة أمراً بالغ الأهمية. ذروة الاستطاعة هي الطاقة مقسومة على طول النبضة.

9. تصنيف الليزر القائم على الطاقة.

• طاقة نبضة منخفضة ومدة فائقة القصر: مُهتزات فيمتوثانية (μJ).

• طاقات متوسطة المدى: من عشرات إلى مئات الجول، على سبيل المثال، NIF وVulcan، حيث يُنتجان حوالي 500 جول في 500 فمتوثانية.

• أنظمة بيتاواط عالية الطاقة: حققت BELLA 42.2 جول في 40 فمتوثانية (حوالي ١ بيتاواط).

• طاقة فائقة الارتفاع: ليزر ELI بقدرة 10 بيتاواط.

10. العوامل والمعايير التي تحكم طاقة الليزر.

تشمل العوامل الرئيسية ما يلي:

• حجم وسط الربح (الكسب) وفتحته - محدودان بالليزر الطفيلي المستعرض (حوالي 10 باك وات لتقنية Ti:Sapphire).

• قدرات التمدد والضغط النبضي.

• خصائص المادة مثل عتبات التلف، واللاخطية، والمعالجة الحرارية.

• جودة الشعاع، والوضع المكاني، والاستقرار.

• التباين الزمني، وهو أمر بالغ الأهمية للتجارب التي تزيد عن 10²³ واط/سم².

11. حد الطاقة الأقصى الذي لن تتجاوزه الليزرات أبداً.

هناك حدان نهائيان رئيسيان:

أ. حد تخريب المادة: بعد تجاوز كثافة طاقة معينة، قد يتجاوز ضغط الإشعاع قوة شد التجويف أو المكونات، مما يتسبب في تخريبها - وهو ما يُعرف بـ"حد إدينغتون لليزر". بالنسبة لتجويف بمساحة متر مربع واحد ومقاومة (~500 ميجا باسكال)، فإن هذا يعادل حوالي 10¹⁷واط/متر مربع، أو طاقات لكل نبضة تصل إلى 10¹¹ جول لنبضات الميكروثانية.

2. فتحة وسط الربح (الكسب) وحد الليزر الطفيلي: Ti: تُحدد بلورات الياقوت عند حوالي 10 PW بسبب الليزر الطفيلي المستعرض، مع أن التبليط (tiling) قد يصل إلى حوالي 40 PW.

تطور طاقة الليزر وحدودها القصوى

12. شرح الحدود القصوى لليزر وتفسيرها.

• تلف البصريات: تُسبب الشدة التي تتجاوز العتبات انهياراً بصرياً أو انصهاراً أو تشوهاً.

• انهيار ميكانيكي: يُمكن لضغط الفوتون أن يُمزّق الحجرات أو المرايا.

• الليزر الطفيلي: في البلورات الكبيرة، تتسرب الطاقة خارج المحور، مما يُحدّ من التضخيم القابل للاستخدام.

تُعرّف هذه الحدود سقوف الطاقة العملية للتكنولوجيا الحالية والمواد بمعزل عن الفيزياء النظرية.

13. تصنيف تطبيقات الليزر بناءً على الطاقة.

التطبيق النموذجي

· المعالجة الدقيقة، الجراحة

· المعالجة الصناعية

· الدفاع (طاقة موجهة)

· نبضات الاندماج(ICF

· فيزياء المجال العالي

· البحث الأساسي

طاقة النبضات/الاستطاعة

· من μJ إلى mJ

· نبضات متوسطة أو نبضات على مستوى J

· منkJ إلى MJ لكل نبضة

· NIF ميغاجول بفترات زمنية (ps)

· 10 بيكو واط، نبضات فائقة القصر

· نبضات الأتوثانية/الزيبتوثانية

14. هل بلغ الليزر كامل تطوره؟

لا - تستمر الليزرات الحديثة في التطور:

• قدرات ذروة أعلى: جهود تتجاوز 10 بيكو واط باستخدام OPCPA، والتبليط (tiling)، والضغط متعدد الحزم.

• نبضات فائقة القصر: نحو مقاييس الأتوثانية والزيبتوثانية.

• مواد جديدة: ليزر الثوليوم، وليزر الكروم: سيلينيد الزنك لنبضات فائقة القصر في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة.

• قدرات متوسطة أعلى: تصل أنظمة الألياف إلى ذروة قدرتها في الموجات المتوسطة.

15. مستقبل أبحاث الليزر وتطبيقاته وتطويره.

• تجاوز 10 بيكوات: تهدف المُضخمات المترابطة والضواغط المتقدمة إلى تحقيق 40-100 بيكوات.

• نبضات الأتوثانية/الزيبتوثانية: دفع حدود الديناميكا الكهربائية الكمومية.

• من المتوقع استخدام اندماج الليزر، والمُسرّعات المُدمجة، وإزالة الحطام الفضائي، والتحويل النووي.

• سيؤدي التقدم في علوم المواد، والبصريات، والتحكم الزمني، وخفض التكاليف إلى توسيع نطاق التطبيقات.

الخلاصة.

يعكس تطور تقنية الليزر - منذ بدايتها كهزّاز غازي متواضع وصولاً إلى أجهزة اليوم العملاقة متعددة البيتاواط - هندسةً دؤوبةً مقرونة برؤية فيزيائية عميقة. في حين أن حدود الطاقة القصوى - بسبب إجهاد المادة، والتلف الضوئي، وقيود وسط الربح (الكسب) - تُشكل حدوداً لا يمكن لليزر تجاوزها، فإن الاستراتيجيات المبتكرة مثل CPA، والبلاط (tiling) المتماسك، والضغط المتقدم لا تزال تُوسّع هذه الحدود. مع طموحات الوصول إلى شدة إكساوات ودقة أتوثانية، لا يزال الليزر بعيداً عن بلوغ مرحلة النضج الكامل. إن نموه الهائل في تطبيقاته - من الطباعة الحجرية إلى الاندماج إلى استكشاف الفيزياء الأساسية - يُشير إلى أن المستقبل أكثر إشراقاً (وأكثر حيوية) من أي وقت مضى.