المبحث الرابع

اتجاهات التطور المستقبلية لتقنيات وتطبيقات الليزر

ومن الدراسة المستفيضة لاتجاهات التطوير المستقبلية لتقنيات وتطبيقات الليزر، فإن الواضح أن الاستخدامات الصناعية هي أكبر الاستخدامات شيوعاً، نتيجة رخصها ودقتها ومرونة استخدام الوسائل التقليدية. والأهم من هذا إمكانية التحكم فيها باستخدام وسائل التحكم الإليكترونية الآلية. ويتجه التطوير العام نحو زيادة قدرة الليزر، وفي الوقت نفسه تقليل الحجم والوزن، مما يسمح بالاستخدام الأفضل.

وبالنسبة لليزر الدايود، فإن الخرج الذي أمكن التوصل إليه في المعامل هو 2.6 وات، بينما لم تحقق الصناعة أكثر من 100 ميللي وات. وهذه هي مهمة التطوير الصناعي خلال السنوات القادمة.

وأهم مشكلات استخدامات الليزر وأخطرها العمر الافتراضي للمعدات وفاعليتها، فالمعروف أن عمر تشغيل عناصر توليد الليزر، سواء كانت غازية أو صلبة، لا تزيد على 5000 ساعة، والمطلوب زيادة هذا العمر إلى 10.000 ساعة،على الأقل، وكذلك نوعيات المرايا المستخدمة في أجهزة الليزر، وبالذات الأنواع عالية القدرة، ومدى قدرة هذه المرايا على تحمل نبضات الليزر القوية.

وتتجه الصناعة إلى إدماج وحدات الليزر الصناعية مع "الروبوت" Robot لاستخدامها في خطوط إنتاج العديد من المنتجات، بحيث يمكن تحريك مصدر شعاع الليزر والتحكم فيه من على بعد.

ولا يقتصر الاستخدام الصناعي على الصناعات الثقيلة فقط، ولكن يشمل، أيضاً، الصناعات الإليكترونية، وعلى الأخص منها الصناعات التكنولوجية المتقدمة، كإنتاج أشباه الموصلات والدوائر المتكاملة Integrated Circuits:IC وغيرها. ويعول هنا على التقدم في نظم الليزر التي تعمل في نطاق الأشعة فوق البنفسجية.

ولقد تميزت الأعوام الأخيرة بظواهر ومكتشفات جديدة في مجال الليزر يمكن تلخيصها فيما يلي:

1. أمكن لأول مرة تشغيل ليزر يعطى خرج "أشعة أكس" ذو طول موجي يصل إلى 200 أنجستروم. وهذا حدث له دلالة على طريق استخدام أشعة الليزر في أسلحة الفضاء.

2. إنتاج مرسل ليزر على نمط هوائيات "المصفوفة المتراصة phased array " مما يسمح، لأول مرة، بتشكيل شعاع ليزر، والتحكم فيه إليكترونيا، وزيادة قدرة الخرج.

3. إنتاج أول ليزر متغير التردد يعمل تحت الظروف الجوية العادية، وبدون تبريد.

4. وصل المشروع القومي الياباني لإنتاج ليزر ثاني أكسيد الكربون الذي تبلغ قدرته 20 كيلووات إلى مراحله النهائية، وقد استغرقت البحوث والتطوير مدة 8 أعوام كاملة.

5. إنتاج أنواع جديدة من الليزر تعمل بترددات لم يسبق استخدامها من قبل.

وفيما يلي نعرض أهم اتجاهات التطور المستقبلية لتقنيات وتطبيقات الليزر.

أولاً: في مجال البحوث العلمية

وفي مجال البحوث العلمية والأكاديمية، سيتجه الطلب نحو نظم الليزر ذات النبضات القصيرة جدا، وكذا النظم التي يمكن توليفها في نطاق ترددي عريض، بحيث يمكن استخدامها في مجال بحوث الكيمياء الحيوية والهندسة الوراثية.

وقد أمكن الحصول على نبضات ليزرية قصيرة جداً، وأهمية هذا التطوير تكمن في قياس بعض الظواهر الطبيعية السريعة، أو قياس ورصد بعض العمليات الكيماوية التي تحدث داخل الخلية البشرية.

ثانياً: في مجال الكمبيوتر

وقمة التزاوج بين الليزر والكمبيوتر سيكون كمبيوتر بصري يستخدم أشعة الليزر لتخزين المعلومات ومعالجتها. ومثل هذا الكمبيوتر سيكون أسرع ألف مرة من أجهزة الكمبيوتر العادية التي بدأت تواجه القيود التي فرضتها عليها سرعة تحرك الإلكترونات خلال الدوائر ذات الأساس السيليكوني. ويعمل العلماء في الولايات المتحدة وأوروبا واليابان على ابتكار نظائر بصرية لكمبيوتر اليوم الإلكتروني.

ثالثاً: في مجال الطب

وفي مجال الطب، استقرت أساليب جراحة الانفصال الشبكي باستخدام ليزر "الياج". ولكن استخدام الليزر في أغراض طبية أخرى ما زال رهن التجربة والاختبار، ومن ذلك، على سبيل المثال، استخدام بعض أنواع الليزر في علاج الأورام الخبيثة، واستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون في لحام الأوعية الدموية. وتحتاج التطبيقات الطبية إلى تطوير الليزر في اتجاه تقليل حجمها، وإمكانية تشغيلها ببطاريات، وزيادة فاعلية مكوناتها.

ومن الاستخدامات ذات الاهتمام البحثي حالياً، استخدام ليزر ثنائي الطول الموجي، أحدهما يستخدم في الجراحة، والثاني يستخدم في إغلاق الشرايين. وعلى وجه العموم، فما زال تأثير الليزر على الأنسجة البشرية وتفاعلهما معاً مادة خصبة للبحث بهدف فتح آفاق جديدة لاستخدام الليزر طبياً.

أما مجالات التطوير المستقبلية فتشمل استخدام ثاني أكسيد الكربون لإذابة الجلطات في الشرايين التاجية وتكسيرها، أو لإزالة الرواسب من جدران الأوعية الدموية، والتي قد تؤدي إلى الأزمات القلبية وتصلب الشرايين.

وتجرى الآن التجارب الطبية لاستخدام أحدث أنواع الليزر، والتي تستخدم الليزر الناتج من بخار الذهب أو النحاس، لعلاج بعض أنواع الأورام الخبيثة. وقد بلغت طاقة الخرج المستخدمة حوالي 10 وات.

رابعاً: في مجال الاتصالات

وفي مجال الاتصالات، فإن الأهداف بعيدة المدى للتطوير تتركز في زيادة مدى الاتصال، وزيادة معدل نقل البيانات باستحداث أنواع جديدة من الألياف البصرية، ومرسلات ليزر تعمل في أطوال موجية تسمح بالانتشار في الألياف بدون فاقد يذكر.

وقد تم استخدام ليزر الدايود diode لتغذية "الياج"، بدلاً من مصدر التغذية الضوئي التقليدي. وعلى وجه التحديد فقد بدأ الإنتاج الكمي لأشباه موصلات تعطي ليزر ذا طول موجي 1.550 ميكرون، لأهميته في الاتصالات باستخدام الألياف الضوئية.

وهناك اهتمام كبير باستخدام الليزر في الاتصال بالغواصات، إذ ترسل الإشارات والمعلومات بمعدل إرسال سريع عن طريق الأقمار الصناعية، أو من خلال منظومة محمولة جواً. ويوفر ذلك إمكانية استمرار الغواصات في الأعماق، والتحرك بسرعتها العادية، وفي الوقت نفسه يمكنها استقبال أوامر القيادة دون الظهور على السطح والتعرض لاحتمال الكشف. ومن المعروف أن مياه البحار والمحيطات تسبب اضمحلالاً وفقداً للأشعة الكهرومغناطيسية، يزدادان بازدياد العمق، ومع ذلك، فإن حيز الأشعة الليزرية يقل داخله هذا الفقد عن أي حيز آخر.

خامساً: في مجال الهندسة الوراثية

ويتوقع العلماء أن يكشف المستقبل القريب عن المزيد من التطبيقات المفيدة لتقنية الليزر، مثل استخدامها في مجال الهندسة الوراثية، إذ تساعد في نقل المادة الوراثية في الخلايا، والمعروفة باسم "الحمض النووي"[1]DNA: Deoxyribonucleic Acid من خلية إلى أخرى. فإذا وجهت أشعة الليزر إلى الخلية المطلوب نقل الـ DNA إليها، فإنها تفتح ثقوباً دقيقة جداً في الغشاء الخارجي للخلية، ويستمر هذا لمدة كافية للسماح للـ DNA الجديدة بالدخول إلى الخلية. ويمكن استخدام هذه التقنية في التعرف على الجينات التي تسبب السرطان، وفي تطوير الأدوية.

سادساً: الليزر الشمسي

والليزر الشمسي، (اُنظر شكل الليزر الشمسي)، هو أحد التطبيقات المستقبلية للاستفادة من شدة الضوء العالية في توليد الليزر. وفي هذه الحالة يدخل الضوء الشمسي من أحد طرفي بلورة الليزر، فيحث الذرات فيها على إصدار ضوء ذي ترددات معينة. وينتقل هذا الضوء ذهاباً وإياباً بين مرآتين موضوعتين خارج البلورة. وينفذ بعض الطاقة الضوئية عبر إحدى المرآتين مولداً حزمة الليزر التي تنطلق إلى خارج الجهاز.

سابعاً: الليزر عالي القدرة

ومع الحاجة إلى قدرات أعلى، فقد بدأت نظم الليزر التي تعمل بأسلوب المصفوفات المتراصة phased arrays في الـظهور، وهي تعطي قدرة خرج حوالي 0.2 وات، بدون الحاجة إلى تبريد النظام. وقد وصلت فاعلية هذه النظم إلى معدل أعطال مرة كل 50.000 ساعة تشغيل. أما ليزر الياج، فقد ظهرت منه أنواع جديدة ذات طاقة خرج أكبر وتردد نبضي يصل إلى 20 نبضة/ ثانية، وهو من أعلى المعدلات المعروفة حالياً.

ويستخدم ثاني أكسيد الكربون في تغذية بعض الأنواع الأخرى من الليزر القادر على إنتاج طول موجي 1.22 مم، أي في نطاق موجات الميكروويف microwaves. وحيث إن الموجات الميللمترية قيد البحث حالياً لاستخدامها في التوجيه الراداري الإيجابي للقذائف، فإن هذا الكشف قد يكون فتحاً لآفاق جديدة في هذا المجال.

وتم إنتاج البصريات التوافقية Adaptive optics، وهي المرايا التي يمكن تشكيل سطحها حسب حالة الجو، مما يسمح بانتشار شعاع الليزر الصادر منها بدون تشوه، وبالتالي يمكن تركيزه على الأهداف بكفاءة أعلى.

ثامناً: إنتاج مصادر ليزر تعمل بالحث الإشعاعي من الثنائيات المشعة

ويتمثل هذا الاتجاه في استبدال اللمبات الوامضة Flash Lamps التي تستخدم الأشعة الصادرة منها في إنتاج أشعة الليزر بمصادر أشعة بديلة، وهي الثنائيات Diodes المشعة؛ لأن استخدام اللمبات الوامضة في مصادر الليزر يحد من كفاءتها وعمرها الافتراضي، نظراً لكبر حجمها وقلة كفاءتها. أما الثنائيات المشعة فتوفر كفاءة تشغيل لليزر تعادل عشرة مرات تلك التي يوفرها استخدام اللمبات، إضافة إلى خفض وزن مصدر الطاقة ونظام التبريد بدرجة كبيرة.

تاسعاً: إنتاج أشعة ليزر غير ضارة بالعين

أهم ما يحد من استخدامات أجهزة قياس المسافة بالليزر أنها تضر بالعين، ما لم تكن هناك مسافة أمان كافية، وهو ما يمثل عائقاً في استخدامها في التدريب. ولذلك تتجه البحوث نحو إنتاج أشعة ليزر غير ضارة بالعين.

عاشراً: وسائل وقاية متطورة

يُجرى العديد من البحوث لتطوير وسائل تحقق حماية كافية للأفراد من أخطار أشعة الليزر. وأحد الاحتمالات المستقبلية هو استخدام المواد المصنوعة من البوليمرات Polymers[2] البصرية، التي يمكنها تغيير خصائصها البصرية عند تعرضها للضوء الشديد، وتصبح معتمة تقريباً عند تعرضها لشعاع الليزر، ثم تعود لحالتها الشفافة السابقة. وهكذا، فإن هذه المواد يمكنها حجب أشعة الليزر، ولكنها في الوقت نفسه تسمح للضوء العادي بالمرور، من دون تغيير.

حادي عشر: توليد الطاقة النووية

هناك نوع من التفاعلات النووية يعطي قدراً هائلاً من الطاقة عند حدوثه، وهو الاندماج النووي Fusion. ويتم ذلك باندماج بعض الذرات الخفيفة معاً لتكوين ذرات أثقل منها. والمصدر الرئيسي لهذه الطاقة هو غاز الهيدروجين. ويمكن تصور مقدار الطاقة الهائلة التي تنتج من اندماج الذرات إذا عرفنا أن حرارة الشمس الهائلة تنتج من اندماج ذرات الهيدروجين في مركزها.

وهناك بحوث لتحقيق الاندماج النووي بواسطة أشعة الليزر، وقد استخدم الباحثون عشرين مصدراً من مصادر الليزر لتركيز نحو 26 مليون وات على قرص صغير من الزجاج، قطره نصف ملليمتر، ويحتوي على خليط من نظائر الهيدروجين، وذلك لمدة قدرت بجزء من عشرة ملايين جزء من الثانية.