تشكيل الليزر

ليزر: السحر الكمي للبشر لنسج الضوء
في صحراء موهافي بولاية كاليفورنيا، يقوم مجموعة من الفلكيين بإطلاق شعاع ليزري بقطر 10 أمتار نحو السماء الليلية. هذا الشعاع الأخضر ليس بهدف التنافس مع النجوم، بل لتمكين التلسكوبات من التقاط صورة أكثر وضوحًا للكون مقارنة بصور هابل عن طريق قياس الاضطرابات الجوية. جوهر هذا الشعاع الضوئي هو أحد أعظم الاختراعات في القرن العشرين - الليزر. ولادة هذا الجهاز لم تكن عشوائية بل كانت نتيجة تعاون كبير عبر نهر طويل من الحكمة بين الفيزيائيين، المهندسين وعلماء المواد.
الفصل الأول: النظرية "الشبح" المنسية
في عام 1917، استنتج أينشتاين مجموعة من المعادلات في مكتبه بجامعة برلين، متوقعاً وجود "الانبعاث المحفز". هذا الظاهرة، التي كانت تُعرف حينها بـ"الشبح النظري", تصف كيف أن الفوتونات، مثل قطع الدومينو، تحفز الذرات للإفراج عن "نسخ" تكرر نفسها بدقة. ومع ذلك، ظل هذا الاكتشاف صامتاً لما يقرب من 30 عاماً - لأن أحداً لم يستطع إيجاد طريقة لجعل الجيش الذري ينضم بشكل جماعي إلى "الخيانة".
لم يكن حتى ليلة الربيع عام 1951 عندما أدرك تشارلز تاوز من جامعة كولومبيا فجأة بينما كان جالسًا على مقعد في الحديقة: أن قصف جزيئات الأمونيا بالموجات الكهرومغناطيسية بتردد معين يمكن أن يجعل عدد الجسيمات ذات الحالة الطاقوية العالية يتجاوز تلك ذات الحالة الطاقوية المنخفضة، مما يشكل "موازين طاقة". هذا الظاهرة، المعروفة باسم "انعكاس عدد الجسيمات"، تم تحقيقها أخيرًا في نطاق الموجات الدقيقة، مما أدى إلى إنشاء أول ليزر بالموجات الدقيقة (Maser). لكن المجتمع العلمي أدرك قريبًا أن تقصير الطول الموجي بمليون مرة للوصول إلى نطاق الضوء المرئي سيؤدي إلى ثورة تقنية.
الفصل الثاني: قفص الفوتون داخل الياقوت
في عام 1960، كانت مختبرات ثيودور مايمان مليئة بلُبَثِ الياقوت التي حكم عليها علماء آخرون بالـ"الموت". في ذلك الوقت، كانت النظرية السائدة تقول إن كفاءة انتقال مستوى الطاقة في الياقوت منخفضة جدًا، لكن مايمان اكتشف أن أيونات الكروم تخضع لانتقال فريد يسمى "انتقال ثلاثي المستويات" تحت تحفيز ضوئي قوي. ملففًا عمود الجمّار الأحمر بلمبة زينون حلزونية، كما لو كان يحبس قوس قزح بالبرق. في النهاية، طلي سطحي البلورة بالفضة لتشكيل "جدار صدى الفوتون".
في هذا الجهاز، الذي لا يتجاوز حجمه قلم الرصاص، تنتقل الفوتونات ذهابًا وإيابًا بسرعة تصل إلى 300 مليون مرة في الثانية. وكل مرة تمر فيها عبر مجموعة أيونات الكروم، يتم تحفيز إشعاع جديد ويزيد شدة الضوء بشكل أسي. عندما اخترقت موجة الفوتونات الهاربة الفيلم الفضي شبه النفاذ، شهد البشر لأول مرة ليزرًا أحمر غامقًا يتمتع بالترابط الزماني والمكاني - حيث كانت نقاء لونه أكبر بمقدار 100,000 مرة من نقاء ضوء الشمس، وكان زاويته الانحرافية فقط جزءًا من الألف من زاوية الضوء القاطع.
الفصل الثالث: رقصة الضوء على مستوى النانو
تكنولوجيا الليزر في القرن الحادي والعشرين قد كسرت حدود المواد الكبيرة. في مختبر شبه الموصلات، نجح المهندسون في إنتاج هياكل آبار كمية على مواد غاليوم أرسينيد التي تبلغ سماكتها جزء من عشرة آلاف من عرض شعرة الإنسان باستخدام تقنية الترسيب بالشعاع الجزيئي. عندما يمر التيار عبر هذه الطبقات النانوية، يتم القبض بدقة على الفوتونات المنبعثة نتيجة اتحاد الإلكترونات والفراغات في البئر المحتمل بواسطة مرآة براغ الانعكاسية، مما يشكل ليزر صغير بكفاءة تزيد عن 90٪.

ما هو أكثر إثارة للدهشة هو الاختراق في "ليزر الطوبولوجيا": الفوتونات تسافر على طول مسار حلزوني على سطح المادة، مثل النمل المضيء الذي يجري على شريط موباي، تماماً دون أن تتأثر بخسائر التشتت التي تصاحب الليزر التقليدي. هذه البنية حتى تمكن الليزر من الانتقال بدون خسائر في الدليل الموجي المتعرج إلى عقدة، مما يجلب ثورة لرقائق الفوتونات.
الفصل الرابع: الشعاع السحري الذي يعيد كتابة الواقع

بالقرب من تلسكوب الراديو "عين السماء الصينية" في قويتشو، يستخدم كاشف فوتونات أحادي مصنوع من سلاسل نانوية فائقة التوصيل الليزر لتحليل إشعاع الخلفية الميكرووافي الكوني القادم من بعد 13.7 مليار سنة ضوئية. عندما يصل كل فوتون، فإنه يُحفز انتقالًا كميًا في المادة الفائقة التوصيل، والذي يتم التقاطه بواسطة جهاز تداخل ليزري بتبديل إشارة مدتها مليونth جزء من النانوثانية.

في مجال الطب، تحولت الليزرات النسجية إلى "سكاكين ضوئية بلا ظلال"، حيث تقوم بنحت عدسات حجمها مايكروني على القرنية بسرعة أكبر آلاف المرات من سرعة العصبونات، مما يصحح الرؤية دون إزعاج الأنسجة المحيطة. في عام 2023، ظهرت "العلاج الليزري الضوئي الصوتي": حيث تمتص قضبان ذهبية نانوية الليزر القريب للأشعة تحت الحمراء لتوليد رنين بلازما محلي، مما يؤدي إلى تفجير دقيق للخلايا السرطانية دون الإضرار بالخلايا الصحية.

من تنبؤ أينشتاين إلى ضوء الياقوت الذي طوره مايمان، ومن عجائب المختبرات إلى الأجهزة المحمولة، يعتبر تاريخ تطور الليزر بشكل أساسي تاريخًا لتحكم الإنسان في الحالة الكمية لضوء.