علوم المواد
الليزر كتقنية أساسية في العالم الحديث والمستقبل
أضف Securities.io إلى مصادرك المفضلة على Google
إمكانات الليزر
منذ بناء أول ليزر عام 1960، وحصول العلماء الذين وضعوا الأسس الفيزيائية التي أتاحت صنعه على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1964، واصلت هذه التقنية إيجاد تطبيقات جديدة. ويُستخدم الليزر عادةً في:
- النقش والطباعة،
- الاتصالات بالألياف الضوئية،
- الأقراص الضوئية،
- تصنيع أشباه الموصلات،
- الجراحة،
- العلاج الصحي،
- القياسات،
- استهداف عسكري.
وبناءً على ذلك، قد يصبح الليزر في المستقبل القريب عنصرًا حاسمًا في عمليات التصنيع (اللحام والطباعة ثلاثية الأبعاد)، والاتصالات عبر الأقمار الصناعية، ودفع المركبات الفضائية، والتقنية الحيوية، والحوسبة (الفوتونيات)، والاندماج النووي، بل وحتى الأسلحة.
مبادئ الليزر
كلمة Laser اختصار لعبارة Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation، أي «تضخيم الضوء بالانبعاث المحفَّز للإشعاع». وتتمثل الفكرة الأساسية في تقنية الليزر في إنتاج حزمة ضوئية مترابطة بدلًا من الضوء العادي.
تُنتج الحزم الضوئية المترابطة ضوءًا شديد الضيق بطول موجي واحد، ولا يتشتت عبر المسافات الطويلة.
المصدر: Britannica
يُنشأ الليزر بإثارة ذرات المادة الباعثة، التي تكون غازية عادةً وقد تكون سائلة أو صلبة أيضًا، فتطلق الضوء ويظل معظم ذلك الضوء محصورًا ومنعكسًا داخل الليزر إلى أن يخرج في صورة حزمة ضوئية مترابطة.
المصدر: University of Kwazulu-Natali
يمكن صنع الليزر ضمن نطاق واسع من الأطوال الموجية، ويستخدم كل طول موجي مادة مختلفة لإنتاج الضوء، ما يغير طريقة عمله. وتحمل الأطوال الموجية المختلفة مستويات متفاوتة من الطاقة، كما تختلف طريقة امتصاصها بحسب المادة المستهدفة.
حتى في المجال الطبي وحده، تُستخدم أنواع كثيرة من الليزر بحسب الغرض المطلوب.
المصدر: University of Kwazulu-Natali
(يمكن للقراء المهتمين بالمبادئ العلمية لليزر قراءة «مبادئ الليزر» لمعرفة المزيد).
تطور تقنية الليزر
شهد الليزر تطورًا كبيرًا على مر السنين. فقد زادت المواد الجديدة من الأطوال الموجية المتاحة، وظهرت أنواع مثل ليزر ثاني أكسيد الكربون وليزر الياقوت وليزر التيتانيوم-الياقوت، إضافة إلى ليزر النقاط الكمومية الذي نال البحث الأساسي المرتبط به جائزة نوبل في الفيزياء عام 2023.
وأتاح ذلك إنتاج ليزر ذي نبضات فائقة القصر، إلى جانب أنواع مضبوطة بدقة لتطبيقات محددة في التصنيع والطب.
انخفضت تكلفة أنواع الليزر منخفضة القدرة سريعًا بما يكفي لدمجها في قارئات الرموز الشريطية خلال سبعينيات القرن الماضي. ثم استُخدمت لاحقًا لقراءة البيانات المخزنة على الأقراص المضغوطة وأقراص DVD وBlu-ray.
المصدر: Laser Warfare
وقد تظهر أيضًا أشكال جديدة من الليزر، مثل «ليزر الهواء الطلق»، الذي قد يكون أكثر متانة وأخف وزنًا.
تطبيقات الليزر
رصد الظواهر فائقة القصر
من تطبيقات نبضات الليزر فائقة القصر «إضاءة» هدف لمدة وجيزة للغاية، في حدود الفيمتوثانية، أي جزء من مليون من مليار من الثانية.
ويتيح ذلك رصد ظواهر مثل التفاعلات الكيميائية بين الجزيئات، التي كان يُنظر إليها سابقًا على أنها تحدث لحظيًا.
المصدر: Nobel Prize
ويفتح المزيد من التقدم مجالًا علميًا جديدًا بالكامل هو علم الأتوثانية، إذ تساوي الأتوثانية جزءًا من ألف من الفيمتوثانية. وباستخدامه يستطيع العلماء دراسة ديناميكيات الإلكترونات داخل الذرات والجزيئات، والمادة في الطور المكثف.
النقش والتصنيع
يمكن استخدام الليزر لنقش المواد بدقة شديدة. لكن تعريض المادة له مدة طويلة يؤدي إلى تسخين سريع يولد موجات صدمية ضارة. وكان ذلك يمثل مشكلة مع أنواع الليزر عالية القدرة أو المواد التي لا تحتمل أي عيوب.
تحافظ أنواع ليزر الفيمتوثانية المطورة على قدرة النقش، لكن نبضاتها قصيرة بما يكفي لتجنب ارتفاع الحرارة، ما يزيل هذه المشكلة.
المصدر: Nobel Prize
يُستخدم الليزر اليوم بصورة منتظمة في حفر المعادن وقطعها ووسمها ومعالجة أسطحها ولحامها، وكذلك البلاستيك والخشب والزجاج وغيرها.
«تتطلب كثير من الأجزاء المصنعة اليوم بنى مجهرية لا يمكن إنشاؤها إلا بالحفر بالليزر.
ويمكن إنتاج تفاصيل شديدة الصغر والتعقيد في مواد متنوعة، باستخدام أساليب مثل الكتابة المباشرة والتثقيب الدائري والإسقاط بالقناع، من دون تأثيرات حرارية أو تلف للمادة».
مات نيبر، مدير الهندسة في Laser Light Technologies، التي أصبحت الآن جزءًا من Spectrum Plastics.
تُدار آلات الليزر الحديثة ببرمجيات متقدمة على غرار آلات التحكم الرقمي بالحاسوب. وتتراوح معدات التصنيع بالليزر من أجهزة مكتبية صغيرة تكلف بضعة آلاف من الدولارات إلى آلات بحجم المصانع تبلغ قيمتها ملايين الدولارات.
بلغت دقة الليزر حدًا يسمح باستخدامه في إزالة العزل عن الأسلاك.
«يمكن إزالة العزل ضمن هامش تفاوت قدره 0.005 بوصة. ويمكن برمجة عملية التجريد لإزالة العزل عند أي نقطة على طول السلك، مما يتيح تجريد أجزاء وسطية بدقة عالية.»
مات نيبر، مدير الهندسة في Laser Light Technologies، التي أصبحت الآن جزءًا من Spectrum Plastics.
الطباعة ثلاثية الأبعاد
تستخدم كثير من الطابعات ثلاثية الأبعاد الليزر لإذابة البلاستيك أو المعدن الذي يشكل المنتج النهائي. ويشمل ذلك الانصهار الليزري بسرير المسحوق، وهي تقنية قد تصبح أدق وأقوى بفضل استخدام حزمة ليزر حلقية الشكل.
وقد يصبح استخدام ليزرين في الوقت نفسه إعدادًا قياسيًا أيضًا لتسريع عملية التصنيع بالإضافة.
ومع اتساع دور الطباعة ثلاثية الأبعاد في عمليات التصنيع، كما ناقشنا في «ترسخ الطباعة ثلاثية الأبعاد في مستقبل التصنيع»، يُتوقع أن يزداد الطلب على الليزر.
الاستخدامات الطبية
يمكن استخدام الضوء الشديد لليزر لإحداث تسارع البلازما بالليزر، وتسريع جسيمات مثل البروتونات والإلكترونات إلى مستويات طاقة هائلة. ويمكن استخدام هذه الجسيمات في العلاج الإشعاعي، إذ يتيح الليزر أجهزة صغيرة بما يكفي لتركيبها في المستشفيات، بخلاف مسرعات الجسيمات التقليدية الضخمة.
يُستخدم الليزر فائق السرعة أيضًا في جراحة العيون، من عمليات LASIK التي تلغي الحاجة إلى النظارات إلى التخثير الضوئي لعلاج اعتلال الشبكية السكري.
المصدر: Nobel Prize
يمكن استخدام الليزر في علاج الجلد، من التأثير في الطبقة السطحية فقط إلى الوصول إلى الأوعية الدموية الأعمق، بحسب الطول الموجي المستخدم.
المصدر: Laser Focus World
وأخيرًا، يُستخدم الليزر في علاجات تجميلية تشمل إزالة الشعر والوشوم وتجديد البشرة وإزالة ندوب حب الشباب والعيوب الصبغية مثل البقع العمرية والشامات.
تخزين البيانات
استُخدم الليزر لترميز البيانات على الأقراص الضوئية طوال عدة عقود. وتستطيع أشعة الليزر الأقوى والأقصر طولًا موجيًا تخزين البيانات بكثافة أعلى، ومن هنا جاء الاعتماد على ليزر الصمام الثنائي الأزرق في أقراص بلو راي.
لكن يتضح الآن أن الأقراص الضوئية ليست وسيلة متينة لتخزين البيانات.
لذلك يجري النظر في طرق عديدة تستخدم الليزر، مثل النقش منخفض القدرة على البوليمرات، وطرق التخزين الميكانيكية الأخرى، والنقش على الألماس، والأقراص البلورية خماسية الأبعاد.
المصدر: University of Southampton
وفي جميع الأحوال، فإن قدرة الليزر على بلوغ دقة في حدود نانومترات طول موجته تجعل من المرجح أن يظل وسيلة مفضلة لتسجيل البيانات، ولا سيما للتخزين طويل الأمد.
نقش أشباه الموصلات
استخدم مصنعو أشباه الموصلات الليزر منذ نشأة الصناعة لإعداد المواد التي تُصنع منها رقائق الحاسوب.
من أبرز المزايا أن القطع والنقش بالليزر لا يتطلبان ملامسة المادة، وينتجان غبارًا أقل من البدائل، وهي ميزة مهمة للمواد التي تتطلب أعلى درجات النظافة. كما يهدر القطع بالليزر مواد أقل ولا يسبب تشققات.
يُستخدم الليزر في لحام مواد ومعدات أشباه الموصلات وإزالة الطلاء عنها ووسمها.
الحوسبة
مع اقتراب رقائق السيليكون التقليدية من الحد الأدنى الممكن لحجمها، يجري بحث أشكال جديدة من الحوسبة لمواصلة زيادة قدرة حواسيبنا ومراكز البيانات.
ومن هذه التقنيات الفوتونيات، التي تستخدم الضوء بدلًا من الإلكترونات لنقل بيانات الحوسبة. وتستخدم هذه الطريقة عددًا كبيرًا من أشعة الليزر فائقة السرعة، إلى جانب مستشعرات الضوء والألياف الضوئية، لتحل محل ترانزستورات السيليكون، وقد تكون وسيلة لإبقاء قانون مور قائمًا.
ومن الخيارات الأخرى الحواسيب الكمومية، التي تستخدم التأثيرات الكمومية لإجراء حسابات يستحيل عادةً على الحواسيب التقليدية تنفيذها. ويمكن أن يساعد الليزر هنا أيضًا، بدءًا من ليزر الأشعة تحت الحمراء لمعالجة ذرات الهيدروجين ووصولًا إلى استخدام الليزر لمغنطة المواد غير المغناطيسية.
الاتصالات
إلى جانب أشباه الموصلات والحوسبة، يُستخدم الليزر منذ عقود لنقل المعلومات.
تستطيع ثنائيات الليزر إنتاج ضوء مترابط ضمن نطاق ترددي ضيق، ما يسمح بإرسال قنوات معلومات متعددة عبر كابل ألياف ضوئية واحد. وتُستخدم أساسًا في الاتصالات بعيدة المدى وتُصنع باستخدام النقاط الكمومية.
يمكن استخدام الليزر أيضًا في الاتصالات الفضائية، سواء بين الأقمار الصناعية أو بينها وبين المحطات الأرضية.
تتمثل الميزة الأساسية للاتصالات بالليزر مقارنة بموجات الراديو في زيادة عرض النطاق، ما يتيح نقل بيانات أكثر خلال وقت أقصر. كما أن اعتراض اتصالات الليزر يكاد يكون مستحيلًا، لأن المتنصت يجب أن يكون قريبًا فعليًا من جهاز الاستقبال.
على سبيل المثال، يحتوي كل قمر صناعي من Starlink على ثلاث وصلات ليزر بين الأقمار الصناعية تعمل بسرعة 200 غيغابت في الثانية، لنقل البيانات بين الأقمار قبل إرسالها إلى محطة Starlink أرضية.
وفي المستقبل، يُرجح أن تستخدم أي اتصالات فضائية مع قواعد محتملة على القمر أو المريخ الليزر أيضًا، لأنه يوفر أسرع نقل ممكن للبيانات وأكبر عرض نطاق ممكن.
التقنية الحيوية
التألق
من تطبيقات الليزر التي كثيرًا ما تُغفل استخدامه في التقنية الحيوية. ومن الأساليب المبكرة التألق المحفز بالليزر (LIF)، حيث يُستخدم الليزر لدفع الأنسجة أو الجزيئات الحيوية إلى إصدار ضوء أخضر أو أحمر يمكن رصده بالمجهر الفلوري.
المصدر: MicroscopyU
ويُستخدم الليزر كذلك في أجهزة قياس التدفق الخلوي لفصل الخلايا في العينة.
ومن الفروع المهمة لهذه التقنية مطيافية LIF، المستخدمة في الاستشراب والرحلان الكهربائي الشعري، وهما تقنيتان بالغتا الأهمية في الكيمياء الحيوية لتحليل الجزيئات الحيوية.
تسلسل الجينات والطب
من تطبيقات الليزر المتزايدة الأهمية في التقنية الحيوية تسلسل الجينات.
المصدر: Memorial University
كان تحسن تقنية الليزر وانخفاض تكلفتها عاملين رئيسيين في تعميم تسلسل الجينات وإتاحته للباحثين والمتخصصين الطبيين.
يُستخدم الليزر في الكشف عن السرطان وتحليل الخلايا السرطانية، كما يمكن استخدامه لقطع شرائح نسيجية رقيقة لإجراء مزيد من التحليل.
المستشعرات والمركبات ذاتية القيادة
يمكن استخدام الليزر لقياس البيئة المحيطة. فهو يُستعمل لتحديد المواقع في المصانع وقياس المسافات واكتشاف وجود العوائق.
تُستخدم أنظمة معقدة من هذه الأشعة في تقنية ليدار، أي كشف الضوء وتحديد المدى، حيث تقيس نبضات الليزر المسافة إلى الأجسام المحيطة. وتُستخدم أنظمة ليدار بصورة معتادة في رسم الخرائط.
يُعد ليدار مكونًا أساسيًا في معظم أنظمة المركبات ذاتية القيادة، ومنها Waymo التابعة لـGoogle (GOOGL )، باستثناء Tesla التي تعتمد على الكاميرات وحدها.
أسلحة الطاقة الموجهة
مع تزايد تهديد الطائرات المسيّرة في ساحات القتال الحديثة، تبحث جيوش العالم عن حلول منخفضة التكلفة لإسقاطها.
وهذا مهم خصوصًا لأن معظم الطائرات الانتحارية المسيّرة لا تكلف سوى بضعة آلاف من الدولارات في أقصى تقدير، ما يجعل استخدام صاروخ أو حتى سلاح ناري أغلى من الهدف في كثير من الأحيان.
قد تكون الأسلحة الليزرية أحد الحلول، وهي فئة فرعية من أسلحة الطاقة الموجهة التي تشمل أيضًا حزم الموجات الميكروية. وتقوم الفكرة على استخدام حزمة ليزر قوية لإحراق الطائرة المسيّرة قبل أن تصبح خطرًا.
المصدر: Laser Focus World
ولأن تكلفة «الذخيرة» لا تتجاوز تكلفة الطاقة، فقد يكون هذا من الخيارات القليلة القابلة للاستمرار على المدى الطويل. لكن التقنية ما تزال بعيدة عن النضج، وتحتاج إلى حل عدة مشكلات قبل نشرها في ساحات القتال الفعلية:
- قد تتأثر الأسلحة الليزرية سلبًا بالطقس الضبابي.
- استهلاك الطاقة هائل، ما يجعل توليدها وتخزينها لإطلاق النار بسرعة أمرًا صعبًا.
- تميل أجهزة الليزر إلى الهشاشة نسبيًا، ما يقلل موثوقيتها في الخطوط الأمامية.
ومن المرجح أن يكون أول نشر واسع النطاق للأسلحة المعتمدة على الليزر في المنشآت الثابتة مثل القواعد العسكرية والسفن.
الاندماج النووي
تتمثل الاستراتيجية السائدة حاليًا لتحقيق الاندماج النووي في استخدام أجهزة التوكاماك، وهي هياكل حلقية الشكل تستخدم المجالات المغناطيسية لاحتواء البلازما.
كما أوضحنا في «الاندماج النووي — حل الطاقة النظيفة النهائي يلوح في الأفق»، ليست هذه الطريقة الوحيدة لتحقيق الاندماج. وثمة نهج آخر يستخدم الليزر لتسخين ذرات الهيدروجين إلى درجات شديدة ودفعها إلى الاصطدام، فتولد موجة صدمية لحظية تضغط الذرات معًا.
ومن أبرز الأمثلة منشأة الإشعال الوطنية الأمريكية (NIF)، التي توجه 192 حزمة ليزر قوية وتضخمها وتعكسها وتركزها على هدف بحجم ممحاة قلم رصاص تقريبًا. ويصل بذلك إلى نقطة واحدة خرج أقصى قدره 500 تريليون واط.
المصدر: Britannica
تُعد هذه الأنظمة مرشحة واعدة للاندماج النووي التجاري، وقد تفيد أيضًا في الدفع الاندماجي النبضي للمركبات الفضائية في أعماق الفضاء.
تطبيقات الفضاء
الفيزياء الفلكية
يتعامل علم الفيزياء الفلكية كثيرًا مع ظروف ضغط وحرارة قصوى يصعب تكرارها على الأرض، مثل الظروف داخل النجوم والكواكب الغازية العملاقة.
يمكن أن تساعد أشعة الليزر بالإلكترونات الحرة للأشعة السينية (XFEL) في دراسة المادة الدافئة الكثيفة (WDM)، ما قد يسهم في تطوير مركبات فضائية ومحركات اندماج نووي أفضل.
الطاقة الشمسية المدارية
تزداد احتمالات استخدام الطاقة الشمسية المدارية مصدرًا للطاقة النظيفة. فالانخفاض السريع في تكلفة إطلاق أنظمة الطاقة إلى المدار يجعل رفع آلاف الأطنان من الحمولة والتصنيع في الفضاء خيارين قابلين للتطبيق.
كما تناولنا في «حلول طاقة فضائية لطاقة نظيفة بلا حدود»، يمكن إرسال الطاقة المولدة إلى الأرض باستخدام حزم الموجات الميكروية أو أشعة ليزر قوية.
الشراع الشمسي
من الاحتمالات الفضائية المستقبلية الأخرى لليزر الأشرعة الشمسية. وتقوم الفكرة الأساسية على أن الفوتونات، رغم انعدام كتلتها، تحمل قدرًا ضئيلًا جدًا من الزخم.
وفي بيئة انعدام الوزن في أعماق الفضاء، قد يكفي هذا الدفع البسيط لتسريع مركبة فضائية.
الشراع الشمسي عبارة عن شراع كبير مصنوع من رقائق رقيقة تلتقط الضوء وتحوله إلى قوة دفع. ويمكن لأنظمة ليزر في المدار أو على سطح القمر توجيه ضوء إضافي إليه وتسريعه إلى سرعات لا تستطيع الصواريخ الكيميائية بلوغها.
المصدر: For All Mankind TV
وقد تُستخدم هذه الطريقة حتى للسفر بين النجوم، إذ يمكنها نظريًا دفع مركبة فضائية إلى 20% من سرعة الضوء بالاعتماد على قوانين الفيزياء المعروفة.
الاستثمار في تقنية الليزر
يوجد الليزر في عدد لا يُحصى من مجالات التقنية الحديثة، بدءًا من الأقراص الضوئية والأدوات الجراحية، وصولًا إلى الطباعة ثلاثية الأبعاد وأشباه الموصلات والتصنيع وأجهزة تسلسل الجينوم. ومن المتوقع أن ينمو السوق، البالغ حجمه 17.8 مليار دولار، بمعدل سنوي مركب قدره 7.8% حتى عام 2030.
يمكن الاستثمار في الشركات المرتبطة بالليزر عبر كثير من شركات الوساطة. ويقدم Securities.io توصيات لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة وكندا وأستراليا والمملكة المتحدة وبلدان أخرى كثيرة.
إذا لم ترغب في اختيار شركات بعينها، فيمكنك النظر في صناديق المؤشرات المتداولة التقنية مثل iShares U.S. Technology ETF (IYW) أو ProShares Nanotechnology ETF (TINY). ورغم عدم وجود صندوق مخصص لليزر، فإنها تتيح تعرضًا متنوعًا لأسهم التقنية وتقنية النانو.
يمكنك أيضًا معرفة كيفية الاستثمار في الغاليوم من تقريرنا المتخصص، إذ يُعد عنصرًا أساسيًا في تصنيع الليزر ومحورًا حاليًا للحرب التجارية بين الولايات المتحدة والصين.
شركات الليزر
II-VI Marlow / Coherent
COHR مخطط السعر
Coherent تكتل صناعي كبير يضم أكثر من 26 ألف موظف، ومن الشركات الرائدة في تقنية الليزر. وقد نشأ من اندماج شركة المواد المتقدمة II-VI (COHR ) Marlow مع شركة تصنيع الليزر Coherent.
تتخصص الشركة في المواد المتقدمة المستخدمة في الليزر والبصريات والفوتونيات، مثل فوسفيد الإنديوم والرقائق الفوقية وزرنيخيد الغاليوم. وقد نمت بدرجة كبيرة بفضل عمليات استحواذ متعددة خلال العقد الماضي.
المصدر: Coherent
تحقق الشركة 29% من إيراداتها مباشرة من الليزر، بينما ترتبط بقية الإيرادات بمعدات ذات صلة مثل الألياف الضوئية والإلكترونيات. وتشمل فئة أجهزة القياس أساسًا تطبيقات علوم الحياة والطب.
المصدر: Coherent
يساعد وجود الشركة في مواد متقدمة مثل الخلايا الحرارية الكهروضوئية، التي ناقشناها في مقال سابق، وكربيد السيليكون والليزر والإلكترونيات، على الاستفادة من الاتجاهات الهيكلية في نمو التصنيع الدقيق والتصنيع بالإضافة والطباعة ثلاثية الأبعاد والكهربة والطاقة المتجددة.
فصلت الشركة مؤخرًا نشاط كربيد السيليكون في كيان جديد تملك Coherent نسبة 75% منه، بينما تتقاسم الحصة المتبقية شركتا Mitsubishi Electric، التي تقدم الملكية الفكرية لتقنيات قدرة كربيد السيليكون، وDenso، التي تقدم نشاطها كمورد لقطاع السيارات في مجالي الكهربة وأشباه موصلات القدرة.
ويرجع ذلك إلى أن كربيد السيليكون أصبح تقنية مستقلة بصورة متزايدة، تُستخدم أساسًا في التطبيقات عالية القدرة مثل المركبات الكهربائية والبطاريات والطاقة المتجددة.
تتبوأ Coherent موقعًا رياديًا في تقنية ليدار والاستشعار الرقمي ثلاثي الأبعاد، بما في ذلك تطبيقات القيادة الذاتية، وفي خلايا التدفق للتسلسل من الجيل التالي (NGS) في التقنية الحيوية، وليزر تصنيع أشباه الموصلات. وتتوقع نمو أسواقها الأساسية بين 8% و20%.
المصدر: Coherent
وقد تساعد التطبيقات الجديدة المحتملة الأخرى لليزر، مثل أسلحة الطاقة الموجهة والحوسبة الفوتونية والاندماج النووي وتقنيات الفضاء، في دعم نمو الشركة طويل الأمد.
عمومًا، تمثل Coherent أقرب شركة ليزر مدرجة «متخصصة بالكامل» يمكن للمستثمرين المهتمين بالقطاع اختيارها، بفضل تكاملها الرأسي القوي وامتلاكها أكثر من 3,100 براءة اختراع تحمي ابتكاراتها.
