الليزر وتطبيقاته في طب الأسنان

محاضرة للسنة الرابعة في كلية طب الأسنان كتبها : م.د.عمار مشلح

الليزر وتطبيقاته في طب الأسنان Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation تضخيم الضوء بواسطة الانبعاث القسري للأشعة : الضوء هو لغة الكون وروحه فهو ينشأ من أصغر القطع البناءة للكون وهي الذرات ثم ينطلق منها ليجوب مجراته , وتمر السنون وتظهر القدرة التنبؤية لكتاب الخيال العلمي فيتمكن العلماء فعلاً من اختراع هذا الشعاع الضوئي ولكن تم ذلك عام 1960م وأطلقوا عليه ضوء الليزر . لقد بدأت المحاولات الجدية العلمية لوضع العديد من الفرضيات والنظريات حول طبيعة الضوء وماهيته منذ ما يقرب من ألف عام على يد العلماء العرب أمثال جابر بن حيان وابن الهيثم الذين كانت نظرياتهم نقطة تحول في مفهوم الضوء وأساساً إلى النظريات الحديثة ، وبعد ذلك على يد علماء أوربا أمثال بيكون ونيوتن وماكسويل وبلانك وأنيشتاين . نظرية اسحاق نيوتن (نظرية الانتشار المستقيم )عام 1650م شرح فيها الكيفية التي يتصرف فيها الضوء فأوضح مثلاً لماذا نرى أقواس قزح بعد المطر , فقطيرات الماء تعمل كمواشير تأخذ الضوء الأبيض وتحلله إلى ألوان الطيف , ومازال هذا الكشف هاماً حتى يومنا هذا لكل من يعمل في صناعة العدسات أو المرايا أو الليزر . باختصار تفترض نظرية نيوتن أن الضوء عبارة عن حبيبات صغيرة جداً من النور تصدر عن الأجسام , وتلك الحبيبات تنتشر وفق خطوط مستقيمة تدعى بالأشعة الضوئية وهي تنعكس على سطوح المرايا وتنحرف عن مسارها المستقيم عندما تغير سرعتها لدى اجتيازها سطحاً فاصلاً بين وسطين شفافين كالماء والهواء . ثم تمكنت مجموعة من العلماء بحلول أوائل القرن التاسع عشر ( هويغنز و يونغ ) عام 1801م من وضع أسس نظرية جديدة أطلقوا عليها اسم النظرية الموجية حيث تم التأكيد بوضوح بأن الضوء لا يتألف ببساطة من كريات صغيرة بل ينتشر بصورة موجات كموجات البحيرة ولهذه الموجات أطوالاً موجية مختلفة مقاسة من ذروة لأخرى كما أن لموجات الضوء ترددات مختلفة مقاسة بعدد الموجات التي تعبر نقطة معينة أثناء فترة محدودة من الزمن وهي عادة ثانية واحدة. وقد افترض هؤلاء العلماء وجود وسط مادي يحمل الأمواج الضوئية دعوه بالأثير , ولكن بعد إجراء العديد من التجارب تبين لهم عدم وجود مثل هذا الوسط المادي أي الأثير . إن فهم الطبيعة الموجية لم يحدث إلا بقدوم القرن التاسع عشر حيث بدأ فهم الظواهر الضوئية المختلفة نتيجة للأعمال الهامة التي قام بها يونغ وفرنيل وبعض العلماء الآخرين في أواخر القرن السابع عشر . في عام 1877م ظهرت نظرية ( ماكسويل وهيرتز) أو النظرية الموجية الكهرطيسية القائلة بأنه تتم عملية إثارة ذرة ما بتطبيق طاقة خارجية عليها ( التسخين مثلاً ) فينتقل أحد ألكتروناتها من مدار لآخر أبعد منه عن النواة وبعد فترة وجيزة يعود لمداره الأصلي مطلقاً الطاقة التي امتصها بشكل موجة كهرطيسية لها تردد معين وطول موجة معين ولون معين وهي لا تحتاج لوسط يحملها كالأثير . ومن الأمواج الكهرطيسية ما هو مرئي وما هو غير مرئي كالأمواج الراديوية والميكروية , وقد ثبت فعلاً صحة هذه النظرية والدليل على ذلك هو استعمالها في الاتصالات الراديوية والتلفزيونية وغيرها . في عام 1916م ظهرت نظرية ( بلانك وأنشتاين) أو النظرية الفوتونية التي تنص على أن الضوء هو حبيبات من الطاقة المهتزة ، واهتزازاتها كهرطيسية وقد سمي كل جسيم مهتز بهذه الطريقة بالفوتون , وإن لكل فوتون طول موجة ودور وتواتر ( لون ) . وبهذه النظرية أمكن تفسير طبيعة الضوء ومعرفة كينونته . وتوالت الدراسات في هذا المجال وكانت نتائجها بداية المرحلة الحديثة للأطياف التي لا تزال تتطور حتى الآن , ومن المفيد في نظرية الأطياف أنها تخبرنا أن لكل جسم يشع طيفاً معيناً , أي يعطي مجموعة من الألوان ( ونقصد بالألوان هنا الألوان الأساسية المعروفة وهي البنفسجي والأزرق والأخضر والأحمر, أما الألوان الأخرى فهي مزيجاً منها ) , وكل لون يتميز بطول موجي معين . اللون طول الموجة( أنغستروم) بنفسجي 3800-4500الأزرق 4500-4900الأخضر 4900- 5600الأصفر 5600- 5900البرتقالي 5900 – 6300الأحمر 6300-7600 يعتمد الليزر على الإصدار المحثوث إذ تجبر الذرة المهيجة لإعطاء جزء من طاقتها للحقل الكهرطيسي المتفاعل معها وهذه الظاهرة أشار إليها اينشتاين عام 1917م عندما نشر مقالاً عن الإشعاع الكوانتي . لقد كان أول عرض معروف لتكبير الانبعاث المحرض ما تضمنه طلب براءة اختراع عالم سوفيتي عام 1951م بواسطة العالم فابركانت من معهد الطاقة ولم تنشر تلك البراءة إعلامياً حتى عام 1959م وبالتالي يعتقد أنها لم تؤثر على الباحثين الآخرين , ويبقى فابركانت لغزاً حتى الآن وأحد الجنود المجهولين في أبحاث الليزر . ربما وقع أهم الحوادث تأثيراً في نيسان عام 1951م عندما أجرى العالم الأمريكي ( تاونس ) تجاربه لمعرفة الشروط المطلوبة للتكبير بالانبعاث المستحث للموجات الميكروية .وبعد ثلاثة أعوام نجح ثلاثة علماء هم تاونس وغوردون و زيغر في تشغيل مولد من هذا النوع في جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة وذلك باستخدام حزمة من جزيئات النشادر وقد سمى العالم تاونس الإشعاع الناتج ( الميزر ) Maser …  وهو اختصار لجملة باللغة الإنكليزية ترجمتها ( الأمواج الميكروية المضخمة بواسطة الإصدار المحثوث للإشعاع ) ولهذا العمل الأساسي فقد نال كل من باسوف و بروكوف و تاونس جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1964م وبذلك يمكن اعتبار الميزر أبو الليزر . في السابع من تموز 1960م قام عالم فيزيائي شاب أمريكي هو ( تيودور مايمان ) بانتاج جهاز الليزر العملي الأول , وقد تركب هذا الجهاز من قطعة من الياقوت ) وهو ن