۱. اصل تولید لیزر
ساختار اتمی مانند یک منظومه شمسی کوچک است که هسته اتم در وسط آن قرار دارد. الکترونها دائماً به دور هسته اتم در حال چرخش هستند و هسته اتم نیز دائماً در حال چرخش است.
هسته از پروتونها و نوترونها تشکیل شده است. پروتونها بار مثبت و نوترونها بدون بار هستند. تعداد بارهای مثبت حمل شده توسط کل هسته برابر با تعداد بارهای منفی حمل شده توسط کل الکترونها است، بنابراین به طور کلی اتمها نسبت به دنیای خارج خنثی هستند.
تا جایی که به جرم اتم مربوط میشود، هسته بیشتر جرم اتم را متمرکز میکند و جرمی که توسط همه الکترونها اشغال میشود بسیار کم است. در ساختار اتم، هسته فقط فضای کوچکی را اشغال میکند. الکترونها به دور هسته میچرخند و الکترونها فضای بسیار بزرگتری برای فعالیت دارند.
اتمها دارای «انرژی درونی» هستند که از دو بخش تشکیل شده است: یکی اینکه الکترونها سرعت دورانی و انرژی جنبشی مشخصی دارند؛ دیگری اینکه بین الکترونهای با بار منفی و هسته با بار مثبت فاصله وجود دارد و مقدار مشخصی انرژی پتانسیل وجود دارد. مجموع انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل همه الکترونها، انرژی کل اتم است که انرژی درونی اتم نامیده میشود.
همه الکترونها به دور هسته میچرخند؛ گاهی اوقات هرچه به هسته نزدیکتر باشند، انرژی این الکترونها کمتر است؛ گاهی اوقات هرچه از هسته دورتر باشند، انرژی این الکترونها بیشتر است؛ بر اساس احتمال وقوع، لایه الکترونی را به «سطح انرژی» مختلف تقسیم میکنند. در یک «سطح انرژی» خاص، ممکن است چندین الکترون به طور مکرر در حال چرخش باشند و هر الکترون مدار ثابتی ندارد، اما همه این الکترونها سطح انرژی یکسانی دارند. «سطحهای انرژی» از یکدیگر جدا هستند. بله، آنها بر اساس سطوح انرژی جدا هستند. مفهوم «سطح انرژی» نه تنها الکترونها را بر اساس انرژی به سطوح تقسیم میکند، بلکه فضای مداری الکترونها را نیز به چندین سطح تقسیم میکند. به طور خلاصه، یک اتم ممکن است چندین سطح انرژی داشته باشد و سطوح انرژی مختلف با انرژیهای مختلف مطابقت دارند. برخی از الکترونها در «سطح انرژی پایین» و برخی از الکترونها در «سطح انرژی بالا» میچرخند.
امروزه، کتابهای فیزیک دوره راهنمایی، ویژگیهای ساختاری اتمهای خاص، قوانین توزیع الکترون در هر لایه الکترونی و تعداد الکترونها در سطوح مختلف انرژی را به وضوح مشخص کردهاند.
در یک سیستم اتمی، الکترونها اساساً در لایههایی حرکت میکنند که برخی از اتمها در سطوح انرژی بالا و برخی در سطوح انرژی پایین قرار دارند؛ از آنجا که اتمها همیشه تحت تأثیر محیط خارجی (دما، الکتریسیته، مغناطیس) هستند، الکترونهای سطح انرژی بالا ناپایدار هستند و خود به خود به سطح انرژی پایین منتقل میشوند، اثر آن ممکن است جذب شود، یا ممکن است اثرات تحریکی خاصی ایجاد کند و باعث «گسیل خود به خودی» شود. بنابراین، در سیستم اتمی، هنگامی که الکترونهای سطح انرژی بالا به سطوح انرژی پایین منتقل میشوند، دو حالت بروز خواهد داشت: «گسیل خود به خودی» و «گسیل القایی».
تابش خودبهخودی، الکترونها در حالتهای پرانرژی ناپایدار هستند و تحت تأثیر محیط خارجی (دما، الکتریسیته، مغناطیس)، خودبهخود به حالتهای کمانرژی مهاجرت میکنند و انرژی اضافی به صورت فوتون تابش میشود. ویژگی این نوع تابش این است که انتقال هر الکترون به طور مستقل انجام میشود و تصادفی است. حالتهای فوتونی انتشار خودبهخودی الکترونهای مختلف متفاوت است. انتشار خودبهخودی نور در حالت "ناهمدوس" است و جهتهای پراکندهای دارد. با این حال، تابش خودبهخودی ویژگیهای خود اتمها را دارد و طیفهای تابش خودبهخودی اتمهای مختلف متفاوت است. صحبت از این موضوع، مردم را به یاد یک دانش اساسی در فیزیک میاندازد: "هر جسمی توانایی تابش گرما را دارد و جسم توانایی جذب و انتشار مداوم امواج الکترومغناطیسی را دارد. امواج الکترومغناطیسی تابش شده توسط گرما دارای توزیع طیفی خاصی هستند. این طیف توزیع مربوط به خواص خود جسم و دمای آن است." بنابراین، دلیل وجود تابش حرارتی، انتشار خودبهخودی اتمها است.
در گسیل القایی، الکترونهای سطح انرژی بالا تحت «تحریک» یا «القاء» «فوتونهای مناسب برای شرایط» به سطح انرژی پایین منتقل میشوند و فوتونی با همان فرکانس فوتون فرودی تابش میکنند. بزرگترین ویژگی تابش القایی این است که فوتونهای تولید شده توسط تابش القایی دقیقاً همان حالت فوتونهای فرودی که تابش القایی تولید میکنند را دارند. آنها در حالت «همدوس» قرار دارند. آنها فرکانس و جهت یکسانی دارند و تشخیص این دو تفاوت بین آنها کاملاً غیرممکن است. به این ترتیب، یک فوتون از طریق یک گسیل القایی به دو فوتون یکسان تبدیل میشود. این بدان معناست که نور تشدید یا «تقویت» میشود.
حال بیایید دوباره تحلیل کنیم، برای دستیابی به تابش تحریکشدهی بیشتر و مکرر، چه شرایطی لازم است؟
در شرایط عادی، تعداد الکترونها در سطوح انرژی بالا همیشه کمتر از تعداد الکترونها در سطوح انرژی پایین است. اگر میخواهید اتمها تابش تحریکشده تولید کنند، باید تعداد الکترونها را در سطوح انرژی بالا افزایش دهید، بنابراین به یک «منبع پمپ» نیاز دارید که هدف آن تحریک تعداد بیشتری از الکترونهای سطح انرژی پایین است. تعداد زیادی الکترون از سطح انرژی پایین به سطوح انرژی بالا میپرند، بنابراین تعداد الکترونهای سطح انرژی بالا بیشتر از تعداد الکترونهای سطح انرژی پایین خواهد بود و «معکوس شدن تعداد ذرات» رخ میدهد. تعداد زیادی الکترون از سطح انرژی بالا فقط میتوانند برای مدت بسیار کوتاهی باقی بمانند. زمان به سطح انرژی پایینتری پرش میکند، بنابراین احتمال گسیل تحریکشده تابش افزایش مییابد.
البته، «منبع پمپ» برای اتمهای مختلف تنظیم شده است. این باعث میشود الکترونها «رزونانس» کنند و به الکترونهای سطح پایین انرژی بیشتری اجازه دهند تا به سطوح انرژی بالا پرش کنند. خوانندگان اساساً میتوانند بفهمند که لیزر چیست؟ لیزر چگونه تولید میشود؟ لیزر «تابش نور» است که توسط اتمهای یک جسم تحت عمل یک «منبع پمپ» خاص «برانگیخته» میشود. این لیزر است.
زمان ارسال: ۲۷ مه ۲۰۲۴
