اصول لیزر – فیزیک دوازدهم (۳)

با سلام و احترام خدمت مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا به اصول لیزر که یکی از مباحث مهم و جدید در فیزیک دوازدهم است، بپردازیم. مبحث اصول لیزر بحثی مشترک در کتاب فیزیک ۳ پایه دوازدهم ریاضی و تجربی است.

LASER : Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation

لیزر : تابش نور تقویت شده حاصل از فرآیند گسیل القایی

تصویر (۱) : نمایی از یک لیزر

لیزر

امروزه در صنعت‌های مختلفی شاهد استفاده از لیزر‌ها هستیم. می‌توان گفت که لیزر یکی از بهترین اختراعات قرن بیستم است که امروزه کاربردهای بسیار زیادی در فناوری و صنعت دارد. مطالعات آکادمیک جهت بهبود عملکرد سیستم‌های لیزری و کاربرد لیزر در علوم نوین، همچنان در مراکز آزمایشگاهی و دانشگاه‌ها دنبال می‌شوند.

از کاربردهای لیزر می‌توان به مخابرات و شبکه‌های نوری، چاپگرهای لیزری، جوشکاری، حروف‌نگاری روی CD/DVD و سایر حروف، حکاکی، برش، جوشکاری، اندازه‌گیری دقیق طول، کاربردهای پزشکی و زیبایی، پژوهش‌های علمی در رشته‌های مختلف  و … اشاره کرد.

شکل (۲) : خلاصه‌ای از کاربرد لیزر در علوم و صنعت

اولین لیزر توسط تئودور مایمن (۲۰۰۷-۱۹۲۷) در سال ۱۹۶۰ میلادی ساخته شد لیزر مذکور از نوع یاقوت بود. البته فیزیک و اصول لیزر خیلی پیشتر توسط آلبرت آینشتین بیان شده بود. مدتی پس از ساخت اولین لیزر، دانشمند ایرانی، علی جوان به همراه همکارانش موفق به ساخت اولین نمونه از لیزر گازی هلیوم نئون شدند.

منظور از لیزر گازی این است که ماده یا محیطی که منجر به تولید لیزر می‌شود گازی شکل است. این ماده یا محیط به محیط فعال لیزر موسوم است. به عنوان مثالی دیگر، محیط فعال اولین لیزر ساخته شده، حالت جامد بوده و از جنس یاقوت است.

در ادامه این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده اصول لیزر را بیان و پاسخی مناسب به سوال لیزر چیست ارائه کنیم.

اصول لیزر‌، لیزر چگونه کار می کند ؟

اصول و فیزیک لیزر، بر اساس پدیده گسیل القایی یا گسیل تحریک شده (Stimulated Emission) است که اولین بار آلبرت اینشتین (Albert Einstein) در سال ۱۹۱۷ به آن پرداخت. قبل از پرداختن به پدیده گسیل القایی، بهتر است تا به پیشنیازهایی بپردازیم.

برای تشریح اصول لیزر به زبانی ساده، می‌توانیم به سراغ مدل اتمی بور (بوهر) برویم. هما‌ن‌طور که می‌دانید، مدل اتمی بور، مدلی نیمه کلاسیکی است. بر اساس مدل اتمی بور، الکترون‌ها در ترازهایی گسسته (به اصطلاح کوانتیده) به دور هسته در حال گردش هستند. این الکترون‌ها با جذب و یا از دست دادن انرژی می‌توانند تراز انرژی خود را تغییر دهند. در این حالت اصطلاحاً گفته می‌شود که الکترون به ترازهای مختلف گذار می‌کند.

پدیده جذب (Absorb)

بیان کردیم که الکترون‌ها در مدل اتمی نیمه کلاسیکی (شبه کوانتومی) بور در مدار یا ترازهایی با انرژی معین در حال گردش به دور هسته اتم هستند. در این حالت، مطابق با مدل اتمی بور، هیچگونه تابشی وجود نخواهد داشت. مدل اتمی بور بیان می‌کند که تنها در صورتی الکترون‌ها تراز یا مدار خود را عوض می‌کنند که انرژی دریافت و یا از دست بدهند. لازم به ذکر است که این مقدار انرژی نمی‌تواند هر مقدار دلخواهی باشد.

در واقع اگر الکترون بخواهد تراز یا مدار خودش را عوض کند، باید به اندازه اختلاف انرژی دو تراز مبدا و مقصد انرژی دریافت و یا از دست بدهد. حال اجازه دهید پدیده جذب را بررسی کنیم. همان‌طور که از نام پدیده جذب مشخص است، همانند شکل زیر، الکترون انرژی دریافت (جذب) کرده و به تراز انرژی بالاتر گذار می‌کند.

شکل (۳) : الکترون با جذب انرژی از فوتون می‌تواند به ترازهای بالاتر گذار کند.

بر اساس شکل فوق، فرض کنید که الکترون از تراز n1 به تراز بالاتر n2 برود. برای اینکه این امر محقق شود، الکترون باید انرژی جذب کند که ما این انرژی را به واسطه فوتون به الکترون می‌دهیم. در اینجا نکته مهم این است که مقدار انرژی فوتون (E=hf) باید دقیقا برابر با اختلاف انرژی دو تراز مبدا و مقصد باشد. یعنی:

\(\large Atom \: + \: Photon \: = \: Atom^{*}\)

\(\large \Rightarrow E_{1}\: + \: hf\: = \: E_{2} \rightarrow \Delta E = E_{2} – E_{1} = hf\)

در رابطه فوق، نماد * به معنی اتم برانگیخته است. برانگیخته بدین معنی الکترون‌های اتم‌ از ترازهای پایین انرژی به ترازهای بالا گذار کردند. پس طبق توضیحات فوق یکی از حالت‌های برهمکنش فوتون با اتم، پدیده جذب است.

گسیل خود به خودی (Spontaneous Emission)

در پدیده جذب دیدیم که الکترون با دریافت انرژی به ترازهای بالاتر می‌رود. عموماً الکترونی که با جذب انرژی به ترازهای بالاتر رفته ناپایدار است. به عبارت دیگر اتم برانگیخته ناپایدار است. از آنجایی که الکترون‌های اتم تمایل به پایداری دارند، انرژی اضافی خود را به طور خود به خودی به صورت فوتون تابش (گسیل) می‌کنند. در واقع با گسیل فوتون، الکترون انرژی از دست می‌دهد و به ترازهای پایین‌تر با انرژی کمتر باز می‌گردد. این امر در شکل زیر مشخص است:

شکل (۴) : الکترون‌های اتم برانگیخته ناپایدار بوده و با گسیل انرژی خود به فرم فوتون به ترازهای پایین تر گذار می‌کنند.

نکته‌ای که باید در اینجا نیز به آن توجه داشته باشیم، این است که مقدار انرژی فوتون تابش یا گسیل شده برابر با اختلاف انرژی تراز مبدا و مقصد الکترون است. یعنی:

\(\large Atom^{*} = hf + Atom\)

\large \Rightarrow \Delta E = E_{2} – E_{1} = hf

توجه داشته باشید که در یک اتم برانگیخته لزوما تمامی الکترون‌ها از ترازهای برانگیخته (بالا) به یک تراز پایین باز نمی‌گردند. در واقع هر یک از فوتون‌های گسیل شده ممکن است که انرژی متفاوتی (اختلاف انرژی دو تراز مبدا و مقصد) داشته باشند. انرژی متفاوت طبق رابطه E=hf به معنی فرکانس متفاوت است. در واقع فوتون‌های گسیل شده از یک ماده حاوی اتم‌های برانگیخته فرکانس‌های متفاوتی دارند.

توجه داشته باشید که در گسیل خود به خودی‌، الکترون‌های اتم برانگیخته به طور خود به خودی تابش (گسیل) می‌کنند و ما هیچ کاری روی سیستم انجام نمی‌دهیم.

گسیل القایی یا گسیل تحریکی (Stimulated Emission)

حال با توجه به مقدماتی که گفته شد، می‌توانیم به سراغ اصول و فیزیک لیزر بریم. یعنی گسیل القایی یا گسیل تحریکی که نوع دیگری از برهمکنش فوتون با اتم‌ها محسوب می‌شود. فرض کنید که با دادن انرژی به اتم‌های یک محیط آن‌ها را در حالت برانگیخته قرار دادیم (به این عمل به اصطلاح پمپ کردن انرژی می‌گویند)، یعنی برای اتم‌های محیط پدیده جذب رخ می‌دهد.

پمپ کردن یا انتقال انرژی توسط تخلیه ولتاژ، فلاش (درخش) نور شدید، تابش یک لیزر دیگر و … انجام می‌شود. فرض کنید که مقدار انرژی پمپ به قدری باشد که بتوانیم این الکترون‌های برانگیخته را قبل از تابش خود‌به‌خودی و برگشت به حالت پایه یا ترازهایی با انرژی کمتر، برای مدتی در حالت یا تراز برانگیخته نگه داریم. اصطلاحاً به این تراز «شبه پایدار» (Meta – Stable State) می‌گویند.

الکترون‌ها در تراز‌های شبه پایدار به مدت زمان طولانی‌تری حدوداً  نسبت به تراز برانگیخته معمولی  باقی می‌مانند. همین امر باعث می‌شود که فرصت زمان بییشتری برای رخ دادن وارونی جمعیت وجود داشته باشد. اما وارونی جمعیت چیست؟

وارونی جمعیت (Population Inversion)

با عمل پمپ کردن، تعداد الکترون‌های برانگیخته نسبت به تعداد الکترون‌های حالت پایه بیشتر شده و از این حیث به این حالت «وارونی جمعیت» (Population Inversion) می‌گویند. به بیان ساده‌تر در حالت عادی الکترون‌ها در ترازهای پایین‌تر انرژی قرار دارند و می‌توان گفت که ترازهای بالای انرژی خالی هستند، به عبارت دیگر حمعیت الکترون‌ها در حالت‌های پایه بیشتر است. حال اگر به این الکترون‌ها انرژی بدهیم (پمپ انرژی) تا به واسطه پدیده جذب به ترازهای بالاتر بروند، جمعیت الکترون‌ها در ترازهای بالایی بیشتر می‌شود. به همین جهت است که اصطلاحاً می‌گوییم وارونی جمعیت رخ داده است.

شکل (۵) : الف. حالت معمولی (دمای اتاق) که جمعیت الکترون‌ها در ترازهای انرژی پایین بیشتر است. ب. حالت وارونی جمعیت

حال اگر فوتونی با انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز برانگیخته و پایه به محیط حاوی اتم‌های برانیگخته (این محیط اصطلاحاً به محیط فعال یا بهره موسوم است) بتابانیم، باعث می‌شویم که الکترون‌های برانگیخته، فوتونی با همان فرکانس تابش و به حالت پایه باز گردند (شکل زیر). این امر به گسیل القایی یا تحریک شده موسوم است.

شکل (۶) : در گسیل القایی‌، فوتون‌های تابش شده هم فرکانس، هم فاز و هم جهت هستند.

حالت ساده‌تری را در نظر بگیرید که فقط یک الکترون برانگیخته داشته باشیم. در صورت تابش فوتون و رخ دادن فرآیند گسیل القایی‌، دو فوتون (یکی فوتون اولیه تابش شده و دومی فوتون تابش شده از الکترون) در محیط خواهیم داشت که در واقع همان موج یا نور تقویت شده محسوب می‌شود (شکل ۷). به عبارت دیگر فرآیند گسیل القایی تعداد فوتون‌ها را افزایش داده و منجر به تقویت نور می‌شود.

شکل (۷) : گسیل القایی باعث افزایش تعداد فوتون‌ها و در نتیجه تقویت نور می‌شود.

توجه داشته باشید که فوتون‌ تابش (گسیل) شده در این حالت، با فوتون فرودی هم جهت، هم‌فاز و هم‌انرژی (هم‌فرکانس) است. هر کدام از این فوتون‌ها می‌توانند با برخورد به دیگر الکترون‌های برانگیخته فوتون دیگری تولید کنند. در انتهای این امر تعداد زیادی از فوتون‌های هم‌فرکانس خواهیم داشت که منجر به تولید نور تقویت شده می‌شوند.

حال اگر تابش ناشی از گسیل القایی را در محفظه‌ای بسته موسوم به کاواک (شامل بازتابنده‌)، وارد کنیم، تابش دوباره تقویت شده و منجر به تولید تابشی همدوس (coherent) می‌شود که در نهایت توسط ساختاری متناسب با فرکانس تابش به بیرون منتقل می‌شود. به طور مثال اگر فوتون‌های تولید شده در یک لیزر، فرکانسی در ناحیه مرئی داشته باشند، می‌توانیم توسط آینه یا لنزهای معمولی که اکثراً با آن‌ها آشنا هستیم، تابش تقویت شده حاصل از گسیل القایی را به محیط بیرون هدایت کنیم.

تصویر (۹) : نمایی از یک لیزر در فرکانس نور سبز که با ادوات اپتیکی نظیر عدسی و آینه هدایت شده است.

پس با توکلمه LASER از حروف اول عبارت “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”نتیجه شده و به معنی تابش نور تقویت شده حاصل از فرآیند گسیل القایی (تحریکی – Stimulated) است.

خلاصه‌ای از برهمکنش فوتون و اتم

شکل (۱۰) : انرژی فوتون جذب یا تابش شده به اندازه اختلاف انرژی دو تراز مبدأ و مقصد الکترون‌ها خواهد بود.

امیدواریم که مقاله اصول لیزر برای شما عزیزان مفید بوده باشد. در ادامه پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید:

ساختار هسته اتم – فیزیک دوازدهم (۳)

سلف یا القاگر – فیزیک یازدهم (۲)

جریان متناوب – فیزیک یازدهم (۲)