لیزر چیست؟
LASER مخفف عبارت Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation به معنای «تقویت نور توسط گسیل القایی تابش» است. برای درک بهتر این تعریف، لازم است مفاهیم پایه‌ای در فیزیک کوانتوم و نور توضیح داده شود.
نشر القایی چیست؟
طبق نظریه کوانتومی، مدارهای الکترونی یا همان ترازهای انرژی در اتم‌ها و مولکول‌ها، دارای مقادیر گسسته و مشخصی هستند. انرژی یک اتم یا مولکول وابسته به مدار اشغال‌شده توسط الکترون‌های آن است.
زمانی که الکترون به یک مدار پایین‌تر (سطح انرژی پایین‌تر) انتقال می‌یابد، انرژی کاهش‌یافته به شکل یک فوتون ساطع می‌شود. انرژی این فوتون برابر با اختلاف انرژی بین دو تراز بوده و فرکانس آن طبق رابطه E = hf (رابطه انیشتین) محاسبه می‌شود که در آن h ثابت پلانک است.
به‌طور معمول، اتم‌ها در حالت پایه هستند. وقتی فوتونی با انرژی خاص به اتم برسد، الکترون آن از تراز پایین به تراز بالاتر می‌رود و اتم وارد حالت برانگیخته می‌شود. این پدیده جذب تابشی نام دارد.
معکوس این فرآیند، یعنی بازگشت الکترون به تراز پایین‌تر، باعث نشر فوتون می‌شود. انیشتین نشان داد که این نشر می‌تواند به دو صورت انجام شود:
- نشر خودبخودی (Spontaneous Emission): بازگشت تصادفی الکترون از حالت برانگیخته به حالت پایه بدون دخالت عامل خارجی.
- نشر القایی (Stimulated Emission): اگر فوتونی با انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز به اتم برسد، باعث تحریک الکترون برای بازگشت به تراز پایین‌تر شده و فوتون جدیدی تولید می‌شود. این فوتون با فوتون اولیه هم‌فرکانس و هم‌فاز است.
ویژگی‌های فوتون‌های لیزری
در نشر القایی، فوتون ایجادشده دارای فرکانس و فاز برابر با فوتون تحریک‌کننده است. این خاصیت باعث می‌شود که نور حاصل همدوس (Coherent) باشد. در مقابل، در نشر خودبخودی، فوتون‌ها با فازهای تصادفی تولید می‌شوند که نور حاصل را ناهمدوس می‌نامند.
تجمع معکوس (Population Inversion)
فرض کنید دو اتم داریم، یکی در حالت پایه و دیگری در حالت برانگیخته. اگر فوتونی با انرژی معادل اختلاف ترازها به آن‌ها برسد، احتمال وقوع پدیده جذب و نشر القایی در شرایط معمولی برابر است.
اما اگر در یک سیستم، تعداد اتم‌های بیشتری در حالت برانگیخته نسبت به حالت پایه باشند، احتمال وقوع نشر القایی افزایش می‌یابد. این وضعیت خاص به‌نام تجمع معکوس شناخته می‌شود و شرط اصلی تولید لیزر است.
جمع‌بندی: مکانیزم عملکرد لیزر
با تابش فوتون‌هایی با پارامترهای مشخص به اتم‌ها، آن‌ها به حالت برانگیخته می‌روند. با ادامه این فرآیند، تجمع معکوس ایجاد شده و با تحریک بیشتر، پدیده نشر القایی اتفاق می‌افتد. فوتون‌های خروجی با فرکانس، فاز و جهت یکسان به‌طور همزمان تقویت شده و در نهایت در یک کاواک نوری، پرتو لیزر قدرتمند تولید می‌شود.
ویژگی‌های نور لیزر
- همدوسی یا هم‌فازی: تمام فوتون‌ها با فاز یکسان حرکت می‌کنند.
- واگرایی بسیار کم: پرتو لیزر تقریباً به‌صورت موازی و متمرکز حرکت می‌کند.
- تک‌فامی یا تک‌طولی‌موج: نور لیزر معمولاً دارای یک طول‌موج خاص و مشخص است.
- شدت بسیار بالا: نور لیزر انرژی متمرکز بسیار بالایی دارد که آن را در کاربردهای پزشکی، صنعتی و نظامی ویژه می‌کند.
مقایسه تصویری خواص نور لیزر
هم‌فازی:
امواج هم‌فاز ⟶ | امواج غیرهم‌فاز
واگرایی:
پرتو نور معمولی ⟶ | پرتو نور لیزر (متمرکز)
تک‌فامی:
نور سفید معمولی ⟶ | نور لیزر با طول موج خاص