في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف المكوِّنات المختلفة لليزر.
تَسمَح لنا أشعة الليزر باستخدام الطاقة الناتجة عن انبعاثات الإلكترونات في إنتاج أشعة ضوئية. كلمة «ليزر» تعني «تكبير شدَّة الضوء بواسطة انبعاث مُستحَث للإشعاع». ويُخبرنا ذلك بكيفية عمل الليزر؛ حيث ينشأ إشعاع ضوئي عن طريق الانبعاث المُستحَث، ثم يُكبَّر بعد ذلك.
تتكوَّن أشعة الليزر من ثلاثة مكوِّنات رئيسية:
- الوَسَط الفعَّال
- مصدر الطاقة
- التجويف الرنيني
لفهْم كيفية عمل الليزر، يُمكننا النظر إلى كلِّ مكوِّن من هذه المكوِّنات على حِدةٍ.
الوَسَط الفعَّال مادة تتكوَّن من ذرات، توفِّر الإلكترونات لانبعاث الإشعاع. ويُمكن أن يكون للإلكترونات الموجودة في مادة الوَسَط الفعَّال مستوياتٌ مختلفةٌ من الطاقة، ويعتمد ذلك على مستويات الطاقة المُمكِنة لتلك المادة. في معظم الأحيان، تكون الإلكترونات في الحالة الأرضية، وهي أقلُّ مستوى طاقة مُمكِن. ولكنْ يُمكن إثارة أحد الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى بواسطة فوتون ساقط إذا كانت طاقة الفوتون تساوي الفرق في الطاقة بين المستويين.
لإنتاج ضوء الليزر، يجب أن تكون الإلكترونات في مستوى طاقة مُثار. وتتوفَّر الطاقة اللازمة لانتقال الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المُثارة بواسطة مصدر الطاقة. عندما يكون الإلكترون في حالة مُثارة، يُمكن أن يتسبَّب الفوتون الساقط في انبعاث مُستحَث للإلكترون؛ حيث ينبعِث منه فوتون وينتقل إلى مستوى طاقة أقلَّ. وسيكون للفوتون المنبعِث نفس طاقة واتِّجاه وطَوْر الفوتون الذي تسبَّب في الانبعاث. وهذا يعني أن هذين الفوتونين يُمكن أن يُساهِما في إنتاج أشعة الليزر.
عندما تكون نسبة الإلكترونات المُثارة في ذرات وَسَط فعَّال أكبر من نسبة الإلكترونات ذات الحالة الأرضية في الوَسَط، يَحدُث ما يُسمَّى بالإسكان المعكوس في الوَسَط الفعَّال.
مثال ١: إنتاج الفوتون في الليزر
توضِّح المخطَّطات الآتية ثلاث مراحل متتالية لإنتاج الفوتون في الليزر.
- في أيِّ مخطَّط يجري إمداد الطاقة إلى الوَسَط الفعَّال لليزر؟
- تحتوي الطاقة التي جرى إمدادها إلى الوَسَط الفعَّال لليزر على فوتونات ذات أطوال موجية مختلفة. أيٌّ من الكسور الآتية للفوتونات الموضَّحة في المخطَّط يَنتُج عنه الانبعاث المُستحَث في الليزر؟
- ما عدد الفوتونات الناتجة عن عملية إنتاج الليزر في المخطَّطات؟
الحل
الجزء الأول
يَظهَر إمداد الطاقة في المخطَّط الأول. ويوضِّح المخطَّط الأول ثلاثة فوتونات، يوفِّرها مصدر الطاقة، وهي تتفاعَل مع الإلكترونات الموجودة في الوَسَط الفعَّال. هذه هي المرحلة الأولى من عملية إنتاج الليزر، والمطلوب هو تحقيق حالة إسكان معكوس.
الجزء الثاني
يوضِّح المخطَّط الأول ثلاثة فوتونات، يوفِّرها مصدر الطاقة، وهي تتفاعَل مع الإلكترونات الموجودة في الوَسَط الفعَّال. تَمتصُّ الذرتان العُلوية والسُّفلية الفوتونات؛ فتصبحان مُثارتين. أمَّا الذرة المتوسطة فتخضع لانبعاث مُستحَث؛ ومن ثمَّ تُنتِج فوتونًا آخَر، مطابقًا للفوتون الذي تسبَّب في الانبعاث.
إذن لدينا ثلاثة فوتونات واردة، ويتسبَّب فوتون واحد منها فقط في الانبعاث المُستحَث. إذن الإجابة هي .
الجزء الثالث
يوضِّح المخطَّط الأول ثلاثة فوتونات واردة. يُمتصُّ اثنان منها، وهو ما يعني أنه يتبقَّى فوتون واحد. ويتسبَّب هذا الفوتون في الانبعاث المُستحَث لفوتون آخَر مُطابِق له. إذن الإجابة هي فوتونان.
لإنتاج ضوء ليزر، يجب أن يكون معظم الإلكترونات الموجودة لدينا في حالة مُثارة. ونسمِّي هذا «الإسكان المعكوس»؛ لأنه عكس الطريقة التي تُرتَّب بها الإلكترونات في المادة عادةً. من المُعتاد أن يكون أكبر عدد مُمكِن من الإلكترونات في الحالة الأرضية. لكن لدينا هنا العكس؛ لأننا نَستخدِم مصدر طاقة لرفْع طاقة الإلكترونات.
لكنْ إذا كان لدينا مستويان فقط من الطاقة في النظام، فمِن المُستبعَد جدًّا أن يَحدُث انبعاث مُستحَث. هذا لأن الإلكترون المُثار سيَضمحلُّ وينتقل انتقالًا طبيعيًّا إلى حالة الطاقة الأقلِّ، من خلال عملية تُسمَّى بالانبعاث التلقائي. ويَحدَث الانبعاث التلقائي بسرعة كبيرة بحيث يظلُّ الإلكترون في حالة الطاقة المُثارة لمدَّة 10 ns فقط تقريبًا. وبما أن هذه العملية سريعة جدًّا، فمِن المُستبعَد أن يَصِل الفوتون الساقط ذو مستوى الطاقة المناسب إلى الإلكترون المُثار ويُحدِث انبعاثًا مُستحثًّا قبل أن يَضمحلَّ الإلكترون ويعود مرَّة أخرى إلى الحالة الأرضية.
ومثله مثل الانبعاث المُستحَث، يُنتِج الانبعاث التلقائي فوتونات. لكنْ لا يُمكننا استخدام هذه الفوتونات في إنتاج الليزر لأنها مختلفة في الاتجاه والطور. وهذا يعني أن الفوتونات لا «تتجمَّع» لتوليد أشعة ليزر قوية.
للتأكُّد من حدوث الانبعاث المُستحَث، علينا اختيار مادة فعَّالة لها ثلاثة مستويات طاقة. لا يزال لدينا حالة أرضية وحالة مُثارة، لكننا نحتاج إلى حالة ثالثة بينهما. ونسمِّي تلك الحالة الحالة شبه المستقرَّة. ويُمكننا التفكير في الحالة شبه المستقرَّة بوصْفها «مستقرَّة تقريبًا». ويَبقَى الإلكترون في الحالة شبه المستقرَّة لفترة زمنية طويلة قبل أن يَضمحلَّ في النهاية وينتقل إلى الحالة الأرضية. في الواقع، سيظلُّ الإلكترون في الحالة شبه المستقرَّة لمدَّة زمنية أطول آلاف المرَّات من المدَّة التي يظلُّ بها في الحالة المُثارة.
يُمكننا استخدام المراحل الثلاث الموضَّحة لإنتاج ضوء الليزر. تبدأ الإلكترونات في الحالة الأرضية، ثم تُثار من خلال مصدر الطاقة؛ فتنتقل إلى الحالة المُثارة. ثم تَضمحلُّ سريعًا إلى الحالة شبه المستقرَّة؛ حيث تظلُّ فيها لفترة طويلة. وعندئذٍ ستتسبَّب الفوتونات، الساقِطة على الإلكترونات في الحالة شبه المستقرَّة، في حدوث انبعاث مُستحَث لمزيد من الفوتونات.
على سبيل المثال، انظر المخطَّط الآتي.
يُمكن للإلكترون الموجود في الحالة الأرضية، الذي له مستوى الطاقة ، أن يَمتصَّ الفوتون الذي له مستوى الطاقة ؛ فينتقل إلى الحالة المُثارة. يَضمحلُّ الإلكترون سريعًا من خلال الانبعاث التلقائي، وهو ما يَنتُج عنه فوتون له مستوى الطاقة . ويصبح الإلكترون آنذاك في الحالة شبه المستقرَّة؛ حيث يَبقَى فيها حتى يتفاعَل مع فوتون له مستوى الطاقة . يؤدِّي هذا التفاعُل إلى خضوع الإلكترون لانبعاث مُستحَث، وهو ما يَنتُج عنه فوتون آخَر له مستوى الطاقة ، وله أيضًا نفس اتجاه وطَوْر الفوتون الساقط. عاد الإلكترون الآن إلى الحالة الأرضية مرَّة أخرى. ورغم أن هذه العملية تُنتِج فوتونات ذات مستويَيِ الطاقة (، )، فإن معظم الإشعاع المنبعث من الليزر سيكون على شكل فوتون له مستوى الطاقة ؛ لأن هذه هي الفوتونات الوحيدة التي تَنتُج عن الانبعاث المُستحَث، على عكس الانبعاث التلقائي.
مثال ٢: الذرات المُثارة في أوساط مختلفة
يُمثِّل الشكلان ذرات في وَسَطين. الوَسَط (أ) فيه حالة أرضية وحالة مُثارة، والوَسَط (ب) فيه حالة أرضية وحالة مُثارة وحالة شبه مستقرَّة. يُزوَّد الوَسَطان بفوتونات تُثِير الذرات من الحالة الأرضية إلى الحالة المُثارة. وتنبعِث فوتونات من الوَسَطين عند انتقال ذراتهما إلى مستوى طاقة أقلَّ.
- مُتوسِّط الفترة الزمنية اللازمة لإثارة الذرات من الحالة الأرضية إلى مستوى طاقة أعلى هو . ومُتوسِّط الفترة الزمنية اللازمة للذرات كي تستقرَّ بالانتقال إلى الحالة الأرضية من مستوى طاقة أعلى هو . في أيِّ وَسَط يكون ؟
- الوَسَط (أ)
- الوَسَط (ب)
- كلا الوَسَطين
- عند تزويد الوَسَطين بالطاقة، في أيٍّ مِنْهما يكون عدد الذرات عند المستويات الأعلى طاقة أكبر من عدد الذرات في الحالة الأرضية؟
- الوَسَط (أ)
- الوَسَط (ب)
- كلا الوَسَطين
- تحت أيِّ الظروف الآتية يَخضع وَسَطٌ ما لإسكان معكوس؟
- عندما يكون عدد الذرات في المستويات ذات الطاقة الأعلى أكبر من عدد الذرات في الحالة الأرضية
- عند تأيُّن جميع الذرات الموجودة في الوَسَط
- عندما لا يكون أيٌّ من ذرات الوَسَط في الحالة شبه المستقرَّة
- عندما تكون الطاقة في الحالة المُثارة مساوية للطاقة في الحالة شبه المستقرَّة
- عندما يكون عدد الذرات في مستويات الطاقة الأعلى من الحالة الأرضية، أقلَّ من عدد الذرات الموجودة في الحالة الأرضية
- عند خضوع وَسَط لإسكان معكوس، في أيِّ حالة يُوجَد معظم الذرات الموجودة عند مستويات الطاقة الأعلى من الحالة الأرضية؟
- الحالة شبه المستقرَّة
- الحالة المُثارة
- يُوجَد عدد الذرات نفسه تقريبًا في الحالة المُثارة والحالة شبه المستقرَّة.
الحل
الجزء الأول
لكي تنتقل ذرة من الحالة الأرضية إلى حالة ذات طاقة أعلى، يجب أن تَمتصَّ فوتونًا مساويًا للفرق بين حالتي الطاقة. لذا تَنتظر الذرة حتى يَصطدم بها فوتون مشحون بالكمية المناسبة من الطاقة قبل أن تنتقل إلى الحالة المُثارة. والزمن الذي يَستغرِقه الفوتون المناسب لكي يَصِل هو ، وتلك مدَّة زمنية طويلة مقارنة بسرعة الانبعاث التلقائي.
ولكي تنتقل ذرة من حالة أعلى إلى حالة أقلَّ، يجب أن ينبعث منها فوتون ذو طاقة تساوي الفرق بين الحالتين.
في حالة الوَسَط (أ)، تُوجَد حالة أرضية وحالة مثارة فقط. وبمجرد أن تَصِل الذرة إلى الحالة المُثارة، تظلُّ فيها لمدَّة 10 ns قبل أن ينبعث منها فوتون تلقائيًّا وتنتقل مرَّة أخرى إلى الحالة الأرضية. والزمن المُستغرَق لحدوث هذه العملية هو . ونظرًا لأن الانبعاث التلقائي يَحدُث بسرعة كبيرة، ففي الوَسَط (أ) يكون .
في الوَسَط (ب)، تُوجَد حالة أرضية، وحالة مُثارة، وحالة شبه مستقرَّة. وتَضمحلُّ الذرة الموجودة في الحالة المُثارة سريعًا إلى الحالة شبه المستقرَّة عن طريق الانبعاث التلقائي.
يُمكن أن تَصِل الذرة في الحالة شبه المستقرَّة إلى الحالة الأرضية عن طريق الانبعاث التلقائي، لكنْ بما أن هذه الحالة مستقرَّة للغاية، فإن هذه العملية تَستغرِق وقتًا طويلًا جدًّا. ويُمكن أن تَصِل الذرة أيضًا إلى الحالة الأرضية بالانبعاث المُستحَث، ولكنْ لا بدَّ من الانتظار لحين الاصطدام بالفوتون ذي مستوى الطاقة المناسب. وهذا قد يَستغرِق وقتًا طويلًا جدًّا أيضًا.
في الوَسَط (ب)، هو الزمن المُستغرَق لكي تَضمحلَّ الذرة من الحالة المُثارة إلى الحالة شبه المستقرَّة، ثم من الحالة شبه المستقرَّة إلى الحالة الأرضية. ونظرًا لأن الانتقال من الحالة شبه المستقرَّة إلى الحالة الأرضية يَستغرِق وقتًا طويلًا، ففي الوَسَط (ب)، يكون .
إذن الإجابة هي الوَسَط (ب).
الجزء الثاني
في حالة عدم وجود مصدر طاقة خارجي، تميل الذرات الموجودة في وَسَط ما أن تكون في أقلِّ مستوى طاقة مُمكِن. إذن معظم الذرات سيكون في الحالة الأرضية.
يُمكننا نقْل الذرات من الحالة الأرضية إلى مستويات الطاقة الأعلى عبر توفير طاقة تُثير الذرة.
في حالة الوَسَط (أ)، لا تُوجَد حالة شبه مستقرَّة. وهذا يعني أن الذرة المُثارة ستَضمحلُّ إلى الحالة الأرضية بسرعة كبيرة.
أمَّا في حالة الوَسَط (ب)، فالحالة شبه المستقرَّة تعني أن الذرات المُثارة يُمكن أن تظلَّ عند مستويات الطاقة الأعلى لفترة أطول بكثير.
ومن ثمَّ، فإنه في حالة وجود مصدر طاقة، يكون من الأيسر كثيرًا الاحتفاظ بالذرات في الوَسَط (ب) عند مستويات طاقة أعلى من الوَسَط (أ). وهذا يعني أن الوَسَط (ب) عادة ما يكون به عدد ذرات عند مستويات الطاقة الأعلى أكبر من عدد الذرات في الحالة الأرضية.
الجزء الثالث
في حالة عدم توفُّر طاقة خارجية، تكون الذرات الموجودة في وَسَط ما في أقلِّ حالة طاقة مُمكِنة. ولذا فإن الذرات عادةً ما تَملأ أقلَّ مستوى طاقة مُمكِن. وتَملأ الذرات الحالة الأرضية أولًا، ولا تبدأ في ملء مستويات الطاقة الأعلى إلَّا عند امتلاء الحالة الأرضية.
لكنْ في حالة الليزر، يجب أن تَملأ الذرات مستوياتٍ أعلى من الطاقة، وتَترك الحالة الأرض خالية قَدْر الإمكان. وهذا لأن الليزر يَعتمد على اضمحلال الذرات المُثارة إلى المستويات الأقلِّ؛ فيُنتِج فوتونات أثناء تلك العملية.
ونسمِّي هذا «الإسكان المعكوس»، لأنه مُعاكِس للطريقة التي تَملأ بها الذرات مستويات الطاقة في وَسَط ما عادةً. إذن الإجابة هي (أ)، عند وجود عدد من الذرات في مستويات الطاقة الأعلى أكبر من عدد الذرات في الحالة الأرضية.
ولا يتعلَّق تأيُّن الذرة بهذا الأمر؛ حيث إنه سيغيِّر ببساطة عدد الإلكترونات في كلِّ ذرة.
وفي حالة عدم وجود أيِّ ذرات في الحالة شبه المستقرَّة، تكون جميع الذرات في الحالة الأرضية أو في الحالة المُثارة. وإذا كان معظم الذرات في الحالة المُثارة، فسيكون ذلك إسكانًا معكوسًا، لكنْ نظرًا لأن الانبعاث التلقائي يَحدُث بسرعة كبيرة، فلا يُمكن أن يستمرَّ ذلك طويلًا.
وإذا كانت طاقة الحالة المُثارة تساوي طاقة الحالة شبه المستقرَّة، فسيكون لدينا مستويان مختلفان فقط من الطاقة، وهو ما يعني عدم إمكانية حدوث الإسكان المعكوس.
الجزء الرابع
سيكون معظم الذرات ذات الطاقة الأعلى في الحالة شبه المستقرَّة.
الذرة الموجودة في الحالة المُثارة الأعلى ستَضمحلُّ سريعًا إلى الحالة شبه المستقرَّة عن طريق الانبعاث التلقائي؛ ولذا لا تظلُّ الذرات في الحالة المُثارة لوقت طويل. لكن بمجرد أن تَصِل الذرة إلى الحالة شبه المستقرَّة، ستظلُّ فيها لفترة طويلة جدًّا. وهذا يعني أن معظم الذرات ذات الطاقة الأعلى سيتجمَّع في الحالة شبه المستقرَّة.
يُمكن أن تتفاعَل الفوتونات المنبعِثة من عملية الانبعاث المُستحَث مع إلكترونات أخرى مُثارة، وهو ما يتسبَّب في حدوث المزيد من الانبعاثات المُستحَثة. ويَنتُج عن ذلك عدد كبير من الفوتونات التي لها طاقة وطَوْر واتِّجاه متطابِق، وهي التي تكوِّن شعاع الليزر.
لْكنْ من المُمكِن أيضًا أن يمرَّ الفوتون عبر الوَسَط الفعَّال دون أن يتفاعَل مع أيِّ إلكترونات. وفي هذه الحالة، لا يَحدُث انبعاث مُستحَث، ولا يُمكننا إنتاج شعاع الليزر. لحلِّ هذه المُشكِلة، نَستخدِم التجويف الرنيني. لنصنع التجويف الرنيني، نَضَع مرآتين على طرفَيِ الوَسَط الفعَّال. ويجب أن تكون إحداهما مرآةً كاملةً؛ أيْ إنها تعكس كلَّ فوتون يَصطدم بها، في حين يجب أن تكون الأخرى مرآةً جزئيةً؛ أيْ إنها تَسمَح بمرور بعض الفوتونات عبرها وتعكس بعضها الآخَر.
إذا مرَّ الفوتون عبر الوَسَط الفعَّال دون أن يتسبَّب في أيِّ انبعاث مُستحَث، فإنه سيَصِل إلى المرآة في النهاية وينعكس. وهذا يعني أن الفوتون سيمرُّ عبر الوَسَط الفعَّال مرَّة أخرى، ويَحصل على فرصة أخرى للتفاعُل مع أحد الإلكترونات. وعندما يتفاعَل الفوتون أخيرًا مع إلكترون، سينبعث فوتون آخَر، وهو ما يُمكن أيضًا أن ينعكس ذهابًا وإيابًا حتى يتسبَّب في انبعاث فوتون آخَر. وبانعكاس الفوتونات ذهابًا وإيابًا عبر الوَسَط الفعَّال، نُنتِج المزيد والمزيد من الفوتونات، وهو ما ينشأ عنه شعاع ليزر أقوى. تُعرَف هذه العملية باسم التكبير. وتمثِّل الفوتونات التي يُسمَح لها بالمرور عبر المرآة الجزئية ما نراه في صورة ضوء الليزر.
مثال ٣: التجويف الرنيني
أحد الأوجه العاكسة للتجويف الرنيني لليزر يجب ألَّا يكون عاكسًا بالكامل حتى يكون الليزر فعَّالًا. أيٌّ ممَّا يأتي يفسِّر سبب ذلك؟
- إذا كانت جميع أوجه التجويف الرنيني عاكسةً بدرجة متساوية، فإن الموجات الضوئية التي تتحرَّك في اتجاهات متعاكسة خلال التجويف ستتداخَل تداخُلًا هدَّامًا.
- لا يُمكن أن تنبعث طاقة من التجويف الرنيني إذا كانت جميع أوجهه عاكِسة بالكامل.
- لا يُمكن تزويد التجويف الرنيني بطاقة خارجية إذا كانت جميع أوجهه عاكسة بالكامل.
- لا يُمكن أن ينبعث ضوء مترابط من التجويف الرنيني إذا كانت جميع أوجهه عاكِسة بالكامل.
- جميع الأسباب المُعطاة صحيحة.
الحل
الإجابة هي الخيار (د)؛ حيث لا يُمكن أن ينبعث ضوء مترابط من التجويف الرنيني إذا كانت جميع أوجهه عاكِسة بالكامل.
ويَستخدِم التجويف الرنيني مرآتين لعكس الفوتونات ذهابًا وإيابًا في الوَسَط الفعَّال من أجل زيادة احتمالات أن يتسبَّب الفوتون في الانبعاث المُستحَث. لكنْ إذا كانت جميع أوجه التجويف الرنيني عاكِسة بالكامل ولا تَسمَح بمرور أيِّ فوتونات، فلن نتمكَّن من رؤية أيِّ شعاع من الليزر الذي أنتجناه. ومن ثمَّ، يجب أن يكون أحد الوجهين عاكِسًا جزئيًّا حتى يمرَّ شعاع الليزر عبر التجويف الرنيني.
لاحِظ أن التداخُل الهدَّام لا يَحدُث. التجويف الرنيني مُصَمَّم ليكون له طول معيَّن؛ بحيث تَنتُج موجات موقوفة داخل التجويف، وهو ما يَحُول دون حدوث تداخُل هدَّام.
لا تَنتُج الطاقة عن مصدر الطاقة عبر إدخاله الفوتونات العالية الطاقة مباشرة. وإنما يَمُدُّ المصدرُ الطاقةَ عادة في صورة طاقة كهربية، وهو ما يُمكن تطبيقه حتى إذا كانت جميع المرايا عاكِسة بالكامل.
النقاط الرئيسية
- يَستخدِم الليزر الانبعاث المُستحَث للفوتونات لإنتاج الأشعة الضوئية.
- تَحتاج المادة الفعَّالة لليزر إلى ثلاثة مستويات طاقة: الحالة الأرضية، والحالة شبه المستقرَّة، والحالة المُثارة.
- يلزم وجود مصدر طاقة لحدوث إسكان معكوس في مادة الوَسَط الفعَّال؛ حيث يكون عدد الإلكترونات في الحالة المُثارة أكبر من عدد الإلكترونات في الحالة الأرضية.
- التجويف الرنيني، الذي يتكوَّن من مرآتين موضوعتين على طرفَيِ الوَسَط الفعَّال، يُكبِّر شعاع الليزر.
