نسخة الفيديو النصية
لدينا جهازا ليزر متطابقان. نقلت طاقة لأحد جهازي الليزر لكي يبعث ضوءًا مترابطًا. وجه الضوء المترابط إلى التجويف الرنيني لجهاز الليزر الآخر. أي من الآتي يصف تأثير الضوء المترابط على الذرات في الوسط الفعال لجهاز الليزر الموجه إليه الضوء؟ أ: تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة، ثم إلى الحالة الأرضية. ب: تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة، ثم إلى الحالة شبه المستقرة، ثم إلى الحالة الأرضية. ج: تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة شبه المستقرة، ثم إلى الحالة الأرضية.
قبل أن نبدأ الإجابة عن هذا السؤال، دعونا نرسم مخططًا للحالة التي لدينا. لدينا جهازا ليزر متطابقان. والضوء المترابط الصادر من جهاز الليزر الأول يوجه إلى التجويف الرنيني لجهاز الليزر الآخر، ما يعني أن جهاز الليزر الأول يعمل مصدرًا للطاقة. علينا معرفة كيف يؤثر الضوء المترابط الصادر من جهاز الليزر الأول على الإلكترونات الموجودة في الوسط الفعال لجهاز الليزر الثاني.
لنبدأ بالتفكير فيما يحدث في الوسط الفعال لجهاز الليزر الأول. الوسط الفعال لليزر له ثلاثة مستويات طاقة: الحالة الأرضية، والحالة شبه المستقرة، والحالة المثارة. دعونا نرمز إلى طاقة كل حالة من هذه الحالات. سنفترض أن الحالة الأرضية تناظر الطاقة 𝐸g، والحالة شبه المستقرة تناظر الطاقة 𝐸m، والحالة المثارة تناظر الطاقة 𝐸e.
تبدأ معظم الإلكترونات في الحالة الأرضية. ويمكن استخدام مصدر طاقة خارجي لإثارة الإلكترونات من خلال تزويد الوسط الفعال بالفوتونات. إذا امتص الإلكترون فوتونًا له مقدار مناسب من الطاقة، يمكن أن يثار لينتقل إلى حالة أعلى. وتنتقل الإلكترونات في الليزر عادة من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة، متجاوزة الحالة شبه المستقرة. هذا يحدث إذا امتص الإلكترون فوتونًا ذا طاقة تساوي الفرق بين طاقتي الحالة المثارة والحالة الأرضية، أي 𝐸e ناقص 𝐸g.
والإلكترون في الحالة المثارة له فترة عمر قصيرة جدًّا، ما يعني أنه سرعان ما سينتقل تلقائيًّا لأسفل إلى الحالة التالية، وهي الحالة شبه المستقرة. هذا الانتقال التلقائي لأسفل يتسبب في إطلاق فوتون له طاقة تساوي الفرق بين مستويي الطاقة هذين، أي 𝐸e ناقص 𝐸m.
ومع ذلك، فإن الفوتونات الناتجة عن الانبعاث التلقائي لا تساهم في إنتاج ضوء الليزر. يرجع ذلك إلى أن كلًّا من طور هذه الفوتونات واتجاهها يكون عشوائيًّا، ما يعني أنها لا تتجمع لتوليد شعاع ليزر قوي. ولكن بمجرد أن يصبح الإلكترون في الحالة شبه المستقرة، فإنه سيظل في هذه الحالة لفترة زمنية طويلة بما يكفي لحدوث الانبعاث المستحث.
يحدث الانبعاث المستحث عندما يتفاعل فوتون ينتقل عبر الوسط الفعال مع الإلكترون ويتسبب في أن يبعث الإلكترون فوتونًا آخر ثم ينتقل إلى مستوى طاقة أقل. ويكون للفوتون المنبعث نفس الطاقة والطور والاتجاه مثل الفوتون الذي أحدث الانبعاث. ونظرًا لأن هذا يحدث عندما ينتقل الإلكترون من الحالة شبه المستقرة عائدًا إلى الحالة الأرضية، فيجب أن تكون للفوتونين طاقة تساوي الفرق بين طاقتي هاتين الحالتين، أي 𝐸m ناقص 𝐸g.
إذا حدث عدد كبير من الانبعاثات المستحثة في الوسط، فسينتهي الأمر بوجود عدد كبير من الفوتونات المتطابقة التي يمكن أن تكون معًا شعاعًا قويًّا من ضوء الليزر. كل الفوتونات الموجودة في شعاع الليزر الناتج عن جهاز الليزر الأول ستكون لها طاقة تساوي 𝐸m ناقص 𝐸g.
لنفكر الآن فيما يحدث داخل جهاز الليزر الثاني. نعلم أن جهاز الليزر هذا مطابق للجهاز الأول؛ ومن ثم فإن الوسط الفعال سيكون له نفس مستويات الطاقة السابقة. ومرة أخرى، يبدأ الإلكترون في الحالة الأرضية. لكن هذه المرة، يوجه الشعاع الصادر من جهاز الليزر الأول إلى الوسط الفعال. هذا يعني أن الكثير من الفوتونات، التي لها كلها طاقة تساوي 𝐸m ناقص 𝐸g، ستنتقل عبر الوسط الفعال. ماذا يحدث عندما يمتص إلكترون في الحالة الأرضية أحد هذه الفوتونات؟
حسنًا، في البداية، تكون للإلكترون في البداية الطاقة 𝐸g. عندما يمتص الإلكترون الفوتون، تصبح طاقته 𝐸g زائد طاقة الفوتون، وهو ما يجعل طاقته الكلية تساوي 𝐸g زائد 𝐸m ناقص 𝐸g. يبسط هذا المقدار إلى 𝐸m، وهي طاقة الحالة شبه المستقرة. وعليه، عندما يمتص إلكترون في الحالة الأرضية فوتونًا من جهاز الليزر الأول، فإنه سينتقل إلى الحالة شبه المستقرة. بعد ذلك، يمكن أن يبقى الإلكترون في الحالة شبه المستقرة حتى يحدث فوتون آخر انبعاثًا مستحثًّا، تمامًا مثل حالة جهاز الليزر الأول التي تناولناها. وكما حدث من قبل، سيتسبب هذا في أن يبعث الإلكترون فوتونًا طاقته تساوي 𝐸m ناقص 𝐸g، ثم ينتقل الإلكترون إلى الحالة الأرضية.
حسنًا، لنلخص ما يحدث للإلكترونات في الوسط الفعال لجهاز الليزر الثاني. يبدأ الإلكترون في الحالة الأرضية، ثم يمتص فوتونًا، ثم ينتقل إلى الحالة شبه المستقرة، ثم يطلق فوتونًا، ثم ينتقل عائدًا إلى الحالة الأرضية.
أصبحنا الآن جاهزين للإجابة عن هذا السؤال. لنستعرض خيارات الإجابة. يمكننا استبعاد الخيارين أ، ب؛ لأن الإلكترونات الموجودة في جهاز الليزر الثاني لن تصل أبدًا إلى الحالة المثارة. فهي لن تتفاعل أبدًا مع فوتونات ذات طاقة عالية بما يكفي ليحدث ذلك. بدلًا من ذلك، تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة شبه المستقرة ثم إلى الحالة الأرضية، كما هو موضح في الخيار ج. إذن الخيار ج هو الإجابة الصحيحة لهذا السؤال.
