گسیل القایی: شاهکلید درخشش لیزر
اتمها و سطوح انرژی: دنیای کوانتومی کوچکها
همهی مواد از اتمها ساخته شدهاند. تصور کنید هر اتم مانند یک منظومهی کوچک است: یک هسته[2] (مرکز سنگین) و الکترونها[3] (ذرات سبکتر) که در مدارهایی به دور آن میچرخند. اما این مدارها مانند مدارهای سیارات نیستند. الکترونها فقط میتوانند در سطوح انرژی[4] مشخص و ثابتی حضور داشته باشند، مثل پلههای یک نردبان که الکترون فقط میتواند روی یک پله بایستد، نه بین دو پله.
هرچه الکترون در پله (سطح انرژی) بالاتری باشد، انرژی بیشتری دارد. این وضعیت را حالت برانگیخته[5] مینامیم. برعکس، پایینترین سطح انرژی ممکن که الکترون به طور طبیعی در آن قرار دارد، حالت پایه[6] نامیده میشود.
سه راه تعامل نور و ماده: جذب، گسیل خودبهخودی و گسیل القایی
اتمها میتوانند با ذرات نور، یعنی فوتونها[7]، تعامل داشته باشند. این تعامل سه شکل اصلی دارد:
| نام فرآیند | شرح ساده | نتیجه | مثال روزمره |
|---|---|---|---|
| جذب[8] | الکترون در حالت پایه، انرژی یک فوتون را میگیرد و به سطح بالاتر میرود. | فوتون ناپدید میشود. اتم برانگیخته میشود. | جذب نور خورشید توسط برگ گیاهان. |
| گسیل خودبهخودی[9] | الکترون در حالت برانگیخته، خودبهخود و تصادفی به سطح پایینتر سقوط کرده و یک فوتون گسیل میکند. | یک فوتون جدید با جهت و فاز تصادفی تولید میشود. | نور یک لامپ LED یا رشتهای. |
| گسیل القایی[1] | یک فوتون به اتم برانگیخته برخورد میکند و آن را تحریک میکند تا فوتونی دقیقاً مشابه خود گسیل کند. | دو فوتون همفرکانس، همفاز، همجهت و همقطبش وجود خواهد داشت. | عملکرد اصلی درون یک لیزر. |
گسیل القایی مانند یک بازی دومینو است. فرض کنید یک ردیف مهرهی دومینو ایستاده (اتمهای برانگیخته) دارید. اگر مهرهی اول را هل دهید (فوتون محرک)، به مهرهی دوم برخورد کرده و آن را نیز میاندازد. مهرهی دوم نیز دقیقاً همان کاری را میکند که مهرهی اول کرد: افتادن. نتیجه یک زنجیره از افتادنهای همسان است.
شرایط ریاضی و قانون بنیادی اینشتین
آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۷ وجود گسیل القایی را پیشبینی کرد. او نشان داد که احتمال رخداد گسیل القایی دقیقاً با احتمال رخداد جذب برابر است. برای گسیل القایی باید دو شرط اساسی برقرار باشد:
۱. اتم در حالت برانگیخته باشد: الکترون از قبل در سطح انرژی بالاتری قرار داشته باشد. به این ذخیرهسازی انرژی وارونگی جمعیت میگویند که شرط اصلی کار لیزر است.
۲. فوتون محرک با انرژی مناسب بیاید: انرژی فوتون محرک باید دقیقاً برابر با اختلاف انرژی دو سطح اتم باشد. اگر این اختلاف انرژی را $E_2 - E_1 = \Delta E$ بنامیم، فرکانس فوتون باید دقیقاً برابر باشد با: $ \nu = \frac{\Delta E}{h} $ که در آن $h$ ثابت پلانک[10] است.
از یک فوتون تا پرتو لیزر: تقویت نور
گسیل القایی به تنهایی یک فرآیند تقویتکننده است. وقتی یک فوتون به یک محیط فعال (مثلاً بلوری با اتمهای برانگیخته) وارد میشود، میتواند زنجیرهای از گسیلهای القایی را ایجاد کند. حالا تصور کنید این محیط بین دو آینه قرار گیرد. فوتونها به جلو و عقب بازتاب میشوند و هر بار از بین اتمهای برانگیختهی بیشتری عبور میکنند و باعث گسیلهای القایی بیشتر میشوند. این فرآیند تقویت نور[11] نام دارد.
اگر یکی از آینهها نیمهشفاف باشد، بخشی از این نور تقویتشده که حالا یک دسته فوتون کاملاً همسان است، از آن خارج میشود. این خروجی، پرتو لیزر[12] است. نام لیزر مخفف تقویت نور با گسیل القایی تابش به معنای تقویت نور توسط گسیل تابشی القایی است.
لیزر در زندگی ما: از نشانگر تا جراحی
گسیل القایی و در نتیجه لیزر، کاربردهای فراوانی دارد که از ساده تا پیچیده طبقهبندی میشوند:
| سطح درسی | نمونه کاربرد | نقش گسیل القایی | وضعیت |
|---|---|---|---|
| ابتدایی | نشانگر لیزری (پوینتر) | تولید پرتو نازک و متمرکز نور | آشنا |
| متوسطه اول | چاپگر لیزری، پخش DVD/CD | ایجاد نقطهای دقیق برای خواندن/نوشتن اطلاعات | کاربردی |
| متوسطه دوم | برش و جوشکاری فلزات در صنعت | تولید پرتو پرانرژی و متمرکز برای ذوب مواد | پرانرژی |
| پیشدانشگاهی | جراحیهای چشم (لیزیک)، ارتباطات فیبر نوری | ایجاد پرتوی فوقالعاده دقیق برای برش بافت یا ارسال دادهها با کمترین اتلاف | دقیق |
مثال علمی: در جراحی لیزیک، از یک لیزر اگزایمر[13] استفاده میشود. این لیزر نور فرابنفش تولید میکند که میتواند پیوندهای مولکولی در بافت قرنیه را به دقت و بدون گرم کردن زیاد بافت اطراف، جدا کند. این دقت فوقالعاده به خاطر همراستایی و تکرنگی عالی پرتو لیزر است که مستقیم از ماهیت گسیل القایی نشأت میگیرد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: بله، دقیقاً. در گسیل القایی (و خودبهخودی)، الکترون از سطح انرژی بالاتر ($E_2$) به سطح پایینتر ($E_1$) میرود. اختلاف انرژی $ \Delta E = E_2 - E_1 $ به صورت یک فوتون آزاد میشود. بنابراین انرژی درونی اتم کاهش یافته و به شکل نور بیرون فرستاده میشود.
پاسخ: کلیدیترین تفاوت در همسانی فوتونهاست. در لیزر، فوتونها همفرکانس (تکرنگ)، همفاز (قلهها و درههای موجهایشان باهم منطبق است)، همجهت (پرتو باریک) و همقطبش هستند. در نور لامپ، فوتونها در فرکانسهای مختلف (طیف گسترده)، با فازهای تصادفی، به همهی جهات و با قطبشهای مختلف گسیل میشوند. به همین دلیل نور لیزر بسیار متمرکز و قدرتمند است.
پاسخ: خیر. وارونگی جمعیت شرط اساسی است. در حالت عادی، تعداد اتمها در سطح پایه بیشتر از سطح برانگیخته است. بنابراین فوتونی که وارد محیط میشود، به احتمال زیاد توسط یک اتم در حالت پایه جذب میشود، نه اینکه باعث گسیل القایی از یک اتم برانگیخته شود. برای غالب شدن گسیل القایی بر جذب، باید تعداد اتمهای برانگیخته بیشتر از اتمهای پایه باشد (وارونگی جمعیت). این کار معمولاً با "پمپ کردن" انرژی به محیط (مثلاً با نور قوی یا تخلیهی الکتریکی) انجام میشود.
پاورقی
[1] گسیل القایی (Stimulated Emission): فرآیندی که در آن یک فوتون فرودی، یک گذار الکترونی از حالت برانگیخته به حالت پایهتر را القا میکند و در نتیجه فوتونی دوم با ویژگیهای یکسان فوتون اول گسیل میشود.
[2] هسته (Nucleus): بخش مرکزی و سنگین اتم، متشکل از پروتون و نوترون.
[3] الکترون (Electron): ذرهای با بار منفی که به دور هستهی اتم میچرخد.
[4] سطح انرژی (Energy Level): مقدار انرژی مجاز و کوانتیدهای که یک الکترون در یک اتم میتواند داشته باشد.
[5] حالت برانگیخته (Excited State): حالتی از اتم که در آن حداقل یک الکترون در سطح انرژی بالاتر از حالت پایه قرار دارد.
[6] حالت پایه (Ground State): پایدارترین حالت یک اتم که در آن تمام الکترونها در پایینترین سطح انرژی ممکن قرار دارند.
[7] فوتون (Photon): بستهی گسستهی انرژی (کوانتوم) نور، که هم رفتار موجی و هم ذرهای از خود نشان میدهد.
[8] جذب (Absorption): فرآیند گرفتن انرژی یک فوتون توسط یک اتم و انتقال الکترون به سطح انرژی بالاتر.
[9] گسیل خودبهخودی (Spontaneous Emission): فرآیندی که در آن یک اتم برانگیخته، به طور تصادفی و بدون دخالت خارجی، به حالت پایه بازگشته و یک فوتون گسیل میکند.
[10] ثابت پلانک (Planck's Constant): ثابت بنیادی فیزیک با نماد $h$ که رابطه بین انرژی و فرکانس یک فوتون را برقرار میکند. مقدار تقریبی آن $6.626 \times 10^{-34}$ ژولثانیه است.
[11] تقویت نور (Light Amplification): افزایش شدت نور از طریق فرآیند گسیل القایی در یک محیط فعال.
[12] لیزر (Laser): وسیلهای که نور را از طریق تقویت نوری بر پایهی گسیل القایی تابش تولید میکند.
[13] لیزر اگزایمر (Excimer Laser): نوعی لیزر که از یک گاز نجیب و یک هالوژن تشکیل شده و نور فرابنفش تولید میکند. از آن در جراحیهای چشمی و ساخت ریزتراشهها استفاده میشود.
