جيل الليزر

جيل الليزر
اقترح أينشتاين توليد الليزر عام 1916 بنظريته عن "الانبعاث التلقائي والمحفز". تُشكل هذه النظرية الأساس الفيزيائي لأنظمة الليزر الحديثة. قد يؤدي التفاعل بين الفوتونات والذرات إلى ثلاث عمليات انتقال: الامتصاص المحفز، والانبعاث التلقائي، والانبعاث المحفز. طالما أمكن الحفاظ على الانبعاث المحفز واستقراره، يُمكن الحصول على الليزر. لذلك، يجب تصنيع أجهزة خاصة - الليزر. يتكون الليزر عمومًا من ثلاثة أجزاء رئيسية: المادة العاملة، وجهاز الإثارة، والمرنان البصري.

1. المادة الفعالة

تُسمى المادة الموجودة في الليزر والقادرة على توليد ضوء الليزر بالمادة العاملة. في الظروف العادية، يكون توزيع الأعداد الذرية في المادة عند كل مستوى طاقة توزيعًا طبيعيًا. ويكون عدد الذرات في مستوى الطاقة الأدنى دائمًا أكبر من عددها في مستوى الطاقة الأعلى. لذلك، عندما يمر الضوء عبر الحالة الطبيعية للمادة المضيئة، تسود عملية الامتصاص، ويضعف الضوء. ولتقوية الضوء بعد مروره عبر المادة المضيئة وتحقيق تضخيمه، من الضروري جعل الانبعاث المحفز هو السائد. ولجعل عدد الذرات في مستوى الطاقة الأعلى أكبر من عددها في مستوى الطاقة الأدنى، يكون هذا التوزيع معاكسًا للتوزيع الطبيعي، ويُسمى هذا التوزيع بانعكاس عدد الجسيمات.
2. جهاز الإثارة
تتمثل وظيفة جهاز الإثارة في رفع مستوى طاقة الذرات من مستوى طاقة منخفض إلى مستوى طاقة أعلى، مما يُمكّن المادة العاملة من تحقيق انعكاس عدد الجسيمات. تشمل مستويات طاقة المادة الحالة الأرضية والحالة المثارة، بالإضافة إلى حالة شبه مستقرة. الحالة شبه المستقرة أقل استقرارًا من الحالة الأرضية، ولكنها أكثر استقرارًا بكثير من الحالة المثارة. نسبيًا، يمكن للذرات البقاء في الحالة شبه المستقرة لفترة أطول. على سبيل المثال، تمتلك أيونات الكروم (Cr3+) في الياقوت حالة شبه مستقرة بعمر افتراضي يبلغ حوالي 10-3 ثانية. بعد إثارة المادة العاملة وتحقيق انعكاس عدد الجسيمات، في البداية، ونظرًا لاختلاف اتجاهات انتشار الفوتونات المنبعثة من الإشعاع التلقائي، فإن فوتونات الإشعاع المحفز لها أيضًا اتجاهات انتشار مختلفة، مما يؤدي إلى خسائر كبيرة في الطاقة الناتجة وامتصاصها؛ وبالتالي لا يمكن توليد خرج ليزر مستقر. ولتمكين الإشعاع المحفز من الاستمرار في الوجود في الحجم المحدود للمادة العاملة، يلزم وجود رنان بصري لتحقيق اختيار وتضخيم الضوء.
3. الرنان البصري
هو عبارة عن زوج من المرايا العاكسة المتوازية المثبتة على طرفي المادة العاملة، بشكل عمودي على المحور الرئيسي. أحد الطرفين عبارة عن مرآة عاكسة كليًا (بمعدل انعكاس 100%)، والطرف الآخر عبارة عن مرآة شفافة جزئيًا وعاكسة جزئيًا (بمعدل انعكاس يتراوح بين 90% و99%).
تتمثل وظائف الرنان فيما يلي: ① توليد التضخيم الضوئي والحفاظ عليه؛ ② تحديد اتجاه الضوء الخارج؛ ③ تحديد طول موجة الضوء الخارج. بالنسبة لمادة معينة، ونظرًا لعوامل مختلفة، فإن طول موجة الضوء المنبعث ليس ثابتًا، بل يتميز الطيف بعرض معين. يمكن للرنان أن يؤدي دورًا في انتقاء التردد، مما يُحسّن من أحادية لون الليزر.