نظرية إنتاج أشعة الليزريمكن توضيح نظرية إنتاج أشعة الليزر بسهولة ويسر إذا أخذن...

[المميز]

?نظرية إنتاج أشعة الليزر

يمكن توضيح نظرية إنتاج أشعة الليزر بسهولة ويسر إذا أخذنا في الاعتبار تركيب الذرة، (اُنظر شكل توزيع الذرات في مادة الكلور)، ومنسوبي الطاقة E1, E2 الموضحين في (اُنظر شكل انتقال الكترون). فلكي تنتقل ذرة من المنسوب الأدنى E1 إلى المنسوب الأعلى E2 فإنها تمتص قدراً من الطاقة يساوي الفرق بين هذين المنسوبين. ولكي تنتقل الذرة من المنسوب الأعلى إلى المنسوب الأدنى، فإنها تطلق قدراً من الطاقة يساوي، أيضاً، الفرق بينهما، ويكون ذلك على شكل فوتون photon[5]، (اُنظر شكل اصطدام الذرة بفوتون خارجي). وفي عام 1917، أوضح "أينشتين" أن الانبعاث يمكن أن يتم بإحدى الطريقتين:

1. الانتقال التلقائي

وفيه تنتقل الذرة من المنسوب الأعلى E2 إلى المنسوب الأدنى E1 تلقائياً، دون تدخل خارجي. والانبعاث التلقائي هو السمة المميزة لجميع المصادر الضوئية المألوفة، كمصباح بخار الصوديوم، أو بخار الزئبق، أو النيون. وفي كل منها تحدث ملايين الانتقالات التلقائية، نظراً لأن الانتقال التلقائي للذرات يحدث بدون تحكم. ونتيجة لذلك، فإن الضوء المنبعث تكون فوتوناته غير مترابطة.

2. الانبعاث المستحث

وفيه تنتقل الذرة من المنسوب الأعلى E2 إلى المنسوب الأدنى E1 عندما يمر بها فوتون طاقته تعادل الفرق بين منسوبي الطاقة. ويتميز الانبعاث المستحث بانبعاث فوتون جديد، فضلاً عن الفوتون الأصلي. ويكون للفوتون المستحث نفس طاقة الفوتون الأصلي، ونفس تردده، وطوله الموجي، ولذلك يقال إنهما مترابطان. والانبعاث المستحث هو السمة المميزة لمصادر الليزر، إذ تحدث الانتقالات المستحثة.

ويمكن توضيح كيفية إنتاج شعاع الليزر من خلال دراسة ليزر الياقوت على سبيل المثال. فأول جهاز ليزر ياقوت Ruby Laser صممه "ميمان" عام 1960 كما هو موضح في (اُنظر شكل الليزر الياقوتي)، ويتكون من قضيب اسطواني من الياقوت ذي اللون الأحمر الوردي، قطره 1 سم وطوله 5 سم، وطرفاه متوازيان ومصقولان صقلاً جيداً، وأحدهما مغطى بطبقة غير شفافة من الفضة، وثانيهما مغطى بطبقة نصف شفافة من الفضة، أيضاً. والياقوت هو عبارة عن أكسيد ألومنيوم تم استبدال بعض ذرات الألومنيوم فيه ببعض ذرات الكروم. واسطوانة الياقوت محاطة بأنبوبة تفريغ حلزونية الشكل بها غاز زينون Xenon، وعند تشغيلها ينبعث منها ضوء أبيض متوهج يحتوي على مدى عريض من الترددات.

ويمكن فهم فكرة عمل ليزر الياقوت بالاستعانة بنظام ثلاثي مناسيب الطاقة الموضح في (اُنظر شكل ثلاثي مناسيب الطاقة)، إذ المنسوب E3 هو المنسوب الأرضي، والمنسوبE1 هو منسوب الإثارة، والمنسوب E2 هو منسوب شبه مستقر، عمره الزمني طويل نسبياً، ويقدر بحوالي جزء من مائة ألف من الثانية، وهو يفوق العمر الزمني لمناسيب الإثارة العادية بمقدار مائة ألف مرة.

فعندما يضاء الياقوت المطعم بالكروم بالضوء المنبعث من أنبوبة زينون، وعندما تكون قدرة الأنبوبة مناسبة، تثار معظم ذرات الكروم الموجودة في المنسوب الأرضي E1 لتنتقل إلى منسوب الإثارة E3. ويطلق على عملية نقل الطاقة إلى المادة الفعالة في الليزر، والتي يترتب عليها نقل ذرات المادة الفعالة من المنسوب الأرضي إلى منسوب الإثارة اسم عملية "الضخ" Pumping.

وعودة ذرات الكروم من منسوب الإثارة E3 إلى المنسوب الأرضي E1 تتم بطريقتين:

أ. الطريقة الأولى

وفيها تفقد ذرات الكروم المثارة في المنسوب E3 بعض طاقتها إلى بلورة الياقوت، ونتيجة لذلك تهبط هذه الذرات إلى المنسوب E2 شبه المستقر. ونظراً لطول عمره الزمني، يزداد فيه عدد ذرات الكروم المثارة حتى يصبح أكبر من عددها في المنسوب الأرضيE1، وهذا هو شرط الحصول على الانبعاث المستحث، أو هو شرط الحصول على أشعة الليزر.

ب. الطريقة الثانية

وفيها تنتقل بعض ذرات الكروم تلقائياً من المنسوب E2 إلى المنسوب. E1 ويصحب هذا الانتقال انبعاث فوتونات طولها الموجي 6943 انجستروم[6]. وهذه الفوتونات، المنبعثة تلقائياً، عندما تمر بذرات الكروم المثارة في المستوى E2 فإنها تستحثها على الانتقال من المستوىE2 إلى المستوى E1 قبل أن يحين زمن عودتها تلقائياً. ويتولد نتيجة لذلك عدد من الفوتونات المستحثة. وهذه وغيرها تولد مزيداً من الفوتونات، وهكذا سرعان ما يتولد شلال من الفوتونات يكون لها اتجاه الفوتونات الساقطة نفسه.

والفوتونات التي يكون اتجاه حركتها موازياً، تقريباً، لمحور الاسطوانة تعاني من انعكاسات متعددة عند سطحي المرآتين الموجودتين عند نهايتي الاسطوانة، فيزداد تبعاً لذلك طول المسار الذي تقطعه داخل البلورة، مما يتيح لها أن تستحث عدداً أكبر من ذرات الكروم المثارة في المستوى E2 لتنتقل إلى المستوى E1، فيتضخم بذلك شلال الفوتونات في اتجاه المحور، وعندما تبلغ شدته حداً معيناً، ينفذ جزء منه إلى خارج الجهاز خلال المرآة نصف الشفافة. وجدير بالذكر أن الفوتونات المنبعثة تلقائياً في الاتجاهات الأخرى ستفقد بنفاذها خلال السطح الجانبي للاسطوانة.

وليزر الياقوت ليزر نبضي، أي تنبعث أشعة الليزر منه على هيئة نبضات، وتتولد أثناء عملية تشغيل الجهاز كمية كبيرة من الحرارة داخل البلورة، مما يتطلب تبريدها بهواء مسال يمر في غلاف يحيط باسطوانة الياقوت.?