پاسخ مستقیم این است: لیزر با تقویت نور از راه گسیل القایی کار میکند. فوتونی با انرژی برابر اختلاف دو تراز، ΔE = hf، اتمِ برانگیخته را وادار میکند به تراز پایینتر برود و فوتون دیگری همبسامد، همفاز و همجهت بسازد. برای آنکه این زنجیره بر جذب غلبه کند، باید با پمپاژ شمار ذرات تراز بالایی را از تراز پایینی بیشتر کنیم؛ این وضعیت وارونی جمعیت است. بازتاب پیاپی نور در کاواک فرایند را تقویت میکند و بخشی از نور منظم از آینه نیمهگذر خارج میشود.
جذب و دو نوع گسیل را از هم جدا کن
اگر فوتونی با انرژی مناسب به اتمی در تراز پایین برسد، اتم میتواند آن را جذب کند و به تراز بالاتر برود. شرط انرژی این گذار ΔE = E₂ − E₁ = hf است. فوتونی با انرژی نامتناسب با اختلاف ترازهای مجاز، در این مدل ساده گذار موردنظر را ایجاد نمیکند.
اتم برانگیخته ممکن است بدون محرک خارجی به تراز پایینتر برگردد؛ این فرایند گسیل خودبهخودی است و زمان و جهت فوتون آن برای مجموعهای از اتمها منظم نیست. در گسیل القایی، فوتون ورودیِ مناسب گذار را تحریک میکند و فوتون تازه با فوتون محرک همبسامد، همفاز، همقطبش و همجهت است. همین همانندی امکان تقویت منظم نور را میسازد.
- جذب: فوتون حذف و انرژی اتم بیشتر میشود.
- گسیل خودبهخودی: گذار بدون فوتون محرک آغاز میشود.
- گسیل القایی: یک فوتون مناسب، فوتون همانند دیگری ایجاد میکند.
چرا وارونی جمعیت برای تقویت خالص لازم است؟
اگر بیشتر ذرات در تراز پایین باشند، فوتونهای عبوری بیشتر احتمال دارد جذب شوند تا اینکه گسیل القایی بسازند؛ پس شدت نور کاهش مییابد. برای تقویت خالص باید شمار ذرات آماده گسیل در تراز بالایی از شمار ذرات تراز پایینیِ گذار لیزری بیشتر باشد. به این حالت وارونی جمعیت میگویند.
پمپاژ با رساندن انرژی الکتریکی، نوری یا روشی دیگر ذرات را برانگیخته میکند. در یک طرح چندترازی، ذرات از تراز پمپ به تراز شبهپایدار میرسند و مدت بیشتری آنجا میمانند؛ در نتیجه فرصت انباشتهشدن جمعیت و ایجاد وارونی فراهم میشود. پمپ انرژی لیزر را تأمین میکند، نه فوتون محرک بهتنهایی.
کاواک نوری چگونه نور را گزینش و تقویت میکند؟
ماده فعال میان دو آینه روبهروی هم قرار میگیرد. فوتونهایی که در راستای محور کاواک حرکت میکنند بارها بازتاب میشوند، از ماده فعال میگذرند و گسیلهای القایی بیشتری میسازند. یکی از آینهها تقریباً بازتابنده و دیگری نیمهگذر است تا بخشی از نور تقویتشده بهصورت پرتو خروجی بیرون آید.
کاواک انرژی تازه تولید نمیکند؛ نقش آن بازخورد و گزینش مسیرها و مُدهای مناسب است. تکفامبودن تقریبی، همدوسی و جهتمندی زیاد نور لیزر از گذار انرژی مشخص، گسیل القایی و گزینش کاواک با هم حاصل میشوند. پس عبارت دقیقتر «طول موج بسیار محدود» است، نه اینکه هر لیزر در عمل فقط یک طول موج ریاضیِ کاملاً بدون پهنا داشته باشد.
سؤالهای تراز انرژی لیزر را در چهار گام حل کن
یک: پیکان گذار لیزری را از تراز بالایی به تراز پایینی درست بخوان. دو: اختلاف انرژی مثبت را از ΔE = E_high − E_low حساب کن. سه: یکا را یکدست و از f = ΔE/h یا λ = hc/ΔE استفاده کن. چهار: محدوده جواب را با طیف الکترومغناطیسی کنترل کن و گذار پمپ را با گذار خروجی اشتباه نگیر.
اگر انرژیها بر حسب الکترونولت و طول موج بر حسب نانومتر خواسته شده باشد، میانبُر hc ≈ 1240 eV·nm محاسبه را کوتاه میکند: λ(nm) ≈ 1240/ΔE(eV). اگر دادهها ژولاند، h و c را در SI بگذار تا طول موج بر حسب متر به دست آید.
- انرژی فوتون خروجی: ΔE = E_high − E_low
- بسامد: f = ΔE/h
- طول موج: λ = hc/ΔE
مثال حلشده: طول موج گذار لیزری
در یک مدل آموزشی، تراز شبهپایدار ماده فعال 2.10 eV و تراز پایینی گذار لیزری 0.10 eV بالاتر از حالت پایه است. انرژی و طول موج فوتون خروجی را پیدا کن و ناحیه طیف را تشخیص بده.
اختلاف انرژی گذار برابر ΔE = 2.10 − 0.10 = 2.00 eV است. بنابراین λ ≈ 1240/2.00 = 620 nm به دست میآید. این طول موج در بخش مرئی و نزدیک ناحیه قرمز طیف است. انرژی پمپاژ لزوماً 2.00 eV نیست، زیرا پمپ میتواند ذره را ابتدا به تراز بالاتری ببرد و ذره سپس به تراز شبهپایدار برسد.
کنترل تناسب نیز پاسخ را تأیید میکند: اگر اختلاف انرژی گذار بیشتر شود، چون λ با ΔE نسبت وارون دارد، طول موج باید کوتاهتر شود. کمکردن ترازها با ترتیب برعکس و گرفتن انرژی منفی نشانه خطا در تعریف اختلاف انرژی فوتون است.
دامهای مفهومی رایج را با مقایسه رفع کن
همدوسبودن به معنی همفازبودن منظم موجهاست و با پرشدتبودن یکی نیست؛ یک منبع میتواند شدید اما ناهمدوس باشد. تکفامبودن نیز درباره بازه بسامد است و جهتمندی درباره پخش زاویهای پرتو. این سه ویژگی را در گزینهها مستقل بررسی کن.
هر گسیل فوتون، گسیل القایی نیست و هر ماده برانگیخته نیز لیزر نمیسازد. بدون وارونی جمعیت، جذب میتواند بر گسیل القایی غالب شود؛ بدون کاواک مناسب، بازخورد کافی شکل نمیگیرد؛ و بدون پمپاژ، انرژی ذخیرهشده پس از مدتی مصرف میشود.
چکلیست پاسخ را پیش از انتخاب گزینه مرور کن
در پایان بررسی کن پیکان گذار رو به پایین است، ΔE را مثبت نوشتهای، انرژی پمپ را با انرژی فوتون لیزر یکی نگرفتهای و تبدیل eV به nm یا ژول به متر سازگار است. اگر سؤال فرایند را توصیف کرده، وجود فوتون محرک و همانندی فوتون خروجی تعیین میکند گسیل القایی است یا خودبهخودی.
برای مرور رابطه انرژی، بسامد و طول موج به راهنمای طیف الکترومغناطیسی برو. مقاله مدل اتمی بور خواندن ترازها و گذارهای خطی را تمرین میدهد و راهنمای اثر فوتوالکتریک نشان میدهد فوتون در برهمکنش دیگری چگونه انرژی خود را به الکترون منتقل میکند.
لیزر حاصل یک گذار اتمی تنها نیست؛ پمپاژ، تراز شبهپایدار، وارونی جمعیت، گسیل القایی و بازخورد کاواک باید کنار هم قرار بگیرند. در سؤالهای محاسباتی، اختلاف انرژی گذار را پیدا کن و از ΔE = hf = hc/λ طول موج را به دست آور. در سؤالهای مفهومی نیز جذب را با بالا رفتن ذره، گسیل خودبهخودی را با فوتون تصادفی و گسیل القایی را با فوتون همفاز و همجهت تشخیص بده. وارونی جمعیت منبع انرژی نیست؛ انرژی را پمپ فراهم میکند و کاواک فقط نور مناسب را تقویت میکند.