لیزرها

لیزرها: بررسی انتشار تحریک شده و اصول کارکرد آن‌ها

لیزرها یکی از شگفتی‌های علم فیزیک هستند که در زندگی روزمره ما به کار گرفته می‌شوند؛ از دستگاه‌های پزشکی تا فناوری‌های مخابراتی و حتی دیودهای نوری مورد استفاده در ریموت کنترل‌ها. اما لیزر چیست و چگونه کار می‌کند؟ در این مقاله، به بررسی مفهوم انتشار تحریک‌شده، اصل جمعیت معکوس و نحوه عملکرد لیزرها می‌پردازیم و از مثال‌های متعدد و سوالات مفهومی برای درک بهتر این مفاهیم استفاده می‌کنیم.

لیزر چیست؟

لیزر (LASER) مخفف عبارت “تقویت نور به وسیله انتشار تحریک‌شده تابش” است (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). به زبان ساده، لیزر دستگاهی است که با استفاده از انتشار تحریک‌شده، نور را تولید و تقویت می‌کند. این نور دارای خواص خاصی از جمله تک‌رنگی (یک طول موج خاص)، همدوسی (حرکت منظم و هماهنگ امواج نوری) و جهت‌گیری دقیق است.

انتشار تحریک‌شده چیست؟

برای درک کارکرد لیزرها، باید ابتدا با مفهوم انتشار تحریک‌شده (Stimulated Emission) آشنا شویم. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که یک اتم یا مولکول که در حالت انرژی برانگیخته (Excited State) قرار دارد، تحت تأثیر یک فوتون با انرژی مشابه قرار گیرد و به سطح انرژی پایین‌تری انتقال یابد. در این فرآیند، فوتونی جدید با همان انرژی و فاز فوتون اولیه آزاد می‌شود. بنابراین، دو فوتون با همدیگر در یک جهت و با فاز هماهنگ حرکت می‌کنند.

مثال:
تصور کنید یک توپ روی یک سطح بلند قرار دارد (حالت برانگیخته) و یک ضربه به آن وارد می‌شود (فوتون تحریک‌کننده). این توپ به سطح پایین‌تر سقوط می‌کند و در نتیجه انرژی آزاد می‌شود. حالا اگر در این فرآیند دو توپ مشابه همدیگر بیفتند، هر دو در یک مسیر و همزمان حرکت می‌کنند. این هماهنگی در دنیای فوتون‌ها، اساس کار لیزر است.

تفاوت انتشار خودبخودی و انتشار تحریک‌شده

در کنار انتشار تحریک‌شده، پدیده دیگری به نام انتشار خودبخودی (Spontaneous Emission) نیز وجود دارد. در انتشار خودبخودی، اتم یا مولکول به طور خودکار از حالت برانگیخته به سطح انرژی پایین‌تر می‌رود و فوتونی آزاد می‌کند. این فوتون به صورت تصادفی در هر جهتی ممکن حرکت می‌کند و فاز مشخصی ندارد. بنابراین، نور حاصل از انتشار خودبخودی غیرهمدوس و بی‌نظم است.

در مقابل، در انتشار تحریک‌شده، نور تولیدی دارای همان فاز و جهت فوتون تحریک‌کننده است و این ویژگی باعث می‌شود که نور لیزر همدوس و تک‌جهتی باشد.

جمعیت معکوس: شرط لازم برای عملکرد لیزر

یکی از شرایط اساسی برای کارکرد لیزر، ایجاد وضعیت جمعیت معکوس (Population Inversion) است. به زبان ساده، جمعیت معکوس زمانی رخ می‌دهد که تعداد بیشتری از اتم‌ها در حالت برانگیخته نسبت به حالت پایه (پایین‌تر) باشند. در شرایط عادی، بیشتر اتم‌ها در حالت پایه هستند و جذب انرژی منجر به تحریک آنها به سطح انرژی بالاتر می‌شود.

اما برای ایجاد لیزر، باید به‌نوعی وضعیت را معکوس کنیم؛ یعنی تعداد بیشتری از اتم‌ها را در سطح انرژی بالاتر (برانگیخته) قرار دهیم. در این حالت، انتشار تحریک‌شده غالب می‌شود و نور تقویت می‌شود.

چگونه جمعیت معکوس ایجاد می‌شود؟

برای ایجاد جمعیت معکوس، معمولاً از فرآیندی به نام “پمپ کردن” (Pumping) استفاده می‌شود. در این فرآیند، انرژی از طریق تابش نور، الکتریسیته یا سایر منابع انرژی به اتم‌ها داده می‌شود تا آنها به حالت برانگیخته بروند. سپس با انتشار تحریک‌شده، فوتون‌های جدیدی تولید می‌شود و لیزر روشن می‌شود.

مثال:
فرض کنید در یک اتاق تاریک ۱۰ نفر حضور دارند که همه نشسته‌اند (حالت پایه). حالا اگر چند نفر شروع به تحریک کردن دیگران کنند (پمپ کردن)، تعداد بیشتری از افراد بلند می‌شوند (حالت برانگیخته). هنگامی که اکثریت افراد ایستاده باشند، فرآیند تعامل بین آنها بیشتر می‌شود (انتشار تحریک‌شده) و نور لیزر ایجاد می‌شود.

اصول اساسی کارکرد لیزر

برای درک کامل نحوه عملکرد لیزر، لازم است چند اصل اساسی دیگر را مرور کنیم:

1. حفره نوری (Optical Cavity)

لیزرها معمولاً دارای یک حفره نوری هستند که بین دو آینه قرار دارد. یکی از این آینه‌ها کاملاً بازتابنده است و دیگری نیمه‌شفاف. نور تولید شده در حفره نوری بین این دو آینه بازتاب می‌کند و تقویت می‌شود. سپس بخشی از این نور از آینه نیمه‌شفاف خارج می‌شود و به صورت پرتو لیزر منتشر می‌شود.

2. همدوسی نور

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد نور لیزر، همدوسی آن است. در لیزر، همه فوتون‌ها دارای فاز و فرکانس یکسان هستند. این امر باعث می‌شود که پرتو لیزر بسیار دقیق و متمرکز باشد. برخلاف نور معمولی که دارای طول موج‌های مختلف و فازهای متفاوت است، نور لیزر به صورت کاملاً هم‌زمان حرکت می‌کند.

3. تک‌رنگی (Monochromaticity)

لیزرها به دلیل انتشار تحریک‌شده، تنها یک طول موج خاص را تولید می‌کنند که به آن تک‌رنگی می‌گویند. این ویژگی باعث می‌شود که لیزرها در کاربردهایی مانند برش دقیق مواد یا ارسال سیگنال‌های نوری بسیار مفید باشند.

فرمول‌ها و روابط کلیدی

برای توضیح دقیق‌تر مفهوم لیزرها، چند فرمول کلیدی نیز باید بررسی شوند:

انرژی فوتون

انرژی یک فوتون توسط فرمول زیر محاسبه می‌شود:

$E = h \cdot f$

که در آن:

$E$ انرژی فوتون است.
$h$ ثابت پلانک ( $6.63 \times 10^{-34}$ ژول-ثانیه) است.
$f$ فرکانس نور است.

این فرمول نشان می‌دهد که انرژی فوتون به فرکانس نور بستگی دارد. در لیزرها، فرکانس نوری که تولید می‌شود به تفاوت انرژی بین سطح برانگیخته و سطح پایه بستگی دارد.

تفاوت انرژی بین دو سطح

اختلاف انرژی بین دو سطح برانگیخته و پایه که فوتون را تولید می‌کند، به صورت زیر بیان می‌شود:

$\Delta E = E_2 - E_1 = h \cdot f$

که در آن:

$E_2$ انرژی سطح برانگیخته است.
$E_1$ انرژی سطح پایه است.
$\Delta E$ اختلاف انرژی بین این دو سطح است.

این فرمول نشان می‌دهد که تفاوت انرژی بین دو سطح معین، فرکانس و در نتیجه طول موج نور لیزر را تعیین می‌کند.

کاربردهای لیزر در زندگی روزمره

لیزرها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، در بسیاری از حوزه‌های مختلف زندگی انسان کاربرد دارند. در ادامه به برخی از این کاربردها اشاره می‌کنیم:

1. پزشکی

لیزرها در پزشکی برای برش دقیق بافت‌ها، جراحی‌های چشم (لیزیک) و حتی درمان‌های پوستی استفاده می‌شوند. ویژگی تک‌رنگی و همدوسی نور لیزر، امکان برش‌های بسیار دقیق و کم‌خطر را فراهم می‌کند.

2. مخابرات

لیزرها برای انتقال اطلاعات از طریق فیبر نوری استفاده می‌شوند. به دلیل توانایی آنها در انتقال سیگنال‌های نوری با کمترین تداخل و افت کیفیت، لیزرها یکی از ابزارهای کلیدی در ارتباطات مدرن به شمار می‌روند.

3. صنعت و ساخت و تولید

در صنعت، لیزرها برای برش فلزات، حکاکی روی مواد مختلف و حتی تولید قطعات دقیق در صنایع هوافضا و خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سوالات مفهومی برای تفکر بیشتر

برای درک عمیق‌تر مطالب، به چند سوال مفهومی فکر کنید:

چرا لیزرها تنها در شرایط جمعیت معکوس کار می‌کنند؟
چگونه انتشار تحریک‌شده منجر به تقویت نور در لیزر می‌شود؟
چه عواملی می‌توانند باعث ایجاد تفاوت در طول موج نور لیزر شوند؟