في عام 1960 ، اخترع أول ليزر صناعي في العالم هدوء مختبر كاليفورنيا Sis ، وفتح ليزر الياقوت الذي اخترعه تيودور مهمان الباب أمام الإبداع البشري لليزرات واستخدام أشعة الليزر لتحويل العالم. منذ خمسين عاما الماضية ، كان تطور علم الليزر سريعا ، كما أن تعميم وتطبيق تكنولوجيا الليزر دخلا حياة الناس من جميع الجوانب. لكن معظم الناس يعرفون أن الليزر يمتلك مثل هذا الغرض ، لكنهم لا يعرفون كيف جاء الليزر. ولذلك ، فإن هذه المادة تشرح مبدأ تشكيل الليزر في لغة مشتركة نسبيا.
لفهم مبدأ تشكيل الليزر ، أولا فهم ما هو مستوى الطاقة. بعبارة بسيطة ، يكون مستوى الطاقة هو الحالة التي تحمل فيها كل ذرة (في الواقع إلكترون خارج النطاق النووي) كمية معينة من الطاقة ، وتشير مستويات الطاقة المختلفة إلى أن الطاقة التي تحملها الذرة مختلفة. كلما ارتفع مستوى الطاقة ، كلما زادت طاقة الإلكترونات الخارجية ، وأصبح من الأسهل الابتعاد عن النواة. من أجل التفاهم ، يتم أخذ أبسط ذرة الهيدروجين للهيكل الذري كمثال.
تمثل n عددًا كميًا يتوافق مع مستوى الطاقة E في الذرة. عندما n = 1 ، فإنه يشير إلى مستوى الطاقة في الحالة الثابتة لذرة الهيدروجين ، والتي تسمى الحالة الأرضية (مستوى E1). n = 2 ، 3 ، 4 ، إلخ. تسمى حالات متحمس (مستوى الطاقة E2 ، مستوى الطاقة E3 ، مستوى الطاقة E4 ، إلخ). ووفقًا لنظرية عالم الفيزياء الدانماركي بوهر ، عندما تكون الذرة في حالة أرضية مستقرة ، إذا كانت متحمسة من قبل العالم الخارجي وتمتص الطاقة الخارجية المقابلة ، فإنها ستقفز إلى مستوى طاقة أعلى لتشكل حالة مثيرة. الذرة غير مستقرة في الحالة المثارة. عندما تكون الذرة في الحالة المثارة ، فإنها تنتقل بشكل عفوي إلى مستوى الطاقة الأقل. بعد انتقال واحد أو عدة حالات إلى الحالة الأرضية ، يتم إطلاق الطاقة المقابلة أثناء الانتقال إلى مستوى الطاقة المنخفض. هذه الطاقة المقابلة موجودة في شكل فوتونات ذات تردد معين ، والتي يمكن حسابها من القيمة على الجانب الأيمن من الرسم البياني لمستوى الطاقة ، وطاقة الفوتون E = hν = Em - En. h هي القيمة الثابتة التي يقاسها الفيزيائي (ثابت بلانك) ، ν هي تردد الفوتون (التردد الذي يتم فيه إطلاق الفوتون من الحالة المثارة إلى الحالة الأرضية ، وهو تردد الضوء المشع الخارجي ، والذي هو الليزر عند تشكيل الليزر ، وهو التردد الذي يحدد طول موجة الليزر λ = c / ν ، c هي سرعة الضوء).
بعد فهم بنية مستوى الطاقة ، دعونا نرى كيف يتم تشكيل الليزر. من أجل فهم سهل ، يعتبر أبسط ليزر الياقوت كمثال. ليزر الياقوت هو ليزر ذو حالة صلبة. المادة العاملة هي قضيب روبي. مصفوفة البلورات هي Al2O3 ، والتي يتم تعاطيها مع 0.05 ٪ من Cr2O3. ويتحقق عمل الليزر بالياقوت بواسطة عملية الانبعاث المحفزة لـ Cr3 + (أيون الكروم) ، لذلك فإن Cr3 + غالبا ما يطلق عليه الأيون المنشط ، وهو "جسم" الليزر المنتج في الياقوت. المكون الرئيسي من روبي ، الألومينا ، هو فقط مصفوفة تحتوي على أيونات الكروم ، والتي ليس لها سوى تأثير غير مباشر على عمل الليزر. هيكل مستوى الطاقة كما هو مبين:
عندما يضيء ضوء المضخة الياقوت ، فإن أيون Cr3 + في حالة الأرض يمتص ضوء طول موجي محدد وانتقالات إلى مستوى E3. يتمتع أيون Cr3 + بعمر قصير جدًا عند مستوى الطاقة هذا (غير مستقر جدًا ، حوالي 10 إلى 9 ثوانٍ) ، وبالتالي يمر بسرعة عبر الانتقال الإشعاعي (يشير الانتقال بلا إشعاع إلى تبادل الطاقة مع العالم الخارجي عن طريق الاصطدام الذري ، وهذا هو ، الحركة الحرارية داخل البلورة ، بحيث يتغير مستوى الطاقة ، ولا ينبعث ولا يمتص الفوتونات) التحولات إلى مستوى E2. يمتلك مستوى الطاقة E2 عمرًا طويلًا (حوالي 3 مللي ثانية) ، يسمى مستوى الطاقة المستقرة ، حيث يمكن جمع المزيد من أيونات Cr3 +. عندما تكون المضخة الخارجية قوية بما فيه الكفاية ، يتشكل انعكاس السكان بين مستوى E2 ومستوى E1 ، أي أن عدد أيونات Cr3 + على مستوى E2 أكبر من مستوى E1. بعد تحقيق الانعكاس السكاني ، سيثير كل فوتون خارجي مع طاقة h exc ذرة على مستوى E2 لجعله ينتقل إلى الحالة الأرضية ، ويطلق فوتونًا مع طاقة hν ، وسيتم تغيير إجمالي طاقة الفوتون إلى 2 ، 2 التغييرات 4 و 4 تغييرات 8 ... وبالتالي تحقيق عملية تضخيم (تكثيف) الإشعاع المحفز. بما أن التجويف البصري له خسارة على الكسب البصري ، فإن الليزر ينتج فقط عندما يكون كسب تضخيم الإشعاع المحفز أكبر من الخسائر المختلفة في الليزر.
