كيف يعمل الليزر؟

العلاقة بين الليزر والذرة.

الليزر هو جهاز يتحكم في طريقة تحفيز الذرات لإطلاق الفوتونات، وهو اختصار لتضخيم الضوء بواسطة الانبعاث المستحث للإشعاع ، الذي يصف بإيجاز جدًا كيف يعمل الليزر.

هناك أنواع كثيرة من الليزر، وهذا لا يلغي بعض السمات الأساسية لكل الأنواع، ففي الليزر، يتم ضخ الوسط الليزري للحصول على الذرات في حالة مثارة، وعادةً ما تُضخ ومضات شديدة جدًا من الضوء أو التفريغ الكهربائي في الوسط الليزري، مما يخلق مجموعةً كبيرةً من الذرات في حالة مثارة، أي: ذرات مع إلكترونات ذات طاقة عالية، ومن الضروري أن يكون هناك مجموعة كبيرة من الذرات في حالة مثارة كي يعمل الليزر بكفاءة، وبشكل عام، تثار الذرات لمستوى أعلى باثنين أو ثلاثة مستويات فوق الحالة الأرضية، وهذا يزيد من درجة التعداد المعكوس، الذي هو عدد الذرات في الحالة المثارة، مقارنةً بعددها في الحالة الأرضية.

بمجرد أن يتم ضخ الوسط الليزري، سيحتوي على مجموعة من الذرات لها بعض الإلكترونات الموجودة في الحالة المثارة، والإلكترونات المثارة، لديها طاقة أكبر من الإلكترونات الأكثر استقرارًا، وتمامًا كما يمتص الإلكترون كميةً من الطاقة للوصول إلى الحالة المثارة، فإنه يمكنه أيضًا إطلاق هذه الطاقة – كما هو موضح في هذا الشكل -.

يمكن للإلكترون أن يتحرر ببساطة، ويخلص نفسه بدوره من بعض الطاقة، وتأتي هذه الطاقة المنبعثة في شكل فوتونات (طاقة ضوئية)، والفوتون المنبعث له طول موجي محدد (لون)، يعتمد على مستوى طاقة الإلكترون عند تحرير الفوتون، ومن ذلك يمكن لذرتين متطابقتين لهما نفس الإلكترونات في مستويات متطابقة من الطاقة، تحرير فوتونات لها طول موجي متطابق.

ضوء الليزر:

يختلف ضوء الليزر كثيرًا عن الضوء العادي، ولديه خصائص تميزه عنه، وهي كالتالي:

يكون الضوء الصادر أحادي اللون: أي يحتوي على طول موجي محدد من الضوء، – لون واحد معين -، يتم تحديد الطول الموجي للضوء بمقدار الطاقة المنطلقة عندما يهبط الإلكترون إلى مدار أدنى.
يكون الضوء الصادر متماسكًا: أي منظمًا، تسير فيه الفوتونات بمحاذات بعضها، وهذا يعني أن جميعها لها نقطة انطلاق تدفعها في انسجام تام.
يكون الضوء اتجاهيًا جدًا: أي أن ضوء الليزر عبارة عن حزمة ضوئية ضيقةٍ جدًا وقويةٍ جدًا ومركزة، ومن ناحية أخرى، يطلق المصباح اليدوي الضوء في العديد من الاتجاهات، ويكون ضعيفًا جدًا ومنتشرًا.

هذه هي الخصائص الثلاث التي تميز ضوء الليزر عن الضوء الطبيعي؛ ولحدوث هذه الخصائص الثلاثة نأخذ ما يسمى بالانبعاثات المستحثة، وهي لا تحدث في المصباح العادي اليدوي، الذي تطلق فيه كل الذرات الفوتونات بشكل عشوائي، على عكس الانبعاثات المستحثة، التي يتم فيها تنظيم انبعاثات الفوتون.

الفوتون الذي ينبعث من أي ذرة لديه طول موجي معين يعتمد على فرق الطاقة بين الحالة المثارة والحالة الأرضية، وتحدث الانبعاثات المستحثة إذا اصطدم هذا الفوتون – الذي يمتلك طاقةً معينةً وطورًا معينًا- مع ذرة أخرى لديها إلكترون في نفس الحالة المثارة، يمكن للفوتون الأول أن يحفز الانبعاث الذري بحيث يتذبذب الفوتون المنبعث الثاني (من الذرة الثانية)، بنفس التردد والاتجاه مثل الفوتون الأول.

المفتاح الآخر لليزر هو زوج من المرايا، واحد في كل نهاية من الوسط الليزري، تنعكس الفوتونات مع طول موجي محدد جدًا، وطور محدد جدًا من المرايا، سائرة ذهابًا وإيابًا خلال الوسط الليزري.

في هذه العملية، تُحَفَّز الإلكترونات الأخرى لعمل قفزات هابطة للطاقة، وهذا يسبب انبعاث المزيد من الفوتونات لها نفس الطول الموجي والطور، فتحدث تأثيرات متتالية، وسرعان ما تنتشر العديد من الفوتونات من نفس الطول الموجي والطور.

والمرآة في نهاية الليزر، هي نصف فضية، وهذا يعني أنها تعكس بعض الضوء وتسمح لبعضه الآخر بالنفاذ، والضوء النافذ هو ضوء الليزر.

ويمكنك أن ترى كل هذه المكونات في الصور التالية، التي توضح كيفية عمل ليزر الياقوت البسيط.

الليزر الياقوتي.

يتكون ليزر الياقوت من أنبوبة وميض كالموجود بالكاميرا، وقضيب ياقوت واثنتين من المرايا (واحدة منهم نصف فضية)، والقضيب الياقوتي هو الوسط الليزري، وأنبوب الوميض يبعث الضوء للقضيب.

1- الليزر في حالة غير ليزرية.

2- إشعال أنبوب الوميض، وحقن الضوء في قضيب الياقوت؛ ليثير الذرات في الياقوت.

3- تطلق بعض هذه الذرات الفوتونات.

4- تسري بعض الفوتونات في اتجاهٍ موازٍ لمحور الياقوت، وهذا ما يجعلها ترتد ذهابًا وإيابًا من المرايا وتحفز الانبعاث في الذرات الأخرى خلال مرورها في البلورة.