الليزر ونظام معالجته

1. مبدأ توليد الليزر

يشبه التركيب الذري نظامًا شمسيًا مصغرًا، حيث تقع نواة الذرة في المنتصف. تدور الإلكترونات باستمرار حول نواة الذرة، كما تدور نواة الذرة باستمرار أيضًا.

تتكون النواة من بروتونات ونيوترونات. البروتونات موجبة الشحنة، بينما النيوترونات متعادلة الشحنة. عدد الشحنات الموجبة التي تحملها النواة يساوي عدد الشحنات السالبة التي تحملها الإلكترونات، ولذلك فإن الذرات متعادلة كهربائياً تجاه البيئة الخارجية.

فيما يتعلق بكتلة الذرة، تتركز معظم كتلة الذرة في النواة، بينما تشغل الإلكترونات مجتمعةً حيزًا ضئيلاً جدًا. في التركيب الذري، تشغل النواة حيزًا صغيرًا فقط. تدور الإلكترونات حول النواة، مما يمنحها مساحة أكبر بكثير للنشاط.

تمتلك الذرات "طاقة داخلية"، تتكون من جزأين: الأول هو سرعة دوران الإلكترونات وطاقتها الحركية؛ والثاني هو المسافة بين الإلكترونات سالبة الشحنة والنواة موجبة الشحنة، والتي تُشكل مقدارًا معينًا من طاقة الوضع. ومجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع لجميع الإلكترونات هو طاقة الذرة ككل، والتي تُسمى الطاقة الداخلية للذرة.

تدور جميع الإلكترونات حول النواة؛ ففي بعض الأحيان، تكون طاقة هذه الإلكترونات أقل كلما اقتربت من النواة، وفي أحيان أخرى، تكون طاقتها أكبر كلما ابتعدت عنها. وبناءً على احتمالية حدوث ذلك، تُقسّم طبقة الإلكترونات إلى مستويات طاقة مختلفة. في مستوى طاقة معين، قد تدور عدة إلكترونات بشكل متكرر، ولا يمتلك كل إلكترون مدارًا ثابتًا، ولكن جميع هذه الإلكترونات تمتلك نفس مستوى الطاقة. مستويات الطاقة منفصلة عن بعضها البعض. نعم، هي منفصلة وفقًا لمستويات الطاقة. لا يقتصر مفهوم "مستوى الطاقة" على تقسيم الإلكترونات إلى مستويات وفقًا لطاقتها فحسب، بل يقسم أيضًا حيز دوران الإلكترونات إلى مستويات متعددة. باختصار، قد تمتلك الذرة مستويات طاقة متعددة، وتتوافق مستويات الطاقة المختلفة مع طاقات مختلفة؛ بعض الإلكترونات تدور في مستوى طاقة منخفض، وبعضها الآخر يدور في مستوى طاقة عالٍ.

في الوقت الحاضر، حددت كتب الفيزياء للمرحلة المتوسطة بوضوح الخصائص الهيكلية لبعض الذرات، وقواعد توزيع الإلكترونات في كل طبقة إلكترونية، وعدد الإلكترونات في مستويات الطاقة المختلفة.

في النظام الذري، تتحرك الإلكترونات بشكل أساسي في طبقات، حيث توجد بعض الذرات في مستويات طاقة عالية وبعضها في مستويات طاقة منخفضة. ولأن الذرات تتأثر دائمًا بالبيئة الخارجية (درجة الحرارة، الكهرباء، المغناطيسية)، فإن الإلكترونات ذات مستويات الطاقة العالية غير مستقرة، وقد تنتقل تلقائيًا إلى مستوى طاقة منخفض. قد يُمتص تأثير هذه الانتقالات، أو قد تُحدث تأثيرات إثارة خاصة تُسبب "الانبعاث التلقائي". لذلك، في النظام الذري، عندما تنتقل الإلكترونات ذات مستويات الطاقة العالية إلى مستويات طاقة منخفضة، يظهر نوعان من الانبعاث: "الانبعاث التلقائي" و"الانبعاث المُحفز".

في الإشعاع التلقائي، تكون الإلكترونات في حالات الطاقة العالية غير مستقرة، وتتأثر بالبيئة الخارجية (درجة الحرارة، الكهرباء، المغناطيسية)، فتنتقل تلقائيًا إلى حالات طاقة منخفضة، ويُشعّ الفائض من الطاقة على شكل فوتونات. تتميز هذه الظاهرة بأن انتقال كل إلكترون يتم بشكل مستقل وعشوائي. وتختلف حالات الفوتونات المنبعثة تلقائيًا من الإلكترونات المختلفة. يكون انبعاث الضوء التلقائي في حالة "غير متماسكة" وله اتجاهات متناثرة. ومع ذلك، يحمل الإشعاع التلقائي خصائص الذرات نفسها، وتختلف أطياف الإشعاع التلقائي للذرات المختلفة. وبالحديث عن هذا، فإنه يُذكّرنا بمعرفة أساسية في الفيزياء، وهي: "لكل جسم القدرة على إشعاع الحرارة، كما أنه قادر على امتصاص وإصدار الموجات الكهرومغناطيسية باستمرار. وتتميز هذه الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من الحرارة بتوزيع طيفي معين، يرتبط بخصائص الجسم نفسه ودرجة حرارته". لذا، فإن سبب وجود الإشعاع الحراري هو الانبعاث التلقائي للذرات.

في الانبعاث المحفز، تنتقل الإلكترونات ذات الطاقة العالية إلى مستوى طاقة منخفض بفعل الفوتونات المناسبة للظروف، فتشع فوتونًا بنفس تردد الفوتون الساقط. أهم ما يميز الإشعاع المحفز هو أن الفوتونات الناتجة عنه تكون في حالة متماسكة تمامًا، أي أنها متماسكة ولها نفس التردد والاتجاه، مما يجعل التمييز بينهما مستحيلاً. بهذه الطريقة، يتحول فوتون واحد إلى فوتونين متطابقين من خلال انبعاث محفز واحد، مما يؤدي إلى تكثيف الضوء.

والآن دعونا نحلل مرة أخرى، ما هي الشروط اللازمة للحصول على المزيد من الإشعاع المحفز بشكل متكرر؟

في الظروف العادية، يكون عدد الإلكترونات في مستويات الطاقة العالية أقل دائمًا من عددها في مستويات الطاقة المنخفضة. إذا أردنا أن تُنتج الذرات إشعاعًا مُحفزًا، فإننا نحتاج إلى زيادة عدد الإلكترونات في مستويات الطاقة العالية، ولذلك نحتاج إلى مصدر طاقة مُحفز. يؤدي هذا إلى انتقال عدد كبير جدًا من الإلكترونات من مستويات الطاقة المنخفضة إلى مستويات الطاقة العالية، مما يجعل عدد الإلكترونات في مستويات الطاقة العالية أكبر من عددها في مستويات الطاقة المنخفضة، ويحدث ما يُعرف بـ"انعكاس عدد الجسيمات". لا تستطيع الإلكترونات الموجودة في مستويات الطاقة العالية البقاء لفترة طويلة جدًا، فتنتقل إلى مستويات طاقة أقل، مما يزيد من احتمالية انبعاث الإشعاع المُحفز.

بالطبع، يتم ضبط "مصدر الضخ" لذرات مختلفة. فهو يجعل الإلكترونات "تتردد" وتسمح لمزيد من الإلكترونات ذات مستويات الطاقة المنخفضة بالانتقال إلى مستويات طاقة أعلى. يمكن للقراء فهم ماهية الليزر وكيف يتم إنتاجه. الليزر هو "إشعاع ضوئي" يتم "إثارته" بواسطة ذرات جسم ما بفعل "مصدر ضخ" محدد. هذا هو الليزر.