الليزر: الإسكان المعكوس وجهاز الهيليوم نيون

١٩ أكتوبر ٢٠٢٦

درس الليزر حفظ في أغلبه،‏ وحين تفهم فكرتين يسهل الباقي: لماذا نحتاج الإسكان المعكوس،‏ وكيف يعمل ليزر الهيليوم نيون على الرسم المبسّط. ومعها أمثلة حقيقية من صفحة الأسئلة جرّبها قبل أن تقرأ الحل.

ثلاث عمليات بين الذرة والفوتون

شرط الفوتون المؤثر أن تكون طاقته تساوي فرق المستويين $E_2 - E_1$ بالضبط،‏ والنتيجة فوتونان لهما نفس التردد والاتجاه والطور،‏ وهذه هي الفوتونات المترابطة التي يتكوّن منها الليزر.

والانبعاث المستحث يحدث قبل أن ينتهي عمر الذرة في المستوى المثار،‏ أما التلقائي فيحدث بعد انتهائه:

الإسكان المعكوس: الفكرة الأولى

في الحالة العادية ذرات المستوى الأدنى أكثر من ذرات الأعلى،‏ فالفوتون الداخل تبتلعه ذرة منخفضة أغلب الوقت،‏ ولا يتضخم الضوء. للحصول على ليزر نعكس الوضع:

الإسكان المعكوس: عدد الذرات في مستوى أعلى أكبر من عددها في مستوى أدنى منه.

ولتحقيقه نحتاج أمرين:

• الضخ: تزويد الذرات بطاقة من الخارج (تفريغ كهربي،‏ أو ضوء،‏ أو ليزر آخر) لرفعها إلى مستوى أعلى.
• مستوى شبه مستقر: مستوى تبقى فيه الذرة نحو $10^{-3}\ s$ بدل $10^{-8}\ s$ في الإثارة العادية،‏ فتتراكم الذرات فيه ولا تنزل بسرعة.

وأي رسم لمستويات الطاقة يكفي فيه أن تسأل: هل مستوى أعلى فيه ذرات أكثر من مستوى أدنى؟

وتذكّر ترتيب الخطوات: ضخ،‏ ثم إسكان معكوس،‏ ثم انبعاث مستحث،‏ ثم تضخيم بين المرآتين. ومدة بقاء الذرة في المستوى شبه المستقر أطول بنحو $10^5$ مرة من المستوى العادي ($10^{-3}\ s$ مقابل $10^{-8}\ s$)،‏ وهذا ما يسمح بتراكم الذرات.

ليزر الهيليوم نيون: الفكرة الثانية

الجهاز: أنبوبة تفريغ كهربي فيها غاز هيليوم ونيون بنسبة 10:1،‏ وفي طرفيها مرآتان متقابلتان: عاكسة تمامًا وشبه منفذة يخرج منها الليزر. والمصدر الكهربي هو الذي يقوم بالضخ.

الفكرة: الهيليوم يُثار فقط ثم يعطي طاقته للنيون بالتصادم،‏ والنيون وحده هو الذي يصل إلى الإسكان المعكوس ويصدر الليزر.

 He                Ne
E3 ━━━ ─ ─ ─ ─ ━━━ E2
 ▲  collision     │
 │                │ laser
 │ pump           ▼
 │              ━━━ E1
 │                │
E0 ━━━          ━━━ E0

الخطوات بالترتيب:

1. الهيليوم يرتفع من $E_0$ إلى $E_3$ بالضخ الكهربي.
2. يصطدم بنيون غير مثار فيعطيه طاقته فيرتفع النيون إلى $E_2$ (له نفس طاقة $E_3$ تقريبًا).
3. يحدث إسكان معكوس بين $E_2$ و $E_1$ في النيون.
4. انبعاث مستحث من $E_2$ إلى $E_1$ يعطي فوتون الليزر:

وهو ضوء أحمر منظور طوله الموجي $632.8\ nm$.

1. تعود ذرة النيون من $E_1$ إلى $E_0$ لتبدأ من جديد.

وأسئلة الطاقة تحتاج فرقًا واحدًا فقط من الرسم:

أما المرآتان فوظيفتهما التضخيم: تعكسان الفوتونات ذهابًا وإيابًا فيزداد عددها،‏ ويخرج الليزر من المرآة شبه المنفذة فقط،‏ فمعامل انعكاسها أقل. ولا يتضخم إلا الفوتون الذي يسير موازيًا لمحور الأنبوبة،‏ أما الباقي فيخرج من جدارها.

خواص الليزر للحفظ

هذا يعطي سؤال المقارنة المتكرر بين الليزر والضوء العادي،‏ فإذا تضاعف البعد قلّت سعة الضوء العادي للنصف وقلّت شدته إلى الربع،‏ أما الليزر فلا يتغير:

التطبيقات

• الهولوجرام: صورة ثلاثية الأبعاد تُسجَّل على لوح حساس كهدب تداخل بين شعاع الجسم والشعاع المرجعي،‏ وتحتاج فوتونات مترابطة.
• قياس المسافات البعيدة: يعتمد على توازي الحزمة.
• التئام الشبكية: يعتمد على التأثير الحراري للشعاع.

قبل الامتحان

• الانبعاث المستحث يحتاج فوتونًا طاقته $E_2 - E_1$ وذرة مثارة،‏ والتلقائي لا يحتاج شيئًا.
• الإسكان المعكوس = الأعلى أكثر من الأدنى،‏ يحتاج ضخًا ومستوى شبه مستقر.
• هيليوم نيون: النسبة 10:1،‏ الهيليوم ينقل الطاقة والنيون يصدر الليزر،‏ $E = 1.96\ eV$،‏ أحمر منظور.
• المرآة شبه المنفذة معامل انعكاسها أقل ومنها يخرج الليزر.
• الليزر شدته ثابتة مع البعد والعادي $\propto 1/d^2$.

للتدرّب على الدرس كاملًا،‏ افتح صفحة الأسئلة واختر درس الليزر من الفيزياء،‏ وابدأ بالوضع العادي.