Language
Country/Area
No result found
ماذا يعد "انعكاس السكان" هو المفتاح السحري لليزر؟
في الفيزياء، وخاصة الميكانيكا الإحصائية، الانعكاس السكاني هو حالة يكون فيها عدد الذرات أو الجزيئات في نظام في حالة طاقة أعلى من عدد الذرات أو الجزيئات في حالة طاقة أقل. يعد هذا المفهوم بالغ الأهمية في علم الليزر، حيث يعد إنشاء انعكاس سكاني خطوة ضرورية لعمل الليزر القياسي.يتضمن مفهوم الانعكاس السكاني تفاعل الضوء والمادة، وهو ما يرتبط بمبدأ تشغيل الليزر. بدون آلية يمكنها وضع النظام في حالة عكس السكان، لا يمكن تحقيق توليد الليزر.
توازن الحرارة وتوزيع بولتزمان
لفهم مفهوم الانعكاس السكاني، عليك أولاً أن تفهم القليل عن الديناميكا الحرارية وكيفية تفاعل الضوء مع المادة. افترض أن هناك مجموعة من ذرات N، كل ذرة يمكن أن توجد في حالتين للطاقة: الحالة الأساسية E1 والحالة المثارة E2. عندما تكون هذه الذرات في حالة توازن حراري، يتم تحديد نسبة عدد الذرات في الحالة الأساسية والحالة المثارة بواسطة عامل بولتزمان وفقًا لإحصائيات ماكسويل بولتزمان.
وبالتالي، عندما يكون النظام في حالة توازن حراري، فإن الحالات ذات الطاقة المنخفضة ستكون أكثر اكتظاظًا من الحالات ذات الطاقة العالية، وهي الحالة الطبيعية للنظام.
مع زيادة درجة الحرارة، يزداد عدد الذرات في حالة الطاقة العالية (N2)، ولكن N2 لن يتجاوز N1 أبدًا. لتحقيق الانعكاس السكاني، يجب دفع النظام إلى حالة عدم التوازن، وهو مفتاح تشغيل الليزر.
تفاعل الضوء مع المادة
يمكن تقسيم تفاعل الضوء مع الأنظمة الذرية إلى ثلاثة أنواع رئيسية: الامتصاص، والانبعاث التلقائي، والانبعاث المحفز.
الامتصاص
عندما يمر الضوء بتردد ν12 عبر مجموعة من الذرات، فإنه قد يتم امتصاصه بواسطة الإلكترونات في الحالة الأرضية، وبالتالي إثارتها إلى حالة طاقة عالية. معدل الامتصاص يتناسب طرديا مع كثافة إشعاع الضوء ويرتبط بعدد الذرات في الحالة الأرضية (N1).
الانبعاث التلقائي
الذرة في الحالة المثارة سوف تعود تلقائيًا إلى حالتها الأساسية، مطلقة فوتونًا. الانبعاث التلقائي عشوائي وليس له علاقة طورية ثابتة، لذا فإن انبعاثه غير متماسك.
الانبعاث المحفز للإشعاع
عندما يتسبب فوتون وارد في أن تتخلى الذرة المثارة عن طاقتها وتنبعث منها فوتون بتردد ν21، تسمى هذه العملية الانبعاث المحفز. ما يحدث هنا هو أن الفوتونات تتفاعل بحيث تنتج الذرات المثارة فوتونات لها نفس التردد والطور مثل الفوتونات الواردة. هذا هو المفتاح للحصول على الليزر.
إذا كان عدد حالات الطاقة الأعلى أكبر من عدد حالات الطاقة المنخفضة، أي N2>N1، فسيتم تحقيق إشعاع معزز صافٍ.
عملية إنشاء انعكاس سكاني
إحدى الطرق لتحقيق الانعكاس السكاني هي استخدام طريقة غير مباشرة، ونقل الذرات من الحالة الأساسية إلى الحالة المثارة. نظام الليزر ذو الثلاث مستويات هو مثال على ذلك. في هذا النظام، يمكن للذرات أن توجد في ثلاث حالات طاقة. إذا تحللت الطاقة الذرية عالية الطاقة بسرعة إلى مستوى الطاقة المتوسطة لتحقيق عدد منخفض الطاقة نسبيًا، فسيؤدي هذا إلى تكوين حالة مركبة.
ليزر بأربعة مستويات
في الليزر رباعي المستويات، يتم ضبط مستويات الطاقة بشكل أكثر منطقية، بحيث يمكن للذرات إزالة عدد كبير من مجموعات الحالة الأرضية في وقت قصير، وبالتالي تحقيق تأثير تعزيز الليزر المقابل. وهذا يجعل الليزر ذو المستويات الأربعة أكثر كفاءة من الليزر ذو المستويات الثلاثة وأكثر شيوعًا في التطبيقات العملية.
لقد أدى تطور تقنية الليزر إلى تمكينها من لعب دور لا غنى عنه في مجالات مثل العلوم والطب والاتصالات، وكل ذلك بفضل آلية الانقلاب السكاني.
مع تقدم التكنولوجيا، كيف ستتطور أنظمة الليزر في المستقبل وتستمر في تعزيز تنمية المجتمع البشري؟
