در دنیایی که با شگفتیهای بیشمار فناوری روشن شده است، لیزرها به عنوان یکی از جذابترین و متحولکنندهترین اختراعات قرن بیستم شناخته میشوند. لیزرها فقط پرتوهای نور نیستند. آنها ابزار دقیق و قدرتمندی هستند که راه خود را به جنبه های مختلف زندگی ما پیدا کرده اند، از ارتباطات و سرگرمی گرفته تا روش های پزشکی و ساخت. علاوه بر جنبه های مهندسی و کاربردی، اصولی که در لیزر به کار میرود، مفاهیم پیشرفته ای از فیزیک بویژه مکانیک کوانتومی را دربردارد. در واقع باید “تقویت نور توسط انتشار تحریک شده تابش” یا همان لیزرها را باید کاربردی از مکانیک کوانتومی و اصول آن دانست.
تولد تقویت نور
کلمه لیزر در واقع مخفف کلمه “تقویت نور توسط تشعشعات تحریک شده” است. همه چیز در سال 1958 آغاز شد، زمانی که آرتور شاولو و چارلز تاونز، همراه با گوردون گولد، کمک های قابل توجهی در توسعه این فناوری خارق العاده انجام دادند.
لیزرها از پدیده انتشار تحریک شده متولد می شوند، فرآیندی که در آن اتم ها یا مولکول ها توسط انرژی برانگیخته می شوند و باعث می شوند فوتون هایی را ساطع کنند. چیزی که لیزرها را واقعاً خاص میکند این است که این فوتونهای ساطع شده نه تنها بهطور تصادفی منتشر میشوند، بلکه به شیوهای بسیار سازمانیافته و منسجم منتشر میشوند که منجر به یک پرتو متمرکز و شدید نور میشود.
بنیاد کوانتومی لیزرها
برای درک واقعی لیزرها، ابتدا باید اصول مکانیک کوانتومی را درک کرد که آنها را ممکن می کند. لیزر در هسته خود بر مفهوم گسیل تحریک شده تکیه دارد – پدیده ای که در آن فوتون اتمی از قبل برانگیخته شده را تحریک می کند تا فوتون دیگری را آزاد کند که هر دو از نظر طول موج و جهت یکسان هستند. این منجر به انتشار نور منسجم و تک رنگ می شود.
انرژی فوتون های برانگیخته شده از طریق رابطه پلانک بدست میآید:
E=h.f
در این رابطه E انرژی فوتون، h ثابت پلانک و f فرکانس تابش است.
سطوح انرژی و وارونگی تعداد
لیزرها طوری طراحی شده اند که این اثر کوانتومی را به شیوه ای کنترل شده مهار کنند. آنها معمولاً شامل یک محیط افزایش، یک منبع انرژی خارجی و آینه هایی هستند که در هر انتها قرار می گیرند تا یک تشدید کننده نوری ایجاد کنند.
Gain Medium: این جایی است که انتشار تحریک شده رخ می دهد. اتمها یا مولکولهای موجود در محیط افزایش به سطوح انرژی بالاتر برانگیخته میشوند و یک وارونگی جمعیت ایجاد میکنند – شرایطی که در آن ذرات بیشتری در حالت برانگیخته نسبت به حالت پایه وجود دارند.
منبع انرژی: برای حفظ این وارونگی جمعیت، یک منبع انرژی خارجی، اغلب به شکل انرژی الکتریکی یا نوری، به محیط افزایش عرضه می شود.
تشدید کننده نوری: آینه هایی که در دو انتهای محیط بهره قرار می گیرند تشدیدگر نوری را ایجاد می کنند. این طراحی به فوتونها اجازه میدهد تا به جلو و عقب بپرند و باعث انتشار تحریک شده و تقویت نور شوند.
اصول کلیدی در پیاده سازی سیستم های لیزری
انسجام: یکی از ویژگی های تعیین کننده نور لیزر، پیوستگی آن است. تمام فوتون های ساطع شده با یکدیگر در فاز هستند و یک پرتو نور متمرکز با حداقل واگرایی ایجاد می کنند.
تک رنگی: لیزرها یک طول موج یا رنگ واحد تولید می کنند که آنها را برای انواع کاربردهای دقیق ایده آل می کند.
شدت بالا: به لطف وارونگی جمعیت و تشدید کننده نوری، غلظت انرژی در یک پرتو لیزر بسیار بالا است.
کاربردها در فیزیک
لیزرها به عنوان دستگاه های کاملا کوانتومی، چندین حوزه فیزیک را متحول کرده اند:
طیفسنجی: لیزرها برای طیفسنجی با وضوح بالا استفاده میشوند و به دانشمندان کمک میکنند تا خواص اتمی و مولکولی ماده را کشف کنند.
اپتیک کوانتومی: اپتیک کوانتومی از لیزرها برای کاوش در دنیای شگفت انگیز پدیده های کوانتومی، از جمله درهم تنیدگی کوانتومی و برهم نهی کوانتومی استفاده می کند.
اندازهگیری دقیق: لیزرها بهعنوان ابزار دقیقی برای اندازهگیری فاصله، تداخل سنجی، و به دام انداختن نوری عمل میکنند و مرزهای آزمایشهای فیزیک دقیق را پیش میبرند.
محاسبات کوانتومی: محاسبات کوانتومی یک میدان رو به رشد با لیزر در هسته آن است که امکان دستکاری بیت های کوانتومی (کیوبیت ها) را برای محاسبات فوق العاده سریع و پیچیده فراهم می کند.
خنکسازی و به دام انداختن لیزری: فیزیکدانان از لیزر برای خنک کردن و به دام انداختن اتمها در نزدیکی صفر مطلق استفاده میکنند، که مطالعات وضعیتهای کوانتومی عجیب و غریب را تسهیل میکند.
