اصول لیزر:
ابتدا برای سادگی و داشتن درک درستی از اساس کار لیزر، قبل از توضیح مرحله به مرحله تولید پرتو لیزر، به معرفی چند مفهوم مهم پرداخته می‌شود.
جذب و گسیل خود به خودی
چنانکه احتمالا از دروس دبیرستان به یاد دارید، هر ماده از اتم ساخته شده است. هر اتم، یک هسته در مرکز دارد و الکترونها در اطراف هسته، در ترازهای انرژی خاصی قرارگرفته و در حال چرخش به دور هسته اتم هستند. شکل زیر نمایی از این مدل را نشان می‌دهد.
شکل نمادین اتم و الکترون‌های اطراف آن در ترازهای انرژی مجزا. الکترونها در حالت عادی تمایل دارند در تراز با کمترین انرژی قرار بگیرند.
به عبارت دیگر، الکترونها در شعاع‌های مختلف دورتا دور هسته می‌چرخند که به آن به اصطلاح مدار (تراز) الکترونی گفته می‌شود. همه الکترون های درون یک مدار یا تراز دارای انرژی مساوی هستند و در هر تراز، تعداد مشخصی الکترون می‌تواند جای بگیرد. هر چقدر ترازها به هسته نزدیک‌تر باشند، الکترون‌های آن تراز، انرژی کمتری دارند و بالعکس هر چه ترازها از هسته دورتر باشند، الکترون‌های درون آن انرژی بیشتری دارند. نکته‌ای که لازم است در اینجا بدانید اینست که در حالت عادی، الکترونها تمایل دارند در تراز پایین تر و با انرژی کمتر جای بگیرند در این حالت گفته می‌شود اتم یا الکترون در حالت پایه قرار دارد. در حالت پایه، الکترون‌های یک اتم ابتدا جاهای خالی در ترازهای پایین‌تر را پر می‌کنند و سپس الکترون‌های باقیمانده در ترازهای بالاتر جای می‌گیرند
سوالی که در اینجا می‌تواند مطرح شود اینست: آیا الکترونها می‌توانند از یک تراز به تراز دیگر بروند؟
پاسخ این سوال مثبت است. الکترونها می‌توانند تحت شرایطی از یک تراز به تراز دیگر بروند. به این ترتیب که الکترون‌های تراز پایینی (با انرژی کمتر) برای رفتن به ترازهای بالاتر (با انرژی بیشتر)، نیاز به گرفتن انرژی دارند و الکترون‌های ترازهای بالایی (با انرژی بیشتر) برای رفتن به ترازهای پایین‌تر (با انرژی کمتر) باید انرژی اضافی خود را از طریقی از دست بدهند.
در همین راستا اگر در شرایط ویژه، انرژی اضافی به ساختار یک اتم وارد شود، ممکن است الکترون بتواند پس از جذب انرژی کافی، از یک تراز پایین‌تر به تراز بالاتر نقل مکان کند، به این پدیده “جذب” گفته می‌شود. در شکل زیر پدیده جذب به صورت نمادین نشان داده شده است.
در پدیده‌ی جذب، الکترون با دریافت انرژی از تراز پایین‌تر به تراز بالاتر جابه جا می‌شود.
چنانچه در این شکل دیده می‌شود، الکترون در ابتدا در تراز نزدیک‌تر به هسته در حال حرکت است وقتی انرژی کافی برای رفتن به یکی از ترازهای بالاتر به آن داده شود، با جذب انرژی به تراز بالاتر (دورتر از هسته) نقل مکان می‌کند.
در این شکل‌های نمادین برای سادگی، از میان همه ترازها فقط دو تراز مبدا و مقصد الکترون در اطراف اتم و از میان همه الکترونها تنها الکترونی که بین دو تراز جابه جا می‌شود، مشخص شده است.
در پدیده جذب، انرژی الکترون بیشتر از حالت عادی یا پایه آن است و به اصلاح گفته می‌شود الکترون (یا اتم) در حالت برانگیخته قرار دارد. اما الکترون برای همیشه با این انرژی اضافی در حالت برانگیخته باقی نمی‌ماند و پس از مدت زمان محدودی، الکترون برانگیخته، انرژی اضافی خود را از دست می‌دهد و به تراز پایین برمی‌گردد. انرژی اضافی الکترون می‌تواند به شکل گرما، انرژی برخوردی و یا به وجود آمدن یک فوتون نوری و … آزاد شود. دراین حالت اگر الکترون در بازگشت از تراز بالاتر به تراز پایین‌تر، انرژی اضافی خود را به شکل یک فوتون نوری از دست بدهد به این پدیده، گسیل خودبهخودی گفته می‌شود.
در پدیده گسیل خودبهخودی، الکترون بدون دخالت عامل بیرونی
با از دست دادن انرژی اضافی به شکل فوتون نوری، از تراز بالاتر به تراز پایین تر برمی‌گردد.
در پدیده گسیل خودبهخودی، الکترون بدون دخالت عامل بیرونی با از دست دادن انرژی اضافی به شکل فوتون نوری، از تراز بالاتر به تراز پایین تر برمی‌گردد.
به عبارت دیگر در پدیده گسیل خودبهخودی، الکترون در تراز بالاتر، بدون دخالت عامل بیرونی و فقط به دلیل تمایل طبیعی به داشتن کمترین انرژی (به صورت خودبهخودی) به تراز پایین‌تر برمی‌گردد و یک فوتون نوری تولید و گسیل می‌شود که انرژی آن برابر با اختلاف انرژی دو تراز است. این فوتون نوری می‌تواند در هر جهتی تولید و پراکنده شود. به همین دلیل است که موادی که در آن گسیل خودبه خودی اتفاق می‌افتد از هر جهتی درخشان به نظر می رسند؛ دستبندهایی که در روز انرژی جذب می‌کنند و در شب درخشنده به نظر می‌‌رسند مثالی از پدیده گسیل خودبهخودی هستند که ممکن است در زندگی روزمره با آن برخورد کرده باشید.
وارونگی جمعیت (وارونی انبوهی)
با توجه به اینکه الکترونها در حالت عادی تمایل دارند در ترازهای پایه قرار بگیرند پس در یک ماده در حالت عادی، تعداد اتم‌هایی که در حالت پایه قرار دارند بسیار بیشتر از تعداد اتم‌های برانگیخته است. اما چنانچه گفته شد با وارد کردن انرژی به ساختار اتمی می‌توان الکترونها را مجبور کرد که برای مدت زمان محدود به تراز بالاتر نقل مکان کنند. اگر این روند ادامه پیدا کند ممکن است حالتی پیش آید که جمعیت الکترونها در تراز بالایی (اتم‌ها یا الکترون‌های برانگیخته) بیشتر از تعداد الکترونها در تراز پایینی (اتم‌ها یا الکترون‌های پایه) شود؛ در این حالت می‌گوییم “وارونگی جمعیت” رخ داده است. ممکن است از این پدیده در نوشتارهای دیگر با عنوان “وارونی انبوهی” هم یاد شود. در شکل زیر به صورت ساده، پخش شدن الکترونها در ترازهای اتمی نشان داده شده است.
الف) ابتدا الکترونها در حالت عادی قرار دارند، ب) سپس با وارد کردن انرژی، الکترونها برانگیخته شده‌اند و
ج) در نهایت با افزایش تعداد الکترونها در تراز بالایی، وارونگی جمعیت رخ داده است.
در شکل بالا (الف) الکترونها در حالت عادی و تراز پایین قرار دارند، سپس با وارد کردن انرژی، الکترونها کم کم به تراز بالاتر رفته و اصطلاحا برانگیخته شده‌اند (ب) و در نهایت با ادامه کوچ الکترونها از تراز پایین به تراز بالا، تعداد الکترونها در تراز بالایی بیشتر از تعداد الکترونها در تراز پایینی شده و به اصطلاح وارونگی جمعیت (یا وارونی انبوهی) رخ داده است (ج).
گسیل القایی
با آنچه گفته شد فرض کنید در یک ماده و طی شرایط بالا، وارونگی جمعیت (وارونی انبوهی) رخ داده است و الکترونی را در نظر بگیرید که در حالت برانگیخته قرار دارد. اگر در این وضعیت یک فوتون به این ساختار برسد، به طوری که انرژی فوتون، برابر با تفاوت انرژی الکترون در تراز بالا و پایین باشد، اتفاق‌های مختلفی ممکن است برای الکترون رخ دهد. یکی از این رخدادها اینست که الکترون به تراز پایین برود. به این پدیده گسیل القایی گفته می‌شود.
در پدیده گسیل القایی یک فوتون هم انرژی، هم فاز و هم جهت با فوتون فرودی، به وجود آمده و گسیل می‌شود. در شکل زیر پدیده گسیل القایی به صورت نمادین نشان داده شده است. گسیل القایی همان پدیده‌ای است که در ساخت لیزر از آن استفاده می‌شود. به عبارت دیگر در پدیده گسیل القایی، یک الکترون برانگیخته بر اثر فرود یک فوتون نوری، انرژی اضافی خود را با گسیل فوتون دوم از دست می‌دهد و به حالت پایه می‌رود. فوتون گسیل شده هم انرژی، هم جهت و هم فاز با فوتون فرودی است.
گسیل القایی: الف) فرود فوتون با انرژی مناسب به الکترون برانگیخته در تراز بالا و
ب) بازگشت الکترون به تراز پایین و به وجود آمدن و گسیل فوتون دوم که هم انرژی و همفاز با فوتون فرودی است و هم جهت با فوتون فرودی، گسیل می‌شود.
کپی برداری از مطالب این سایت با ذکر منبع مجاز می‌باشد. (برگرفته از کتاب کاربرد لیزر در رفع موهای زائد – شاپ لیزر)