לייזר ומערכת העיבוד שלו

1. עקרון יצירת הלייזר

המבנה האטומי הוא כמו מערכת שמש קטנה, עם גרעין האטום במרכז. האלקטרונים מסתובבים כל הזמן סביב גרעין האטום, וגם גרעין האטום מסתובב כל הזמן.

הגרעין מורכב מפרוטונים ונייטרונים. פרוטונים טעונים באופן חיובי ונייטרונים אינם טעונים. מספר המטענים החיוביים שנושאים על ידי הגרעין כולו שווה למספר המטענים השליליים שנושאים על ידי האלקטרונים כולו, כך שבדרך כלל האטומים ניטרליים כלפי העולם החיצון.

מבחינת המסה של האטום, הגרעין מרכז את רוב המסה שלו, והמסה שתופסת כל האלקטרונים היא קטנה מאוד. במבנה האטומי, הגרעין תופס רק שטח קטן. האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין, ולאלקטרונים יש מרחב פעילות גדול בהרבה.

לאטומים יש "אנרגיה פנימית", המורכבת משני חלקים: האחד הוא שלאלקטרונים יש מהירות סיבוב ואנרגיה קינטית מסוימת; השני הוא שיש מרחק בין האלקטרונים בעלי הטעון השלילי לגרעין בעל הטעון החיובי, ויש כמות מסוימת של אנרגיה פוטנציאלית. סכום האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית של כל האלקטרונים הוא האנרגיה של האטום כולו, הנקראת האנרגיה הפנימית של האטום.

כל האלקטרונים מסתובבים סביב הגרעין; לפעמים קרוב יותר לגרעין, האנרגיה של האלקטרונים הללו קטנה יותר; לפעמים רחוק יותר מהגרעין, האנרגיה של האלקטרונים הללו גדולה יותר; בהתאם להסתברות להתרחשות, אנשים מחלקים את שכבת האלקטרונים ל"רמות אנרגיה" שונות; ב"רמות אנרגיה" מסוימות, ייתכנו אלקטרונים מרובים המסתובבים בתדירות גבוהה, ולכל אלקטרון אין מסלול קבוע, אך לכולם יש את אותה רמת אנרגיה; "רמות אנרגיה" מבודדות זו מזו. כן, הן מבודדות לפי רמות אנרגיה. מושג "רמת אנרגיה" לא רק מחלק אלקטרונים לרמות לפי אנרגיה, אלא גם מחלק את מרחב המסלול של האלקטרונים לרמות מרובות. בקיצור, לאטום יכולות להיות רמות אנרגיה מרובות, ורמות אנרגיה שונות מתאימות לאנרגיות שונות; חלק מהאלקטרונים מקיפים ב"רמת אנרגיה נמוכה" וחלק מהאלקטרונים מקיפים ב"רמת אנרגיה גבוהה".

כיום, ספרי פיזיקה לחטיבת הביניים סימנו בבירור את המאפיינים המבניים של אטומים מסוימים, את כללי פיזור האלקטרונים בכל שכבת אלקטרונים ואת מספר האלקטרונים ברמות אנרגיה שונות.

במערכת אטומית, אלקטרונים נעים בעיקרון בשכבות, כאשר חלק מהאטומים נמצאים ברמות אנרגיה גבוהות וחלקם ברמות אנרגיה נמוכות; מכיוון שאטומים תמיד מושפעים מהסביבה החיצונית (טמפרטורה, חשמל, מגנטיות), אלקטרונים בעלי רמת אנרגיה גבוהה אינם יציבים ויעברו ספונטנית לרמת אנרגיה נמוכה, השפעתם עשויה להיספג, או שהם עשויים לייצר אפקטים מיוחדים של עירור ולגרום ל"פליטה ספונטנית". לכן, במערכת האטומית, כאשר אלקטרונים בעלי רמת אנרגיה גבוהה עוברים לרמות אנרגיה נמוכות, יהיו שני ביטויים: "פליטה ספונטנית" ו"פליטה מגורה".

קרינה ספונטנית, אלקטרונים במצבי אנרגיה גבוהים אינם יציבים ומושפעים מהסביבה החיצונית (טמפרטורה, חשמל, מגנטיות), נודדים באופן ספונטני למצבים של אנרגיה נמוכה, ואנרגיה עודפת מקרינה בצורת פוטונים. המאפיין של סוג זה של קרינה הוא שהמעבר של כל אלקטרון מתבצע באופן עצמאי והוא אקראי. מצבי הפוטון של פליטה ספונטנית של אלקטרונים שונים שונים. פליטת האור הספונטנית נמצאת במצב "לא קוהרנטי" ובעלת כיוונים מפוזרים. עם זאת, לקרינה ספונטנית יש את המאפיינים של האטומים עצמם, והספקטרום של הקרינה הספונטנית של אטומים שונים שונה. בהקשר זה, זה מזכיר לאנשים ידע בסיסי בפיזיקה, "לכל עצם יש את היכולת להקרין חום, ולעצם יש את היכולת לספוג ולפלוט גלים אלקטרומגנטיים ברציפות. לגלים האלקטרומגנטיים המוקרנים על ידי חום יש התפלגות ספקטרום מסוימת. התפלגות ספקטרום זו קשורה לתכונות העצם עצמו ולטמפרטורה שלו." לכן, הסיבה לקיומה של קרינה תרמית היא פליטה ספונטנית של אטומים.

בקרינה מגורה, אלקטרונים בעלי רמת אנרגיה גבוהה עוברים לרמת אנרגיה נמוכה תחת "גירוי" או "אינדוקציה" של "פוטונים המתאימים לתנאים" ומקרינים פוטון באותה תדירות כמו הפוטון הפוגע. המאפיין הבולט ביותר של קרינה מגורה הוא שהפוטונים הנוצרים על ידי קרינה מגורה נמצאים באותו מצב בדיוק כמו הפוטונים הפוגעים שמייצרים קרינה מגורה. הם נמצאים במצב "קוהרנטי". יש להם אותה תדירות ואותו כיוון, ואי אפשר לחלוטין להבחין בין שני ההבדלים ביניהם. בדרך זו, פוטון אחד הופך לשני פוטונים זהים באמצעות פליטה מגורה אחת. משמעות הדבר היא שהאור מתעצם, או "מוגבר".

כעת בואו ננתח שוב, אילו תנאים נדרשים על מנת לקבל קרינה מגורה בתדירות גבוהה יותר ויותר?

בנסיבות רגילות, מספר האלקטרונים ברמות אנרגיה גבוהות תמיד קטן ממספר האלקטרונים ברמות אנרגיה נמוכות. אם רוצים שאטומים ייצרו קרינה מגורה, רוצים להגדיל את מספר האלקטרונים ברמות אנרגיה גבוהות, לכן צריך "מקור משאבה", שמטרתו לעורר יותר. יותר מדי אלקטרונים ברמת אנרגיה נמוכה קופצים לרמות אנרגיה גבוהות, כך שמספר האלקטרונים ברמת אנרגיה גבוהה יהיה גדול ממספר האלקטרונים ברמת אנרגיה נמוכה, ויתרחש "היפוך מספר חלקיקים". יותר מדי אלקטרונים ברמת אנרגיה גבוהה יכולים להישאר רק לזמן קצר מאוד. הזמן יקפוץ לרמת אנרגיה נמוכה יותר, כך שהאפשרות לפליטת קרינה מגורה תגדל.

כמובן, "מקור המשאבה" מוגדר עבור אטומים שונים. זה גורם לאלקטרונים "להדהד" ומאפשר לאלקטרונים נוספים ברמת אנרגיה נמוכה לקפוץ לרמות אנרגיה גבוהות. הקוראים יכולים להבין באופן בסיסי, מהו לייזר? כיצד מיוצר לייזר? לייזר הוא "קרינת אור" ש"מעוררת" על ידי אטומים של עצם תחת פעולת "מקור משאבה" ספציפי. זהו לייזר.