مفاهیم اساسی لیزر

لیزرها بر اساس برهمکنش تابش و ماده فعال میشوند. این برهمکنش شامل گسیل خود به خود، گسیل القایی و جذب میباشد.

گسیل خود به خود فرض کنیم توانسته باشیم اتمهای زیادی را به تراز بالاتر اتم و یا مولکول با تحریک خارجی (که به آن دمش گفته میشود) فرستاده باشیم. تعداد این اتمها یا مولکولها در واحد حجم در تراز بالاتر را با N2 نمایش میدهیم. این اتم یا مولکول به صورت خود به خود به تراز پایینتر فرومیافتد و اگر این فروافت توام با گسیل موج الکترومغناطیسی باشد به آن فروافت تابشی یا گسیل خودبه خود میگویند. اتم و یا مولکول هرگاه به طریق دیگری مثلاً در برخورد با گاز در محیط به تراز پایینتر فروافتد و همراه با تابش نباشد به آن فروافت غیرتابشی میگویند.

گسیل القایی

علاوه بر فروافت به طریق گسیل خود به خود، اتم و یا مولکول در تراز بالاتر میتواند در اثر برهمکنش با یک میدان تابش خارجی به تراز پایینتر فروافتد در این صورت دو فوتون به وجود میآید، فوتون القاء شونده و فوتون القاء کننده. هر دو فوتون در یک جهت گسیل میشوند و همفاز و با یک قطبش هستند (فاز و قطبش فوتون القاء شونده در همان فاز و قطبش فوتون القاء کننده است). این اساس تقویت نوری را فراهم میسازد و اساس لیزر مبتنی بر همین اصول تقویت نور میباشد.

جذب هنگامی که در یک سیستم اتمی که اتمها در تراز پایینتر (تراز پایه) هستند موج الکترومغناطیسی اعمال گردد به نحوی که فرکانس موج فرودی درست در همان فرکانس گذار اتمی باشد، در این صورت به سادگی موج الکترومغناطیسی فرودی بر اتم یا مولکول، جذب اتم و یا مولکول شده و آن را به تراز بالاتر ارتقاء میدهد. به این فرآیند جذب گفته میشود.

 جمعیت معکوس

در یک اتم فرض کنید، تراز انرژی و جمعیت تراز پایین (N₁ و E₁) و تراز انرژی و جمعیت تراز بالاتر (N₂ و E₂) باشد. در حالت عادی توزیع بولتزمن برای اتم یا مولکول برقرار است، لذا همواره چون E₁ > E₂ است، خواهیم داشت N₂ > N₁ ، بنابراین اختلاف N₂ - Δ N = N₁ همواره مثبت است و تابش فرودی جذب اتم یا مولکول میشود. اگر شرایطی غیرعادی حاصل آید به نحوی که N₁ > N₂ گردد، با جذب منفی و یا بهره سر و کار داریم. به این عمل که توسط دمش حاصل میشود و جمعیت تراز بالاتر بیشتر از تراز پایینتر به وجود میآید، ایجاد جمعیت معکوس میگویند و هرگز در شرایط ترازمندی گرمایی حاصل نمیشود.

 چگونگی ایجاد جمعیت معکوس

روشهای مختلفی جهت ایجاد جمعیت معکوس وجود دارد که بسته به محیط فعال از این روشها جهت ایجاد جمعیت معکوس استفاده میکنند به عملی که انجام میشود تا جمعیت معکوس حاصل شود دمش (پمپاژ) گفته میشود. روشهای پمپاژ به قرار زیر است. دمش الکتریکی، دمش نوری، دمش شیمیایی، دمش گرمایی.