الإسكان المعكوس هو حالة خاصة تحدث في الوسط الفعال لليزر، حيث يكون عدد الإلكترونات في مستوى طاقة أعلى أكثر من عدد الإلكترونات في مستوى طاقة أقل. هذه الحالة عكسية للحالة الطبيعية للمادة، حيث تميل الإلكترونات إلى الانتقال إلى مستويات الطاقة الأدنى.

لماذا هو مهم لإنتاج الليزر؟

التضخيم الضوئي: عندما يحفز فوتون إلكترونًا في مستوى الطاقة الأعلى على الانتقال إلى مستوى أدنى، فإنه يصدر فوتونًا آخر بنفس الطول الموجي والاتجاه. في حالة الإسكان المعكوس، يكون احتمال حدوث هذا التضخيم الضوئي أكبر بكثير من احتمال امتصاص الفوتونات.

توليد الضوء المتماسك: يتسبب التضخيم المتسلسل للفوتونات في إنتاج حزمة ضوئية مكثفة ومتماسكة، أي أن جميع موجات الضوء تتحرك في نفس الاتجاه وتكون في نفس الطور.

كيف يتم تحقيق الإسكان المعكوس؟

يتم تحقيق الإسكان المعكوس عن طريق تزويد الوسط الفعال بطاقة خارجية، مثل الضوء أو التفريغ الكهربائي. هذه الطاقة تثير الإلكترونات إلى مستويات طاقة أعلى، مما يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات في هذه المستويات مقارنة بالمستويات الأدنى.

باختصار:

الإسكان المعكوس هو شرط أساسي لإنتاج الليزر، حيث يوفر الوسط الفعال الظروف اللازمة لتضخيم الضوء وتوليد حزمة ضوئية متماسكة.

ملاحظات:

الوسط الفعال: هو المادة التي تستخدم لتوليد الضوء الليزر، مثل الغازات والسوائل والبلورات.

الفوتون: هو جسيم أولي يحمل الطاقة ويشكل الضوء.

لماذا الهيليوم والنيون؟

آلية الإثارة: يتم إثارة ذرات الهيليوم أولاً بواسطة التفريغ الكهربائي. ثم تقوم هذه الذرات المثارة بنقل طاقتها إلى ذرات النيون عند التصادم، مما يثيرها إلى مستوى طاقة أعلى.

الانبعاث المحفز: عند عودة ذرات النيون إلى حالتها الأرضية، تنبعث فوتونات ذات طاقة محددة، وهذه هي أساس عمل الليزر.

تضخيم الضوء: يتم تضخيم هذه الفوتونات داخل تجويف الليزر، مما يؤدي إلى إنتاج شعاع ليزر متماسك.

لماذا هذا الخليط بالذات؟

توافق مستويات الطاقة: تتوافق مستويات الطاقة في ذرتي الهيليوم والنيون بطريقة تسمح بانتقال الطاقة بكفاءة عالية.

خصائص الغازات: كلا الغازين خاملان، مما يجعلهما مستقرتين ولا تتفاعلان مع مكونات الليزر الأخرى.

كفاءة عالية: يوفر هذا الخليط كفاءة عالية في إنتاج الليزر، مقارنة بغازات أخرى.

باختصار،

الهيليوم: يقوم بدور “المضخة” التي تنقل الطاقة إلى النيون.

النيون: هو الوسط الفعال الذي ينتج الضوء الليزر.

فوائد استخدام هذا الخليط:

كفاءة عالية.

تردد ثابت للضوء المنبعث.

أداء مستقر.

تكلفة إنتاج منخفضة نسبياً.

تطبيقات ليزر الهيليوم-نيون:

علم القياس: في قياس الأطوال والأبعاد بدقة عالية.

البصريات: في التجارب البصرية المختلفة.

التصوير: في بعض أنواع المجاهر والمقاييس الطيفية.

ملاحظة:

هناك أنواع أخرى من الليزر تستخدم غازات مختلفة أو مواد صلبة أو سائلة، ولكل نوع خصائصه وتطبيقاته الخاصة.

ليزر الهيليوم-نيون هو أحد أقدم الأنواع وأكثرها شيوعًا بسبب بساطته وكفاءته.