گسیل القایی و بهره نوری
گسیل القایی به یک فوتون اجازه میدهد تا یک اتم برانگیخته را وادار به گسیل یک فوتون یکسان دیگر کند، و محیطی با وارونگی جمعیت این فرآیند را به بهره نوری خالص تبدیل میکند.
Definition
فرآیندی که طی آن یک فوتون فرودی، یک اتم برانگیخته را تحریک میکند تا فوتون دوم و یکسانی را گسیل کند، و تقویت خالص نور حاصله، یا بهره نوری، زمانی حاصل میشود که تعداد اتمهای موجود در سطح انرژی بالاتر بیشتر از سطح انرژی پایینتر باشد.
Scope
این موضوع به مبانی میکروسکوپی عملکرد لیزر میپردازد. این شامل سه فرآیند تابشی جذب، گسیل خودبهخودی و گسیل القایی است که توسط ضرایب اینشتین به هم مرتبط میشوند؛ نیاز به وارونگی جمعیت برای تقویت خالص و چرایی عدم امکان آن در تعادل گرمایی؛ ضریب بهره و وابستگی آن به وارونگی، سطح مقطع و شکل خط؛ اشباع بهره در شدت بالا؛ و طرحهای پمپاژ، به ویژه سیستمهای سه سطحی و چهار سطحی، که برای ایجاد و حفظ وارونگی استفاده میشوند. این موضوع چگونگی تقویت همدوس نور توسط یک محیط را تشریح میکند.
Core questions
- جذب، گسیل خودبهخودی و گسیل القایی چگونه با یکدیگر مرتبط هستند؟
- چرا وارونگی جمعیت برای بهره نوری ضروری است؟
- چه عواملی بزرگی ضریب بهره را تعیین میکنند؟
- طرحهای پمپاژ چگونه وارونگی جمعیت را ایجاد و حفظ میکنند؟
Key concepts
- جذب
- گسیل خودبهخودی
- گسیل القایی
- ضرایب اینشتین
- وارونگی جمعیت
- ضریب بهره
- اشباع بهره
- پمپاژ سه و چهار سطحی
Key theories
- ضرایب A و B اینشتین
- اینشتین در سال ۱۹۱۷ نشان داد که نرخهای گسیل خودبهخودی، گسیل القایی و جذب توسط نسبتهای ثابتی به هم مرتبط هستند؛ وجود گسیل القایی از شرط سازگاری با تابش گرمایی نتیجه میشود.
- وارونگی جمعیت و اشباع بهره
- تقویت خالص نیازمند اتمهای بیشتری در سطح انرژی بالاتر نسبت به سطح انرژی پایینتر است که تنها با پمپاژ قابل دستیابی است؛ با افزایش شدت نوری، وارونگی کاهش مییابد، بهره اشباع میشود و خروجی لیزر پایدار میگردد.
Clinical relevance
بهره نوری اساس هر لیزر پزشکی است، و فیزیک گسیل القایی مشابه، که به طور عمدی کاهش یافته است، زیربنای میکروسکوپهای فوقتفکیک گسیل القایی کاهشی (STED) است که در تحقیقات زیستپزشکی استفاده میشوند.
History
مقاله اینشتین در سال ۱۹۱۷ در مورد نظریه کوانتومی تابش، گسیل القایی و ضرایبی را که به نام اوست معرفی کرد. این ایده در دهه ۱۹۵۰ به یک دستگاه تبدیل شد، زمانی که تاونز و به طور مستقل، باسوف و پروخوروف، تقویت توسط گسیل القایی مایکروویو را محقق ساختند، کاری که با جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۶۴ به رسمیت شناخته شد.
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Nikolay Basov
- Aleksandr Prokhorov
Related topics
Seminal works
- salehteich2019
- svelto2010
Frequently asked questions
- چرا یک ماده عادی در تعادل نمیتواند نور را تقویت کند؟
- در تعادل گرمایی، اتمهای بیشتری سطوح انرژی پایینتر را اشغال میکنند تا سطوح بالاتر، بنابراین جذب بر گسیل القایی غلبه میکند و نور تضعیف میشود؛ تقویت نیازمند یک وارونگی جمعیت غیرتعادلی است که توسط پمپاژ تولید میشود.
- چه ویژگی خاصی در مورد یک فوتون القایی وجود دارد؟
- فوتون گسیل شده توسط گسیل القایی از نظر فرکانس، جهت، فاز و قطبش با فوتون تحریککننده مطابقت دارد، به همین دلیل نور تقویت شده همدوس است.