tgoop.com/physics_786/10312
Last Update:
#فیزیک۳
#لیزر
تراز شبه پایدار (Metastable State) یک سطح انرژی در اتم‌ها یا مولکول‌ها است که الکترون‌ها می‌توانند برای مدت زمان نسبتاً طولانی (در مقایسه با ترازهای برانگیخته معمولی) در آن باقی بمانند. این ویژگی برای تولید لیزر بسیار مهم است، زیرا وجود تراز شبه پایدار امکان معکوس شدن جمعیت (Population Inversion) را فراهم می‌کند. معکوس شدن جمعیت به این معناست که تعداد اتم‌ها یا مولکول‌های در حالت برانگیخته (تراز شبه پایدار) بیشتر از تعداد آن‌ها در حالت پایه باشد، که این شرط لازم برای تقویت نور و ایجاد لیزر است.
---
### ویژگی‌های تراز شبه پایدار:
۱. زمان ماندگاری طولانی:
- الکترون‌ها در تراز شبه پایدار برای مدت زمان بیشتری (معمولاً میکروثانیه تا میلی‌ثانیه) نسبت به ترازهای برانگیخته معمولی (نانوثانیه) باقی می‌مانند.
۲. امکان معکوس شدن جمعیت:
- به دلیل ماندگاری طولانی، می‌توان تعداد زیادی اتم یا مولکول را در این تراز نگه داشت و معکوس شدن جمعیت را ایجاد کرد.
۳. گسیل القایی (Stimulated Emission):
- هنگامی که الکترون‌ها از تراز شبه پایدار به تراز پایین‌تر بازمی‌گردند، فوتون‌هایی با انرژی مشخص گسیل می‌کنند. این فوتون‌ها هم‌فاز و هم‌جهت هستند و باعث تقویت نور می‌شوند.
---
### عناصری که تراز شبه پایدار دارند:
برخی از عناصر و مواد رایج که دارای تراز شبه پایدار هستند و در تولید لیزر استفاده می‌شوند، عبارتند از:
#### ۱. عناصر در لیزرهای گازی:
- نئون (Ne):
- در لیزر هلیوم-نئون (He-Ne)، نئون دارای تراز شبه پایدار است که امکان تولید نور قرمز (۶۳۲٫۸ نانومتر) را فراهم می‌کند.
- کربن دی‌اکسید (CO₂):
- در لیزر CO₂، مولکول CO₂ دارای ترازهای شبه پایدار است که امکان تولید نور مادون قرمز (۱۰٫۶ میکرون) را فراهم می‌کند.
- آرگون (Ar):
- در لیزر آرگون، یون‌های آرگون دارای ترازهای شبه پایدار هستند که امکان تولید نور آبی (۴۸۸ نانومتر) و سبز (۵۱۴٫۵ نانومتر) را فراهم می‌کنند.
#### ۲. عناصر در لیزرهای حالت جامد:
- کروم (Cr³⁺):
- در لیزر یاقوت (Ruby)، یون‌های کروم در کریستال اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) دارای تراز شبه پایدار هستند که امکان تولید نور قرمز (۶۹۴٫۳ نانومتر) را فراهم می‌کند.
- نئودیمیوم (Nd³⁺):
- در لیزرهای Nd:YAG و Nd:Glass، یون‌های نئودیمیوم دارای تراز شبه پایدار هستند که امکان تولید نور مادون قرمز (۱۰۶۴ نانومتر) را فراهم می‌کنند.
- ربیوم (Er³⁺):
- در لیزرهای اربیوم (Er:YAG)، یون‌های اربیوم دارای تراز شبه پایدار هستند که امکان تولید نور مادون قرمز (۲۹۴۰ نانومتر) را فراهم می‌کنند.
#### ۳. عناصر در لیزرهای نیمه‌هادی:
- گالیم (Ga) و آرسنیک (As):
- در دیودهای لیزری نیمه‌هادی (مانند GaAs)، ترازهای شبه پایدار در نوارهای انرژی نیمه‌هادی وجود دارند که امکان تولید نور مادون قرمز (۸۰۰–۹۰۰ نانومتر) را فراهم می‌کنند.
- ایندیم (In) و فسفر (P):
- در لیزرهای InGaP، ترازهای شبه پایدار امکان تولید نور قرمز (۶۳۰–۶۸۰ نانومتر) را فراهم می‌کنند.
#### ۴. عناصر در لیزرهای مایع:
- رنگ‌های آلی:
- در لیزرهای رنگی، مولکول‌های رنگ‌های آلی دارای ترازهای شبه پایدار هستند که امکان تولید نور در محدوده مرئی و نزدیک به مادون قرمز را فراهم می‌کنند.
---
### نقش تراز شبه پایدار در تولید لیزر:
۱. معکوس شدن جمعیت:
- تراز شبه پایدار امکان تجمع اتم‌ها یا مولکول‌ها در حالت برانگیخته را فراهم می‌کند، که برای ایجاد معکوس شدن جمعیت ضروری است.
۲. گسیل القایی:
- الکترون‌هایی که از تراز شبه پایدار به تراز پایین‌تر بازمی‌گردند، فوتون‌هایی با انرژی مشخص گسیل می‌کنند. این فوتون‌ها هم‌فاز و هم‌جهت هستند و باعث تقویت نور می‌شوند.
۳. تقویت نور:
- با استفاده از تشدیدگر نوری (Optical Resonator)، نور تقویت شده و پرتوی لیزر ایجاد می‌شود.
---
### نتیجه‌گیری:
تراز شبه پایدار یک سطح انرژی است که الکترون‌ها می‌توانند برای مدت زمان نسبتاً طولانی در آن باقی بمانند. این ویژگی برای تولید لیزر ضروری است، زیرا امکان معکوس شدن جمعیت و گسیل القایی را فراهم می‌کند. عناصر و مواد مختلفی مانند نئون، کروم، نئودیمیوم و گالیم دارای تراز شبه پایدار هستند و در تولید لیزرهای گازی، حالت جامد، نیمه‌هادی و مایع استفاده می‌شوند.
@physics_786
BY انجمن فیزیک دانشگاه هرات
Share with your friend now:
tgoop.com/physics_786/10312