فیزیک و اصول کارکرد میزر

فیزیک و اصول کارکرد میزر:
فیزیک میزر و همچنین لیزر، بر اساس گسیل القایی یا گسیل تحریک شده (Stimulated Emission) است که اولین بار آلبرت اینشتین (Albert Einstein) در سال 1917 آن را مطرح کرد.

به طور خلاصه و بیانی ساده می توان فیزیک این نوع تابش را به صورت زیر شرح داد.

جذب (Absorb):
در مدل اتمی شبه کوانتومی بور که درک شهودی بسیار خوبی از ساختار اتم ها برای ما پدید می آورد، دیدیم که الکترون ها به دور هسته روی ترازها یا مدارهایی حرکت می کنند.

در این حالت هیچ گونه تابشی از اتم گسیل نمی شود. بور بیان کرد تنها در صورتی الکترون ها تراز یا مدار خود را عوض می کنند که انرژی دریافت و یا از دست بدهند.

فرض کنید که الکترونی از حالت (مدار - تراز)n1به حالت(n2>n1)n2 برود. در این صورت الکترون باید انرژی بگیرید که ما انرژی لازم برای این امر را با تابش فوتونی به اتم انجام می دهیم. در این صورت اتم انرژی فوتون ها را گرفته و الکترون های آن برانگیخته می شوند.

در اکثر مراجع علمی، معمولاً اتم یا حالت های برانگیخته را با نماد * نشان می دهند. یکی از حالت های برهمکنش فوتون با اتم، جذب نام دارد. دقت داشته باشید برای آنکه الکترون بتواند به تراز بالاتر برود، مقدار انرژی فوتون فرودی باید به اندازه اختلاف انرژی دو تراز مذکور (مبدأ و مقصد) باشد (رابطه فوق).

گسیل خود به خودی (Spontaneous Emission):
بدیهی است که حالت برانگیخته، حالتی ناپایدار بوده و الکترون های ناپایدار تمایل دارند به تراز های پایین تر گذار کنند. الکترون های اتم برانگیخته با تابش فوتون می توانند به حالت پایدارتری برسند. یعنی:

لازم به ذکر است که فرآیند فوق، گسیل (تابش) خود به خودی نام دارد. دقت داشته باشید در این حالت نیز، انرژی فوتون گسیل شده به اندازه اختلاف انرژی دو تراز (مبدا و مقصد الکترون) است.

در فرآیند تابش (گسیل) خودبه خودی، فوتون های تابش شده با یکدیگر از حیث فرکانس و فاز متفاوت اند. دلیل این امر گذارهای متفاوت الکترون ها به تراز های مختلف است.

گسیل القایی یا گسیل تحریکی (Stimulated Emission):
نوع دیگری از برهمکنش فوتون با اتم وجود دارد که اساس کار میزر و در نتیجه لیزرها است. فرض کنید که با دادن انرژی به اتم های یک محیط آن ها را در حالت برانگیخته قرار دادیم (به این عمل به اصطلاح پمپ کردن انرژی می گویند).

فرض کنید که مقدار انرژی پمپ به قدری باشد که بتوانیم این الکترون های برانگیخته را قبل از تابش خود به خودی و برگشت به حالت پایه یا ترازهایی با انرژی کمتر، برای مدتی در حالت یا تراز برانگیخته نگه داریم. اصطلاحاً به این تراز «شبه پایدار» (Meta - Stable State) می گویند.

لازم به ذکر است که با عمل پمپ کردن، تعداد الکترون های برانگیخته نسبت به تعداد الکترون های حالت پایه بیشتر بوده و از این حیث به این حالت «وارونی جمعیت» (Population Inversion) می گویند.

حال اگر فوتونی با انرژی برابر با اختلاف انرژی دو تراز برانگیخته و پایه به محیط حاوی اتم های برانیگخته (این محیط اصطلاحاً به محیط فعال یا بهره موسوم است) بتابانیم، باعث می شویم که الکترون های برانگیخته، فوتونی با همان فرکانس تابش و به حالت پایه باز گردند. این امر به گسیل القایی یا تحریک شده موسوم است.

این عمل را می توان در شکل زیر نشان داد:

شکل (5): فرآیند گسیل القایی یا تحریکی

در حالت ساده، یعنی اگر فقط یک الکترون برانگیخته داشته باشیم، در صورت تابش فوتون و رخ دادن فرآیند گسیل القایی، دو فوتون (یکی فوتون اولیه تابش شده و دومی فوتون تابش شده از الکترون) در محیط داریم که در واقع موج تقویت شده محسوب می شود (شکل 6).

توجه داشته باشید که فوتون تابش (گسیل) شده در این حالت، با فوتون فرودی هم جهت، هم فاز و هم انرژی است. هر کدام از این فوتون ها می توانند با برخورد به دیگر الکترون های برانگیخته فوتون دیگری تولید کنند. در انتهای این امر تعداد زیادی از فوتون های هم فرکانس داریم.

به طور خلاصه، برهمکنش فوتون با اتم در سه حالت جذب، گسیل خودبه خودی و گسیل القایی، در شکل زیر آمده است:

شکل (6): برهمکنش فوتون و ماده در یک نگاه. انرژی فوتون جذب یا تابش شده به اندازه اختلاف انرژی دو تراز مبدأ و مقصد الکترون ها خواهد بود.

حال اگر این تابش را در محفظه ای بسته موسوم به کاواک (شامل بازتابنده)، وارد کنیم، تابش تقویت شده و منجر به تولید تابشی همدوس (coherent) می شود که در نهایت توسط ساختاری متناسب با فرکانس تابش به بیرون منتقل می شود.

به طور مثال اگر فوتون های تولید شده در یک میزر، فرکانسی در ناحیه مرئی داشته باشند (به چنین میزری، لیزر می گویند)، می توانیم توسط آینه یا لنزهای معمولی که اکثراً با آن ها آشنا هستیم، تابش تقویت شده حاصل از گسیل القایی را به محیط بیرون هدایت کنیم.

می دانید لیزرها را بر اساس ماده فعال یا محیط بهره (Gain Medium) آن ها به دسته های کلی گازی یا جامد دسته بندی می کنند. میزر ها نیز بر این اساس می توانند انواع مختلفی داشته باشند.

یادآوری می کنیم که لیزرها خود به نوعی میزر بوده و در این مقاله، مقایسه آن ها صرفاً به این دلیل است که امروزه لیزرها به دلیل کاربردهای زیاد و روزمره، نام آشناتر هستند. برخی از از میزر های مختلف در زیر آمده است:

• میزر پرتو اتمی (Atomic beam maser): نظیر میزر آمونیا (Ammonia maser)، میزر الکترون آزاد و میزر هیدروژن (Hydrogen maser). توجه داشته باشید میزر هیدروژنی خود نوعی میزر گازی بوده و اتم های هیدروژن درون محفظه یونیزه شده و تبدیل به پلاسما می شوند.
• میزر های گاز نجیب
• میزر حالت جامد: نظیر میزر روبی و میزر آهن - سافایر (iron-sapphire maser)

میزرها از زمان اختراع تا کنون پیشرفت های زیادی به خود دیده اند. در سال 2012 تیمی تحقیقاتی از امپریال کالج لندن (Imperial College London)، یک میزر حالت جامد را توسعه دادند که در دمای اتاق کار کرده و توسط یک پمپ اپتیکی تحریک می شود. این میزر توانایی انتشار پالس های میکروویو در بازه های چند صدم میکرومتر دارد.