👨🏼‍🏭 🛂 💘 اسأل إيثان # 35: هل لدى الليزر حد للطاقة؟ 💑 🕕 👮

يسأل القارئ:

سألت هذا السؤال لمعلمي البصريات في الجامعة منذ 5 سنوات ، لكنه لم يجيبني. ثم درسنا الليزر والرنان البصري. كنت أتساءل كم عدد الفوتونات التي يمكن ضخها في الرنان؟ هل هناك قيود على كثافتها؟ ماذا يحدث إذا تجاوزت هذا الحد؟

لنبدأ من البداية - من الذرة.

الذرة ، كما تعلم ، هي نواة موجبة الشحنة والعديد من الإلكترونات حولها. يمكن أن تكون الإلكترونات في عدد محدود من التكوينات المختلفة ، واحد فقط هو الأكثر مثالية وثباتًا: الحالة ذات الطاقة الأقل.

إذا كانت الذرة متحمسة حسب الحاجة ، فسيتغير تكوينها الإلكتروني ويمكن أن ينتقل إلى مستوى بطاقة أعلى ، أي في حالة متحمس. عندما تكون الأشياء الأخرى متساوية ، ستتدهور هذه الحالة تلقائيًا إلى مستقر ، إما على الفور أو بطريقة تدريجية. في هذه الحالة ، سيتم انبعاث الفوتون (أو الفوتونات) من الطاقة المحددة بدقة.

هذه هي الطريقة التي تعمل بها ذرة واحدة. لكن في الأساس ، تتكون المادة من العديد من الذرات المترابطة. علاوة على ذلك ، فإن تنوع جميع أشكال المادة والبلورات والغازات مدهش (على الرغم من أنه محدود).

ولكن لا يزال ، لكل منها عدد معين من الإلكترونات وحالات الطاقة التي يمكن أن يشغلها. إذا كان بإمكانك إضافة طاقة إلى النظام وإثارة إلكترون واحد أو أكثر ، فيمكنك جعله ينبعث بتردد معين. وإذا كنت تثير النظام بطريقة معينة يمكن التحكم فيها ، فيمكنك جعله ينبعث إشعاعًا بنفس التردد وطول الموجة والاتجاه في كل مرة. ثم نحصل على الليزر.

الليزر هو اختصار يعني "تضخيم الضوء عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز" - "تضخيم الضوء من خلال الانبعاث المحفز". على الرغم من أنه في الواقع ، لا يحدث أي ربح. تتأرجح الإلكترونات بين حالة متحمسة وغير مستثارة ، أو بين اثنتين متحمستين. ولكن لسبب ما ، لم يرغب الاختصار Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation (LOSER) في استخدامه.

لكن الانبعاث التلقائي مهم للغاية.

إذا حصلت من العديد من الذرات أو الجزيئات التي تذهب إلى نفس الحالة المثارة ، ثم تحفز عودتها العفوية إلى حالة بأقل قدر من الطاقة ، فسوف تنبعث منها الفوتونات بنفس الطاقة. تحدث هذه التحولات بسرعة كبيرة (ولكن ليس بسرعة لا نهائية) ، لذلك من الناحية النظرية هناك حد لمدى سرعة ذرة يمكن أن تقفز إلى حالة متحمسة وتنبعث من الفوتون. يحتاج النظام إلى وقت لإعادة التشغيل.

عادة ، يتم استخدام غاز أو بلورة أو مواد جزيئية أخرى لإنشاء ليزر في التجويف. لكن هذه ليست الطريقة الوحيدة!

يمكن صنع الليزر باستخدام الإلكترونات الحرة وأشباه الموصلات والألياف الضوئية وحتى البوزيترونيوم. يمكن أن يختلف الإشعاع من موجات الراديو الطويلة جدًا إلى الأشعة السينية القصيرة ، ومن الناحية النظرية حتى إلى أشعة جاما. يمكن أن تحدث عمليات مماثلة بشكل طبيعي في الفضاء . عادة ما تحدث في السحب تتحرك بشكل متماسك على موجات الميكروويف. لكن بعض هذه الظواهر قد تصل إلى حالة تنبعث فيها أشعة ليزر مرئية.

مع تطور التكنولوجيا ، تزداد قوة إشعاع الليزر وتقتصر فقط على النطاق العملي للتكنولوجيا الحديثة. قد يتساءل المرء عن وجود قيود أساسية على عدد الفوتونات التي يمكن أن ينتجها الليزر ، حيث يوجد حد لعدد الإلكترونات التي يمكن عصرها في قسم معين من الفضاء.

في ميكانيكا الكم ، هناك مبدأ باولي ، الذي ينص على أن فرميونات متطابقة أو أكثر لا يمكن أن يكونا في نفس الوقت في نفس الحالة الكمية. ومع ذلك ، ينطبق هذا المبدأ فقط على جسيمات مثل الإلكترونات أو الكواركات ، حيث يكون الدوران نصف عدد صحيح: ± 1/2 ، ± 3/2 ، ± 5/2. بالنسبة للجسيمات ذات الدوران الكامل ، لا توجد مثل هذه القيود على كونها في نفس الحالة.

لذلك ، "أمر عادي" ويأخذ مكان معين في الفضاء. ولكن ليس كل شيء يطيع هذه القاعدة.

الفوتون ، وهو جسيم ينبعث من أشعة الليزر المختلفة ، لديه دوران قدره ± 1 ، لذلك نظريًا يمكنك دفع أي عدد من الفوتونات في مساحة محدودة.

من الناحية النظرية ، هذا مهم جدًا ، لأنه إذا تمكنت من التوصل إلى التكنولوجيا الصحيحة ، فلا توجد قيود على الطاقة التي يمكنك الحصول عليها!

تعمل جميع أجهزة الليزر تقريبًا ذات الرنانات بأقصى طاقة ، ولكن هناك قيود عملية على المواد المستخدمة. من حيث المبدأ ، إذا كنت تأخذ ليزرًا قويًا بما فيه الكفاية وقمت بإنشاء تجويف بصري كبير من المرايا وجعلت إحدى المرايا متحركة ، عندئذ يمكنك ضغط الضوء المنبعث حتى لحالة الثقب الأسود.

لذلك في الواقع هناك قيود. ولكن من الناحية النظرية ، فهي مرتبطة فقط بالمواد المادية المستخدمة. كلما وجدنا واستخدمنا مواد أفضل وأكمل ، زادت كثافة الطاقة التي يمكننا تحقيقها ، دون أي قيود.

تحديث: فيزيائييعتقد تشاد أورزل ، الذي يكتب مدونته الخاصة ، أنه على الرغم من عدم وجود قيود على طاقة الفوتونات الناتجة ، في مرحلة ما (عندما تصل الفوتونات إلى 1 MeV تقريبًا) ، عندما يتفاعل الفوتون مع سطح عاكس ، فسوف تبدأ تلقائيًا أزواج المواد المضادة للمادة. لذلك ، عند الطاقات العالية ، سيتحول الليزر إلى ساونا مليئة بالمادة والمادة المضادة ، وليس فقط ضوءًا متماسكًا. لذلك قد يكون هذا بمثابة قيود على طاقة الليزر. عذرًا ، ولكن يبدو أنك لن تتمكن من عمل ثقب أسود بهذه الطريقة.

اسأل إيثان # 35: هل لدى الليزر حد للطاقة؟

More articles: