فیبرهای نوری

پرسش

آلایش اربیم و آلایش نئودیم چیست و چه کاربردی در فیبرهای نوری دارد؟

پاسخ:

آلاییدن یا دوپه کردن ساختار دیگر هم در لیزرها برای تولید نور لیزر و هم در فیبرهای نوری برای تقویت سیگنال نوری مطرح است. مکانیزم هر دو در کل از یک جنس است ولی شرایط و کاربرد متفاوت است. اولی کمک می‌کند که جمعیت وارونه رخ دهد و منجر به تابش لیزر شود و دومی کمک می‌کند نور ورودی در برخورد به این ساختار تقویت شود. همانطور که ذکر شد مکانیزم کلی مشابه است. تفاوت آلاییدن با عناصر مختلف در تحریک سیستم برای گسیل تحریکی است که منجر به تولید لیزر در طول موج‌های متفاوتی می‌شود.

شاید توصیف لیزر و نقش این آلایش در این پاسخ کوتاه مشکل باشد ولی سعی می‌کنم از لیزر گاز کربنیک کمک بگیرم تا دیدی از عملکرد آلایش و ضرورت آن در ایجاد نور لیزر را بهتر درک کنیم و بعد می‌توانید با دیدی کلی بقیه سیستم‌ها را به این شکل کلی توصیف یا تجسم کنیم.

برای اینکه لیزری کار کند شاید مهمترین چالش این است که تعداد اتم‌ها یا ملکول‌ها در تراز بالا بیشتر از تعداد آنها در تراز پایین باشد. این امر از دید قانون بولتزمن ممکن نیست و برای اینکه تراز بالا جمعیتی بیشتر پیدا کند یا به عبارتی جمعیت وارونه شود باید به نحوی به این قانون کلک زد چون چنین قانونی قابل نقض کردن نیست. در لیزر گاز کربنیک یکی از مودهای ارتعاشی ملکول که خیلی متداول است، کشیده شدن دو اتم اکسیژن در دو طرف اتم کربن به صورت متقارن است. این ملکول به شکل دیگری هم ممکن است نوسان کند که دو اتم اکسیژن به صورت نامتقارن نوسان کنند یعنی وقتی یکی از اتم‌ها به اتم کربن نزدیک می‌شود، آن یکی دور شود. این نوع ارتعاش کم پیش می‌آید و البته پرانرژی‌تر از قبلی است. جالب است که فاصله انرژی این دو حالت ارتعاشی حدود 10 میکرومتر است که همان طول موج لیزر گاز کربنیک است. پس مسئله می‌شود اینکه اگر بشود تعداد ملکول‌هایی که در محیط هستند و ارتعاش نامتقارن دارند بیشتر از تعداد ملکول‌هایی شود که ارتعاش متقارن دارند، آنوقت امکان ایجاد لیزر مهیا می‌شود. امکان تحریک سیستم برای ایجاد چنین شرایطی نیست، هم انتظار نمی رود و هم قانون بولتزمن اجازه نمی دهد. پس باید به سیستم به نحوی کلک زد تا چنین اتفاقی بیفتند. راه پیشنهادی انتقال انرژی به اندازه انرژی ارتعاش نامتقارن توسط ملکول دیگر مثلا از طریق برخورد بود. مسئله تبدیل شد به پیدا کردن ملکولی که ارتعاش آن چنین انرژی داشته باشد و راحت به ارتعاش درآید. ملکول ازت چنین ویژگی را داشت و از دو اتم ازت تشکیل شده است که با تحریک آن به سادگی ارتعاش ساده‌ای را انجام می‌دهد. جالب است که انرژی این ارتعاش به اندازه ارتعاش نامتقارن ملکول گاز کربنیک است. با مخلوط کردن ملکول ازت با ملکول گاز کربنیک و تحریک سیستم، امکان انتقال انرژی از ملکول تحریک شده ازت به ملکول تحریک نشده گاز کربنیک مهیا شد ولی چون انرژی آن به اندازه ارتعاش نامتقارن است طبعا ملکول‌های گاز کربنیک به صورت نامتقارن به ارتعاش در می‌آیند. البته تجسم آن هم زیاد سخت نیست. ملکول ازت را تجسم کنید که در حال ارتعاش است و به ملکول گاز کربنیکی می‌رسد. در برخورد با آن، ملکول گاز کربنیک که آن انرژی را خوب می‌شناسد از همان سمت که برخورد صورت گرفته به ارتعاش نامتقارن در می‌آید. شرایط جمعیت وارونه مهیا شد و شرایط برای تابش لیزر آماده است.

با این مثال لیزری نقش آلاینده در ایجاد شرایط برای جمعیت وارونه و تقویت یا تابش لیزر را می‌شود تا حدودی متوجه شد. حال فرض کنید در یک ساختار جامد هم، آلاینده کمابیش چنین نقشی دارد و در ترازی که تحریک می‌کند، مؤثر است.