ليزر تک اتمي

[SadafG]

 لیزر تک اتمی 

لیزر ها از سه بخش اصلی تشکیل شده اند که پمپ، ماده بهره و تشدیدگر یا کاواک میباشند. کاواک معمولا از دو آینه روبروی هم قرار گرفته تشکیل شده است و ماده بهره میان آندو قرار دارد.


در سال 1994 برای اولین بار لیزری با ماده بهره که فقط شامل یک اتم بود ارائه شد. این لیزر از یک باریکه کم چگال اتم های باریوم که از طول یک تشدیدگر اپتیکی کوچک گذر میکرد ساخته شده بود. در این سیستم عمل تقویت نور توسط نوسانات کوانتیده رابی (quantized Rabi oscillation) بدست آمد. در سیستم های لیزری رایج، برای انجام عمل تقویت نور میبایست تعداد بسیار زیادی از اتم های ماده بهره بکار گرفته شوند. مثلا در یک لیزر هلیوم نئون 10 بتوان 16 اتم نئون وجود دارد که باعث توان خروجی لیزر در حدود 1 میلی وات میشود. تقویت نور از هنگامی شروع میشود که تقریبا 10 بتوان 9 فوتون در کاواک لیزر حضور داشته باشند. عموما برای تقویت هر یک فوتون میبایست که 100000 اتم فعال داشته باشیم. برای تقویت نور شرطی وجود دارد که به آن وارونگی جمعیت (population inversion) گفته میشود. این کلمه به شرایطی اطلاق میشود که اتم های فعال بیشتر در حالت برانگیخته انرژی باشند تا در حالت پایه.

 [External Link Removed for Guests] 

لیزر تک اتمی از روش دیگری برای تقویت نور استفاده میکند که به آن فرایند نوسان کوانتیده رابی گفته میشود. نوسان رابی به تبادل متناوب انرژی میان اتمها و یک مد میدان الکترومغناطیسی گفته میشود. هنگامی که یک اتم فقط با تعداد کمی از فوتونها برهم کنش میکند نوسانات رابی کوانتیده هستند. یعنی این نوسانات در فرکانس های گسسته ای رخ میدهند که توسط تعداد فوتون ها تعیین میگردد. یکی از نتایح نوسانات کوانتیده رابی اینست که یک اتم برانگیخته میتواند بسادگی با قرار گرفتن در یک کاواک کوچک تحریک شود تا فوتون گسیل کند. اگر کاواک تشدیدی بکار گرفته شود که در آن ابعاد طوری تنظیم شده اند تا فوتون های گسیل شده از اتم میتوانند با هم جمع شوند آنگاه یک کوپل شدگی قوی بوجود میآید که باعث میشود اتم فوتون را خیلی سریع تر از زمانی که در فضای آزاد است گسیل کند.
این فرایند نوسانات خلا رابی (vacuum Rabi oscillation) نام دارد زیرا در ابتدا هیچ فوتونی در داخل کاواک وجود ندارد.


در لیزر تک اتمی اتم های دو ترازه باریوم که در ابتدا بر انگیخته شده اند تک تک به داخل یک تشدیدگر فرستاده میشوند و در طول موج 791 نانومتر تولید فوتون میکنند. اولین فوتون از طریق نوسانات خلا رابی گسیل میشود و تقویت بیشتر با استفاده از فرایند نوسانات کوانتیده رابی انجام میپذیرد. با افزایش تعداد فوتون ها در داخل کاواک احتمال گسیل فوتون توسط اتم بیشتر میشود. جمع شدن فوتون ها تا هنگامی ادامه دارد که نرخ تلفات ناشی از عبور، جذب و پراکندگی از آیینه ها برابر با نرخ تولید فوتون از اتم های باریوم بشود.


لیزر تک اتمی یک ابزار ازمایشگاهی برای مطالعه برهمکنشهای کوانتومی اتم و میدان است. سیستم آن ساده است و فقط از یک اتم دو ترازی و یک کاواک تک مد تشکیل میشود. به خاطر وجود تابش کوانتیده رابی در لیزر های تک اتمی، انتظار میرود که رفتار های غیر معمولی غیر کلاسیکی که تنها میتوان آنها را توسط نظریه های مکانیک کوانتومی توجیه کرد مشاهده شود.

لیزر تک اتمی در آینده میتواند منبع نور غیر کلاسیک باشد که نوری است با خواص منحصر به فرد کوانتوم مکانیکی.

[External Link Removed for Guests]