היפוך אוכלוסייה

היפוך אוכלוסייה (או היפוך אוכלוסין) הוא מונח המגיע מתחום פיזיקת הלייזרים, המתאר מצב של מערכת שבו האכלוס של רמת אנרגיה מעוררת גבוה יותר מאכלוס רמת היסוד. מצב כזה הוא תנאי הכרחי לאופן פעולתו של הלייזר, שכן במצב כזה ניתן ליצור הגברה של אור העובר דרך המערכת. באופן טבעי (כלומר במצבים של שיווי משקל תרמודינמי), האכלוס של מצב מעורר יהיה תמיד קטן יותר מאכלוס רמת היסוד, ולכן כדי להגיע למצב כזה יש להוציא את המערכת משיווי משקל. פעולת הלייזר מבוססת על התופעה של פליטה מאולצת שבה כאשר פוטון פוגע באטום הנמצא במצב מעורר. אם לפוטון הפוגע יש אנרגיה השווה להפרש האנרגיה בין שתי הרמות, אז הפוטון גורם לאטום לקרוס לרמה הנמוכה יותר ולפלוט פוטון נוסף בעל אותה אנרגיה כמו הפוטון הפוגע. את התהליך הזה ניתן לראות כתהליך שבו הפוטון הפוגע מוכפל: מפוטון אחד מקבלים שניים. התהליך המתחרה נקרא תהליך הבליעה: אם הפוטון פוגע באטום שנמצא ברמת היסוד אז הוא ייבלע על ידי האטום (ויביא את האטום אל הרמה המעוררת). לכן, על-מנת שתהיה הגברה של אור, יש צורך בכך שרוב האטומים יהיו במצב מעורר. במערכת הנמצאת בשווי משקל תרמודינמי, האנרגיות של החלקיקים מתפלגות לפי התפלגות בולצמן. ההסתברות לאנרגיה E i {\displaystyle E_{i}} נתונה על ידי: p i ∼ exp ⁡ ( − E i / k B T ) {\displaystyle p_{i}\sim \exp \left(-E_{i}/k_{B}T\right)} המשמעות היא שככל שרמת האנרגיה נמוכה יותר, יותר חלקיקים יימצאו בה ברגע נתון. ניתן לומר זאת באופן הבא: ככל שרמת האנרגיה נמוכה יותר, כך היא מאוכלסת יותר. באטום שבו יש שתי רמות (two level system), האכלוס המקסימלי של הרמה העליונה מתקבל כאשר הטמפרטורה אין-סופית והוא חצי. מכאן שלא ניתן להגיע למצב שבו הרמה המעוררת מאוכלסת יותר כאשר המערכת נמצאת בשיווי משקל תרמודינמי, ולכן יצירה של מצב כזה נקראת "היפוך אוכלוסייה". מערכת תרמודינמית תמיד רוצה להגיע למצב של שיווי משקל (במקרה זה על ידי פליטה ספונטנית), ולכן על מנת לייצר מצב של היפוך אוכלוסייה, ועל מנת לשמר מצב זה יש צורך לערער את המערכת באופן קבוע, ופעולה זאת נקראת "שאיבה"(אנגלית: pumping). בשביל שאיבה יש צורך להזרים אנרגיה לתוך המערכת, וישנן מספר שיטות לעשות זאת כגון: התפרקויות חשמליות הארה עם מנורות חזקות ומהבהבות שאיבה על ידי לייזר אחר בנוסף, בשביל להגיע להיפוך אוכלוסייה יש למצוא דרך, סכמה, שבה האנרגיה הנכנסת תביא את המערכת אל המצב המעורר. ישנן מספר סכמות כאלו המתבססות על מערכות עם 3 או 4 רמות אנרגיה, וכן על רמות אנרגיה מטסטביליות. סכמה זאת מבוססת על רמת יסוד שנקרא לה רמה 1, רמה גבוהה שנקרא לה רמה 3 ורמה מטסבילית שנקרא לה רמה 2. רמה מטסבילית שפרושה שהסיכוי למעבר מ-1 ל-2 ולהפך הוא קטן מאוד. פירושו שלהביא אטומים מרמת היסוד ל-2 היא מלאכה קשה, אבל גם שכאשר אטומים מגיעים לרמה 2 הם "נתקעים" שם: לרמה יש זמן חיים ארוך. כאשר מוזרמת אנרגיה לתוך המערכת היא גורמת לאטומים לעבור מרמת היסוד לרמה הגבוהה, רמה 3. מהרמה הגבוהה האטומים דועכים או לרמת היסוד 1, או לרמה 2. אם הם דועכים לרמה 2 אזי הם "נתקעים" שם, ואילו אם הם מגיעים לרמה 1, אזי התהליך מתחיל מחדש. באופן זה ניתן לאכלס את רמה 2, ולהגיע למצב של היפוך אוכלוסייה. אמנם בלייזר 3 רמות ניתן בקלות יחסית לגרום למצב שברמה 2 יהיו מספר רב של אטומים, אך כדי להגיע למצב של היפוך אוכלוסייה צריך לדאוג לכך שרמה עליונה יותר תכיל יותר אטומים מאשר הרמה שמתחתיה. בלייזר 3 רמות הרמה התחתונה שבה מבצעים את הלזירה היא רמת היסוד וזה לא פשוט לגרום לכך שיהיו שם פחות מחצי מהאטומים בחומר. לכן יש שיטה נוספת יותר יעילה - 4 רמות. במקרה זה בנוסף לרמות שהוזכרו לעיל קיימת רמת נוספת בין רמת היסוד לרמת הלזירה, וכעת הלזירה מתבצעת בין רמה 3 לרמה 2. רמה 2 אינה רמה מטסטבילית ולכן כמעט כל האטומים שמגיעים לרמה זו דועכים בצורה ספונטנית ומהירה לרמת היסוד והיא נשארת כמעט ריקה. וכך נוצר בקלות יחס היפוך אוכלוסייה בין רמה 3 לרמה 2. לייזר פליטה מאולצת פליטה ספונטנית מכניקה סטטיסטית היפוך אוכלוסייה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)