W 1960 roku pierwszy na świecie sztuczny laser przeszył spokój kalifornijskiego laboratorium Sis Lab, a laser rubinowy wynaleziony przez Theodore'a Mehmana otworzył drzwi do ludzkiego tworzenia laserów i wykorzystania laserów do transformacji świata. Od ponad pięćdziesięciu lat rozwój nauk laserowych jest szybki, a popularyzacja i zastosowanie technologii laserowej weszło również w życie ludzi ze wszystkich stron. Ale większość ludzi wie, że lasery mają taki cel, ale nie wiedzą, skąd pochodzi laser. Dlatego w tym artykule wyjaśnię zasadę formowania laserowego we względnie pospolitym języku.
Aby zrozumieć zasadę formowania lasera, najpierw zrozum, jaki jest poziom energii. Mówiąc prościej, poziom energii jest stanem, w którym każdy atom (w rzeczywistości elektron pozasądowy) niesie pewną ilość energii, a różne poziomy energii wskazują, że energia niesiona przez atom jest inna. Im wyższy poziom energii, tym wyższa energia elektronów pozasądowych i tym łatwiej jest oderwać się od jądra. W celu zrozumienia za przykład przyjmuje się najprostszy atom wodoru struktury atomowej.
n oznacza liczbę kwantową odpowiadającą poziomowi energii E atomu. Gdy n = 1, wskazuje poziom energii w stanie ustalonym atomu wodoru, który nazywa się stanem podstawowym (poziom E1). n = 2, 3, 4 itd. są nazywane stanami wzbudzonymi (poziom energii E2, poziom energii E3, poziom energii E4 itd.). Zgodnie z teorią duńskiego fizyka Bohra, kiedy atom jest w stabilnym stanie podstawowym, jeśli jest podekscytowany przez świat zewnętrzny i pochłania odpowiednią energię zewnętrzną, przeskoczy na wyższy poziom energii, aby utworzyć stan wzbudzony. Atom jest niestabilny w stanie wzbudzonym. Gdy atom jest w stanie wzbudzonym, spontanicznie przechodzi na niższy poziom energii. Po jednym lub kilku przejściach do stanu podstawowego, odpowiednia energia jest uwalniana podczas przejścia do niskiego poziomu energii. Ta odpowiednia energia istnieje w postaci fotonów o pewnej częstotliwości, która może być obliczona na podstawie wartości po prawej stronie wykresu poziomu energii, a energia fotonu E = hν = Em - En. h jest stałą wartością zmierzoną przez fizyka (stała Plancka), ν jest częstotliwością fotonu (częstotliwością, z której foton jest uwalniany ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, czyli częstotliwości zewnętrznego promieniującego światła, które jest laserem podczas formowania lasera Częstotliwość, która określa długość fali lasera λ = c / ν, c jest prędkością światła).
Po zrozumieniu struktury poziomu energii, zobaczmy, jak powstaje laser. Aby ułatwić zrozumienie, jako najprostszy przykład bierze się najprostszy laser rubinowy. Laser rubinowy jest laserem półprzewodnikowym. Substancją roboczą jest rubinowy pręt. Matrycą krystaliczną jest Al2O3, który jest domieszkowany 0,05% Cr2O3. Działanie lasera w rubinie osiąga się poprzez stymulowany proces emisji Cr3 + (jon chromu), więc Cr3 + jest często nazywany jonem aktywującym, który jest "ciałem" lasera wytwarzanego w rubinie. Głównym składnikiem rubinu, tlenku glinu, jest jedynie matryca zawierająca jony chromu, która ma jedynie pośredni wpływ na działanie lasera. Jego struktura poziomu energii jest pokazana:
Kiedy światło pompy oświetli rubin, jon Cr3 + w stanie podstawowym absorbuje światło o określonej długości fali i przechodzi na poziom E3. Jon Cr3 + ma bardzo krótki czas życia na tym poziomie energii (bardzo niestabilny, około 10-9 s), a zatem szybko przechodzi przez przejście radiacyjne (przejście bez promieniowania odnosi się do wymiany energii ze światem zewnętrznym przez kolizję atomową, to znaczy, ruch termiczny wewnątrz kryształu, tak że poziom energii zmienia się, nie emitując ani nie absorbując fotonów) przechodzi na poziom E2. Poziom energii E2 ma długi czas życia (około 3ms), zwany metastabilnym poziomem energii, na którym można zebrać więcej jonów Cr3 +. Gdy zewnętrzna pompa jest wystarczająco mocna, powstaje inwersja populacji między poziomem E2 a poziomem E1, to znaczy liczba jonów Cr3 + na poziomie E2 jest większa niż poziom E1. Po zrealizowaniu inwersji populacji, każdy zewnętrzny foton z energią hν pobudzi atom na poziomie E2, aby przejść do stanu podstawowego i uwolni foton z energią hν, a całkowita energia fotonu zostanie zmieniona na 2, 2 zmienia 4, 4 zmiany 8 ... osiągając w ten sposób stymulowany proces amplifikacji promieniowania (wzmocnienia). Ponieważ wnęka optyczna ma stratę na zysku optycznym, laser jest wysyłany tylko wtedy, gdy wzmocnienie wzbudzonego promieniowania jest większe niż różne straty w laserze.
