Jak je vytvořen laser

Vznik lasérů značil poprvé v historii, kdy lidstvo dosáhlo kontroly fotonů. Lasery jsou speciální zdroje světla, které zesilují světlo prostřednictvím stimulovaného záření, a jejich tvorba zahrnuje několik fyzikálních mechanismů, jako je kvantová mechanika, optická rezonance a energetické excesy. Následující jsou hlavní faktory přispívající k vytvoření lasery:
I. Stimulované vyzařování a inverze počtu částic
Generace laserů začala kvantovými přechody mezi energetickými úrovněmi atomů. Když elektron pohltí energii a přejde do vyššího energetického stavu, systém se nachází ve nestabilním stavu. V tomto okamžiku elektron uvolňuje energii dvěma způsoby:
Spontánní emise: Elektrony náhodně skočí zpět do nižšího energetického stavu a vysílají fotony s různými směry a fázemi.
Indukovaná emise: Když energie vnějšího fotona odpovídá rozdílu energetických úrovní, indukuje to elektrony v nadutém stavu ke současnému uvolnění přesně stejného fotona, což tvoří základ optického zesílení.
Optická amplifikace: Částice na vysokých energetických úrovních procházejí stimulovaným výsivkem vyvolaným incidujícími fotony, což generujefony stejné fáze a frekvence. Tyto fotony se opakovaně kmitají v rezonanční dutině, vyvolávajíce řetězovou reakci a tvoříce světlo s vysokou intenzitou a koherencí.
Inverze počtu částic: Pumpy systém porušuje tepelné rovnováhu, čímž je umožněno pracovnímu látku tvořit metastabilní energetické úrovně.
Ii. Optická rezonanční dutina
Zpětná vazba rezonanční dutiny: Optická rezonanční dutina složená ze dvou zrcadel umožňuje fotonom v určitém směru cestovat tam a zpět několikrát. Když zisk převyší ztrátu, vytvoří se kladná zpětná vazba a nakonec bude vyvedeno koherentní paprsek.
Výběr módu: Pomocí krátkého návrhu dutiny nebo zpětné vazby mřížky je ovládán rozložení longitudinálních a transverzních módů za účelem dosažení výstupu jednofrekvenčního a jednomódního.
Koncentrace energie: Zkrácení efektivní délky pracovní látky a zvýšení účinnosti výstupu laseru.
Iii. Boseova statistika
Identické fotony: Fotony vyprodukované stimulovaným zářením mají přesně stejnou frekvenci, fázi a polarizační stav.
Překrývání vlnových funkcí: Velké množství identických fotonů tvoří makroskopické kvantové stavy, čímž se světlu dodává dokonalá koherence.
Vlastnosti laseru:
Směrovost: Úhlové odchylky běžného světelného zdroje jsou relativně velké, zatímco u laserového světelného zdroje jsou relativně malé a jeho směr je pevně stanovený.
Jednoduchost: Spektrální šířka laseru je úzší než u obyčejného světelného zdroje, proto má lepší jednoduchost.
Vysoká jasnost: Laser vyzařuje velmi paralelní paprsky a může být vyzařován s vyšší koncentrací.
Vznik laserů je dokonalou kombinací kvantové mechaniky a optického inženýrství. Jejich jádro spočívá v dosažení ovladatelného zesílení světla prostřednictvím inverze částicového počtu a stimulovaného záření. Vývoj laserů podporuje inovace v odvětvích jako je výroba, zdravotnictví a informační technologie.