Hvordan dannes en laser

Oppkomsten av laserer merket det første gang mennesker klarte å kontrollere fotoner. Laserer er spesielle lyskilder som forsterker lys gjennom stimulert stråling, og deres opprinnelsesprosess omfatter flere fysikkemekanismer som kvantemekanikk, optisk resonans og energioppkjøring. Følgende er de hovedsaklige faktorene som bidrar til oppkomsten av laserer:
I. Stimulert utslipp og partikkelinversjon
Generasjonen av laserer begynte med kvantoverganger mellom atomære energinivåer. Når en elektron absorberer energi og overgår til et høyere energinivå, er systemet i et ustabiltilstand. I denne tiden frigjør elektronen energi på to måter:
Spontan emisjon: Elektroner hopper tilfeldig tilbake til et lavere energinivå og utsetter fotoner med forskjellige retninger og faser.
Stimulert emisjon: Når energien til en ekstern foton matcher forskjellen i energinivå, vil det诱导elektroner i en opprevet tilstand å frigjøre nøyaktig samme foton samtidig, noe som danner grunnlaget for optisk forsterkning.
Optisk forsterkning: Partikler på høye energinivåer går gjennom stimulert emisjon utløst av innfallende fotoner, og produserer fotoner med samme fase og frekvens. Disse fotonerne svinger gjentatte ganger i resonansgullet, utløser en kjedereaksjon og danner lys med høy intensitet og kohensjon.
Inversjon av partikkeltall: Pumpesystemet bryter den termiske likevektsstaten, og lar arbeidssubstansen danne metastabile energinivåer.
Ii. Optisk resonansgulv
Resonansgulvtilbakekobling: Et optisk resonansgulv bestående av to speil lar fotoner i en spesifikk retning reise frem og tilbake flere ganger. Når vinningen overstiger tapet, vil en positiv tilbakekoblingsløkke dannes, og til slutt vil et kohent strålebunn blir utgitt.
Moduseleksjon: Ved hjelp av kort gulvdesign eller rastertilbakekobling kontrolleres fordelingen av longitudinale og transverse moduser for å oppnå enkelfrekvens- og enkeltmodusutgang.
Energifokus: Forkort den effektive lengden på arbeidstoffet og forbedre laserutskriftseffektiviteten.
Iii. Bose-statistikk
Identiske fotoner: Fotoner produsert av stimulert stråling har nøyaktig samme frekvens, fase og polarisasjonsstatus.
Bølgefunksjonsoverlapp: En stor mengde identiske fotoner former makroskopiske kvantetilstander, som gir lyset perfekt sammenheng.
Karakteristikk av laser:
Retningsmessighet: Afstandsvinkelen til en vanlig lyskilde er relativt stor, mens afstandsvinkelen til en lasers kilde er relativt liten og dens retning er fiksert.
Enkfargethet: Spektrallinjebredde av en laser er smalere enn den av en vanlig lyskilde, derfor har den bedre enkfargethet.
Høy lysstyrke: Laseren utsetter høygradig parallellstråling og kan utstrykkes med en høyere kontrast.
Opprettelsen av laserer er en perfekt kombinasjon av kvantemekanikk og optisk ingeniørfag. Dets kjernestoff ligger i å oppnå kontrollert forsterkning av lys gjennom partikkeltallinversjon og stimulert stråling. Utviklingen av laserer driver innovasjoner i industrier som produksjon, helsevern og informasjonsteknologi.