Jak powstaje laser

Pojawienie się laserów oznaczało pierwszy raz, kiedy ludzie osiągnęli kontrolę nad fotonami. Lasery są specjalnymi źródłami światła, które wzmacniają światło poprzez zainicjowane promieniowanie, a ich proces formowania obejmuje wiele mechanizmów fizycznych, takich jak mechanika kwantowa, rezonans optyczny i pobudzenie energii. Poniżej wymieniono główne czynniki przyczyniające się do powstania laserów:
I. Indukowane emisje i odwracanie liczby cząsteczek
Generacja lasrów rozpoczęła się od kwantowych przejść między poziomami energii atomowymi. Gdy elektron absorbuje energię i przechodzi do wyższego stanu energetycznego, system znajduje się w stanie niestabilnym. W tym momencie elektron wydaje energię na dwa sposoby:
Emisja spontaniczna: Elektrony losowo przeskakują z powrotem do niższego stanu energetycznego i emitują foteony o różnych kierunkach i fazach.
Emisja indukowana: Gdy energia zewnętrznego fotona pasuje do różnicy poziomów energetycznych, spowoduje to, że elektrony w stanie podnieconym jednocześnie wyemitują dokładnie ten sam foton, co tworzy podstawę wzmacniania światła.
Wzmacnianie optyczne: Cząsteczki na wyższych poziomach energii przechodzą przez indukowaną emisję wywołaną przez foton incydentalny, generując fony o tej samej fazie i częstotliwości. Te fony oscylują wielokrotnie w jamie rezonansowej, wywołując reakcję łańcuchową i tworząc światło o wysokiej intensywności i koherencji.
Odwrócenie liczby cząsteczek: Układ nasycania niszczy stan równowagi termicznej, umożliwiając substancji roboczej utworzenie metasta bilnych poziomów energetycznych.
II. Rezonator optyczny
Rezonatorowy zwrot sygnału: Rezonator optyczny składający się z dwóch luster pozwala fonom poruszającym się w określonym kierunku na wielokrotne podróżowanie tam i z powrotem. Gdy zysk przekracza straty, powstaje pętla zwrotna dodatnia, a w końcu jest emitowany promień koherentny.
Wybór trybu: Poprzez krótki projekt rezonatora lub zwrotną interferencję z siatki kontrolowana jest dystrybucja trybów pionowych i poziomych, aby osiągnąć wyjście jednofalowe i jednotrybowe.
Koncentracja energii: Skraca się efektywną długość substancji roboczej, co zwiększa wydajność wyjścia lasera.
III. Statystyka Bosego
Identyczne foteony: Foteony produkowane przez promieniowanie stimulowane mają dokładnie taką samą częstotliwość, fazę i stan polaryzacji.
Nakładanie funkcji falowej: Duża liczba identycznych fotonów tworzy makroskopowe stany kwantowe, nadażąc światłu idealną koherencję.
Charakterystyka lasera:
Kierunkowość: Kąt rozbieżności zwykłego źródła światła jest względnie duży, podczas gdy kąt źródła światła laserowego jest stosunkowo mały i jego kierunek jest ustalony.
Jednobarwność: Szerokość pasma spektralnego lasera jest węższa niż u zwykłego źródła światła, co daje mu lepszą jednobarwność.
Wysoka jasność: Laser emituje wysoko równoległe promienie i może być emitowany z większą koncentracją.
Powstawanie laserów to idealne połączenie mechaniki kwantowej i inżynierii optycznej. Jego podstawa polega na osiągnięciu kontrolowanego wzmacniania światła za pomocą odwrócenia liczby cząstek i stymulowanej emisji. Rozwój laserów przyczynia się do innowacji w przemyśle, takim jak produkcja, opieka zdrowotna i technologia informacyjna.