Como é formado um laser

A emergência dos lasers marcou a primeira vez que os seres humanos conseguiram controlar fótons. Os lasers são fontes de luz especiais que amplificam a luz através de radiação estimulada, e seu processo de formação envolve múltiplos mecanismos físicos como mecânica quântica, ressonância óptica e excitação de energia. A seguir estão os principais fatores que contribuem para a formação dos lasers:
I. Emissão estimulada e inversão do número de partículas
A geração de lasers começou com transições quânticas entre níveis de energia atômica. Quando um elétron absorve energia e transiciona para um estado de energia mais alto, o sistema está em um estado instável. Neste momento, o elétron libera energia de duas maneiras:
Emissão espontânea: Os elétrons retornam aleatoriamente para um estado de energia inferior e emitem fótons com direções e fases diferentes.
Emissão induzida: Quando a energia de um fóton externo corresponde à diferença entre os níveis de energia, ele induzirá elétrons em um estado excitado a liberarem simultaneamente fótons exatamente iguais, o que forma a base do amplificador óptico.
Amplificação óptica: Partículas em níveis de alta energia sofrem emissão estimulada desencadeada por fótons incidentes, gerando fótons com a mesma fase e frequência. Esses fótons oscilam repetidamente na cavidade ressonante, desencadeando uma reação em cadeia e formando luz coerente de alta intensidade.
Inversão do número de partículas: O sistema de bombeamento quebra o estado de equilíbrio térmico, permitindo que a substância de trabalho forme níveis de energia metastáveis.
Ii. Cavidade Ressonante Óptica
Retroalimentação da cavidade ressonante: Uma cavidade ressonante óptica composta por dois espelhos permite que fótons em uma direção específica viajem várias vezes para frente e para trás. Quando o ganho excede a perda, um loop de retroalimentação positiva será formado, e eventualmente um feixe coerente será emitido.
Seleção de modo: Por meio de design de cavidade curta ou retroalimentação por grade, a distribuição dos modos longitudinais e transversais é controlada para alcançar saída de frequência única e modo único.
Concentração de energia: Reduza o comprimento efetivo da substância de trabalho e aumente a eficiência de saída do laser.
Iii. Estatística de Bose
Fótons idênticos: Os fótons produzidos pela radiação estimulada têm exatamente a mesma frequência, fase e estado de polarização.
Superposição de função de onda: Um grande número de fótons idênticos forma estados quânticos macroscópicos, conferindo à luz uma coerência perfeita.
Características do laser:
Direcionalidade: O ângulo de divergência de uma fonte de luz comum é relativamente grande, enquanto o de uma fonte de luz laser é relativamente pequeno e sua direção é fixa.
Monocromaticidade: A largura de linha espectral de um laser é mais estreita do que a de uma fonte de luz comum, portanto, possui melhor monocromaticidade.
Alta brilhanteza: O laser emite feixes altamente paralelos e pode ser emitido com uma maior concentração
A formação dos lasers é uma combinação perfeita entre mecânica quântica e engenharia óptica. Seu núcleo está em alcançar um amplificação controlada da luz através da inversão do número de partículas e radiação estimulada. O desenvolvimento dos lasers está promovendo inovações em indústrias como manufatura, saúde e tecnologia da informação.