Как формируется лазер

Появление лазеров ознаменовало первый случай, когда человечество достигло контроля над фотонами. Лазеры являются специальными источниками света, которые усиливают свет через стимулированное излучение, и их процесс формирования включает несколько физических механизмов, таких как квантовая механика, оптический резонанс и энергетическое возбуждение. Ниже приведены основные факторы, способствующие образованию лазеров:
I. Стимулированное излучение и инверсия численности частиц
Появление лазеров началось с квантовых переходов между энергетическими уровнями атома. Когда электрон поглощает энергию и переходит в состояние с более высокой энергией, система оказывается в нестабильном состоянии. В этот момент электрон может излучать энергию двумя способами:
Спонтанное излучение: электроны случайным образом переходят в состояние с меньшей энергией и испускают фотоны с разными направлениями и фазами.
Вынужденное излучение: когда энергия внешнего фотона соответствует разнице уровней энергии, это вызывает одновременное излучение точно таких же фотонов электронами, находящимися в возбужденном состоянии, что составляет основу оптического усиления.
Оптическое усилении: Частицы на высоких энергетических уровнях подвергаются стимулированному излучению, вызванному падающими фотонами, что приводит к генерации фотонов той же фазы и частоты. Эти фотоны многократно колеблются в резонаторной полости, запуская цепную реакцию и формируя высокоинтенсивный когерентный свет.
Обращение числа частиц: Система накачки нарушает термическое равновесие, позволяя рабочему веществу образовывать метастабильные энергетические уровни.
II. Оптический резонатор
Обратная связь резонатора: Оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, позволяет фотонам в определённом направлении двигаться туда-обратно много раз. Когда прирост превышает потери, образуется положительная обратная связь, и в конечном итоге выходит когерентный луч.
Выбор моды: При помощи короткого резонатора или решётчатой обратной связи контролируется распределение продольных и поперечных мод для достижения одночастотного и одномодового выхода.
Концентрация энергии: Сокращение эффективной длины рабочего вещества и повышение эффективности выходной мощности лазера.
III. Статистика Бозе
Идентичные фотоны: Фотоны, созданные при стимулированном излучении, имеют точно такую же частоту, фазу и состояние поляризации.
Наложение волновых функций: Большое количество идентичных фотонов формируют макроскопические квантовые состояния, наделяя свет идеальной когерентностью.
Характеристики лазера:
Направленность: угол расходимости обычного источника света относительно велик, в то время как угол расходимости лазерного источника света относительно мал, и его направление фиксировано.
Одноцветность: ширина спектральной линии лазера уже, чем у обычного источника света, поэтому он обладает лучшей одноцветностью.
Высокая яркость: Лазер излучает высоко параллельные лучи и может быть излучен с большей концентрацией
Формирование лазеров — это идеальное сочетание квантовой механики и оптической инженерии. Его основа заключается в достижении управляемого усиления света через инверсию числа частиц и стимулированное излучение. Развитие лазеров способствует инновациям в отраслях, таких как производство, здравоохранение и информационные технологии.