เลเซอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร

การปรากฏตัวของเลเซอร์ถือเป็นครั้งแรกที่มนุษย์สามารถควบคุมโฟตอนได้สำเร็จ เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงพิเศษที่ขยายแสงผ่านการแผ่รังสีแบบกระตุ้น และกระบวนการเกิดเลเซอร์เกี่ยวข้องกับกลไกทางฟิสิกส์หลายอย่าง เช่น กลศาสตร์ควอนตัม การสั่นสะท้อนของแสง และการกระตุ้นพลังงาน ต่อไปนี้คือปัจจัยหลักที่นำไปสู่การเกิดเลเซอร์:
I. การแผ่รังสีแบบกระตุ้นและการกลับ inversión ของจำนวนอนุภาค
การสร้างเลเซอร์เริ่มต้นจากกระบวนการเปลี่ยนแปลงเชิงควอนตัมระหว่างระดับพลังงานของอะตอม เมื่ออิเล็กตรอนดูดซึมพลังงานและเปลี่ยนไปสู่สถานะพลังงานที่สูงขึ้น ระบบจะอยู่ในสถานะที่ไม่มั่นคง ในช่วงเวลานี้ อิเล็กตรอนปล่อยพลังงานออกมาได้สองวิธี:
การแผ่รังสีแบบอิสระ: อิเล็กตรอนกระโดดกลับสู่สถานะพลังงานที่ต่ำกว่าอย่างสุ่มและปล่อยโฟตอนออกมาในทิศทางและเฟสที่แตกต่างกัน
การแผ่รังสีแบบกระตุ้น: เมื่อพลังงานของโฟตอนภายนอกตรงกับความแตกต่างของระดับพลังงาน มันจะกระตุ้นให้อิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะตื่นตัวปล่อยโฟตอนที่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์ออกมาพร้อมกัน ซึ่งเป็นพื้นฐานของการขยายแสง
การขยายแสง: อนุภาคที่อยู่ในระดับพลังงานสูงเกิดการปลดปล่อยแบบกระตุ้นโดยโฟตอนที่กระทบ เกิดโฟตอนที่มีเฟสและความถี่เดียวกัน โฟตอนเหล่านี้สั่นสะเทือนซ้ำๆ ในโพรงรีโซแนนต์ กระตุ้นปฏิกิริยาลูกโซ่ และสร้างแสงที่เข้มข้นและสอดคล้องกัน
การกลับตัวของจำนวนอนุภาค: ระบบปั๊มทำให้สมดุลทางความร้อนเสียไป ทำให้วัสดุทำงานสามารถสร้างระดับพลังงานเมตาเสถียรได้
II. โพรงรีโซแนนต์แสง
การตอบสนองย้อนกลับของโพรงรีโซแนนต์: โพรงรีโซแนนต์แสงที่ประกอบด้วยกระจกสองแผ่นช่วยให้โฟตอนในทิศทางเฉพาะเดินทางไปมาหลายครั้ง เมื่อการเพิ่มค่ามากกว่าการสูญเสีย จะเกิดวงจรตอบสนองย้อนกลับเชิงบวก และในที่สุดจะปล่อยลำแสงที่สอดคล้องกันออกมา
การเลือกโหมด: โดยการออกแบบโพรงสั้นหรือการตอบสนองย้อนกลับด้วยเกรตติ้ง ควบคุมการกระจายของโหมดตามแนวยาวและแนวขวาง เพื่อให้ได้ผลลัพธ์การปล่อยแบบความถี่เดียวและโหมดเดียว
ความเข้มข้นของพลังงาน: ลดความยาวที่มีประสิทธิภาพของสารทำงานและเพิ่มประสิทธิภาพการส่งออกเลเซอร์
สถิติโบส (Bose Statistics)
โฟตอนที่เหมือนกัน: โฟตอนที่เกิดจากการแผ่รังสีแบบกระตุ้นมีความถี่ เฟส และสถานะการ Polarization เหมือนกันทุกประการ
การซ้อนทับฟังก์ชันคลื่น: จำนวน banyak โฟตอนที่เหมือนกันจะก่อร่างสร้าง quantum states ในระดับมหภาค มอบความสอดคล้องสมบูรณ์ให้กับแสง
ลักษณะเฉพาะของเลเซอร์:
ทิศทาง: มุมการแพร่กระจายของแหล่งกำเนิดแสงทั่วไปค่อนข้างใหญ่ ในขณะที่ของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ค่อนข้างเล็กและทิศทางของมันเป็นแบบคงที่
ความเป็นสีเดียว: ความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์แคบกว่าแหล่งกำเนิดแสงทั่วไป ดังนั้นมันจึงมีความเป็นสีเดียวดีกว่า
ความสว่างสูง: เลเซอร์ปล่อยแสงลำแสงขนานสูงและสามารถปล่อยออกมาด้วยความเข้มข้นที่มากกว่า
การก่อตัวของเลเซอร์เป็นการรวมกันอย่างสมบูรณ์ของกลศาสตร์ควอนตัมและการวิศวกรรมแสง แกนหลักอยู่ที่การบรรลุการขยายแสงอย่างควบคุมผ่านการกลับจำนวนอนุภาคและการแผ่รังสีแบบกระตุ้น การพัฒนาของเลเซอร์กำลังผลักดันนวัตกรรมในอุตสาหกรรม เช่น การผลิต สุขภาพ และเทคโนโลยีสารสนเทศ