Як утворюється лазер

Виникнення лазерів ознако вперше, коли людство досягло керування фотонами. Лазери - це особливі джерела світла, які підвищують його інтенсивність шляхом стимулювання випромінювання, а їх процес утворення включає багато фізичних механізмів, таких як квантовая механіка, оптичний резонанс та енергетичне подбудовування. Наведені нижче головні фактори, що сприяють утворенню лазерів:
I. Викликане випромінювання та інверсія чисельності частинок
Генерація лазерів почалась з квантових переходів між енергетичними рівнями атомів. Коли електрон поглинає енергію і переходить у стан з більшою енергією, система знаходиться в нестійкому стані. У цей час електрон випускає енергію двома способами:
Спонтанне випромінювання: Електрони випадково переходять до стану з меншою енергією і викидають фотони в різних напрямках та фазах.
Викликане випромінювання: Коли енергія зовнішнього фотона відповідає різниці енергетичних рівнів, вона спричиняє викидання точно таких самих фотонів електронами у вбудованому стані, що стає основою оптичного підвищення.
Оптичне збільшення: Частинки на високих енергетичних рівнях піддаються викликаному випромінюванню, яке викликається входженими фотонами, генеруючи fotoni однакової фази та частоти. Ці фотони коливаються повторно у резонансній腔 полості, спричиняючи ланцюгову реакцію та утворюючи високоінтенсивне когерентне світло.
Інверсія чисельності частинок: Система накачки порушує термальний баланс, дозволяючи робочому речовині утворювати метастабільні енергетичні рівні.
II. Оптична резонансна полость
Резонансна полость зворотнього зв'язку: Оптична резонансна полость, складена з двох дзеркал, дозволяє фотонам у певному напрямку подорожувати взайомно багато разів. Коли прибуток перевищує втрати, утвориться позитивний цикл зворотнього зв'язку, і в кінці буде виведено когерентний промінь.
Вибір режиму: За допомогою короткодільової конструкції або відгуку на решетці керують розподілом продовжних і поперечних режимів для досягнення виведення одночастотного та однорежимового сигналу.
Концентрація енергії: Скорочується ефективна довжина робочої речовини та підвищується ефективність виходу лазера.
III. Статистика Бозе
Ідентичні фотони: Фотони, що випромінюються за допомогою стимульованої радіації, мають точно таку саму частоту, фазу та стан поляризації.
Наложення хвильової функції: Велика кількість ідентичних фотонів утворює макроскопічні квантові стані, надаючи світлу абсолютною когерентністю.
Характеристики лазера:
Направленість: кут звідки звичайного джерела світла досить великий, тоді як кут звідки лазерного джерела світла досить малий і його напрямок фіксований.
Одноколірність: ширина спектральної лінії лазера менша, ніж у звичайного джерела світла, тому він має кращу одноколірність.
Висока яскравість: Лазер випромінює високопаралельні промені та може випромінюватися з більшою концентрацією.
Формування лазерів є ідеальним поєднанням квантової механіки та оптичної інженерії. Їхнього ядра дотикається досягнення контролюваного підвищення світла за допомогою інверсії численості частинок та стимульованої радіації. Розвиток лазерів сприяє інноваціям у галузях, таких як виробництво, охорона здоров'я та інформаційні технології.