У 1960 році перший у світі штучний лазер пронизав спокій каліфорнійської лабораторії Sis, а рубіновий лазер, винайдений Теодором Мехманом, відкрив двері для людських лазерів і використання лазерів для перетворення світу. Починаючи з останніх п'ятдесяти років, розвиток лазерної науки було швидким, а популяризація і застосування лазерних технологій також увійшла в життя людей з усіх аспектів. Але більшість людей просто знають, що лазери мають таку мету, але вони не знають, звідки вийшов лазер. Тому в даній статті буде пояснено принцип лазерного утворення на відносно спільній мові.
Щоб зрозуміти принцип лазерного формування, спочатку зрозумійте, який рівень енергії. Простими словами, енергетичний рівень - це стан, в якому кожен атом (фактично екстранудерний електрон) несе певну кількість енергії, і різні енергетичні рівні вказують на те, що енергія, яку несе атом, відрізняється. Чим вище енергетичний рівень, тим вища енергія позаядерних електронів, і чим легше відірватися від ядра. Для розуміння найпростіший атом водню структури атома взято за приклад.
n являє собою квантове число, що відповідає рівню енергії Е атома. Коли n = 1, це вказує на енергетичний рівень у сталому стані атома водню, який називається основним станом (рівень E1). n = 2, 3, 4 і т.д. називаються збудженими станами (рівень енергії Е2, рівень енергії Е3, рівень енергії Е4 і т.д.). Згідно з датською теорією фізика Бора, коли атом знаходиться в стабільному основному стані, якщо він збуджується зовнішнім світом і поглинає відповідну зовнішню енергію, він перейде до більш високого енергетичного рівня, щоб сформувати збуджений стан. Атом нестійкий в збудженому стані. Коли атом знаходиться в збудженому стані, він спонтанно переходить на нижчий енергетичний рівень. Після одного або декількох переходів у основний стан, відповідна енергія вивільняється під час переходу на низький енергетичний рівень. Ця відповідна енергія існує у вигляді фотонів певної частоти, які можна обчислити з величини на правій стороні діаграми енергетичного рівня, а енергія фотонів E = hν = Em - En. h - фіксоване значення, виміряне фізиком (константа Планка), ν - частота фотона (частота, з якою фотон звільняється від збудженого стану до основного стану, що є частотою зовнішнього випромінюваного світла, частота, яка визначає довжину хвилі лазера λ = c / ν, c - швидкість світла).
Після розуміння структури енергетичного рівня, давайте подивимося, як формується лазер. Заради легкого розуміння найпростіший рубіновий лазер приймається за приклад. Рубіновий лазер - це твердотільний лазер. Робоча речовина - рубіновий стрижень. Кристалічна матриця являє собою Al2O3, який легується 0,05% Cr2O3. Дія лазера в рубіні досягається процесом стимульованого випромінювання Cr3 + (іон хрому), тому Cr3 + часто називають активуючим іоном, який є «тілом» лазера, виробленого в рубіні. Основним компонентом рубіна, глинозему, є лише матриця, яка містить іони хрому, що має лише непрямий вплив на лазерну дію. Структура енергетичного рівня показана так:
Коли світло насоса освітлює рубін, іон Cr3 + в основному стані поглинає світло певної довжини хвилі і переходить до рівня Е3. Іон Cr3 + має дуже короткий час життя на цьому енергетичному рівні (дуже нестійкий, близько 10-9 с) і, таким чином, швидко проходить через радіаційний перехід (перехід без-випромінювання відноситься до обміну енергією з зовнішнім світом атомним зіткненням, тобто, тепловий рух усередині кристала, так що рівень енергії змінюється, не випромінюючи і не поглинаючи фотони) переходить до рівня Е2. Рівень енергії Е2 має тривалий час життя (близько 3 мс), який називається метастабільним рівнем енергії, при якому можна збирати більше іонів Cr3 +. Коли зовнішній насос достатньо міцний, між рівнем Е2 і рівнем Е1 формується інверсія популяції, тобто кількість іонів Cr3 + на рівні Е2 більше, ніж рівень Е1. Після реалізації інверсії популяції кожен зовнішній фотон з енергією hν збуджує атом на рівні Е2 для переходу до основного стану, а також випускає фотон з енергією hν, а загальна енергія фотона змінюється на 2, 2 зміни 4, 4 зміни 8 ... таким чином, досягається стимульований посилення (посилення) процесу випромінювання. Оскільки оптична порожнина має втрати на оптичне посилення, лазер виводиться тільки тоді, коли посилення стимульованого посилення випромінювання більше, ніж різні втрати в лазері.
