Generacja laserów

Generacja laserów
Generowanie laserów zostało zaproponowane przez Einsteina w 1916 roku w jego teorii „emisji spontanicznej i wymuszonej”. Teoria ta stanowi podstawę fizyczną współczesnych systemów laserowych. Oddziaływanie fotonów i atomów może prowadzić do trzech procesów przejściowych: absorpcji wymuszonej, emisji spontanicznej i emisji wymuszonej. Dopóki emisja wymuszona jest trwała i stabilna, możliwe jest uzyskanie laserów. Dlatego konieczne jest wytwarzanie specjalnych urządzeń – laserów. Skład lasera składa się zazwyczaj z trzech głównych części: substancji roboczej, elementu wzbudzającego i rezonatora optycznego.

1. Substancja robocza

Substancja w laserze, która może generować światło laserowe, nazywana jest substancją roboczą. W normalnych warunkach rozkład liczb atomowych w substancji na każdym poziomie energetycznym jest rozkładem normalnym. Liczba atomów na niższym poziomie energetycznym jest zawsze większa niż na wyższym poziomie energetycznym. Dlatego, gdy światło przechodzi przez stan normalny substancji luminescencyjnej, proces absorpcji jest dominujący, a światło zawsze słabnie. Aby światło zostało wzmocnione po przejściu przez substancję luminescencyjną i osiągnęło wzmocnienie światła, konieczne jest, aby dominującą była emisja wymuszona. Aby liczba atomów na wyższym poziomie energetycznym była większa niż na niższym poziomie energetycznym, rozkład ten jest przeciwny do rozkładu normalnego i nazywa się inwersją liczby cząstek.
2. Urządzenie wzbudzające
Funkcją urządzenia wzbudzającego jest wzbudzenie atomów z niższego poziomu energetycznego do wyższego poziomu energetycznego, umożliwiając substancji roboczej osiągnięcie inwersji liczby cząstek. Poziomy energetyczne substancji obejmują stan podstawowy i wzbudzony, a także stan metastabilny. Stan metastabilny jest mniej stabilny niż stan podstawowy, ale znacznie bardziej stabilny niż stan wzbudzony. Relatywnie rzecz biorąc, atomy mogą pozostawać w stanie metastabilnym przez dłuższy czas. Na przykład jony chromu (Cr3+) w rubinie mają stan metastabilny o czasie życia rzędu 10-3 sekundy. Po wzbudzeniu substancji roboczej i osiągnięciu inwersji liczby cząstek, początkowo, ze względu na różne kierunki propagacji fotonów emitowanych przez promieniowanie spontaniczne, fotony promieniowania stymulowanego również mają różne kierunki propagacji, a także występują liczne straty mocy i absorpcji; nie można wygenerować stabilnego wyjścia laserowego. Aby stymulowane promieniowanie mogło istnieć w ograniczonej objętości substancji roboczej, konieczny jest rezonator optyczny, który umożliwi selekcję i wzmocnienie światła.
3. Rezonator optyczny
Jest to para równoległych, odbijających luster, zainstalowanych na obu końcach substancji roboczej, prostopadle do osi głównej. Jeden koniec to lustro całkowicie odbijające (o współczynniku odbicia 100%), a drugi koniec to lustro częściowo przezroczyste i częściowo odbijające (o współczynniku odbicia od 90% do 99%).
Funkcje rezonatora to: ① generowanie i utrzymywanie wzmocnienia optycznego; ② wybór kierunku światła wyjściowego; ③ wybór długości fali światła wyjściowego. Dla konkretnej substancji roboczej, ze względu na różne czynniki, rzeczywista długość fali emitowanego światła nie jest jednoznaczna, a widmo ma określoną szerokość. Rezonator może pełnić rolę selekcji częstotliwości, poprawiając monochromatyczność lasera.