Generația laserelor

Generația laserelor
Generarea laserelor a fost propusă de Einstein în 1916 cu teoria sa a „emisiei spontane și stimulate”. Această teorie formează baza fizică a sistemelor laser moderne. Interacțiunea dintre fotoni și atomi poate duce la trei procese de tranziție: absorbția stimulată, emisia spontană și emisia stimulată. Atâta timp cât emisia stimulată poate fi susținută și stabilă, se pot obține lasere. Prin urmare, trebuie fabricate dispozitive speciale – lasere. Compoziția unui laser este în general alcătuită din trei părți principale: substanța de lucru, dispozitivul de excitație și rezonatorul optic.

1. Substanță de lucru

Substanța dintr-un laser care poate genera lumină laser se numește substanță de lucru. În circumstanțe normale, distribuția numerelor atomice în substanță la fiecare nivel de energie este o distribuție normală. Numărul de atomi la nivelul de energie mai scăzut este întotdeauna mai mare decât cel de la nivelul de energie mai ridicat. Prin urmare, atunci când lumina trece prin starea normală a substanței luminescente, procesul de absorbție este dominant, iar lumina slăbește întotdeauna. Pentru a intensifica lumina după trecerea prin substanța luminescentă și a realiza amplificarea luminii, este necesar să se facă emisia stimulată dominantă. Pentru a face ca numărul de atomi la nivelul de energie mai ridicat să fie mai mare decât cel de la nivelul de energie mai scăzut, această distribuție este opusă distribuției normale și se numește inversie a numărului de particule.
2. Dispozitiv de excitație
Funcția dispozitivului de excitație este de a excita atomii aflați la un nivel de energie mai scăzut la un nivel de energie mai ridicat, permițând substanței de lucru să realizeze o inversie a numărului de particule. Nivelurile de energie ale substanței includ starea fundamentală și starea excitată, precum și o stare metastabilă. Starea metastabilă este mai puțin stabilă decât starea fundamentală, dar mult mai stabilă decât starea excitată. Relativ vorbind, atomii pot rămâne în starea metastabilă pentru o perioadă mai lungă de timp. De exemplu, ionii de crom (Cr3+) din rubin au o stare metastabilă cu o durată de viață de ordinul a 10-3 secunde. După ce substanța de lucru este excitată și realizează inversia numărului de particule, inițial, din cauza direcțiilor diferite de propagare a fotonilor emiși de radiația spontană, fotonii radiației stimulate au, de asemenea, direcții de propagare diferite și există multe pierderi în putere și absorbție; nu se poate genera o putere laser stabilă. Pentru a permite radiației stimulate să continue să existe în volumul limitat al substanței de lucru, este necesar un rezonator optic pentru a realiza selecția și amplificarea luminii.
3. Rezonator optic
Este o pereche de oglinzi reflectorizante paralele, instalate la ambele capete ale substanței de lucru, perpendicular pe axa principală. Un capăt este o oglindă cu reflexie totală (cu o rată de reflexie de 100%), iar celălalt capăt este o oglindă parțial transparentă și parțial reflectorizantă (cu o rată de reflexie de 90% până la 99%).
Funcțiile rezonatorului sunt: ​​① generarea și menținerea amplificării optice; ② selectarea direcției luminii de ieșire; ③ selectarea lungimii de undă a luminii de ieșire. Pentru o anumită substanță de lucru, din cauza diverșilor factori, lungimea de undă reală a luminii emise nu este unică, iar spectrul are o anumită lățime. Rezonatorul poate juca un rol de selecție a frecvenței, îmbunătățind monocromaticitatea laserului.