Generationen af ​​lasere

Generationen af ​​lasere
Genereringen af ​​lasere blev foreslået af Einstein i 1916 med hans teori om "spontan og stimuleret emission". Denne teori danner det fysiske grundlag for moderne lasersystemer. Interaktionen mellem fotoner og atomer kan føre til tre overgangsprocesser: stimuleret absorption, spontan emission og stimuleret emission. Så længe stimuleret emission kan opretholdes og være stabil, kan lasere fremstilles. Derfor skal der fremstilles specielle apparater – lasere. En lasers sammensætning består generelt af tre hoveddele: arbejdsstoffet, excitationsapparatet og den optiske resonator.

1. Arbejdsstof

Det stof i en laser, der kan generere laserlys, kaldes det arbejdende stof. Under normale omstændigheder er fordelingen af ​​atomnumre i stoffet på hvert energiniveau en normalfordeling. Antallet af atomer på det lavere energiniveau er altid større end antallet af atomer på det højere energiniveau. Derfor, når lys passerer gennem den luminescerende stofs normale tilstand, er absorptionsprocessen dominerende, og lyset svækkes altid. For at gøre lyset stærkere efter at have passeret gennem det luminescerende stof og opnå lysforstærkning, er det nødvendigt at gøre stimuleret emission dominerende. For at gøre antallet af atomer på det højere energiniveau større end antallet af atomer på det lavere energiniveau, er denne fordeling modsat normalfordelingen og kaldes partikelantalsinversion.
2. Excitationsenhed
Excitationsanordningens funktion er at excitere atomer i et lavere energiniveau til et højere energiniveau, hvilket gør det muligt for det arbejdende stof at opnå en partikelantalsinversion. Stoffets energiniveauer omfatter grundtilstanden og den exciterede tilstand, såvel som en metastabil tilstand. Den metastabile tilstand er mindre stabil end grundtilstanden, men meget mere stabil end den exciterede tilstand. Relativt set kan atomer forblive i den metastabile tilstand i længere tid. For eksempel har kromionerne (Cr3+) i rubin en metastabil tilstand med en levetid på omkring 10-3 sekunder. Efter at det arbejdende stof er exciteret og opnår partikelantalsinversion, har de stimulerede strålingsfotoner i starten, på grund af de forskellige udbredelsesretninger for de fotoner, der udsendes af spontan stråling, også forskellige udbredelsesretninger, og der er mange tab i output og absorption; stabil laseroutput kan ikke genereres. For at den stimulerede stråling kan fortsætte med at eksistere i det begrænsede volumen af ​​det arbejdende stof, er en optisk resonator nødvendig for at opnå selektion og forstærkning af lys.
3. Optisk resonator
Det er et par indbyrdes parallelle reflekterende spejle, der er installeret i begge ender af arbejdsmaterialet, vinkelret på hovedaksen. Den ene ende er et totalreflektionsspejl (med en reflektionsrate på 100%), og den anden ende er et delvist transparent og delvist reflekterende spejl (med en reflektionsrate på 90% til 99%).
Resonatorens funktioner er: ① generering og vedligeholdelse af optisk forstærkning; ② valg af retningen på udgangslyset; ③ valg af bølgelængden på udgangslyset. For et specifikt arbejdsstof er den faktiske udsendte lysbølgelængde på grund af forskellige faktorer ikke unik, og spektret har en vis bredde. Resonatoren kan spille en rolle i frekvensvalg, hvilket forbedrer laserens monokromatiske egenskaber.