Generasjonen av lasere

Generasjonen av lasere
Genereringen av lasere ble foreslått av Einstein i 1916 med hans teori om «spontan og stimulert emisjon». Denne teorien danner det fysiske grunnlaget for moderne lasersystemer. Samspillet mellom fotoner og atomer kan føre til tre overgangsprosesser: stimulert absorpsjon, spontan emisjon og stimulert emisjon. Så lenge stimulert emisjon kan opprettholdes og være stabil, kan lasere oppnås. Derfor må spesielle enheter – lasere – produseres. Sammensetningen av en laser består vanligvis av tre hoveddeler: arbeidsstoffet, eksitasjonsenheten og den optiske resonatoren.

1. Virkesubstans

Stoffet i en laser som kan generere laserlys kalles arbeidsstoffet. Under normale omstendigheter er fordelingen av atomnumrene i stoffet på hvert energinivå en normalfordeling. Antallet atomer på det lavere energinivået er alltid større enn på det høyere energinivået. Derfor, når lys passerer gjennom den luminescerende stoffets normale tilstand, er absorpsjonsprosessen dominerende, og lyset svekkes alltid. For å gjøre lyset sterkere etter å ha passert gjennom det luminescerende stoffet og oppnå lysforsterkning, er det nødvendig å gjøre stimulert emisjon dominant. For å gjøre antallet atomer på det høyere energinivået større enn på det lavere energinivået, er denne fordelingen motsatt av normalfordelingen og kalles partikkelnummerinversjon.
2. Eksitasjonsenhet
Funksjonen til eksitasjonsanordningen er å eksitere atomer på et lavere energinivå til et høyere energinivå, slik at arbeidsstoffet kan oppnå en partikkeltallsinversjon. Stoffets energinivåer inkluderer grunntilstanden og den eksiterte tilstanden, samt en metastabil tilstand. Den metastabile tilstanden er mindre stabil enn grunntilstanden, men mye mer stabil enn den eksiterte tilstanden. Relativt sett kan atomer forbli i metastabil tilstand over lengre tid. For eksempel har kromionene (Cr3+) i rubin en metastabil tilstand med en levetid på rundt 10-3 sekunder. Etter at arbeidsstoffet er eksitert og oppnår partikkeltallsinversjon, har de stimulerte strålingsfotonene i utgangspunktet, på grunn av de forskjellige forplantningsretningene til fotonene som sendes ut av spontan stråling, også forskjellige forplantningsretninger, og det er mange tap i utgang og absorpsjon; stabil laserutgang kan ikke genereres. For å gjøre det mulig for den stimulerte strålingen å fortsette å eksistere i det begrensede volumet av arbeidsstoffet, er det nødvendig med en optisk resonator for å oppnå seleksjon og forsterkning av lys.
3. Optisk resonator
Det er et par parallelle reflekterende speil installert i begge ender av arbeidsmaterialet, vinkelrett på hovedaksen. Den ene enden er et totalrefleksjonsspeil (med en refleksjonsrate på 100 %), og den andre enden er et delvis gjennomsiktig og delvis reflekterende speil (med en refleksjonsrate på 90 % til 99 %).
Resonatorens funksjoner er: ① generere og opprettholde optisk forsterkning; ② velge retningen på utgangslyset; ③ velge bølgelengden til utgangslyset. For et spesifikt arbeidsstoff er den faktiske utsendte lysbølgelengden ikke unik på grunn av ulike faktorer, og spekteret har en viss bredde. Resonatoren kan spille en rolle i frekvensvalg, noe som forbedrer laserens monokromatiske egenskaper.