Generationen av lasrar

Generationen av lasrar
Genereringen av lasrar föreslogs av Einstein år 1916 med hans teori om "spontan och stimulerad emission". Denna teori utgör den fysikaliska grunden för moderna lasersystem. Interaktionen mellan fotoner och atomer kan leda till tre övergångsprocesser: stimulerad absorption, spontan emission och stimulerad emission. Så länge stimulerad emission kan upprätthållas och vara stabil kan lasrar erhållas. Därför måste speciella anordningar – lasrar – tillverkas. En lasers sammansättning består i allmänhet av tre huvuddelar: arbetssubstansen, excitationsanordningen och den optiska resonatorn.

1. Arbetssubstans

Det ämne i en laser som kan generera laserljus kallas arbetssubstansen. Under normala omständigheter är fördelningen av atomnummer i ämnet vid varje energinivå en normalfördelning. Antalet atomer vid den lägre energinivån är alltid större än vid den högre energinivån. Därför, när ljus passerar genom det luminescerande ämnets normala tillstånd, är absorptionsprocessen dominerande, och ljuset försvagas alltid. För att göra ljuset starkare efter att ha passerat genom det luminescerande ämnet och uppnå ljusförstärkning är det nödvändigt att göra stimulerad emission dominant. För att göra antalet atomer vid den högre energinivån större än vid den lägre energinivån är denna fördelning motsatt normalfördelningen och kallas partikelantalsinversion.
2. Exciteringsanordning
Excitationsanordningens funktion är att excitera atomer i en lägre energinivå till en högre energinivå, vilket gör det möjligt för den arbetande substansen att uppnå en partikelantalsinversion. Substansens energinivåer inkluderar grundtillståndet och det exciterade tillståndet, såväl som ett metastabilt tillstånd. Det metastabila tillståndet är mindre stabilt än grundtillståndet, men mycket mer stabilt än det exciterade tillståndet. Relativt sett kan atomer förbli i det metastabila tillståndet under en längre tid. Till exempel har kromjonerna (Cr3+) i rubin ett metastabilt tillstånd med en livslängd i storleksordningen 10-3 sekunder. Efter att den arbetande substansen har exciterats och uppnått partikelantalsinversion, har initialt, på grund av de olika utbredningsriktningarna för fotonerna som emitteras av spontan strålning, de stimulerade strålningsfotonerna också olika utbredningsriktningar, och det finns många förluster i utdata och absorption; stabil laserutdata kan inte genereras. För att den stimulerade strålningen ska kunna fortsätta att existera i den arbetande substansens begränsade volym behövs en optisk resonator för att uppnå ljusselektion och -förstärkning.
3. Optisk resonator
Det är ett par parallella reflekterande speglar installerade i båda ändar av arbetssubstansen, vinkelrätt mot huvudaxeln. Ena änden är en totalreflektionsspegel (med en reflektionsgrad på 100 %) och den andra änden är en delvis transparent och delvis reflekterande spegel (med en reflektionsgrad på 90 % till 99 %).
Resonatorns funktioner är: ① generera och upprätthålla optisk förstärkning; ② välja riktningen för utgående ljus; ③ välja våglängden för utgående ljus. För ett specifikt arbetsämne är den faktiska utsända ljusvåglängden inte unik på grund av olika faktorer, och spektrumet har en viss bredd. Resonatorn kan spela en frekvensvalsroll, vilket förbättrar laserns monokromatiska egenskaper.