Vytváření lasery

Fyzikální mechanismus prvky vzniku laseru: od kvantového přechodu ke synchronizaci fotonů
Vynález laseru značil poprvé, kdy lidstvo dosáhlo manipulace s fotony. Jeho princip integruje více oborů, jako je kvantová mechanika a přesná inženýrství.
I. Kvantový přechod
Generace laserů začala kvantovými přechody mezi energetickými úrovněmi atomů. Když elektron pohltí energii a přejde do vyššího energetického stavu, systém se nachází ve nestabilním stavu. V tomto okamžiku elektron uvolňuje energii dvěma způsoby:
Spontánní emise: Elektrony náhodně skočí zpět do nižšího energetického stavu a vysílají fotony s různými směry a fázemi.
Indukovaná emise: Když energie vnějšího fotona odpovídá rozdílu energetických úrovní, indukuje to elektrony v nadutém stavu ke současnému uvolnění přesně stejného fotona, což tvoří základ optického zesílení.
Ii. Klíčové faktory pro vznik laserů
Inverze počtu částic
Systém pumpování ruší tepelnou rovnováhu, čímž umožňuje pracovní látkě tvořit metastabilní energetické úrovně. Například v heliové-neonové laserní soustavě přenášejí heliové atomy energii neonovým atomům, což způsobuje, že neonové atomy tvoří inverzi počtu částic.
Resonanční dutina se zpětnou vazbou
Optická resonanční dutina složená ze dvou zrcadel umožňuje fotonům v určitém směru cestovat tam a zpět několikrát. Když zisk překročí ztrátu, vytvoří se kladná zpětná vazba a nakonec bude vydatná koherentní paprsek.
Výběr režimu
Rozložení longitudinálních a transverzních režimů je řízeno prostřednictvím krátkého návrhu dutiny nebo graticové zpětné vazby pro dosažení výstupu s jednotlivou frekvencí a režimem.
Iii. Boseova statistika
Identické fotony: Fotony vyprodukované stimulovaným zářením mají přesně stejnou frekvenci, fázi a polarizační stav.
Překrývání vlnových funkcí: Velké množství identických fotonů tvoří makroskopické kvantové stavy, čímž se světlu dodává dokonalá koherence.
Tato charakteristika dává laserům vlastnosti, které nemohou být obyčejnými zdroji světla dosaženy:
Směrovost: Úhlové odchylky běžného světelného zdroje jsou relativně velké, zatímco u laserového světelného zdroje jsou relativně malé a jeho směr je pevně stanovený.
Jednoduchost: Spektrální šířka laseru je úzší než u obyčejného světelného zdroje, proto má lepší jednoduchost.
Vysoká jasnost: Laser vyzařuje vysoko paralelní paprsky a může být vyzařován s vyšším koncentracemi.