Dannelse af laser

De fysiske mekanismeelementer ved dannelse af laser: fra kvantovergang til fotonensynkronisering
Opdagelsen af laser markerede første gang, mennesker havde opnået manipulering af fotoner. Dets princip integrerer flere områder såsom kvantemekanik og præcisionsingeniørvidenskab.
I. Kvantovergang
Opstanden af laserer begyndte med kvantovergange mellem atomers energiniveauer. Når et elektron absorberer energi og overgår til et højere energitilstand, er systemet i en ustabil tilstand. På dette tidspunkt frigiver elektroner energi på to måder:
Spontan emission: Elektroner hopper tilbage til et lavere energitilstand på tilfældige måder og udsender fotoner med forskellige retninger og faser.
Stimuleret emission: Når en ekstern fotons energi matcher forskellen i energiniveau, vil det få elektroner i en opregnet tilstand til at frigive præcist de samme fotoner samtidig, hvilket dannemanden for optisk forstærkning.
II. Nøglefaktorer for opkomsten af laserer
Partikelnummerinversion
Pumpesystemet bryder den termiske ligevægtsstat, hvilket gør det muligt for det arbejdsstof at danne metastabile energiniveauer. For eksempel i en helium-neon-laser overfører heliumatomer energi til neonatomer, hvilket fører til, at neonatomerne danner partikelnummerinversion.
Resonanskavelfeedback
Et optisk resonanskaver bestående af to spejle lader fotoner i en bestemt retning rejse frem og tilbage flere gange. Når forvinsten overstiger tabet, vil der dannes en positiv feedbackløkke, og til sidst vil der blive afgivet en kohærent stråle.
Moduselection
Fordelingen af de longitudinale og transverse tilstande styres gennem en kort kavitet design eller gitterfeedback for at opnå enkeltfrekvens- og enkelttilstandsudgang.
Iii. Bose-statistik
Identiske fotoner: Fotoner produceret ved stimuleret stråling har præcist den samme frekvens, fase og polarisationsstatus.
Bølgefunktionsoverlægning: En stor mængde identiske fotoner danner makroskopiske kvantetilstande, hvilket giver lyset perfekt sammenhæng.
Denne egenskab giver laser lys egenskaber, som almindelige lyskilder ikke kan konkurrere med:
Retningsenhed: Afvigelsesvinklen for en almindelig lyskilde er relativt stor, mens afvigelsesvinklen for en laserskilding er relativt lille og dens retning er fikseret.
Enkeltfargethed: Spektralliniebredde af en laser er smalere end den af en almindelig lyskilde, så den har bedre enkeltfargethed.
Høj lysstyrke: Laseren emitterer højgradigt parallelt lys og kan udsendes med en højere koncentration.