Die Bildung des Lasers

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Das Auftreten von Lasern markierte das erste Mal, dass die Menschheit die Kontrolle über Photonen erreicht hatte. Laser sind spezielle Lichtquellen, die Licht durch angeregte Strahlung verstärken, und ihr Entstehungsprozess umfasst mehrere physikalische Mechanismen wie Quantenmechanik, optisches Resonieren und Energieanregung. Folgende sind die wichtigsten Faktoren für die Entstehung von Lasern:
I. Angeregte Emission und Teilchenzahlumkehr
Die Entwicklung von Lasern begann mit quantenmechanischen Übergängen zwischen atomaren Energiezuständen. Wenn ein Elektron Energie aufnimmt und in einen höheren Energiezustand übergeht, befindet sich das System in einem instabilen Zustand. In diesem Moment gibt das Elektron Energie auf zwei Arten ab:
Spontane Emission: Elektronen springen zufällig in einen niedrigeren Energiezustand zurück und emittieren Photonen mit unterschiedlichen Richtungen und Phasen.
Angeregte Emission: Wenn die Energie eines äußeren Photons der Energiendifferenz entspricht, löst es die gleichzeitige Emission identischer Photonen durch Elektronen in einem angeregten Zustand aus, was die Grundlage der optischen Verstärkung bildet.
Optische Verstärkung: Partikel in hohen Energiezuständen erleiden eine durch einfallende Photonen ausgelöste angeregte Emission, wodurch Photonen mit derselben Phase und Frequenz erzeugt werden. Diese Photonen schwingen wiederholt in der Resonatorhöhle, lösen eine Kettenreaktion aus und bilden intensives kohärentes Licht.
Inversion der Teilchenzahl: Das Pumpensystem stört den thermischen Gleichgewichtszustand, wodurch das Arbeitsmedium metastabile Energiezustände bildet.
II. Optischer Resonator
Resonatorrückkopplung: Ein optischer Resonator, bestehend aus zwei Spiegeln, ermöglicht es Photonen in einer bestimmten Richtung, mehrmals hin und her zu reisen. Wenn der Gewinn den Verlust übersteigt, wird eine positive Rückkopplungsschleife gebildet, und letztlich wird ein kohärenter Strahl ausgegeben.
Modenauswahl: Durch kurze Resonatorgestaltung oder Gitterrückkopplung wird die Verteilung von longitudinalen und transversalen Moden kontrolliert, um eine Ausgabe mit einfacher Frequenz und einem einzigen Modus zu erreichen.
Energiekonzentration: Verkürzen Sie die effektive Länge des Arbeitsmediums und erhöhen Sie die Effizienz der Laserausgabe.
Iii. Bose-Statistik
Identische Photonen: Durch stimulierten Emission entstehende Photonen haben genau dieselbe Frequenz, Phase und Polarisation.
Wellenfunktionssuperposition: Eine große Anzahl identischer Photonen bilden makroskopische Quantenzustände, wodurch Licht perfekte Kohärenz erhält.
Charakteristika des Lasers:
Richtungsabhängigkeit: Der Abstrahlwinkel einer gewöhnlichen Lichtquelle ist relativ groß, während der einer Laserlichtquelle relativ klein ist und seine Richtung fest ist.
Einfarbigkeit: Die Spektrallinienbreite eines Lasers ist schmaler als die einer gewöhnlichen Lichtquelle, daher hat er eine bessere Einfarbigkeit.
Hohe Helligkeit: Der Laser emittiert hochparallele Strahlen und kann mit höherer Konzentration emittiert werden.
Die Bildung von Lasern ist eine perfekte Kombination aus Quantenmechanik und Optischer Ingenieurwesen. Ihr Kern liegt darin, durch Teilchenzahlumkehr und angeregte Strahlung eine kontrollierbare Verstärkung von Licht zu erreichen. Die Entwicklung von Lasern fördert Innovationen in Branchen wie Fertigung, Gesundheitswesen und Informationstechnologie.