La formación del láser

Los elementos del mecanismo físico de la formación del láser: desde la transición cuántica hasta la sincronización de fotones
La aparición de los láseres marcó la primera vez que el ser humano logró manipular fotones. Su principio integra múltiples campos como la mecánica cuántica y la ingeniería de precisión.
I. Transición Cuántica
La generación de láseres comenzó con transiciones cuánticas entre niveles de energía atómicos. Cuando un electrón absorbe energía y se transfiere a un estado de mayor energía, el sistema se encuentra en un estado inestable. En este momento, el electrón libera energía de dos maneras:
Emisión espontánea: Los electrones regresan aleatoriamente a un estado de menor energía y emiten fotones con direcciones y fases diferentes.
Emisión inducida: Cuando la energía de un fotón externo coincide con la diferencia de niveles de energía, inducirá que los electrones en un estado excitado liberen simultáneamente fotones exactamente iguales, lo que forma la base del amplificador óptico.
Ii. Factores Clave para el Nacimiento de los Láseres
Inversión del número de partículas
El sistema de bombeo rompe el estado de equilibrio térmico, permitiendo que la sustancia de trabajo forme niveles de energía metastables. Por ejemplo, en un láser de helio-neon, los átomos de helio transfieren energía a los átomos de neon, causando que los átomos de neon formen inversión del número de partículas.
Retroalimentación de cavidad resonante
Una cavidad resonante óptica compuesta por dos espejos permite que los fotones en una dirección específica viajen múltiples veces de un lado a otro. Cuando la ganancia supera la pérdida, se formará un bucle de retroalimentación positiva, y eventualmente se emitirá un haz coherente.
Selección de modo
La distribución de los modos longitudinales y transversales se controla mediante un diseño de cavidad corta o retroalimentación por rejilla para lograr una salida de frecuencia única y modo único.
Iii. Estadística de Bose
Fotones idénticos: Los fotones producidos por la radiación estimulada tienen exactamente la misma frecuencia, fase y estado de polarización.
Superposición de funciones de onda: Un gran número de fotones idénticos forman estados cuánticos macroscópicos, dotando a la luz de una coherencia perfecta.
Esta característica dota a los láseres de características que las fuentes de luz comunes no pueden igualar:
Direccionalidad: El ángulo de divergencia de una fuente de luz común es relativamente grande, mientras que el de una fuente de luz láser es relativamente pequeño y su dirección es fija.
Monocromatismo: El ancho de línea espectral de un láser es más estrecho que el de una fuente de luz ordinaria, por lo que tiene un mejor monocromatismo.
Alta brillantez: El láser emite haces altamente paralelos y puede emitirse con una mayor concentración.