Pembentukan laser

Elemen-elemen mekanisme fisik pembentukan laser: dari transisi kuantum hingga sinkronisasi foton
Munculnya laser menandai pertama kalinya manusia berhasil mencapai manipulasi foton. Prinsipnya mengintegrasikan berbagai bidang seperti mekanika kuantum dan teknik presisi.
I. Transisi Kuantum
Pembangkitan laser dimulai dengan transisi kuantum antara tingkat energi atom. Ketika elektron menyerap energi dan berpindah ke keadaan energi yang lebih tinggi, sistem berada dalam keadaan tidak stabil. Pada saat ini, elektron melepaskan energi melalui dua cara:
Emission spontan: Elektron secara acak melompat kembali ke keadaan energi yang lebih rendah dan memancarkan foton dengan arah dan fase yang berbeda.
Emission terstimulasi: Ketika energi foton eksternal sesuai dengan perbedaan tingkat energi, itu akan memicu elektron dalam keadaan terangsang untuk secara bersamaan melepaskan foton yang persis sama, yang membentuk dasar dari penguatan optik.
Ii. Faktor Kunci untuk Kelahiran Laser
Inversi jumlah partikel
Sistem pompa memecah keadaan keseimbangan termal, memungkinkan zat kerja membentuk tingkat energi metastabil. Sebagai contoh, dalam laser helium-neon, atom helium mentransfer energi kepada atom neon, menyebabkan atom neon membentuk inversi jumlah partikel.
Umpan balik resonator
Resonator optik yang terdiri dari dua cermin memungkinkan foton dalam arah tertentu untuk bergerak bolak-balik beberapa kali. Ketika penguatan melebihi kerugian, loop umpan balik positif akan terbentuk, dan akhirnya sinar koheren akan dikeluarkan.
Pemilihan mode
Distribusi mode longitudinal dan transversal dikontrol melalui desain rongga pendek atau umpan balik grating untuk mencapai output single-frequency dan single-mode.
Iii. Statistik Bose
Foton identik: Foton yang dihasilkan oleh radiasi terstimulasi memiliki frekuensi, fase, dan keadaan polarisasi yang persis sama.
Superposisi fungsi gelombang: Sejumlah besar foton identik membentuk keadaan kuantum makroskopik, memberikan cahaya koherensi sempurna.
Karakteristik ini memberi laser fitur-fitur yang tidak dapat dicocokkan oleh sumber cahaya biasa:
Karah: Sudut divergensi sumber cahaya umum relatif besar, sedangkan sumber cahaya laser relatif kecil dan arahnya tetap.
Monokromatisme: Lebar garis spektral laser lebih sempit daripada sumber cahaya biasa, sehingga memiliki monokromatisme yang lebih baik.
Kecerlangan tinggi: Laser mengeluarkan sinar yang sangat sejajar dan dapat dikeluarkan dengan konsentrasi yang lebih tinggi.