La formazione del laser

Gli elementi del meccanismo fisico della formazione del laser: dalla transizione quantistica alla sincronizzazione dei fotoni
L'emergere dei laser ha segnato la prima volta che l'umanità ha raggiunto il controllo dei fotoni. Il suo principio integra numerosi campi come la meccanica quantistica e l'ingegneria di precisione.
I. Transizione Quantistica
La generazione dei laser è iniziata con transizioni quantistiche tra i livelli di energia atomici. Quando un elettrone assorbe energia e transita verso uno stato di energia più alto, il sistema si trova in uno stato instabile. In questo momento, l'elettrone rilascia energia in due modi:
Emissione spontanea: Gli elettroni ritornano casualmente a uno stato di energia inferiore ed emettono fotoni con direzioni e fasi diverse.
Emissione stimolata: Quando l'energia di un fotone esterno corrisponde alla differenza di livello energetico, essa indurrà elettroni in uno stato eccitato a rilasciare simultaneamente fotoni esattamente identici, costituendo la base dell'amplificazione ottica.
Ii. Fattori Chiave per la Nascita dei Laser
Inversione del numero di particelle
Il sistema di pompa rompe lo stato di equilibrio termico, consentendo alla sostanza operativa di formare livelli energetici metastabili. Ad esempio, in un laser a elio-neon, gli atomi di elio trasferiscono energia agli atomi di neon, causando l'inversione del numero di particelle negli atomi di neon.
Retroazione della cavità risonante
Una cavità risonante ottica composta da due specchi consente ai fotoni in una direzione specifica di viaggiare avanti e indietro molte volte. Quando il guadagno supera la perdita, si formerà un ciclo di retroazione positiva, e alla fine verrà emesso un fascio coerente.
Selezione della modalità
La distribuzione delle mode longitudinali e trasversali viene controllata attraverso un progetto a cavità corta o feedback con grating per ottenere un'uscita monofrequenza e single-mode.
Iii. Statistica di Bose
Fotoni identici: i fotoni prodotti dalla radiazione stimolata hanno esattamente la stessa frequenza, fase e stato di polarizzazione.
Sovrapposizione della funzione d'onda: un gran numero di fotoni identici formano stati quantistici macroscopici, conferendo alla luce una coerenza perfetta.
Questa caratteristica conferisce ai laser proprietà che le fonti di luce ordinarie non possono eguagliare:
Direzionalità: L'angolo di divergenza di una sorgente luminosa comune è relativamente grande, mentre quello di una sorgente luminosa laser è relativamente piccolo e la sua direzione è fissa.
Monocromaticità: La larghezza della linea spettrale di un laser è più stretta di quella di una sorgente luminosa comune, quindi ha una migliore monocromaticità.
Alta luminosità: Il laser emette fasci altamente paralleli e può essere emesso con una maggiore concentrazione.