De vorming van de laser

De fysieke mechanismeelementen van laserformatie: van kwantumovergang tot fotonensynchronisatie
De komst van lasers markeerde de eerste keer dat de mensheid de manipulatie van fotonen had bereikt. Het principe integreert meerdere velden zoals kwantummechanica en precisietechniek.
I. Kwantumovergang
De generatie van lasers begon met kwantumovergangen tussen atoomenergiepeil. Wanneer een elektron energie absorbeert en overgaat naar een hogere energietoestand, is het systeem in een onstabiele toestand. Op dit moment geeft het elektron energie vrij op twee manieren:
Spontane emissie: Elektronen springen willekeurig terug naar een lagere energietoestand en geven fotonen af met verschillende richtingen en fasen.
Gestimuleerde emissie: Wanneer de energie van een extern foton overeenkomt met het energieverschil, zal het elektronen in een opgewekte toestand induceren om tegelijkertijd exact dezelfde foton te vrijgeven, wat de basis vormt voor optische versterking.
Ii. Sleutelfactoren voor de geboorte van lasers
De omkering van de deelparticeltelling
Het pomp systeem verstoort de thermische evenwichtstoestand, waardoor de werkstof metastabiele energieniveaus kan vormen. Bijvoorbeeld, in een helium-neon laser, transfereren heliumatomen energie naar neonatomen, wat zorgt dat de neonatomen de omkering van de deelparticeltelling vormen.
Resonantiekamer feedback
Een optische resonantiekamer bestaande uit twee spiegels laat fotonen in een specifieke richting meerdere keren heen en weer reizen. Wanneer de winst de verlies overtreft, zal er een positieve feedbacklus ontstaan, en uiteindelijk wordt een coherent straal uitgezet.
Modeselectie
De verdeling van de longitudinale en transverse modi wordt beheerd via een kort kavitonteken of rasterfeedback om een enkelvoudige frequentie- en enkelvoudige modusuitkomst te bereiken.
Iii. Bose-statistiek
Identieke fotonen: door gestimuleerde straling voortgebrachte fotonen hebben precies dezelfde frequentie, fase en polarisatietoestand.
Golf functie superpositie: een groot aantal identieke fotonen vormt macroscopische kwantumtoestanden, wat licht perfecte coherentie verleent.
Deze eigenschap verleent lasers kenmerken die gewone lichtbronnen niet kunnen evenaren:
Richtingseigenschap: De divergentiehoek van een gewone lichtbron is relatief groot, terwijl die van een lasersource relatief klein is en zijn richting vastligt.
Eentaligheid: De spectrale lijnbreedte van een laser is smaller dan die van een gewone lichtbron, waardoor het betere eentaligheid heeft.
Hoge helderheid: De laser emittet hoogparallele stralen en kan met een hogere concentratie worden uitgezonden.