De vorming van de laser

algemene scene
termijnbank
De opkomst van lasers markeerde de eerste keer dat mensen de controle over fotonen hadden bereikt. Lasers zijn bijzondere lichtbronnen die licht versterken door gestimuleerde straling, en hun vormingsproces omvat verschillende natuurkundige mechanismen zoals kwantummechanica, optische resonantie en energieopwinding. Hieronder staan de belangrijkste factoren die bijdragen aan de vorming van lasers:
I. Gestimuleerde emissie en partikelngetalomkering
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.
Optische versterking: Deeltjes op hoge energieniveaus ondergaan gestimuleerde emissie, geactiveerd door inkomende fotonen, waardoor fotonen met dezelfde fase en frequentie worden gegenereerd. Deze fotonen oscilleren herhaaldelijk in de resonantekoker, wat een kettingreactie activeert en hoogintensieve coherente lichtstralen vormt.
Inverteer van deeltjesaantal: Het pompsysteem breekt de thermische evenwichtstoestand, waardoor het werkzame materiaal metastabiele energieniveaus kan vormen.
Ii. Optische Resonantekoker
Resonantekokerterugkoppeling: Een optische resonantekoker, samengesteld uit twee spiegels, laat fotonen in een specifieke richting meerdere keren heen en weer reizen. Wanneer de winst de verlies overtreft, ontstaat er een positieve terugkoppelinglus, en uiteindelijk wordt een coherente straal uitgevoerd.
Modeselectie: Door middel van kortkokerontwerp of rasterterugkoppeling wordt de verdeling van longitudinale en transversale modi beheerd om single-frequentie en single-modusuitkomst te bereiken.
Energieconcentratie: Verkort de effectieve lengte van de werkstoff en verhoogt de efficiëntie van de laseruitkomst.
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.
Kenmerken van lasers:
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 zendt hoogparallelle stralen uit en kan met een hogere concentratie worden afgegeven.
De vorming van lasers is een perfecte combinatie van kwantummechanica en optische techniek. Het kernpunt ligt in het bereiken van beheersbare versterking van licht door middel van de partikelniveauinversie en gestimuleerde straling. De ontwikkeling van lasers stimuleert innovaties in sectoren zoals productie, gezondheidszorg en informatietechnologie.