Tworzenie się lasera

Elementy mechanizmu fizycznego tworzenia się lasera: od przejścia kwantowego do synchronizacji fotonów
Powstanie lasera oznaczało pierwszy raz, kiedy ludzkość osiągnęła manipulację fotonami. Jego zasada integruje wiele dziedzin, takich jak mechanika kwantowa i inżynieria precyzyjna.
I. Kwantowy Przejście
Generacja lasrów rozpoczęła się od kwantowych przejść między poziomami energii atomowymi. Gdy elektron absorbuje energię i przechodzi do wyższego stanu energetycznego, system znajduje się w stanie niestabilnym. W tym momencie elektron wydaje energię na dwa sposoby:
Emisja spontaniczna: Elektrony losowo przeskakują z powrotem do niższego stanu energetycznego i emitują foteony o różnych kierunkach i fazach.
Emisja indukowana: Gdy energia zewnętrznego fotona pasuje do różnicy poziomów energetycznych, spowoduje to, że elektrony w stanie podnieconym jednocześnie wyemitują dokładnie ten sam foton, co tworzy podstawę wzmacniania światła.
II. Kluczowe czynniki dla powstania lasrów
Inwersja liczby cząsteczek
System pompy narusza stan równowagi termicznej, co umożliwia substancji roboczej utworzenie poziomów energii metastabilnych. Na przykład, w lasercie helowo- neonowym atomy helu przenoszą energię na atomy neonu, powodując, że atomy neonu osiągają inwersję liczby cząsteczek.
Rezonansowa zwrotność jaskini
Optyczna jaskinia rezonansowa złożona z dwóch luster pozwala fotonom w określonym kierunku podróżować tam i z powrotem wiele razy. Gdy zysk przekracza straty, utworzy się pętla zwrotna dodatnia, a ostatecznie zostanie wyemitowany spójny promień.
Wybór trybu
Rozkład trybów długich i poprzecznych kontrolowany jest za pomocą krótkiego projektu jaskini lub zwrotu z siatki, aby osiągnąć wyjście o pojedynczej częstotliwości i trybie.
III. Statystyka Bosego
Identyczne foteony: Foteony produkowane przez promieniowanie stimulowane mają dokładnie taką samą częstotliwość, fazę i stan polaryzacji.
Nakładanie funkcji falowej: Duża liczba identycznych fotonów tworzy makroskopowe stany kwantowe, nadażąc światłu idealną koherencję.
Ta charakterystyka nada laserom cechy, które zwykłe źródła światła nie mogą dorównać:
Kierunkowość: Kąt rozbieżności zwykłego źródła światła jest względnie duży, podczas gdy kąt źródła światła laserowego jest stosunkowo mały i jego kierunek jest ustalony.
Jednobarwność: Szerokość pasma spektralnego lasera jest węższa niż u zwykłego źródła światła, co daje mu lepszą jednobarwność.
Wysoka jasność: Laser emituje wysoko zrównoleglone promienie i może być emitowany z większą koncentracją.