A formação do laser

Os elementos do mecanismo físico da formação do laser: da transição quântica à sincronização de fótons
A emergence dos lasers marcou a primeira vez que os seres humanos conseguiram manipular fótons. Seu princípio integra múltiplas áreas, como a mecânica quântica e a engenharia de precisão.
I. Transição Quântica
A geração de lasers começou com transições quânticas entre níveis de energia atômica. Quando um elétron absorve energia e transiciona para um estado de energia mais alto, o sistema está em um estado instável. Neste momento, o elétron libera energia de duas maneiras:
Emissão espontânea: Os elétrons retornam aleatoriamente para um estado de energia inferior e emitem fótons com direções e fases diferentes.
Emissão induzida: Quando a energia de um fóton externo corresponde à diferença entre os níveis de energia, ele induzirá elétrons em um estado excitado a liberarem simultaneamente fótons exatamente iguais, o que forma a base do amplificador óptico.
Ii. Fatores Chave para o Nascimento dos Lasers
Inversão da população de partículas
O sistema de bomba quebra o estado de equilíbrio térmico, permitindo que a substância de trabalho forme níveis de energia metastáveis. Por exemplo, em um laser de hélio-neon, os átomos de hélio transferem energia para os átomos de neon, causando a formação de inversão do número de partículas nos átomos de neon.
Retroalimentação da cavidade ressonante
Uma cavidade ressonante óptica composta por dois espelhos permite que fótons em uma direção específica viajem várias vezes de um lado para o outro. Quando o ganho supera a perda, um laço de retroalimentação positiva será formado, e eventualmente um feixe coerente será emitido.
Seleção de modo
A distribuição dos modos longitudinais e transversais é controlada através de design de cavidade curta ou retroalimentação por grade para alcançar saída de frequência única e modo único.
Iii. Estatística de Bose
Fótons idênticos: Os fótons produzidos pela radiação estimulada têm exatamente a mesma frequência, fase e estado de polarização.
Superposição de função de onda: Um grande número de fótons idênticos forma estados quânticos macroscópicos, conferindo à luz uma coerência perfeita.
Essa característica confere aos lasers propriedades que fontes de luz comuns não podem igualar:
Direcionalidade: O ângulo de divergência de uma fonte de luz comum é relativamente grande, enquanto o de uma fonte de luz laser é relativamente pequeno e sua direção é fixa.
Monocromaticidade: A largura de linha espectral de um laser é mais estreita do que a de uma fonte de luz comum, portanto, possui melhor monocromaticidade.
Alta brilho: O laser emite feixes altamente paralelos e pode ser emitido com maior concentração.