Formarea laserului

Elementele mecanismului fizic ale formării laserului: de la tranziția cuantică la sincronizarea fotonilor
Apariția laserelor a marcat prima dată când omenirea a reușit să manipuleze fotonii. Principiul său integrează mai multe domenii, cum ar fi mecanica cuantică și ingineria precisă.
I. Tranziție cuantică
Generarea laserelor a început cu tranzițiile cuantice între nivelurile de energie atomice. Când un electron absorbe energie și trece într-un stare de energie mai mare, sistemul se află într-o stare instabilă. În acest moment, electronul eliberează energie în două feluri:
Emitere spontană: Electronii săriți aleatoriu înapoi la un nivel de energie mai mic și emite fotoni cu direcții și faze diferite.
Emitere stimulată: Când energia unui foton extern corespunde diferenței dintre niveluri de energie, acesta va induce electronii în stare excitată să elibereze simultan fotoni exact la fel, ceea ce formează baza amplificării optice.
Ii. Factori Cheie pentru Nașterea Laserelor
Inversarea numărului de particule
Sistemul de pompare distruge starea de echilibru termic, permitând substanței de lucru să formeze niveluri de energie metastabile. De exemplu, într-un laser cu heliu-neon, atomii de heliu transferă energie atomilor de neon, ceea ce determină atomii de neon să formeze o inversiune a numărului de particule.
Retur prin cavitate rezonantă
O cavitate optică resonantă formată din două oglinzi permite fotoniilor într-o anumită direcție să călătorească mai multe ori înapoi și forth. Când câștigul depășește pierderea, se va forma un ciclu de retur pozitiv, iar în cele din urmă se va genera un fascicol coerent.
Selectare mod
Distribuția modalităților longitudinale și transversale este controlată prin proiectarea unei cavitați scurte sau prin retur cu rețele difractive pentru a obține o ieșire la frecvență unică și mod unic.
Iii. Statistica Bose
Fotoni identici: Fotoni generați prin radiație stimulată au exact aceeași frecvență, fază și stare de polarizare.
Suprapunerea funcției de undă: Un număr mare de fotoni identici formează stări cuantice macroscopice, conferind luminozității o coerență perfectă.
Această caracteristică conferă laserelor proprietăți pe care sursele obișnuite de lumină nu le pot avea:
Direcționalitate: Unghiul de divergență al unei surse comune de lumină este relativ mare, în timp ce cel al unei surse de lumină laser este relativ mic și direcția sa este fixă.
Monocromaticitate: Lățimea liniei spectrale a unui laser este mai îngustă decât cea a unei surse de lumină obișnuite, prin urmare are o monocromaticitate mai bună.
Luminozitate ridicată: Laserul emite fascicule extrem de paralele și poate fi emis cu o concentrație mai mare.