Formarea laserului

scenariu general
bază de termeni
Apariția laserelor a marcat prima dată când omenirea a reușit să controleze fotoni. Laserele sunt surse de lumină speciale care amplifică lumina prin radiație stimulată, iar procesul lor de formare implică mai multe mecanisme fizice, cum ar fi mecanica cuantică, rezonanța optică și excitarea energiei. Următoarele sunt principalele factori care contribuie la formarea laserelor:
I. Emissão stimulată și inversarea numărului de particule
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.
Amplificare optică: Particulele la niveluri ridicate de energie subgănesc o emisie stimulată declanșată de fotonii incidenti, generând fotoni cu aceeași fază și frecvență. Aceștia oscilează repetat în cavitatea rezonantă, declanșând o reacție în lanț și formând o lumină coerentă de înaltă intensitate.
Inversarea numărului de particule: Sistemul de pompare distruge starea de echilibru termic, permitând substanței de lucru să formeze nivele de energie metastabile.
Ii. Cavitatea Rezonantă Optică
Retur prin cavitate rezonantă: O cavitate rezonantă optică compusă din două oglinzi permite fotonilor într-o anumită direcție să călătorească mai multe ori înapoi și forth. Când câștigul depășește pierderea, se va forma un buclă de retur pozitiv, iar în cele din urmă se va genera un fascicol coerent.
Selecția modurilor: Prin intermediul unei proiectări a cavitatei scurte sau a unui retur cu rețele difractive, distribuția modurilor longitudinale și transversale este controlată pentru a obține o ieșire cu o singură frecvență și un singur mod.
Concentrarea energiei: Scurtarea lungimii eficiente a substanței de lucru și îmbunătățirea eficienței de ieșire a laserului.
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.
Caracteristici ale laserului:
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.
Formarea laserelor reprezintă o combinație perfectă între mecanica cuantică și ingineria optică. Nucleul său constă în realizarea unei amplificări controlabile a luminii prin inversarea numărului de particule și radiație stimulată. Dezvoltarea laserelor contribuie la inovații în industrie, precum producția, sănătatea și tehnologia informațională.