Формирование лазера

Элементы физического механизма формирования лазера: от квантового перехода до синхронизации фотонов
Появление лазеров ознаменовало первый случай, когда человечество достигло управления фотонами. Его принцип объединяет несколько областей, таких как квантовая механика и точное инженерное дело.
I. Квантовый переход
Появление лазеров началось с квантовых переходов между энергетическими уровнями атома. Когда электрон поглощает энергию и переходит в состояние с более высокой энергией, система оказывается в нестабильном состоянии. В этот момент электрон может излучать энергию двумя способами:
Спонтанное излучение: электроны случайным образом переходят в состояние с меньшей энергией и испускают фотоны с разными направлениями и фазами.
Вынужденное излучение: когда энергия внешнего фотона соответствует разнице уровней энергии, это вызывает одновременное излучение точно таких же фотонов электронами, находящимися в возбужденном состоянии, что составляет основу оптического усиления.
II. Основные факторы появления лазеров
Инверсия числа частиц
Система насосов нарушает термодинамическое равновесие, что позволяет рабочему веществу формировать метастабильные энергетические уровни. Например, в гелий-неоновом лазере атомы гелия передают энергию атомам неона, вызывая инверсию числа частиц у атомов неона.
Обратная связь резонаторной камеры
Оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, позволяет фотонам в определенном направлении двигаться туда и обратно несколько раз. Когда прирост превышает потери, образуется положительная обратная связь, и в конечном итоге выходит когерентный пучок.
Выбор режима
Распределение продольных и поперечных мод контролируется через конструкцию короткой полости или решетчатую обратную связь для достижения одночастотного и одномодового выхода.
III. Статистика Бозе
Идентичные фотоны: Фотоны, созданные при стимулированном излучении, имеют точно такую же частоту, фазу и состояние поляризации.
Наложение волновых функций: Большое количество идентичных фотонов формируют макроскопические квантовые состояния, наделяя свет идеальной когерентностью.
Эта характеристика наделяет лазеры свойствами, которые обычные источники света не могут обеспечить:
Направленность: угол расходимости обычного источника света относительно велик, в то время как угол расходимости лазерного источника света относительно мал, и его направление фиксировано.
Одноцветность: ширина спектральной линии лазера уже, чем у обычного источника света, поэтому он обладает лучшей одноцветностью.
Высокая яркость: лазер излучает высоко параллельные лучи и может излучаться с большей концентрацией.