Skapandet av laser

De fysikaliska mekanismselementen i laserskapandet: från kvantövergång till fotonsynkronisering
Uppkomsten av laser markerade första gången människor hade åstadkommit manipulering av fotoner. Dess princip integrerar flera områden som kvantmekanik och precisionsteknik.
I. Kvantövergång
Genereringen av lasers började med kvantövergångar mellan atomära energinivåer. När en elektron absorberar energi och övergår till ett högre energitillstånd är systemet i ett instabilt tillstånd. Vid detta tillfälle släpper elektronen energi på två sätt:
Självständig emission: Elektronerna hoppar slumpmässigt tillbaka till ett lägre energitillstånd och emitterar fotoner med olika riktningar och faser.
Inducerad emission: När energin hos en extern foton matchar differensen i energinivåer, kommer den att诱导era elektronerna i ett upphetsat tillstånd att samtidigt släppa exakt samma foton, vilket bildar grunden för optisk förstärkning.
Ii. Nyckelfaktorer för födelsen av lasers
Partikeltal sinvändning
Pumpsystemet bryter den termiska jämvikten, vilket gör att arbetsämnet kan bildas metastabila energinivåer. Till exempel i en helium-neonlaser överför heliumatomer energi till neonatomer, vilket orsakar att neonatomen bildar partikeltal sinvändning.
Resonansgrotterbakskoppling
En optisk resonansgrot bestående av två speglar låter fotoner i en speciell riktning resa fram och tillbaka flera gånger. När förvinsten överstiger förlusten kommer en positiv återkopplingslång att bildas, och slutligen kommer en sammanhängande stråle att utges.
Lägeval
Fördelningen av longitudinella och transversella lägen kontrolleras genom kort kavitetdesign eller gitterfeedback för att uppnå en enskilt-frekvens och enskilt-läge utgång.
Iii. Bose-statistik
Identiska fotoner: Fotoner som produceras av stimulerad strålning har exakt samma frekvens, fas och polariseringsläge.
Vågfunktionsöverlappning: En stor mängd identiska fotoner bildar makroskopiska kvanttilstånd, vilket ger ljuset perfekt koherens.
Denna egenskap ger laserstrålar egenskaper som vanliga ljuskällor inte kan matcha:
Riktning: Avståndsvinkeln för en vanlig ljuskälla är relativt stor, medan avståndsvinkeln för en lasers källa är relativt liten och dess riktning är fäst.
Enfärghet: Spektrallinjens bredd för en laser är smalare än för en vanlig ljuskälla, vilket ger den bättre enfärghet.
Hög ljusstyrka: Lasern emitterar höggradigt parallella strålar och kan utsläppas med högre koncentration.