Quá trình hình thành tia laser

Các yếu tố cơ chế vật lý của việc hình thành tia laser: từ sự chuyển tiếp lượng tử đến sự đồng bộ hóa photon
Sự xuất hiện của laser đánh dấu lần đầu tiên con người đạt được khả năng điều khiển photon. Nguyên lý của nó tích hợp nhiều lĩnh vực như cơ học lượng tử và kỹ thuật chính xác.
I. Sự chuyển tiếp lượng tử
Sự ra đời của tia laser bắt đầu từ các sự chuyển tiếp lượng tử giữa các mức năng lượng nguyên tử. Khi một electron hấp thụ năng lượng và chuyển sang trạng thái năng lượng cao hơn, hệ thống sẽ ở trong trạng thái không ổn định. Lúc này, electron giải phóng năng lượng theo hai cách:
Phát xạ tự phát: Electron nhảy về ngẫu nhiên xuống trạng thái năng lượng thấp hơn và phát ra photon với các hướng và pha khác nhau.
Phát xạ kích thích: Khi năng lượng của photon ngoài trùng với sự chênh lệch mức năng lượng, nó sẽ gây ra việc electron ở trạng thái kích thích đồng thời giải phóng photon giống hệt, điều này tạo thành cơ sở cho sự khuếch đại quang học.
Ii. Các yếu tố then chốt cho sự ra đời của laser
Sự đảo ngược số lượng hạt
Hệ thống bơm phá vỡ trạng thái cân bằng nhiệt, cho phép chất làm việc tạo ra các mức năng lượng không ổn định. Ví dụ, trong laser heli-neon, nguyên tử heli chuyển năng lượng cho nguyên tử neon, khiến các nguyên tử neon hình thành sự đảo ngược số lượng hạt.
Phản hồi khoang cộng hưởng
Một khoang cộng hưởng quang học được cấu thành bởi hai tấm gương cho phép photon ở một hướng cụ thể di chuyển đi và về nhiều lần. Khi lợi thế vượt quá tổn thất, một vòng lặp phản hồi tích cực sẽ được hình thành, và cuối cùng một tia đồng pha sẽ được xuất ra.
Chọn chế độ
Phân bố của các chế độ dọc và ngang được kiểm soát thông qua thiết kế khoang ngắn hoặc phản hồi bằng grating để đạt được đầu ra đơn tần số và đơn chế độ.
Iii. Thống kê Bose
Photon giống nhau: Các photon được tạo ra bởi bức xạ kích thích có tần số, pha và trạng thái cực hóa hoàn toàn giống nhau.
Trùng vị sóng hàm: Một số lượng lớn photon giống nhau tạo thành các trạng thái lượng tử vĩ mô, trao cho ánh sáng sự đồng bộ hoàn hảo.
Đặc trưng này trao cho laser những đặc điểm mà các nguồn sáng thông thường không thể sánh được:
Hướng tính: Góc phân kỳ của nguồn ánh sáng thông thường tương đối lớn, trong khi đó góc phân kỳ của nguồn ánh sáng laser tương đối nhỏ và hướng đi của nó là cố định.
Đơn sắc: Chiều rộng đường phổ của tia laser hẹp hơn so với nguồn ánh sáng thông thường, do đó nó có tính đơn sắc tốt hơn.
Độ sáng cao: Tia laser phát ra các tia song song cao độ và có thể được phát ra với mức tập trung cao hơn.