1960-ban a világ első mesterséges lézerje áttört a kaliforniai Sis Lab nyugalmát, és Theodore Mehman által feltárt rubin lézer megnyitotta az ajtót az emberi lézerek létrehozásához és a lézerek használatához a világ átalakításához. Az elmúlt ötven év óta a lézertudomány fejlődése gyors volt, és a lézeres technológia népszerűsítése és alkalmazása minden szempontból is belépett az emberek életébe. De a legtöbb ember csak tudja, hogy a lézereknek ilyen célja van, de nem tudják, hogyan jött a lézer. Ezért ez a cikk megmagyarázza a lézerképződés elvét egy viszonylag közös nyelven.
A lézerképződés elve megértéséhez először meg kell érteni, hogy mi az energiaszint. Egyszerűen fogalmazva, az energiaszint olyan állapot, amelyben minden atom (ténylegesen egy extranukleáris elektron) egy bizonyos mennyiségű energiát hordoz, és a különböző energiaszintek azt jelzik, hogy az atom által hordozott energia más. Minél magasabb az energiaszint, annál nagyobb az extranukleáris elektronok energiája, és annál könnyebb elszakadni a magtól. A megértés kedvéért az atomszerkezet legegyszerűbb hidrogénatomja példaként szolgál.
n jelentése az atom energia E szintjének megfelelő kvantumszám. Ha n = 1, akkor a hidrogénatom egyenletes állapotában az energiaszintet jelzi, amelyet földállapotnak (E1 szint) nevezünk. n = 2, 3, 4 stb. nevezik gerjesztett állapotnak (E2 energiaszint, E3 energiaszint, E4 energiaszint stb.). A dán fizikus Bohr elmélete szerint, ha az atom stabil földállapotban van, ha a külvilág izgatja, és elnyeli a megfelelő külső energiát, akkor magasabb energiaszintre ugrik, hogy izgatott állapotba kerüljön. Az atom gerjesztett állapotban instabil. Amikor az atom izgatott állapotban van, spontán átmegy az alacsonyabb energiaszintre. Egy vagy több, a talajállapotba való átmenet után a megfelelő energia az alacsony energiaszintre való átállás során szabadul fel. Ez a megfelelő energia bizonyos frekvenciájú fotonok formájában létezik, amelyet az energiaszint diagram jobb oldalán lévő értékből és az E = hν = Em - En fotonenergiaból lehet kiszámítani. h a fizikus által mért fix érték (Planck-konstans), ν a foton frekvenciája (a frekvencia, amelyen a foton a gerjesztett állapotból a föld állapotába szabadul fel, ami a külső sugárzott fény frekvenciája, amely a lézer, amikor a lézer képződik, a frekvencia, amely meghatározza a λ = c / ν, c lézer hullámhosszát, a fény sebessége.
Az energiaszint-struktúra megértése után nézzük meg, hogyan alakul ki a lézer. A könnyebb megértés érdekében példaként a legegyszerűbb rubin lézert használjuk. A rubin lézer egy szilárdtest lézer. A munkaanyag egy rubin rúd. A kristálymátrix Al203, amelyet 0,05% Cr203-mal adunk. A rubinben a lézerhatás a Cr3 + (króm-ion) stimulált emissziós folyamatával érhető el, így a Cr3 + -ot gyakran aktiváló ionnak nevezik, amely a rubinban előállított lézer "teste". A rubin, alumínium-oxid fő összetevője csak olyan krómionokat tartalmazó mátrix, amely csak közvetett hatással van a lézerhatásra. Energiaszint-struktúrája a következő:
Amikor a szivattyú fénye megvilágítja a rubint, a Cr3 + ion a föld állapotában elnyeli a meghatározott hullámhosszú fényt és átmenetet az E3 szintre. A Cr3 + ion nagyon rövid élettartamot mutat ezen az energiaszinten (nagyon instabil, kb. 10-9 s), és így gyorsan áthalad a sugárzási átmeneten (a sugárzás nélküli átmenet az atomi ütközés által a külső világgal való energiacserére utal), vagyis a kristály belsejében lévő hőmozgás, hogy az energiaszint megváltozik, sem a kibocsátó, sem az abszorbeáló fotonokat nem érinti át az E2 szintre. Az E2 energiaszint hosszú élettartammal rendelkezik (kb. 3 ms), amit metastabil energiaszintnek neveznek, amelyen több Cr3 + ion gyűlik össze. Ha a külső szivattyú elég erős, akkor az E2 szint és az E1 szint között egy populációs inverzió alakul ki, azaz az E2 szinten a Cr3 + ionok száma nagyobb, mint az E1 szint. Miután a populáció inverziót valósították meg, minden hν energiával rendelkező külső foton az E2 szintjén egy atomot gerjeszt, hogy átálljon a földi állapotba, és egy hnt energiát szabadítson fel, és a teljes fotonenergia értéke 2, 2 lesz 4, 4 változások 8 ... így a stimulált sugárzáserősítési (erősítési) folyamat elérése. Mivel az optikai üreg veszteséget okoz az optikai erősítésnél, a lézer csak akkor jelenik meg, ha a stimulált sugárzáserősítés erőssége nagyobb, mint a lézer különböző veszteségei.
