In 1960 drong 's werelds eerste kunstmatige laser de rust van het Californische Sis Lab binnen, en de robuste laser uitgevonden door Theodore Mehman opende de deur naar menselijke creatie van lasers en het gebruik van lasers om de wereld te transformeren. Sinds de afgelopen vijftig jaar is de ontwikkeling van de laserwetenschap snel gegaan en de popularisering en toepassing van lasertechnologie is ook in alle opzichten het leven van mensen ingegaan. Maar de meeste mensen weten gewoon dat lasers zo'n doel hebben, maar ze weten niet hoe de laser is ontstaan. Daarom zal dit artikel het principe van laservorming in een relatief gemeenschappelijke taal verklaren.
Om het principe van laservorming te begrijpen, moet je eerst begrijpen wat het energieniveau is. In eenvoudige termen is een energieniveau een toestand waarin elk atoom (eigenlijk een extranucleair elektron) een bepaalde hoeveelheid energie draagt en verschillende energieniveaus aangeven dat de energie die door het atoom wordt gedragen, verschillend is. Hoe hoger het energieniveau, hoe hoger de energie van de extranucleaire elektronen en hoe gemakkelijker het is om los te breken van de kern. Voor de duidelijkheid wordt het eenvoudigste waterstofatoom van de atomaire structuur als voorbeeld genomen.
n vertegenwoordigt een kwantumgetal dat overeenkomt met het energieniveau E van het atoom. Als n = 1, geeft dit het energieniveau aan in de stabiele toestand van het waterstofatoom, de grondtoestand (E1-niveau). n = 2, 3, 4, enz. worden geëxciteerde toestanden genoemd (E2 energieniveau, E3 energieniveau, E4 energieniveau, etc.). Volgens de theorie van de Deense natuurkundige Bohr, wanneer het atoom zich in een stabiele grondtoestand bevindt, als het door de buitenwereld wordt opgewonden en de overeenkomstige externe energie absorbeert, zal het naar een hoger energieniveau springen om een opgewonden toestand te vormen. Het atoom is onstabiel in de aangeslagen toestand. Wanneer het atoom in de geëxciteerde toestand is, gaat het spontaan over naar het lagere energieniveau. Na één of meerdere overgangen naar de grondtoestand, wordt de overeenkomstige energie vrijgegeven tijdens de overgang naar het lage energieniveau. Deze corresponderende energie bestaat in de vorm van fotonen met een bepaalde frequentie, die kan worden berekend uit de waarde aan de rechterkant van het energieniveaudiagram, en de fotonenergie E = hν = Em - En. h is de vaste waarde gemeten door de fysicus (Planck-constante), ν is de frequentie van het foton (de frequentie waarmee het foton wordt vrijgegeven van de geëxciteerde toestand naar de grondtoestand, wat de frequentie is van het uitwendige uitgestraalde licht, dat is de laser wanneer de laser wordt gevormd.De frequentie, die de golflengte van de laser λ = c / ν bepaalt, c is de snelheid van het licht).
Na het begrijpen van de energieniveau-structuur, laten we zien hoe de laser wordt gevormd. Om het eenvoudig te begrijpen, wordt de eenvoudigste robijnlaser als voorbeeld genomen. De robijnlaser is een solid-state laser. De werkzame stof is een robijnrode staaf. De kristalmatrix is Al2O3, die is gedoteerd met 0,05% Cr203. De laserwerking in robijn wordt bereikt door het gestimuleerde emissieproces van Cr3 + (chroomion), dus Cr3 + wordt vaak het activerende ion genoemd, het "lichaam" van de laser die in robijn wordt geproduceerd. Het hoofdbestanddeel van robijn, aluminiumoxide, is slechts een matrix die chroomionen bevat, wat alleen een indirect effect heeft op laserwerking. De energieniveaustructuur is zoals weergegeven:
Wanneer het pomplicht de robijn verlicht, absorbeert het Cr3 + -ion in de grondtoestand het licht van een specifieke golflengte en gaat het over naar het E3-niveau. Het Cr3 + ion heeft een zeer korte levensduur op dit energieniveau (zeer onstabiel, ongeveer 10-9 s), en passeert dus snel de stralingsovergang (niet-stralingsovergang verwijst naar de uitwisseling van energie met de buitenwereld door de atoombotsing, dat wil zeggen, de thermische beweging in het kristal, zodat het energieniveau verandert, en geen fotonen uitzendt of absorbeert) gaat over naar het E2-niveau. Het E2-energieniveau heeft een lange levensduur (ongeveer 3 ms), het metastabiele energieniveau genoemd, waarop meer Cr3 + -ionen kunnen worden verzameld. Wanneer de externe pomp sterk genoeg is, wordt een populatie-inversie gevormd tussen het E2-niveau en het E1-niveau, dat wil zeggen dat het aantal Cr3 + -ionen op het E2-niveau groter is dan het E1-niveau. Nadat de populatie-inversie is gerealiseerd, zal elk extern foton met energie hν een atoom op het E2-niveau opwekken om het naar de grondtoestand te maken, en een foton met energie hν vrijgeven, en de totale fotonenergie zal worden veranderd naar 2, 2 veranderingen 4, 4 veranderingen 8 ... waardoor het gestimuleerde stralingsamplificatie (versterkings) proces wordt bereikt. Omdat de optische holte een verlies op de optische versterking heeft, wordt de laser alleen uitgevoerd wanneer de versterking van de gestimuleerde stralingsversterking groter is dan de verschillende verliezen in de laser.
