Generacija laserjev

Generacija laserjev
Generacijo laserjev je leta 1916 predlagal Einstein s svojo teorijo "spontane in stimulirane emisije". Ta teorija predstavlja fizikalno osnovo sodobnih laserskih sistemov. Interakcija med fotoni in atomi lahko vodi do treh prehodnih procesov: stimulirane absorpcije, spontane emisije in stimulirane emisije. Dokler je stimulirana emisija vzdržna in stabilna, je mogoče dobiti laserje. Zato je treba izdelati posebne naprave – laserje. Sestava laserja je običajno sestavljena iz treh glavnih delov: delovne snovi, vzbujevalne naprave in optičnega resonatorja.

1. Delovna snov

Snov v laserju, ki lahko generira lasersko svetlobo, se imenuje delovna snov. V normalnih okoliščinah je porazdelitev atomskih števil v snovi na vsaki energijski ravni normalna porazdelitev. Število atomov na nižji energijski ravni je vedno večje kot na višji energijski ravni. Zato je pri prehodu svetlobe skozi normalno stanje luminiscentne snovi prevladujoč proces absorpcije in svetloba vedno oslabi. Da bi se svetloba po prehodu skozi luminiscentno snov okrepila in dosegla ojačitev svetlobe, je potrebno, da prevladuje stimulirana emisija. Da bi bilo število atomov na višji energijski ravni večje kot na nižji energijski ravni, je ta porazdelitev nasprotna normalni porazdelitvi in ​​se imenuje inverzija števila delcev.
2. Vzbujevalna naprava
Funkcija vzbujevalne naprave je vzbujanje atomov z nižje energijske ravni na višjo energijsko raven, kar omogoča delovni snovi, da doseže inverzijo števila delcev. Energijske ravni snovi vključujejo osnovno stanje in vzbujeno stanje ter metastabilno stanje. Metastabilno stanje je manj stabilno od osnovnega stanja, vendar veliko bolj stabilno od vzbujenega stanja. Relativno gledano lahko atomi ostanejo v metastabilnem stanju dlje časa. Na primer, kromovi ioni (Cr3+) v rubinu imajo metastabilno stanje z življenjsko dobo reda 10-3 sekund. Ko je delovna snov vzbujena in doseže inverzijo števila delcev, imajo sprva zaradi različnih smeri širjenja fotonov, ki jih oddaja spontano sevanje, tudi fotoni stimuliranega sevanja različne smeri širjenja, kar povzroča številne izgube v izhodu in absorpciji; stabilnega laserskega izhoda ni mogoče ustvariti. Da bi stimulirano sevanje lahko še naprej obstajalo v omejenem volumnu delovne snovi, je potreben optični resonator, ki doseže selekcijo in ojačanje svetlobe.
3. Optični resonator
Gre za par medsebojno vzporednih odbojnih ogledal, nameščenih na obeh koncih delovne snovi, pravokotno na glavno os. En konec je popolno odbojno ogledalo (z odbojnostjo 100 %), drugi konec pa delno prozorno in delno odbojno ogledalo (z odbojnostjo od 90 % do 99 %).
Funkcije resonatorja so: 1. ustvarjanje in vzdrževanje optičnega ojačanja; 2. izbira smeri izhodne svetlobe; 3. izbira valovne dolžine izhodne svetlobe. Za določeno delovno snov dejanska valovna dolžina oddane svetlobe zaradi različnih dejavnikov ni edinstvena in ima spekter določeno širino. Resonator lahko igra vlogo pri izbiri frekvence, kar izboljša monokromatičnost laserja.