I 1960 gennemboret verdens første kunstige laser roen i det californiske Sis Lab, og rubinlaseren opfundet af Theodore Mehman åbnede døren til menneskeskabelse af lasere og brugen af lasere til at omdanne verden. Siden de sidste halvtreds år har udviklingen af laser videnskab været hurtig, og popularisering og anvendelse af laserteknologi har også indført folks liv fra alle aspekter. Men de fleste mennesker ved bare, at lasere har et sådant formål, men de ved ikke, hvordan laseren kommer fra. Derfor vil denne artikel forklare princippet om laserdannelse på et relativt almindeligt sprog.
For at forstå princippet om laserdannelse forstår du først hvad er energiniveauet. Enkelt sagt er et energiniveau en tilstand, hvor hvert atom (faktisk en ekstranukleær elektron) bærer en vis mængde energi, og forskellige energiniveauer indikerer, at den energi, der bæres af atomet, er anderledes. Jo højere energiniveauet er, desto højere er energien af de ekstranukleære elektroner, og jo lettere er det at bryde væk fra kernen. For forståelsens skyld er det enkleste hydrogenatom af den atomiske struktur taget som et eksempel.
n repræsenterer et kvantal svarende til atomniveauets energiniveau E. Når n = 1 angiver det energiniveauet i steady state af hydrogenatomet, som kaldes grundtilstanden (E1-niveau). n = 2, 3, 4 osv. kaldes ophidsede tilstande (E2 energiniveau, E3 energiniveau, E4 energiniveau osv.). Ifølge den danske fysiker Bohrs teori, når atomet er i en stabil grundtilstand, hvis den er ophidset af omverdenen og absorberer den tilsvarende eksterne energi, vil den hoppe til et højere energiniveau for at danne en ophidset tilstand. Atomet er ustabilt i den ophidsede tilstand. Når atomet er i ophidset tilstand, overgår det spontant til det lavere energiniveau. Efter en eller flere overgange til jordtilstanden frigives den tilsvarende energi under overgangen til lavenergieniveauet. Denne tilsvarende energi findes i form af fotoner af en bestemt frekvens, som kan beregnes ud fra værdien på højre side af energiniveaudiagrammet og fotonenergien E = hν = Em - En. h er den faste værdi målt af fysikeren (Planck konstant), v er fotons frekvens (den frekvens, hvor fotonet frigives fra den ophidsede tilstand til jordtilstanden, hvilket er frekvensen af det udvendige udstrålede lys, hvilket Laser er, når laseren dannes. Frekvensen, som bestemmer laserens bølgelængde λ = c / ν, c er lysets hastighed).
Efter at have forstået energiniveaustrukturen, lad os se, hvordan laseren er dannet. For nemheds skyld er den enkleste rubinlaser taget som et eksempel. Rubinlaseren er en solid-state laser. Arbejdsstoffet er en rubinestang. Krystalmatrixen er Al203, som er doteret med 0,05% Cr203. Laservirkningen i rubin opnås ved den stimulerede emissionsproces af Cr3 + (kromion), så Cr3 + kaldes ofte den aktiverende ion, som er "legemet" af den laser, der produceres i rubin. Hoveddelen af rubin, aluminiumoxid, er kun en matrix, der indeholder kromioner, som kun har en indirekte virkning på laservirkningen. Dens energiniveau struktur er som vist:
Når pumpelyset lyser rubinen, absorberer Cr3 + ion i jordtilstand lyset af en specifik bølgelængde og overgange til E3-niveauet. Cr3 + -ionen har en meget kort levetid på dette energiniveau (meget ustabil, ca. 10-9 s) og overgår således hurtigt gennem strålingsovergang (ingen-strålingsovergang henviser til udveksling af energi med omverdenen ved atomkollisionen, det vil sige den termiske bevægelse inde i krystal, således at energiniveauet ændrer sig, hverken udsender eller absorberer fotoner) overgår til E2-niveauet. E2 energiniveauet har en lang levetid (ca. 3ms) kaldet det metastabile energiniveau, hvor flere Cr3 + ioner kan opsamles. Når den eksterne pumpe er stærk nok, dannes en inversion mellem E2-niveauet og E1-niveauet, dvs. antallet af Cr3 + -ioner på E2-niveauet er større end E1-niveauet. Efter at befolkningsinversionen er realiseret, vil hver ekstern foton med energi hν excitere et atom på E2-niveauet for at gøre det overgang til jordtilstanden, og frigive en foton med energi hν, og den totale fotonenergi vil blive ændret til 2, 2 Ændringer 4, 4 ændrer 8 ... og således opnår den stimulerede strålingsforstærkning (gain) proces. Da det optiske hulrum har et tab på den optiske forstærkning, udlæses laseren kun, når forstærkningen af den stimulerede strålingsforstærkning er større end de forskellige tab i laseren.
