Генерирането на лазери

Генерирането на лазери
Генерирането на лазери е предложено от Айнщайн през 1916 г. с неговата теория за „спонтанно и стимулирано излъчване“. Тази теория формира физическата основа на съвременните лазерни системи. Взаимодействието между фотони и атоми може да доведе до три преходни процеса: стимулирано поглъщане, спонтанно излъчване и стимулирано излъчване. Докато стимулираното излъчване може да бъде устойчиво и стабилно, могат да се получат лазери. Следователно, трябва да се произвеждат специални устройства – лазери. Съставът на лазера обикновено се състои от три основни части: работно вещество, възбуждащо устройство и оптичен резонатор.

1. Работно вещество

Веществото в лазер, което може да генерира лазерна светлина, се нарича работно вещество. При нормални обстоятелства разпределението на атомните номера във веществото на всяко енергийно ниво е нормално разпределение. Броят на атомите на по-ниското енергийно ниво винаги е по-голям от този на по-високото енергийно ниво. Следователно, когато светлината преминава през нормалното състояние на луминесцентното вещество, процесът на абсорбция е доминиращ и светлината винаги отслабва. За да се усили светлината след преминаване през луминесцентното вещество и да се постигне усилване на светлината, е необходимо стимулираната емисия да бъде доминираща. За да се увеличи броят на атомите на по-високото енергийно ниво от този на по-ниското енергийно ниво, това разпределение е противоположно на нормалното разпределение и се нарича инверсия на броя на частиците.
2. Устройство за възбуждане
Функцията на възбуждащото устройство е да възбужда атоми от по-ниско енергийно ниво до по-високо енергийно ниво, което позволява на работното вещество да постигне инверсия на броя на частиците. Енергийните нива на веществото включват основно състояние и възбудено състояние, както и метастабилно състояние. Метастабилното състояние е по-малко стабилно от основното състояние, но много по-стабилно от възбуденото състояние. Относително казано, атомите могат да останат в метастабилно състояние за по-дълъг период от време. Например, хромовите йони (Cr3+) в рубина имат метастабилно състояние с време на живот от порядъка на 10-3 секунди. След като работното вещество е възбудено и постигне инверсия на броя на частиците, първоначално, поради различните посоки на разпространение на фотоните, излъчвани от спонтанното лъчение, стимулираните фотони на лъчението също имат различни посоки на разпространение и има много загуби в изхода и абсорбцията; не може да се генерира стабилен лазерен изход. За да може стимулираното лъчение да продължи да съществува в ограничения обем на работното вещество, е необходим оптичен резонатор, за да се постигне селекция и усилване на светлината.
3. Оптичен резонатор
Това е чифт взаимно успоредни отразяващи огледала, монтирани в двата края на работното вещество, перпендикулярно на главната ос. Единият край е огледало за пълно отражение (с коефициент на отражение 100%), а другият край е частично прозрачно и частично отразяващо огледало (с коефициент на отражение от 90% до 99%).
Функциите на резонатора са: 1. генериране и поддържане на оптично усилване; 2. избор на посоката на изходната светлина; 3. избор на дължината на вълната на изходната светлина. За конкретно работно вещество, поради различни фактори, действителната дължина на вълната на излъчената светлина не е уникална и спектърът има определена ширина. Резонаторът може да играе ролята на селектор на честотата, подобрявайки монохроматичността на лазера.