V roku 1960 prvý umelý laser na svete prepichol pokoj Californian Sis Lab a rubínový laser vynalezený Theodom Mehmanom otvoril dvere ľudskej tvorbe laserov a využitie laserov na transformáciu sveta. Od začiatku päťdesiatich rokov vývoj laserovej vedy bol rýchly a popularizácia a aplikácia laserovej technológie vstúpila aj do života ľudí zo všetkých hľadísk. Ale väčšina ľudí vie, že lasery majú taký účel, ale nevedia, ako laser pochádza. Preto tento článok vysvetlí princíp tvorby laseru v relatívne bežnom jazyku.
Aby ste porozumeli princípu tvorby laseru, najprv pochopte, akú je energetická hladina. Jednoducho povedané, energetická úroveň je stav, v ktorom každý atóm (vlastne extranukleárny elektrón) nesie určité množstvo energie a rôzne úrovne energie naznačujú, že energia prenášaná atómom je iná. Čím je vyššia energetická úroveň, tým vyššia je energia extranukleárnych elektrónov a tým ľahšie sa odtrhne od jadra. Pre pochopenie je najjednoduchším atómom vodíka atómovej štruktúry braný ako príklad.
n predstavuje kvantové číslo zodpovedajúce energetickej hladine E atómu. Keď n = 1, indikuje hladinu energie v ustálenom stave atómu vodíka, ktorý sa nazýva stav zeme (úroveň E1). n = 2, 3, 4 atď. sa nazývajú excitované stavy (energetická hladina E2, úroveň energie E3, úroveň energie E4 atď.). Podľa teórie dánskeho fyziky Bohrovej, keď je atóm v stabilnom základnom stave, ak je vzrušený vonkajším svetom a absorbuje zodpovedajúcu vonkajšiu energiu, bude skočiť na vyššiu úroveň energie, aby vytvoril vzrušený stav. Atóm je v excitovanom stave nestabilný. Keď je atóm v excitovanom stave, spontánne prechádza na nižšiu úroveň energie. Po jednej alebo viacerých prechodoch do stavu zeme sa zodpovedajúca energia uvoľní počas prechodu na nízku úroveň energie. Táto zodpovedajúca energia existuje vo forme fotónov určitej frekvencie, ktorá sa dá vypočítať z hodnoty na pravej strane diagramu energetickej hladiny a fotónovej energie E = hν = Em - En. h je pevná hodnota meraná fyzikom (Planckova konštanta), v je frekvencia fotónu (frekvencia, pri ktorej sa fotón uvoľňuje z excitovaného stavu do základného stavu, čo je frekvencia vonkajšieho vyžarovaného svetla, ktorá je laser pri vytváraní laseru Frekvencia, ktorá určuje vlnovú dĺžku laseru λ = c / ν, c je rýchlosť svetla).
Po pochopení štruktúry energetickej úrovne uvidíme, ako vzniká laser. V záujme jednoduchého pochopenia je najjednoduchší rubínový laser považovaný za príklad. Rubínový laser je laser v pevnom stave. Pracovnou látkou je rubínová tyčinka. Krištáľovou matricou je Al2O3, ktorá je dopovaná 0,05% Cr203. Laserové pôsobenie v rubíne sa dosahuje stimulačným procesom emisie Cr3 + (chrómový ión), takže Cr3 + sa často nazýva aktivačný ión, čo je "telo" laseru vyrobeného v rubíne. Hlavnou zložkou rubínu, oxidu hlinitého, je len matrica, ktorá obsahuje ióny chrómu, ktorá má len nepriamy vplyv na pôsobenie lasera. Jeho štruktúra energetickej úrovne je uvedená:
Keď svetlo čerpadla osvetľuje rubín, Cr3 + ión v základnom stave absorbuje svetlo špecifickej vlnovej dĺžky a prechádza na úroveň E3. Cr3 + ión má na tejto energetickej úrovni veľmi krátku životnosť (veľmi nestabilný, asi 10-9 s), a tak rýchlo prechádza radiačným prechodom (bezradiačný prechod znamená výmenu energie s vonkajším svetom atómovou kolíziou, to znamená tepelný pohyb vo vnútri kryštálu tak, aby sa zmenila energetická hladina, ani fotóny emitujúce ani absorbujúce) prechody na úroveň E2. Úroveň energie E2 má dlhú životnosť (približne 3 ms), nazývanú metastabilná energia, pri ktorej sa môže zhromaždiť viac iónov Cr3 +. Keď je externé čerpadlo dostatočne silné, medzi úrovňou E2 a úrovňou E1 sa vytvorí inverzia populácie, to znamená, že počet Cr3 + iónov na úrovni E2 je väčší ako úroveň E1. Po uskutočnení populačnej inverzie bude každý vonkajší fotón s energiou hν excitovať atóm na úrovni E2, aby sa premenil na základný stav a uvoľnil fotón s energiou hν a celková fotónová energia sa zmení na 2, 2 zmeny 4, 4 zmeny 8 ... a tým dosiahnutie procesu stimulovaného zosilnenia (zosilnenia) žiarenia. Pretože optická dutina má stratu na optickom zisku, laser je vyvedený len vtedy, keď je zosilnený zosilnený zosilňovač väčší než rôzne straty laseru.