Το 1960, το πρώτο τεχνητό λέιζερ του κόσμου διέσπασε την ηρεμία του Καλιφορνέζικου εργαστηρίου Sis και το ρουμπίνι λέιζερ που εφευρέθηκε από τον Θεόδωρο Μεχμάν άνοιξε την πόρτα για την ανθρώπινη δημιουργία λέιζερ και τη χρήση των λέιζερ για να μεταμορφώσει τον κόσμο. Από τα τελευταία πενήντα χρόνια, η ανάπτυξη της επιστήμης λέιζερ ήταν γρήγορη και η διάδοση και η εφαρμογή της τεχνολογίας λέιζερ εισήγαγε επίσης τη ζωή των ανθρώπων από όλες τις πλευρές. Αλλά οι περισσότεροι άνθρωποι ξέρουν ακριβώς ότι τα λέιζερ έχουν τέτοιο σκοπό, αλλά δεν ξέρουν πώς προέρχεται το λέιζερ. Επομένως, αυτό το άρθρο θα εξηγήσει την αρχή του σχηματισμού λέιζερ σε μια σχετικά κοινή γλώσσα.
Για να κατανοήσουμε την αρχή του σχηματισμού λέιζερ, πρώτα καταλάβουμε ποιο είναι το επίπεδο ενέργειας. Με απλά λόγια, ένα επίπεδο ενέργειας είναι μια κατάσταση στην οποία κάθε άτομο (στην πραγματικότητα ένα εξωπυρηνικό ηλεκτρόνιο) μεταφέρει μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας και διαφορετικά επίπεδα ενέργειας δείχνουν ότι η ενέργεια που μεταφέρεται από το άτομο είναι διαφορετική. Όσο υψηλότερο είναι το επίπεδο ενέργειας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των εξτραπυρηνικών ηλεκτρονίων και τόσο πιο εύκολο είναι να σπάσει ο πυρήνας. Για λόγους κατανόησης, το απλούστερο άτομο υδρογόνου της ατομικής δομής λαμβάνεται ως παράδειγμα.
το n αντιπροσωπεύει έναν κβαντικό αριθμό που αντιστοιχεί στην ενεργειακή στάθμη Ε του ατόμου. Όταν n = 1, δείχνει την ενεργειακή στάθμη στην σταθερή κατάσταση του ατόμου υδρογόνου, η οποία ονομάζεται κατάσταση εδάφους (επίπεδο Ε1). n = 2, 3, 4 κλπ. ονομάζονται διεγερμένες καταστάσεις (ενεργειακό επίπεδο Ε2, ενεργειακό επίπεδο Ε3, επίπεδο ενέργειας Ε4 κ.λπ.). Σύμφωνα με τη θεωρία του Δανέζου φυσικού Bohr, όταν το άτομο είναι σε σταθερή κατάσταση εδάφους, εάν διεγείρεται από τον έξω κόσμο και απορροφά την αντίστοιχη εξωτερική ενέργεια, θα μεταβεί σε ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας για να σχηματίσει μια διεγερμένη κατάσταση. Το άτομο είναι ασταθές στη διεγερμένη κατάσταση. Όταν το άτομο βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση, μεταβαίνει αυθόρμητα στο χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας. Μετά από μία ή περισσότερες μεταβάσεις στην κατάσταση εδάφους, η αντίστοιχη ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη μετάβαση στο χαμηλό επίπεδο ενέργειας. Αυτή η αντίστοιχη ενέργεια υπάρχει υπό τη μορφή φωτονίων ορισμένης συχνότητας, η οποία μπορεί να υπολογιστεί από την τιμή στην δεξιά πλευρά του διαγράμματος ενεργειακού επιπέδου και την ενέργεια φωτονίων E = hν = Em - En. h είναι η σταθερή τιμή που μετράται από τον φυσικό (σταθερά Planck), ν είναι η συχνότητα του φωτονίου (η συχνότητα με την οποία το φωτόνιο απελευθερώνεται από την διεγερμένη κατάσταση στην κατάσταση εδάφους, η οποία είναι η συχνότητα του εξωτερικού ακτινοβολούμενου φωτός, η οποία είναι το λέιζερ όταν σχηματίζεται το λέιζερ Η συχνότητα που καθορίζει το μήκος κύματος του λέιζερ λ = c / ν, γ είναι η ταχύτητα του φωτός).
Αφού κατανοήσουμε τη δομή του επιπέδου ενέργειας, ας δούμε πώς σχηματίζεται το λέιζερ. Για λόγους εύκολης κατανόησης, το πιο απλό ρουμπίνι λέιζερ λαμβάνεται ως παράδειγμα. Το ρουμπίνι λέιζερ είναι λέιζερ στερεάς κατάστασης. Η ουσία που χρησιμοποιείται είναι ράβδος ρουμπίνι. Η κρυσταλλική μήτρα είναι το Al2O3, το οποίο είναι εφοδιασμένο με 0.05% Cr2O3. Η δράση λέιζερ σε ρουμπίνι επιτυγχάνεται με τη διεργασία διέγερσης εκπομπής του Cr3 + (ιόν χρωμίου), έτσι το Cr3 + καλείται συχνά ιόν ενεργοποίησης, που είναι το "σώμα" του λέιζερ που παράγεται σε ρουμπινί. Το κύριο συστατικό του ρουμπινίου, η αλουμίνα, είναι μόνο μια μήτρα που περιέχει ιόντα χρωμίου, η οποία έχει μόνο έμμεση επίδραση στη δράση του λέιζερ. Η ενεργειακή της δομή είναι όπως φαίνεται:
Όταν το φως της αντλίας φωτίζει το ρουμπίνι, το ιόν Cr3 + στην κατάσταση εδάφους απορροφά το φως συγκεκριμένου μήκους κύματος και μεταβαίνει στο επίπεδο Ε3. Το ιόν Cr3 + έχει πολύ μικρή διάρκεια ζωής σε αυτό το ενεργειακό επίπεδο (πολύ ασταθές, περίπου 10-9 δευτερόλεπτα), και έτσι περνά γρήγορα μέσα από τη μετάβαση από την ακτινοβολία (η μετάβαση χωρίς ρεύμα ακτινοβολίας αναφέρεται στην ανταλλαγή ενέργειας με τον έξω κόσμο από την ατομική σύγκρουση, δηλαδή η θερμική κίνηση μέσα στον κρύσταλλο, έτσι ώστε η ενεργειακή στάθμη να αλλάζει, ούτε να εκπέμπει ούτε να απορροφά τα φωτόνια) μεταβαίνουν στο επίπεδο Ε2. Το επίπεδο ενέργειας E2 έχει μακρά διάρκεια ζωής (περίπου 3ms), που ονομάζεται μεταστατό επίπεδο ενέργειας, στο οποίο μπορούν να συλλεχθούν περισσότερα ιόντα Cr3 +. Όταν η εξωτερική αντλία είναι αρκετά ισχυρή, σχηματίζεται μια αντιστροφή πληθυσμού μεταξύ του επιπέδου Ε2 και του επιπέδου Ε1, δηλαδή, ο αριθμός των ιόντων Cr3 + στο επίπεδο Ε2 είναι μεγαλύτερος από το επίπεδο Ε1. Μετά την πραγματοποίηση της αντιστροφής του πληθυσμού, κάθε εξωτερικό φωτόνιο με ενέργεια hν θα διεγείρει ένα άτομο στο επίπεδο Ε2 για να κάνει τη μετάβαση στην κατάσταση εδάφους και θα απελευθερώσει ένα φωτόνιο με ενέργεια hν και η συνολική ενέργεια φωτονίων θα αλλάξει σε 2, 2 αλλαγές 4, 4 αλλαγές 8 ... επιτυγχάνοντας έτσι τη διεργασία διέγερσης ακτινοβολίας (κέρδος). Δεδομένου ότι η οπτική κοιλότητα έχει απώλεια στο οπτικό κέρδος, το λέιζερ εξάγεται μόνο όταν το κέρδος της ενισχυμένης ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη από τις διάφορες απώλειες στο λέιζερ.
