A lézerek generációja

A lézerek generációja
A lézerek előállítását Einstein javasolta 1916-ban a „spontán és indukált emisszió” elméletével. Ez az elmélet képezi a modern lézerrendszerek fizikai alapját. A fotonok és az atomok közötti kölcsönhatás három átmeneti folyamathoz vezethet: indukált abszorpció, spontán emisszió és indukált emisszió. Amíg az indukált emisszió fenntartható és stabil, lézerek állíthatók elő. Ezért speciális eszközöket – lézereket – kell gyártani. A lézer összetétele általában három fő részből áll: a munkaközegből, a gerjesztőberendezésből és az optikai rezonátorból.

1. Hatóanyag

A lézerben lévő anyagot, amely lézerfényt képes előállítani, munkaanyagnak nevezzük. Normál körülmények között az anyag atomszám-eloszlása ​​minden energiaszinten normális eloszlás. Az alacsonyabb energiaszinten lévő atomok száma mindig nagyobb, mint a magasabb energiaszinten lévő. Ezért, amikor a fény áthalad a lumineszcens anyag normál állapotán, az abszorpciós folyamat dominál, és a fény mindig gyengül. Ahhoz, hogy a fény a lumineszcens anyagon való áthaladás után erősödjön, és fényerősítést érjünk el, a stimulált emissziót kell dominánssá tenni. Ahhoz, hogy a magasabb energiaszinten lévő atomok száma nagyobb legyen, mint az alacsonyabb energiaszinten lévő, ez az eloszlás ellentétes a normális eloszlással, és részecskeszám-inverziónak nevezzük.
2. Gerjesztőeszköz
A gerjesztőberendezés funkciója az alacsonyabb energiaszintű atomok magasabb energiaszintre gerjesztése, lehetővé téve a munkaközeg számára a részecskeszám-inverzió elérését. Az anyag energiaszintjei közé tartozik az alapállapot, a gerjesztett állapot, valamint a metastabil állapot. A metastabil állapot kevésbé stabil, mint az alapállapot, de sokkal stabilabb, mint a gerjesztett állapot. Viszonylag véve az atomok hosszabb ideig maradhatnak metastabil állapotban. Például a rubinban lévő krómionok (Cr3+) metastabil állapotban vannak, és élettartamuk nagyságrendileg 10-3 másodperc. Miután a munkaközeg gerjesztődik és eléri a részecskeszám-inverziót, kezdetben a spontán sugárzás által kibocsátott fotonok eltérő terjedési iránya miatt a gerjesztett sugárzás fotonjainak is eltérő a terjedési iránya, és nagy a veszteség a kimenetben és az abszorpcióban; stabil lézerteljesítmény nem generálható. Ahhoz, hogy a gerjesztett sugárzás a munkaközeg korlátozott térfogatában továbbra is létezhessen, optikai rezonátorra van szükség a fény szelekciójának és erősítésének eléréséhez.
3. Optikai rezonátor
Ez egy pár, egymással párhuzamosan elhelyezett visszaverő tükör, amelyek a munkaközeg mindkét végén, a főtengelyre merőlegesen helyezkednek el. Az egyik vége egy teljes visszaverődésű tükör (100%-os visszaverődési aránnyal), a másik vége pedig egy részben átlátszó és részben visszaverő tükör (90% és 99% közötti visszaverődési aránnyal).
A rezonátor funkciói a következők: ① optikai erősítés létrehozása és fenntartása; ② a kimenő fény irányának kiválasztása; ③ a kimenő fény hullámhosszának kiválasztása. Egy adott munkaközeg esetében a ténylegesen kibocsátott fény hullámhossza különböző tényezők miatt nem egyértelmű, és a spektrumnak bizonyos szélessége van. A rezonátor frekvenciakiválasztási szerepet játszhat, javítva a lézer monokromatikus jellegét.