Pada tahun 1960, laser buatan pertama di dunia menembusi ketenangan Sis Lab California, dan laser ruby yang dicipta oleh Theodore Mehman membuka pintu kepada penciptaan manusia laser dan penggunaan laser untuk mengubah dunia. Sejak lima puluh tahun yang lalu, perkembangan sains laser telah pesat, dan popularisasi dan penerapan teknologi laser juga telah memasuki kehidupan manusia dari semua aspek. Tetapi kebanyakan orang hanya tahu bahawa laser mempunyai maksud sedemikian, tetapi mereka tidak tahu bagaimana laser datang. Oleh itu, artikel ini akan menerangkan prinsip pembentukan laser dalam bahasa yang agak biasa.
Untuk memahami prinsip pembentukan laser, mula-mula memahami tahap tenaga. Secara ringkas, tahap tenaga ialah keadaan di mana setiap atom (sebenarnya elektron extranuclear) membawa sejumlah tenaga, dan tahap tenaga yang berbeza menunjukkan bahawa tenaga yang dibawa oleh atom adalah berbeza. Semakin tinggi tahap tenaga, semakin tinggi tenaga elektron extranuclear, dan lebih mudah untuk melepaskan diri dari nukleus. Demi pemahaman, atom hidrogen paling mudah dari struktur atom diambil sebagai contoh.
n mewakili nombor kuantum yang bersamaan dengan tahap tenaga E atom. Apabila n = 1, ia menunjukkan tahap tenaga dalam keadaan mantap atom hidrogen, yang dipanggil keadaan tanah (tahap E1). n = 2, 3, 4, dan sebagainya dipanggil negeri yang teruja (tahap tenaga E2, tahap tenaga E3, tahap tenaga E4, dan lain-lain). Menurut ahli fizik Denmark, teori Bohr, apabila atom berada dalam keadaan stabil, jika ia teruja oleh dunia luar dan menyerap tenaga luaran yang sama, ia akan melompat ke tahap tenaga yang lebih tinggi untuk membentuk keadaan teruja. Atom tidak stabil dalam keadaan teruja. Apabila atom berada dalam keadaan teruja, peralihan secara spontan ke tahap tenaga yang lebih rendah. Selepas satu atau beberapa peralihan ke keadaan dasar, tenaga sepadan dibebaskan semasa peralihan ke tahap tenaga yang rendah. Tenaga yang sepadan ini wujud dalam bentuk foton frekuensi tertentu, yang boleh dikira dari nilai di sebelah kanan gambarajah tahap tenaga, dan tenaga foton E = hν = Em - En. h ialah nilai tetap yang diukur oleh ahli fizik (pemalar Planck), ν adalah kekerapan foton (kekerapan di mana foton dilepaskan dari keadaan teruja ke keadaan dasar, iaitu kekerapan cahaya yang dipancarkan luar, yang adalah laser apabila laser terbentuk. Kekerapan, yang menentukan panjang gelombang laser λ = c / ν, c adalah kelajuan cahaya).
Setelah memahami struktur tahap tenaga, mari kita lihat bagaimana laser terbentuk. Demi pemahaman yang mudah, laser ruby yang paling mudah diambil sebagai contoh. Laser ruby adalah laser keadaan pepejal. Bahan kerja adalah rod rubi. Matriks kristal ialah Al2O3, yang doped dengan 0.05% Cr2O3. Tindakan laser dalam ruby dicapai oleh proses pelepasan yang dirangsang Cr3 + (ion kromium), jadi Cr3 + sering dipanggil ion pengaktifan, iaitu "badan" laser yang dihasilkan dalam ruby. Komponen utama ruby, alumina, hanya matriks yang mengandungi ion kromium, yang hanya mempunyai kesan tidak langsung terhadap tindakan laser. Struktur tahap tenaga adalah seperti yang ditunjukkan:
Apabila lampu pam menerangi ruby, ion Cr3 + dalam keadaan tanah menyerap cahaya panjang gelombang dan peralihan tertentu ke tahap E3. Ion Cr3 + mempunyai jangka hayat yang sangat pendek pada tahap tenaga ini (sangat tidak stabil, kira-kira 10-9 s), dan dengan begitu cepat melalui peralihan Radiasi (peralihan tanpa radiasi merujuk kepada pertukaran tenaga dengan dunia luar oleh perlanggaran atom, iaitu pergerakan terma di dalam kristal, supaya tahap tenaga berubah, tidak memancarkan atau menyerap foton) peralihan ke tahap E2. Tahap tenaga E2 mempunyai jangka hayat yang panjang (kira-kira 3ms), yang dipanggil tahap tenaga metastabil, di mana lebih banyak Cr3 + ion dapat dikumpulkan. Apabila pam luarannya cukup kuat, penyongsangan populasi dibentuk di antara tahap E2 dan tahap E1, iaitu, bilangan ion Cr3 + pada tahap E2 lebih besar daripada tahap E1. Selepas penyongsangan populasi direalisasikan, setiap foton luaran dengan tenaga hv akan merangsang atom di peringkat E2 untuk menjadikannya peralihan ke keadaan dasar, dan melepaskan foton dengan tenaga hv, dan jumlah tenaga foton akan berubah menjadi 2, 2 perubahan 4, 4 perubahan 8 ... dengan itu mencapai proses penguatan radiasi (keuntungan) yang dirangsang. Oleh kerana rongga optik mempunyai kerugian pada keuntungan optik, laser hanya dihasilkan apabila keuntungan amplifikasi radiasi yang dirangsang adalah lebih besar daripada pelbagai kerugian dalam laser.
