Em 1960, o primeiro laser artificial do mundo perfurou a tranquilidade do laboratório californiano Sis, e o laser de rubi inventado por Theodore Mehman abriu as portas para a criação humana de lasers e o uso de lasers para transformar o mundo. Desde os últimos cinquenta anos, o desenvolvimento da ciência do laser tem sido rápido, e a popularização e aplicação da tecnologia laser também entrou na vida das pessoas de todos os aspectos. Mas a maioria das pessoas sabe que os lasers têm esse propósito, mas não sabem como o laser veio. Portanto, este artigo explicará o princípio da formação de laser em uma linguagem relativamente comum.
Para entender o princípio da formação do laser, primeiro entenda o que é o nível de energia. Em termos simples, um nível de energia é um estado no qual cada átomo (na verdade, um elétron extranuclear) carrega uma certa quantidade de energia, e diferentes níveis de energia indicam que a energia transportada pelo átomo é diferente. Quanto mais alto o nível de energia, maior a energia dos elétrons extranucleares, e mais fácil é romper com o núcleo. Por uma questão de compreensão, o átomo de hidrogênio mais simples da estrutura atômica é tomado como exemplo.
n representa um número quântico correspondente ao nível de energia E do átomo. Quando n = 1, indica o nível de energia no estado estacionário do átomo de hidrogênio, que é chamado de estado fundamental (nível E1). n = 2, 3, 4, etc. são chamados estados excitados (nível de energia E2, nível de energia E3, nível de energia E4, etc.). De acordo com a teoria do físico dinamarquês Bohr, quando o átomo está em um estado fundamental estável, se for excitado pelo mundo externo e absorver a energia externa correspondente, saltará para um nível de energia mais alto para formar um estado excitado. O átomo é instável no estado excitado. Quando o átomo está no estado excitado, ele transita espontaneamente para o nível de energia mais baixo. Após uma ou várias transições para o estado fundamental, a energia correspondente é liberada durante a transição para o baixo nível de energia. Essa energia correspondente existe na forma de fótons de uma certa freqüência, que pode ser calculada a partir do valor no lado direito do diagrama de nível de energia, e a energia do fóton E = hν = Em - En. h é o valor fixo medido pelo físico (constante de Planck), ν é a freqüência do fóton (a freqüência na qual o fóton é liberado do estado excitado para o estado fundamental, que é a freqüência da luz irradiada externa, que é o laser quando o laser é formado.A frequência, que determina o comprimento de onda do laser λ = c / ν, c é a velocidade da luz).
Depois de entender a estrutura do nível de energia, vamos ver como o laser é formado. Por uma questão de fácil compreensão, o laser de rubi mais simples é tomado como exemplo. O laser de rubi é um laser de estado sólido. A substância de trabalho é uma barra de rubi. A matriz cristalina é Al2O3, que é dopada com 0,05% de Cr2O3. A ação do laser em rubi é obtida pelo processo de emissão estimulada de Cr3 + (íon cromo), então o Cr3 + é freqüentemente chamado de íon ativador, que é o "corpo" do laser produzido em rubi. O principal componente do rubi, a alumina, é apenas uma matriz que contém íons de cromo, que tem apenas um efeito indireto na ação do laser. Sua estrutura de nível de energia é como mostrado:
Quando a luz da bomba ilumina o rubi, o íon Cr3 + no estado fundamental absorve a luz de um comprimento de onda específico e transita para o nível E3. O íon Cr3 + tem um tempo de vida muito curto neste nível de energia (muito instável, cerca de 10-9 s), e assim passa rapidamente pela transição de radiação (transição sem radiação refere-se à troca de energia com o mundo externo pela colisão atômica, isto é, o movimento térmico dentro do cristal, de modo que o nível de energia mude, nem emitindo nem absorvendo fótons, transita para o nível E2. O nível de energia E2 tem uma longa vida útil (cerca de 3ms), chamado nível de energia metaestável, no qual mais íons Cr3 + podem ser coletados. Quando a bomba externa é forte o suficiente, uma inversão de população é formada entre o nível E2 e o nível E1, ou seja, o número de íons Cr3 + no nível E2 é maior que o nível E1. Após a realização da inversão da população, cada fóton externo com energia hv excitará um átomo no nível E2 para fazer a transição para o estado fundamental, e liberará um fóton com energia hν, e a energia total dos fótons será alterada para 2, 2 muda 4, 4 muda 8 ... alcançando assim o processo de amplificação (ganho) da radiação estimulada. Como a cavidade óptica tem uma perda no ganho óptico, o laser é emitido somente quando o ganho da amplificação de radiação estimulada é maior que as várias perdas no laser.
