1960 m. Pirmasis pasaulyje dirbtinis lazeris, pradūręs Kalifornijos Sis Lab ramybę, ir Theodore Mehman išrado rubino lazeris atvėrė duris žmonėms kurti lazerius ir lazerių naudojimą pasauliui transformuoti. Nuo pastarųjų penkiasdešimties metų lazerių mokslo plėtra buvo greita, o lazerinių technologijų populiarinimas ir taikymas visais aspektais taip pat tapo žmonių gyvenimu. Tačiau dauguma žmonių tiesiog žino, kad lazeriai turi tokį tikslą, bet jie nežino, kaip iš jo buvo lazeris. Todėl šis straipsnis paaiškins lazerio formavimo principą santykinai bendra kalba.
Norėdami suprasti lazerio formavimo principą, pirmiausia supraskite, kas yra energijos lygis. Paprastai kalbant, energijos lygis yra būsena, kurioje kiekvienas atomas (iš tikrųjų extranuclear elektronas) turi tam tikrą energijos kiekį, o skirtingi energijos lygiai rodo, kad atomo energija yra kitokia. Kuo didesnis energijos lygis, tuo didesnė ekstranuklebrinių elektronų energija, ir kuo lengviau išeiti iš branduolio. Supratimo labui pavyzdys yra paprasčiausias atominės struktūros vandenilio atomas.
n reiškia kvantinį skaičių, atitinkantį atomo energijos E lygį. Kai n = 1, tai rodo energijos lygį pastovioje vandenilio atomo padėtyje, vadinamoje žemės būsena (E1 lygis). n = 2, 3, 4 ir tt vadinami sužadintomis būsenomis (E2 energijos lygis, E3 energijos lygis, E4 energijos lygis ir tt). Pagal danų fiziko Bohr teoriją, kai atomas yra stabilioje pagrindinėje būsenoje, jei jį sužadina išorinis pasaulis ir sugeria atitinkamą išorinę energiją, ji pereis į aukštesnį energijos lygį, kad susidarytų sužadinta būsena. Atominė būsena yra nestabili. Kai atomas yra susijaudinęs, jis savaime pereina į žemesnį energijos lygį. Po vieno ar kelių perėjimų į pagrindinę būseną, perėjimas prie žemos energijos lygio atleidžia atitinkamą energiją. Ši atitinkama energija egzistuoja tam tikro dažnio fotonų pavidalu, kuris gali būti apskaičiuojamas pagal vertę, esančią dešinėje energijos lygio diagramos pusėje, ir fotonų energiją E = hν = Em - En. h yra fiziko fiksuota vertė (Plancko konstantas), ν yra fotono dažnis (dažnis, kuriuo fotonas išsiskiria iš sužadintos būsenos į pagrindinę būseną, kuri yra išorinės spinduliuotės šviesos dažnis, kuris Lazeris, kai lazeris yra formuojamas, o dažnis, kuris lemia lazerio λ = c / ν, c bangos ilgį, yra šviesos greitis).
Suprasdami energijos lygio struktūrą, pažiūrėkime, kaip formuojamas lazeris. Kad būtų lengviau suprasti, pavyzdys yra paprasčiausias rubino lazeris. Rubino lazeris yra kietojo kūno lazeris. Darbo medžiaga yra rubino lazdelė. Kristalinė matrica yra Al2O3, kuris pridedamas 0,05% Cr2O3. Lazerinis veikimas rubinu pasiektas stimuliuojant Cr3 + (chromo jonų) emisijos procesą, todėl Cr3 + dažnai vadinamas aktyvuojančia jonu, kuri yra rubino gaminamo lazerio „kūnas“. Pagrindinis rubino, aliuminio oksido komponentas yra tik chromo jonų turinti matrica, kuri turi tik netiesioginį poveikį lazeriniam poveikiui. Jo energijos lygio struktūra yra tokia, kaip parodyta:
Kai siurblio šviesa šviečia rubiną, Cr3 + jonas įžeminimo būsenoje sugeria tam tikro bangos ilgio šviesą ir pereina į E3 lygį. Cr3 + jonas turi labai trumpą tarnavimo laiką šiame energijos lygyje (labai nestabilus, apie 10–9 s), todėl jis greitai pereina per radiacinį perėjimą (perėjimas nuo spinduliuotės yra susijęs su energijos mainais su išoriniu pasauliu atomo susidūrimu, tai yra, šiluminis judėjimas kristalo viduje, taip, kad energijos lygis pasikeistų, nei skleidžia, nei sugeria fotonus) pereina į E2 lygį. E2 energijos lygis turi ilgą tarnavimo laiką (apie 3 ms), vadinamą metastabiliu energijos lygiu, kuriuo galima surinkti daugiau Cr3 + jonų. Kai išorinis siurblys yra pakankamai stiprus, tarp E2 lygio ir E1 lygio susidaro populiacijos inversija, ty Cr2 + jonų skaičius E2 lygiu yra didesnis nei E1 lygis. Įgyvendinus populiacijos inversiją, kiekvienas išorinis fotonas, turintis energiją hν, sužadins atomą E2 lygiu, kad jis pereitų į pagrindinę būseną ir atleistų fotoną su energija hν, o bendra fotonų energija bus pakeista į 2, 2 4, 4 pokyčiai 8 ... taip pasiekiant stimuliuojamos spinduliuotės stiprinimo (stiprinimo) procesą. Kadangi optinė ertmė praranda optinį padidėjimą, lazeris yra išvestas tik tada, kai stimuliuojamos spinduliuotės amplifikacijos padidėjimas yra didesnis už įvairius lazerio nuostolius.
