Η γενιά των λέιζερ

Η γενιά των λέιζερ
Η παραγωγή λέιζερ προτάθηκε από τον Αϊνστάιν το 1916 με τη θεωρία του για την «αυθόρμητη και διεγερμένη εκπομπή». Αυτή η θεωρία αποτελεί τη φυσική βάση των σύγχρονων συστημάτων λέιζερ. Η αλληλεπίδραση μεταξύ φωτονίων και ατόμων μπορεί να οδηγήσει σε τρεις μεταβατικές διεργασίες: διεγερμένη απορρόφηση, αυθόρμητη εκπομπή και διεγερμένη εκπομπή. Εφόσον η διεγερμένη εκπομπή μπορεί να είναι διατηρήσιμη και σταθερή, μπορούν να δημιουργηθούν λέιζερ. Επομένως, πρέπει να κατασκευαστούν ειδικές συσκευές - λέιζερ. Η σύνθεση ενός λέιζερ αποτελείται γενικά από τρία κύρια μέρη: την ουσία εργασίας, τη συσκευή διέγερσης και τον οπτικό συντονιστή.

1. Λειτουργική ουσία

Η ουσία σε ένα λέιζερ που μπορεί να παράγει φως λέιζερ ονομάζεται εργαζόμενη ουσία. Υπό κανονικές συνθήκες, η κατανομή των ατομικών αριθμών στην ουσία σε κάθε ενεργειακό επίπεδο είναι μια κανονική κατανομή. Ο αριθμός των ατόμων στο χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο είναι πάντα μεγαλύτερος από αυτόν στο υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Επομένως, όταν το φως διέρχεται από την κανονική κατάσταση της φωταυγούς ουσίας, η διαδικασία απορρόφησης είναι κυρίαρχη και το φως εξασθενεί πάντα. Για να ενισχυθεί το φως μετά τη διέλευσή του από τη φωταυγή ουσία και να επιτευχθεί ενίσχυση φωτός, είναι απαραίτητο να γίνει κυρίαρχη η διεγερμένη εκπομπή. Για να γίνει ο αριθμός των ατόμων στο υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο μεγαλύτερος από αυτόν στο χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο, αυτή η κατανομή είναι αντίθετη από την κανονική κατανομή και ονομάζεται αντιστροφή αριθμού σωματιδίων.
2. Συσκευή διέγερσης
Η λειτουργία της συσκευής διέγερσης είναι να διεγείρει άτομα σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο, επιτρέποντας στην εργαζόμενη ουσία να επιτύχει αντιστροφή αριθμού σωματιδίων. Τα ενεργειακά επίπεδα της ουσίας περιλαμβάνουν τη θεμελιώδη κατάσταση και τη διεγερμένη κατάσταση, καθώς και μια μετασταθή κατάσταση. Η μετασταθής κατάσταση είναι λιγότερο σταθερή από τη θεμελιώδη κατάσταση, αλλά πολύ πιο σταθερή από τη διεγερμένη κατάσταση. Σχετικά μιλώντας, τα άτομα μπορούν να παραμείνουν στη μετασταθή κατάσταση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα. Για παράδειγμα, τα ιόντα χρωμίου (Cr3+) στο ρουμπίνι έχουν μετασταθή κατάσταση με διάρκεια ζωής της τάξης των 10-3 δευτερολέπτων. Αφού η εργαζόμενη ουσία διεγερθεί και επιτύχει αντιστροφή αριθμού σωματιδίων, αρχικά, λόγω των διαφορετικών κατευθύνσεων διάδοσης των φωτονίων που εκπέμπονται από την αυθόρμητη ακτινοβολία, τα φωτόνια διεγερμένης ακτινοβολίας έχουν επίσης διαφορετικές κατευθύνσεις διάδοσης και υπάρχουν πολλές απώλειες στην έξοδο και την απορρόφηση. Δεν μπορεί να παραχθεί σταθερή έξοδος λέιζερ. Για να μπορέσει η διεγερμένη ακτινοβολία να συνεχίσει να υπάρχει στον περιορισμένο όγκο της εργαζόμενης ουσίας, απαιτείται ένας οπτικός συντονιστής για να επιτευχθεί η επιλογή και η ενίσχυση του φωτός.
3. Οπτικός Συντονιστής
Πρόκειται για ένα ζεύγος αμοιβαία παράλληλων ανακλαστικών καθρεφτών εγκατεστημένων και στα δύο άκρα της εργαζόμενης ουσίας, κάθετα στον κύριο άξονα. Το ένα άκρο είναι ένας καθρέφτης ολικής ανάκλασης (με ποσοστό ανάκλασης 100%) και το άλλο άκρο είναι ένας μερικώς διαφανής και μερικώς ανακλαστικός καθρέφτης (με ποσοστό ανάκλασης 90% έως 99%).
Οι λειτουργίες του συντονιστή είναι: 1) παραγωγή και διατήρηση οπτικής ενίσχυσης· 2) επιλογή της κατεύθυνσης του φωτός εξόδου· 3) επιλογή του μήκους κύματος του φωτός εξόδου. Για μια συγκεκριμένη λειτουργική ουσία, λόγω διαφόρων παραγόντων, το πραγματικό μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός δεν είναι μοναδικό και το φάσμα έχει ένα ορισμένο πλάτος. Ο συντονιστής μπορεί να παίξει ρόλο επιλογής συχνότητας, βελτιώνοντας τη μονοχρωματικότητα του λέιζερ.