Laserite genereerimine

Laserite genereerimine
Laserite genereerimise pakkus välja Einstein 1916. aastal oma "spontaanse ja stimuleeritud emissiooni" teooriaga. See teooria moodustab tänapäevaste lasersüsteemide füüsikalise aluse. Footonite ja aatomite vastastikmõju võib viia kolme üleminekuprotsessini: stimuleeritud neeldumine, spontaanne emissioon ja stimuleeritud emissioon. Niikaua kui stimuleeritud emissioon on püsiv ja stabiilne, on võimalik lasereid saada. Seetõttu tuleb toota spetsiaalseid seadmeid – lasereid. Laseri koostis koosneb üldiselt kolmest põhiosast: töötavast ainest, ergastusseadmest ja optilisest resonaatorist.

1. Toimeaine

Laseris olevat ainet, mis suudab genereerida laservalgust, nimetatakse töötavaks aineks. Tavalistes tingimustes on aine aatomiarvude jaotus igal energiatasemel normaaljaotus. Madalamal energiatasemel on aatomite arv alati suurem kui kõrgemal energiatasemel. Seega, kui valgus läbib luminestsentsaine normaalolekut, on domineeriv neeldumisprotsess ja valgus alati nõrgeneb. Selleks, et valgus pärast luminestsentsaine läbimist tugevneks ja saavutataks valguse võimendus, on vaja muuta stimuleeritud emissioon domineerivaks. Selleks, et kõrgemal energiatasemel oleks aatomite arv suurem kui madalamal energiatasemel, on see jaotus vastupidine normaaljaotusele ja seda nimetatakse osakeste arvu inversiooniks.
2. Ergutusseade
Ergastusseadme ülesanne on ergastada madalama energiatasemega aatomeid kõrgemale energiatasemele, võimaldades töötaval ainel saavutada osakeste arvu inversiooni. Aine energiatasemed hõlmavad põhiseisundit ja ergastatud olekut, samuti metastabiilset olekut. Metastabiilne olek on vähem stabiilne kui põhiseisund, kuid palju stabiilsem kui ergastatud olek. Suhteliselt võttes võivad aatomid metastabiilses olekus püsida pikemat aega. Näiteks rubiini kroomiioonidel (Cr3+) on metastabiilne olek, mille eluiga on suurusjärgus 10⁻⁸ sekundit. Pärast töötava aine ergastamist ja osakeste arvu inversiooni saavutamist on algselt spontaanse kiirguse poolt kiiratavate footonite erinevate levimissuundade tõttu ka stimuleeritud kiirguse footonitel erinevad levimissuunad ning väljundis ja neeldumisel on palju kadusid; stabiilset laserväljundit ei ole võimalik genereerida. Selleks, et stimuleeritud kiirgus saaks töötava aine piiratud mahus edasi eksisteerida, on valguse valiku ja võimendamise saavutamiseks vaja optilist resonaatorit.
3. Optiline resonaator
See on paar vastastikku paralleelset peegeldavat peeglit, mis on paigaldatud töötava aine mõlemasse otsa, risti peateljega. Üks ots on täieliku peegeldusega peegel (peegeldusmääraga 100%) ja teine ​​ots on osaliselt läbipaistev ja osaliselt peegeldav peegel (peegeldusmääraga 90–99%).
Resonaatori funktsioonid on: 1. optilise võimenduse genereerimine ja säilitamine; 2. väljundvalguse suuna valimine; 3. väljundvalguse lainepikkuse valimine. Konkreetse töötava aine puhul ei ole erinevate tegurite tõttu tegelik kiiratava valguse lainepikkus ainulaadne ja spektril on teatud laius. Resonaatoril võib olla sageduse valiku roll, parandades laseri monokromaatilisust.