Генерация лазеров

Генерация лазеров
Идея генерации лазеров была предложена Эйнштейном в 1916 году в его теории «спонтанного и стимулированного излучения». Эта теория составляет физическую основу современных лазерных систем. Взаимодействие фотонов с атомами может приводить к трем переходным процессам: стимулированному поглощению, спонтанному излучению и стимулированному излучению. Пока стимулированное излучение может быть устойчивым и стабильным, можно получить лазеры. Поэтому необходимо изготавливать специальные устройства – лазеры. Состав лазера обычно включает три основные части: рабочее вещество, устройство возбуждения и оптический резонатор.

1. Рабочее вещество

Вещество в лазере, способное генерировать лазерный свет, называется рабочим веществом. В нормальных условиях распределение атомных номеров в веществе на каждом энергетическом уровне представляет собой нормальное распределение. Число атомов на более низком энергетическом уровне всегда больше, чем на более высоком. Поэтому, когда свет проходит через нормальное состояние люминесцентного вещества, преобладает процесс поглощения, и свет всегда ослабевает. Для усиления света после прохождения через люминесцентное вещество и достижения усиления света необходимо сделать преобладающим стимулированное излучение. Чтобы число атомов на более высоком энергетическом уровне было больше, чем на более низком, это распределение противоположно нормальному распределению и называется инверсией числа частиц.
2. Возбуждающее устройство
Функция устройства возбуждения заключается в возбуждении атомов с более низкого энергетического уровня до более высокого энергетического уровня, что позволяет рабочему веществу достичь инверсии числа частиц. Энергетические уровни вещества включают основное и возбужденное состояния, а также метастабильное состояние. Метастабильное состояние менее стабильно, чем основное, но гораздо стабильнее, чем возбужденное. Относительно говоря, атомы могут оставаться в метастабильном состоянии в течение более длительного периода времени. Например, ионы хрома (Cr3+) в рубине имеют метастабильное состояние с временем жизни порядка 10⁻³ секунд. После возбуждения рабочего вещества и достижения инверсии числа частиц, первоначально, из-за различных направлений распространения фотонов, испускаемых спонтанным излучением, фотоны стимулированного излучения также имеют различные направления распространения, и происходит много потерь при выходе и поглощении; стабильное лазерное излучение не может быть сгенерировано. Для обеспечения дальнейшего существования стимулированного излучения в ограниченном объеме рабочего вещества необходим оптический резонатор для селекции и усиления света.
3. Оптический резонатор
Это пара взаимно параллельных отражающих зеркал, установленных на обоих концах обрабатываемого материала перпендикулярно главной оси. Один конец представляет собой зеркало полного отражения (с коэффициентом отражения 100%), а другой конец — частично прозрачное и частично отражающее зеркало (с коэффициентом отражения от 90% до 99%).
Функции резонатора заключаются в следующем: ① генерация и поддержание оптического усиления; ② выбор направления выходного света; ③ выбор длины волны выходного света. Для конкретного рабочего вещества, из-за различных факторов, фактическая длина волны излучаемого света не является уникальной, и спектр имеет определенную ширину. Резонатор может выполнять функцию частотного селекции, улучшая монохроматичность лазера.