Laserien sukupolvi

Laserien sukupolvi
Einstein ehdotti lasereiden syntymistä vuonna 1916 "spontaanin ja stimuloidun emission" teoriansa avulla. Tämä teoria muodostaa nykyaikaisten laserjärjestelmien fyysisen perustan. Fotonien ja atomien välinen vuorovaikutus voi johtaa kolmeen siirtymäprosessiin: stimuloituun absorptioon, spontaaniin emissioon ja stimuloituun emissioon. Niin kauan kuin stimuloitu emissio on kestävää ja vakaata, lasereita voidaan saada aikaan. Siksi on valmistettava erityisiä laitteita – lasereita. Laserin koostumus koostuu yleensä kolmesta pääosasta: työaineesta, virityslaitteesta ja optisesta resonaattorista.

1. Vaikuttava aine

Laserissa olevaa ainetta, joka voi tuottaa laservaloa, kutsutaan työaineeksi. Normaalioloissa aineen atomilukujen jakauma kullakin energiatasolla on normaalijakauma. Atomien lukumäärä alemmalla energiatasolla on aina suurempi kuin korkeammalla energiatasolla. Siksi, kun valo kulkee luminoivan aineen normaalitilan läpi, absorptioprosessi on hallitseva ja valo aina heikkenee. Jotta valo voimistuisi luminoivan aineen läpi kulkemisen jälkeen ja valon vahvistuminen saavutettaisiin, stimuloidun emission on oltava hallitseva. Jotta atomien lukumäärä korkeammalla energiatasolla olisi suurempi kuin alemmalla energiatasolla, tämä jakauma on päinvastainen normaalijakauman kanssa ja sitä kutsutaan hiukkaslukuinversioksi.
2. Herätelaite
Virityslaitteen tehtävänä on virittää alemmalla energiatasolla olevia atomeja korkeammalle energiatasolle, jolloin työaine voi saavuttaa hiukkasten lukumäärän inversion. Aineen energiatasot sisältävät perustilan ja viritystilan sekä metastabiilin tilan. Metastabiili tila on vähemmän vakaa kuin perustila, mutta paljon vakaampi kuin viritystila. Suhteellisesti ottaen atomit voivat pysyä metastabiilissa tilassa pidemmän aikaa. Esimerkiksi rubiinin kromi-ioneilla (Cr3+) on metastabiili tila, jonka elinikä on luokkaa 10⁻³ sekuntia. Kun työaine on virittynyt ja saavuttanut hiukkasten lukumäärän inversion, aluksi spontaanin säteilyn lähettämien fotonien eri etenemissuuntien vuoksi myös stimuloidun säteilyn fotoneilla on eri etenemissuunnat, ja tehossa ja absorptiossa on paljon häviöitä; vakaata lasersäteilyä ei voida tuottaa. Jotta stimuloitu säteily voi jatkua työaineen rajallisessa tilavuudessa, tarvitaan optinen resonaattori valon valinnan ja vahvistamisen saavuttamiseksi.
3. Optinen resonaattori
Se on pari keskenään yhdensuuntaisia ​​heijastavia peilejä, jotka on asennettu työaineen molempiin päihin kohtisuorassa pääakseliin nähden. Toinen pää on kokonaisheijastuspeili (heijastusaste 100 %) ja toinen pää on osittain läpinäkyvä ja osittain heijastava peili (heijastusaste 90–99 %).
Resonaattorin toiminnot ovat: 1. Optisen vahvistuksen generointi ja ylläpito; 2. Lähtövalon suunnan valinta; 3. Lähtövalon aallonpituuden valinta. Tietyllä työaineella useista tekijöistä johtuen todellinen emittoidun valon aallonpituus ei ole ainutlaatuinen, ja spektrillä on tietty leveys. Resonaattori voi toimia taajuuden valinnassa, mikä parantaa laserin monokromaattisuutta.