De generatie lasers

De generatie lasers
De ontwikkeling van lasers werd in 1916 door Einstein voorgesteld met zijn theorie van "spontane en gestimuleerde emissie". Deze theorie vormt de fysieke basis van moderne lasersystemen. De interactie tussen fotonen en atomen kan leiden tot drie overgangsprocessen: gestimuleerde absorptie, spontane emissie en gestimuleerde emissie. Zolang gestimuleerde emissie aanhoudend en stabiel is, kunnen lasers worden verkregen. Daarom moeten speciale apparaten – lasers – worden vervaardigd. Een laser bestaat over het algemeen uit drie hoofdonderdelen: de werkzame stof, het excitatie-apparaat en de optische resonator.

1. Werkzame stof

De stof in een laser die laserlicht kan genereren, wordt de werkzame stof genoemd. Onder normale omstandigheden is de verdeling van atoomnummers in de stof op elk energieniveau een normale verdeling. Het aantal atomen op het lagere energieniveau is altijd groter dan dat op het hogere energieniveau. Daarom is absorptie dominant wanneer licht door de normale toestand van de luminescente stof gaat, waardoor het licht altijd verzwakt. Om het licht na passage door de luminescente stof te versterken en lichtversterking te bereiken, is het noodzakelijk dat gestimuleerde emissie dominant wordt. Om het aantal atomen op het hogere energieniveau groter te maken dan dat op het lagere energieniveau, is deze verdeling tegengesteld aan de normale verdeling en wordt dit deeltjesaantalinversie genoemd.
2. Opwekkingsapparaat
De functie van het excitatieapparaat is het exciteren van atomen in een lager energieniveau naar een hoger energieniveau, waardoor de werkzame stof een deeltjesaantalinversie kan bereiken. De energieniveaus van de stof omvatten de grondtoestand, de aangeslagen toestand en een metastabiele toestand. De metastabiele toestand is minder stabiel dan de grondtoestand, maar veel stabieler dan de aangeslagen toestand. Relatief gezien kunnen atomen langer in de metastabiele toestand blijven. De chroomionen (Cr³⁺) in robijn hebben bijvoorbeeld een metastabiele toestand met een levensduur van ongeveer 10⁻³ seconden. Nadat de werkzame stof is geëxciteerd en een deeltjesaantalinversie heeft bereikt, hebben de fotonen van de gestimuleerde straling aanvankelijk ook verschillende voortplantingsrichtingen, vanwege de verschillende voortplantingsrichtingen van de fotonen die door spontane straling worden uitgezonden. Hierdoor treden er veel verliezen op in de output en absorptie, waardoor een stabiele laseroutput niet kan worden gegenereerd. Om ervoor te zorgen dat de gestimuleerde straling in het beperkte volume van de werkzame stof kan blijven bestaan, is een optische resonator nodig voor de selectie en versterking van het licht.
3. Optische resonator
Het betreft een paar parallelle, reflecterende spiegels die aan beide uiteinden van de te bewerken stof zijn aangebracht, loodrecht op de hoofdas. Aan het ene uiteinde bevindt zich een spiegel met volledige reflectie (met een reflectiepercentage van 100%), en aan het andere uiteinde een spiegel die gedeeltelijk transparant en gedeeltelijk reflecterend is (met een reflectiepercentage van 90% tot 99%).
De functies van de resonator zijn: ① het genereren en behouden van optische versterking; ② het selecteren van de richting van het uitgaande licht; ③ het selecteren van de golflengte van het uitgaande licht. Voor een specifieke werkzame stof is de werkelijke golflengte van het uitgezonden licht, vanwege diverse factoren, niet eenduidig ​​en heeft het spectrum een ​​bepaalde breedte. De resonator kan een frequentieselectieve rol spelen, waardoor de monochromaticiteit van de laser wordt verbeterd.