Czym jest laser? Zasada generacji lasera

Laser to jeden z najważniejszych wynalazków ludzkości, znany jako „najjaśniejsze światło”. W życiu codziennym często spotykamy się z różnymi zastosowaniami laserów, takimi jak laserowe urządzenia kosmetyczne, spawanie laserowe, laserowe urządzenia owadobójcze i tak dalej. Dzisiaj przyjrzyjmy się bliżej laserom i zasadom ich powstawania.

Czym jest laser?

Laser to źródło światła wykorzystujące laser do generowania specjalnej wiązki światła. Laser generuje światło laserowe poprzez wprowadzenie energii z zewnętrznego źródła światła lub źródła zasilania do materiału w procesie stymulowanego promieniowania.

Laser to urządzenie optyczne składające się z ośrodka czynnego (takiego jak gaz, ciało stałe lub ciecz), który może wzmacniać światło, oraz z reflektora optycznego. Ośrodkiem czynnym w laserze jest zazwyczaj wyselekcjonowany i przetworzony materiał, a jego właściwości determinują wyjściową długość fali lasera.

Światło generowane przez lasery ma kilka unikalnych cech:

Po pierwsze, lasery emitują światło monochromatyczne o ściśle określonych częstotliwościach i długościach fal, co pozwala na spełnienie pewnych szczególnych wymagań optycznych.

Po drugie, laser generuje światło spójne, a faza fal świetlnych jest bardzo stała, co umożliwia utrzymanie względnie stabilnego natężenia światła na duże odległości.

Po trzecie, lasery generują światło o bardzo wąskich wiązkach i doskonałej zdolności skupiania, co pozwala na osiągnięcie wysokiej rozdzielczości przestrzennej.

Laser jest źródłem światła

Zasada generacji laserowej

Proces wytwarzania lasera obejmuje trzy podstawowe procesy fizyczne: promieniowanie wymuszone, emisję spontaniczną i absorpcję wymuszoną.

Sstymulowane promieniowanie

Promieniowanie stymulowane jest kluczem do generacji laserowej. Gdy elektron o wysokim poziomie energii zostanie wzbudzony przez inny foton, emituje foton o tej samej energii, częstotliwości, fazie, stanie polaryzacji i kierunku propagacji w kierunku tego fotonu. Proces ten nazywa się promieniowaniem stymulowanym. Oznacza to, że foton może „sklonować” identyczny foton poprzez proces promieniowania stymulowanego, uzyskując w ten sposób wzmocnienie światła.

Semisja spontaniczna

Kiedy elektron atomu, jonu lub cząsteczki przechodzi z wysokiego poziomu energetycznego na niski, uwalnia fotony o określonej energii, co nazywa się emisją spontaniczną. Emisja takich fotonów jest losowa i nie występuje koherencja między emitowanymi fotonami, co oznacza, że ​​ich faza, stan polaryzacji i kierunek propagacji są losowe.

Sstymulowana absorpcja

Gdy elektron o niskim poziomie energii absorbuje foton o różnicy poziomów energetycznych równej jego własnej, może zostać wzbudzony do wysokiego poziomu energetycznego. Proces ten nazywa się absorpcją wymuszoną.

W laserach zazwyczaj stosuje się wnękę rezonansową złożoną z dwóch równoległych zwierciadeł, aby wzmocnić proces stymulowanego promieniowania. Jedno zwierciadło to zwierciadło całkowicie odbijające, a drugie – zwierciadło półodbijające, które może przepuszczać część promieniowania laserowego.

Fotony w ośrodku laserowym odbijają się tam i z powrotem między dwoma lustrami, a każde odbicie generuje więcej fotonów poprzez proces stymulacji promieniowania, co powoduje wzmocnienie światła. Gdy natężenie światła wzrasta do pewnego stopnia, laser jest generowany przez lustro półodbijające.