Come viene prodotto il laser?

Laserè una grande invenzione nel 20 ° secolo, ed è chiamato il coltello più veloce, il sovrano più accurato e la luce più luminosa. Il laser (amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni), che significa amplificazione della luce radiazione stimolata, descrive il principio digenerazione laser. Successivamente, diamo un'occhiata a come viene prodotto il laser.

Base teorica del laser

La teoria delle radiazioni stimolate è la base della generazione laser, che è stata avanzata da Einstein nel 1917. Esistono due livelli di energia S1 e S2 nel mezzo di guadagno laser, che corrispondono allo stato di energia inferiore e allo stato energetico superioredella transizione laser rispettivamente. La differenza di energia E2 - E1 tra loro è uguale a Hν. Quando il sistema è al livello di energia S1 e irradiato dai fotoni con energia Hν, ha una certa probabilità di assorbire i fotoni e passare al livello di energia S2. Questo processo è chiamato assorbimento stimolato. Quando il sistema è al livello di energia S2, c'è una certa probabilità che salti al livello di energia S1 e rilasci il fotone fluorescente Hν. Questo processo si chiama emissione spontanea. Se il sistema è al livello di energia S2 e irradiato da Hν, ha una certa probabilità di rilasciare un fotone con la stessa frequenza, fase 1 e direzione di propagazione del fotone incidente. Questo processo è chiamato radiazione stimolata. Se un tale mezzo di guadagno contenente un gran numero di molecole a livello di energia S2 viene posizionato tra due specchi paralleli opposti, alcuni fotoni di fluorescenza perpendicolari agli specchi possono essere amplificati mediante radiazioni stimolate per formare l'oscillazione autoescificata, emettendo così la luce laser. L'elemento ottico all'estremità sinistra della cavità risonante è chiamato accoppiatore di uscita, che è equivalente a una superficie riflettente con una certa trasmittanza, ed è l'uscita del laser nella cavità risonante.

La chiave per la generazione del laser

Generalmente, le radiazioni stimolate sono così deboli che è persino difficile da osservare, per non parlare di usarlo per generare laser. Quando una sostanza è in equilibrio termico, la distribuzione delle molecole nei livelli di energia obbedisce alla distribuzione di Boltzmann. Il numero di particelle N1 nello stato di energia inferiore S1 è molto maggiore del numero di particelle N2 nello stato di energia superiore S2 e l'assorbimento dei fotoni Hν è molto maggiore di quello delle radiazioni stimolate, quindi è impossibile realizzare segnali ottici macroscopicamente. La chiave della generazione laser sta nell'inversione del numero di particelle, in modo che N2> N1. Al momento, quando il laser funziona, è necessario adottare un metodo di eccitazione (pompaggio) appropriato per realizzare l'inversione del numero di particelle a un livello di energia specifico.

Prendendo il laser colorante come esempio, questo documento introduce come realizzare l'inversione del numero di particelle. Il mezzo di guadagno del laser è una soluzione di tintura organica. I coloranti comunemente usati includono cumarina in bande blu e viola, rodamina in bande rosse e gialle, ecc. La transizione laser dei coloranti organici si verifica principalmente nelle bande di energia degli stati di singoletto S0 e S1. Queste due energieLe bande sono composte da molti livelli di energia rotazionale e vibrazionale, che possono essere considerati continui a causa dell'ampliamento della collisione in soluzione. Nel processo di generazione laser, le molecole di colorante sono irradiate dalla luce della pompa per passare dal livello di energia inferiore della banda S0 alla banda S1, e quindi passano rapidamente al livello di energia inferiore di S1 ​​attraverso non radiazioni, cioè, cioè Lo stato energetico superiore della transizione laser. Nella transizione laser, le molecole passano al livello di energia specificato nella banda di energia S0 e rilasciano i fotoni, quindi passano rapidamente al livello di energia inferiore della banda di energia S0. Poiché lo stato di energia superiore S2 della transizione laser ha una lunga durata, mentre la durata di S1 ​​è molto breve e, sotto l'azione della luce della pompa, un gran numero di molecole è eccitato allo stato di energia superiore S2, quindi l'inversione della popolazione può essere realizzato. Allo stesso tempo della generazione laser, le molecole di colorante si incrociano tra i sistemi di generazione di bande S1, entrano nel sistema di tripletta con una lunga vita in T1 e lasciano il ciclo di transizione laser, che colpisce l'efficienza laser. Pertanto, quando il laser colorante funziona, è necessario riciclare la soluzione di colorante.

La lunghezza d'onda del laser

Molti laser hanno una buona monocromaticità, cioè la larghezza di banda spettrale della luce di uscita è stretta. Se lo spettro di output del laser è stretto o meno è correlato ai seguenti fattori. Prima di tutto, il mezzo di guadagno laser e la modalità di pompaggio determinano quali fotoni a banda di lunghezza d'onda possono essere amplificati. Media di guadagno come laser a gas, laser Excimer e laser YAG ND: che hanno livelli di energia sparsi e distribuzione di energia stretta, producono naturalmente laser con larghezza di linea stretta. In secondo luogo, la monocromaticità del laser può essere regolata dalla cavità risonante. Se è necessario produrre laser con una buona monocromaticità, è necessario impostare l'attenuazione di diversi componenti spettrali nella cavità risonante per amplificare specifici componenti spettrali.