1960. aastal tungis maailma esimene kunstlik laser Kalifornias Sis Labi rahu ja Theodore Mehmani leiutatud rubiinlaser avas ukse inimloome laseritele ja laserite kasutamiseks maailma muutmiseks. Viimase viiekümne aasta jooksul on laseriteaduse areng olnud kiire ning lasertehnoloogia populariseerimine ja rakendamine on kõikidest aspektidest jõudnud ka inimeste elu. Kuid enamik inimesi teab lihtsalt, et laseritel on selline eesmärk, kuid nad ei tea, kuidas laser tuli. Seetõttu selgitab see artikkel laseri moodustumise põhimõtet suhteliselt ühises keeles.
Laseri moodustamise põhimõtte mõistmiseks tuleb kõigepealt mõista, mis on energia tase. Lihtsamalt öeldes on energiatase seisund, milles iga aatom (tegelikult ekstranukleaarne elektron) kannab teatud koguses energiat ja erinevad energia tasemed näitavad, et aatomit kandev energia on erinev. Mida kõrgem on energia tase, seda kõrgem on ekstranukleaarsete elektronide energia ja seda lihtsam on tuumast ära murda. Arusaamise huvides võetakse näiteks aatomistruktuuri lihtsaim vesinikuaatom.
n on kvantarv, mis vastab aatomi energia tasemele E. Kui n = 1, siis näitab see vesiniku aatomi püsivas olekus energiat, mida nimetatakse olekuks (E1 tase). n = 2, 3, 4 jne kutsutakse põneviks olekuks (E2 energia tase, E3 energia tase, E4 energia tase jne). Taani füüsiku Bohri teooria kohaselt, kui aatom on stabiilne maapinnas, kui see on välismaailma põnevil ja neelab vastava välise energia, hüppab see kõrgema energia tasemeni, et moodustada põnevust. Aatom on ergastatud olekus ebastabiilne. Kui aatom on põnevil olekus, läheb see iseenesest madalama energia tasemeni. Pärast ühte või mitut üleminekut maa olekusse vabaneb vastav energia madala energia tasemele üleminekul. See vastav energia eksisteerib teatud sagedusega fotonite kujul, mida saab arvutada energia taseme diagrammi parema külje väärtusest ja fotonenergia E = hν = Em - En. h on füüsiku poolt mõõdetud fikseeritud väärtus (Plancki konstant), ν on fotoni sagedus (sagedus, mille juures foton vabaneb aktiveeritud olekust maapinnale, mis on välise kiirguse valguse sagedus, mis on laser, kui laser on moodustunud.Sagedus, mis määrab laseri λ = c / ν, c lainepikkuse, on valguse kiirus.
Pärast energia taseme struktuuri mõistmist vaadake, kuidas laser on moodustunud. Lihtsa arusaamise huvides on näiteks kõige lihtsam rubiinlaser. Rubiini laser on tahkis-laser. Tööaine on rubiinvarras. Kristallmaatriks on Al2O3, mis on dopeeritud 0,05% Cr2O3-ga. Laseri toime rubiinis saavutatakse Cr3 + (kroomi ioon) stimuleeritud emissiooniprotsessiga, nii et Cr3 + nimetatakse sageli aktiveerivaks iooniks, mis on rubiinis toodetud laseri "keha". Rubiini, alumiiniumoksiidi põhikomponent on ainult kroomiioone sisaldav maatriks, millel on ainult kaudne mõju laserile. Selle energia taseme struktuur on näidatud:
Kui pumba tuli põleb rubiini, neelab Cr3 + ioon olekus olekus teatud lainepikkuse valguse ja üleminekud E3 tasemele. Cr3 + ioonil on sellel energiatasandil väga lühike eluiga (väga ebastabiilne, umbes 10-9 s) ja seega läbib see kiiresti kiirguse ülemineku kaudu (kiirguse puudumise üleminek viitab energia vahetusele välismaailmaga aatomite kokkupõrke kaudu, see tähendab, et soojusliikumine kristalli sees, nii et energia tase muutub, ei eralda ega absorbeeri fotoneid) üleminekud E2 tasemele. E2 energia tasemel on pikk eluiga (umbes 3 ms), mida nimetatakse metastabiilse energia tasemeks, kus saab koguda rohkem Cr3 + ione. Kui välispump on piisavalt tugev, moodustub E2 taseme ja E1 taseme vahel populatsiooni inversioon, st Cr3 + ioonide arv E2 tasemel on suurem kui E1 tase. Pärast populatsiooni inversiooni realiseerimist erutab iga energiaga hν välise fotooni E2 tasemel aatomit, et muuta see üleminekuks maapinnale ja vabastada foton energiaga hν ja kogu fotonienergia muudetakse 2, 2 muutused 4, 4 muutused 8 ... saavutades stimuleeritud kiirguse võimendamise (võimenduse) protsessi. Kuna optilisel õõnsusel on optilise võimenduse kadu, väljastatakse laser ainult siis, kui stimuleeritud kiirguse võimenduse võimendus on suurem kui mitmesugused laseriga seotud kadud.
