Покоління лазерів

Покоління лазерів
Генерацію лазерів запропонував Ейнштейн у 1916 році завдяки своїй теорії «спонтанного та вимушеного випромінювання». Ця теорія формує фізичну основу сучасних лазерних систем. Взаємодія між фотонами та атомами може призвести до трьох перехідних процесів: вимушеного поглинання, спонтанного випромінювання та вимушеного випромінювання. Доки вимушене випромінювання може бути стійким та стабільним, можна отримати лазери. Тому необхідно виготовляти спеціальні пристрої – лазери. Склад лазера зазвичай складається з трьох основних частин: робочої речовини, пристрою збудження та оптичного резонатора.

1. Робоча речовина

Речовина в лазері, яка може генерувати лазерне світло, називається робочою речовиною. За нормальних обставин розподіл атомних номерів у речовині на кожному енергетичному рівні є нормальним розподілом. Кількість атомів на нижчому енергетичному рівні завжди більша, ніж на вищому енергетичному рівні. Тому, коли світло проходить через нормальний стан люмінесцентної речовини, процес поглинання є домінуючим, і світло завжди послаблюється. Щоб посилити світло після проходження через люмінесцентну речовину та досягти посилення світла, необхідно зробити вимушене випромінювання домінуючим. Щоб кількість атомів на вищому енергетичному рівні була більшою, ніж на нижчому енергетичному рівні, цей розподіл протилежний нормальному розподілу і називається інверсією числа частинок.
2. Збуджувальний пристрій
Функція збуджувального пристрою полягає у збудженні атомів з нижчого енергетичного рівня до вищого, що дозволяє робочій речовині досягти інверсії числа частинок. Енергетичні рівні речовини включають основний та збуджений стан, а також метастабільний стан. Метастабільний стан менш стабільний, ніж основний, але набагато стабільніший, ніж збуджений. Відносно кажучи, атоми можуть залишатися в метастабільному стані протягом тривалішого періоду часу. Наприклад, іони хрому (Cr3+) у рубіні мають метастабільний стан з часом життя порядку 10-3 секунд. Після того, як робоча речовина збуджена та досягає інверсії числа частинок, спочатку, через різні напрямки поширення фотонів, що випускаються спонтанним випромінюванням, фотони стимульованого випромінювання також мають різні напрямки поширення, і є багато втрат у виході та поглинанні; стабільний лазерний вихід не може бути згенерований. Щоб стимульоване випромінювання могло продовжувати існувати в обмеженому об'ємі робочої речовини, потрібен оптичний резонатор для досягнення селекції та посилення світла.
3. Оптичний резонатор
Це пара взаємно паралельних відбивних дзеркал, встановлених на обох кінцях робочої речовини, перпендикулярно до головної осі. Один кінець є дзеркалом повного відбиття (з коефіцієнтом відбиття 100%), а інший кінець — частково прозорим і частково відбивним дзеркалом (з коефіцієнтом відбиття від 90% до 99%).
Функції резонатора: 1. створення та підтримка оптичного підсилення; 2. вибір напрямку вихідного світла; 3. вибір довжини хвилі вихідного світла. Для конкретної робочої речовини, через різні фактори, фактична довжина хвилі випромінюваного світла не є унікальною, а спектр має певну ширину. Резонатор може відігравати роль вибору частоти, покращуючи монохроматичність лазера.