Generace laserů

Generace laserů
Generování laserů navrhl Einstein v roce 1916 se svou teorií „spontánní a stimulované emise“. Tato teorie tvoří fyzikální základ moderních laserových systémů. Interakce mezi fotony a atomy může vést ke třem přechodovým procesům: stimulované absorpci, spontánní emisi a stimulované emisi. Pokud je stimulovaná emise udržitelná a stabilní, lze získat lasery. Proto je nutné vyrábět speciální zařízení – lasery. Složení laseru se obecně skládá ze tří hlavních částí: pracovní látky, excitačního zařízení a optického rezonátoru.

1. Pracovní látka

Látka v laseru, která může generovat laserové světlo, se nazývá pracovní látka. Za normálních okolností je rozložení atomových čísel v látce na každé energetické hladině normálním rozdělením. Počet atomů na nižší energetické hladině je vždy větší než počet atomů na vyšší energetické hladině. Proto když světlo prochází normálním stavem luminiscenční látky, je absorpční proces dominantní a světlo vždy slábne. Aby se světlo po průchodu luminiscenční látkou zesílilo a dosáhlo se zesílení světla, je nutné, aby dominantní byla stimulovaná emise. Aby byl počet atomů na vyšší energetické hladině větší než na nižší energetické hladině, je toto rozdělení opačné k normálnímu rozdělení a nazývá se inverze počtu částic.
2. Budicí zařízení
Funkcí excitačního zařízení je excitovat atomy z nižší energetické hladiny na vyšší energetickou hladinu, což umožňuje pracovní látce dosáhnout inverze počtu částic. Energetické hladiny látky zahrnují základní stav a excitovaný stav, stejně jako metastabilní stav. Metastabilní stav je méně stabilní než základní stav, ale mnohem stabilnější než excitovaný stav. Relativně vzato mohou atomy zůstat v metastabilním stavu po delší dobu. Například ionty chromu (Cr3+) v rubínu mají metastabilní stav s životností řádově 10-3 sekund. Poté, co je pracovní látka excitována a dosáhne inverze počtu částic, mají zpočátku, kvůli různým směrům šíření fotonů emitovaných spontánním zářením, i fotony stimulovaného záření různé směry šíření a dochází k mnoha ztrátám ve výstupu a absorpci; nelze generovat stabilní laserový výstup. Aby stimulované záření mohlo v omezeném objemu pracovní látky nadále existovat, je pro dosažení selekce a zesílení světla zapotřebí optický rezonátor.
3. Optický rezonátor
Jedná se o dvojici vzájemně rovnoběžných odrazných zrcadel instalovaných na obou koncích pracovní látky, kolmo k hlavní ose. Jeden konec je zrcadlo úplného odrazu (s mírou odrazu 100 %) a druhý konec je částečně průhledné a částečně reflexní zrcadlo (s mírou odrazu 90 % až 99 %).
Funkce rezonátoru jsou: 1. generování a udržování optického zesílení; 2. výběr směru výstupního světla; 3. výběr vlnové délky výstupního světla. Pro konkrétní pracovní látku není skutečná vlnová délka emitovaného světla v důsledku různých faktorů jedinečná a spektrum má určitou šířku. Rezonátor může hrát roli výběru frekvence, čímž zlepšuje monochromatičnost laseru.