Generacija lasera

Generacija lasera
Generiranje lasera predložio je Einstein 1916. godine svojom teorijom „spontane i stimulirane emisije“. Ova teorija čini fizičku osnovu modernih laserskih sustava. Interakcija između fotona i atoma može dovesti do tri prijelazna procesa: stimulirane apsorpcije, spontane emisije i stimulirane emisije. Sve dok se stimulirana emisija može održati i biti stabilna, mogu se dobiti laseri. Stoga se moraju proizvoditi posebni uređaji – laseri. Sastav lasera općenito se sastoji od tri glavna dijela: radne tvari, pobudnog uređaja i optičkog rezonatora.

1. Radna tvar

Tvar u laseru koja može generirati lasersku svjetlost naziva se radna tvar. U normalnim okolnostima, raspodjela atomskih brojeva u tvari na svakoj energetskoj razini je normalna raspodjela. Broj atoma na nižoj energetskoj razini uvijek je veći od broja atoma na višoj energetskoj razini. Stoga, kada svjetlost prolazi kroz normalno stanje luminiscentne tvari, proces apsorpcije je dominantan, a svjetlost uvijek slabi. Da bi se svjetlost pojačala nakon prolaska kroz luminiscentnu tvar i postiglo pojačanje svjetlosti, potrebno je da dominantna bude stimulirana emisija. Da bi broj atoma na višoj energetskoj razini bio veći od broja atoma na nižoj energetskoj razini, ova raspodjela je suprotna normalnoj raspodjeli i naziva se inverzija broja čestica.
2. Uređaj za pobuđivanje
Funkcija pobudnog uređaja je pobuditi atome na nižoj energetskoj razini na višu energetsku razinu, omogućujući radnoj tvari da postigne inverziju broja čestica. Energetske razine tvari uključuju osnovno stanje i pobuđeno stanje, kao i metastabilno stanje. Metastabilno stanje je manje stabilno od osnovnog stanja, ali mnogo stabilnije od pobuđenog stanja. Relativno govoreći, atomi mogu ostati u metastabilnom stanju dulje vrijeme. Na primjer, ioni kroma (Cr3+) u rubinu imaju metastabilno stanje s vijekom trajanja od oko 10-3 sekundi. Nakon što je radna tvar pobuđena i postigne inverziju broja čestica, u početku, zbog različitih smjerova širenja fotona emitiranih spontanim zračenjem, fotoni stimuliranog zračenja također imaju različite smjerove širenja, te postoje mnogi gubici u izlazu i apsorpciji; ne može se generirati stabilan laserski izlaz. Da bi se omogućilo da stimulirano zračenje nastavi postojati u ograničenom volumenu radne tvari, potreban je optički rezonator za postizanje selekcije i pojačanja svjetlosti.
3. Optički rezonator
To je par međusobno paralelnih reflektirajućih zrcala postavljenih na oba kraja radne tvari, okomito na glavnu os. Jedan kraj je zrcalo potpunog odbijanja (s refleksijom od 100%), a drugi kraj je djelomično prozirno i djelomično reflektirajuće zrcalo (s refleksijom od 90% do 99%).
Funkcije rezonatora su: 1. generiranje i održavanje optičkog pojačanja; 2. odabir smjera izlazne svjetlosti; 3. odabir valne duljine izlazne svjetlosti. Za određenu radnu tvar, zbog različitih čimbenika, stvarna valna duljina emitirane svjetlosti nije jedinstvena, a spektar ima određenu širinu. Rezonator može igrati ulogu odabira frekvencije, poboljšavajući monokromatskost lasera.