Lāzeru paaudze

Lāzeru paaudze
Lāzeru ģenerēšanu 1916. gadā ierosināja Einšteins ar savu "spontānās un stimulētās emisijas" teoriju. Šī teorija veido mūsdienu lāzersistēmu fizisko pamatu. Fotonu un atomu mijiedarbība var izraisīt trīs pārejas procesus: stimulētu absorbciju, spontānu emisiju un stimulētu emisiju. Ja vien stimulētā emisija ir ilgtspējīga un stabila, lāzerus var iegūt. Tāpēc ir jāražo īpašas ierīces – lāzeri. Lāzera sastāvs parasti sastāv no trim galvenajām daļām: darba vielas, ierosmes ierīces un optiskā rezonatora.

1. Darba viela

Lāzera vielu, kas var ģenerēt lāzera gaismu, sauc par darba vielu. Normālos apstākļos atomu skaita sadalījums vielā katrā enerģijas līmenī ir normālsadalījums. Atomu skaits zemākajā enerģijas līmenī vienmēr ir lielāks nekā atomu skaits augstākā enerģijas līmenī. Tāpēc, kad gaisma iziet cauri luminiscējošas vielas normālajam stāvoklim, dominē absorbcijas process, un gaisma vienmēr vājinās. Lai gaisma pēc luminiscējošas vielas iziešanas pastiprinātos un panāktu gaismas pastiprinājumu, ir nepieciešams, lai dominētu stimulētā emisija. Lai atomu skaits augstākā enerģijas līmenī būtu lielāks nekā atomu skaits zemākajā enerģijas līmenī, šis sadalījums ir pretējs normālajam sadalījumam un to sauc par daļiņu skaita inversiju.
2. Ierosmes ierīce
Ierosināšanas ierīces funkcija ir ierosināt atomus zemākā enerģijas līmenī uz augstāku enerģijas līmeni, ļaujot darba vielai sasniegt daļiņu skaita inversiju. Vielas enerģijas līmeņi ietver pamatstāvokli un ierosināto stāvokli, kā arī metastabilo stāvokli. Metastabilais stāvoklis ir mazāk stabils nekā pamatstāvoklis, bet daudz stabilāks nekā ierosinātais stāvoklis. Relatīvi runājot, atomi var palikt metastabilā stāvoklī ilgāku laiku. Piemēram, hroma joniem (Cr3+) rubīnā ir metastabils stāvoklis ar dzīves ilgumu aptuveni 10⁻³ sekundes. Pēc tam, kad darba viela ir ierosināta un sasniedz daļiņu skaita inversiju, sākotnēji spontānā starojuma izstaroto fotonu atšķirīgo izplatīšanās virzienu dēļ arī stimulētā starojuma fotoniem ir atšķirīgi izplatīšanās virzieni, un ir daudz izejas un absorbcijas zudumu; nevar ģenerēt stabilu lāzera izejas signālu. Lai stimulētais starojums varētu turpināt pastāvēt ierobežotajā darba vielas tilpumā, ir nepieciešams optiskais rezonators, lai panāktu gaismas atlasi un pastiprināšanu.
3. Optiskais rezonators
Tas ir savstarpēji paralēlu atstarojošu spoguļu pāris, kas uzstādīts darba vielas abos galos perpendikulāri galvenajai asij. Viens gals ir pilnīgas atstarošanas spogulis (ar atstarošanas ātrumu 100%), bet otrs gals ir daļēji caurspīdīgs un daļēji atstarojošs spogulis (ar atstarošanas ātrumu no 90% līdz 99%).
Rezonatora funkcijas ir: 1. optiskā pastiprinājuma ģenerēšana un uzturēšana; 2. izejas gaismas virziena izvēle; 3. izejas gaismas viļņa garuma izvēle. Konkrētai darba vielai dažādu faktoru dēļ faktiskais izstarotās gaismas viļņa garums nav unikāls, un spektram ir noteikts platums. Rezonators var veikt frekvences izvēles lomu, uzlabojot lāzera monohromatismu.