Τι είναι ένα λέιζερ; Η αρχή της παραγωγής λέιζερ

Το λέιζερ είναι μια από τις σημαντικές εφευρέσεις της ανθρωπότητας, γνωστό ως το «λαμπρότερο φως». Στην καθημερινή ζωή, μπορούμε συχνά να δούμε διάφορες εφαρμογές του λέιζερ, όπως η αισθητική με λέιζερ, η συγκόλληση με λέιζερ, τα λέιζερ για την καταπολέμηση κουνουπιών και ούτω καθεξής. Σήμερα, ας κατανοήσουμε λεπτομερώς τα λέιζερ και τις αρχές πίσω από τη δημιουργία τους.

Τι είναι ένα λέιζερ;

Το λέιζερ είναι μια πηγή φωτός που χρησιμοποιεί ένα λέιζερ για να παράγει μια ειδική δέσμη φωτός. Ένα λέιζερ παράγει φως λέιζερ εισάγοντας ενέργεια από μια εξωτερική πηγή φωτός ή πηγή ισχύος στο υλικό μέσω της διαδικασίας της διεγερμένης ακτινοβολίας.

Ένα λέιζερ είναι μια οπτική συσκευή που αποτελείται από ένα ενεργό μέσο (όπως αέριο, στερεό ή υγρό) που μπορεί να ενισχύσει το φως και έναν οπτικό ανακλαστήρα. Το ενεργό μέσο σε ένα λέιζερ είναι συνήθως ένα επιλεγμένο και επεξεργασμένο υλικό και τα χαρακτηριστικά του καθορίζουν το μήκος κύματος εξόδου του λέιζερ.

Το φως που παράγεται από τα λέιζερ έχει πολλά μοναδικά χαρακτηριστικά:

Καταρχάς, τα λέιζερ είναι μονοχρωματικό φως με πολύ αυστηρές συχνότητες και μήκη κύματος, τα οποία μπορούν να καλύψουν ορισμένες ειδικές οπτικές ανάγκες.

Δεύτερον, το λέιζερ είναι συνεκτικό φως και η φάση των φωτεινών κυμάτων είναι πολύ συνεπής, γεγονός που μπορεί να διατηρήσει σχετικά σταθερή ένταση φωτός σε μεγάλες αποστάσεις.

Τρίτον, τα λέιζερ είναι φως υψηλής κατευθυντικότητας με πολύ στενές δέσμες και εξαιρετική εστίαση, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επίτευξη υψηλής χωρικής ανάλυσης.

Το λέιζερ είναι μια πηγή φωτός

Η αρχή της παραγωγής λέιζερ

Η παραγωγή λέιζερ περιλαμβάνει τρεις βασικές φυσικές διεργασίες: διεγερμένη ακτινοβολία, αυθόρμητη εκπομπή και διεγερμένη απορρόφηση.

Sδιεγερμένη ακτινοβολία

Η διεγερμένη ακτινοβολία είναι το κλειδί για την παραγωγή λέιζερ. Όταν ένα ηλεκτρόνιο σε υψηλό ενεργειακό επίπεδο διεγείρεται από ένα άλλο φωτόνιο, εκπέμπει ένα φωτόνιο με την ίδια ενέργεια, συχνότητα, φάση, κατάσταση πόλωσης και κατεύθυνση διάδοσης προς την κατεύθυνση αυτού του φωτονίου. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διεγερμένη ακτινοβολία. Δηλαδή, ένα φωτόνιο μπορεί να «κλωνοποιήσει» ένα πανομοιότυπο φωτόνιο μέσω της διαδικασίας της διεγερμένης ακτινοβολίας, επιτυγχάνοντας έτσι ενίσχυση του φωτός.

Sαυθόρμητη εκπομπή

Όταν το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου, ιόντος ή μορίου μεταβαίνει από ένα υψηλό ενεργειακό επίπεδο σε ένα χαμηλό ενεργειακό επίπεδο, απελευθερώνει φωτόνια μιας ορισμένης ποσότητας ενέργειας, η οποία ονομάζεται αυθόρμητη εκπομπή. Η εκπομπή τέτοιων φωτονίων είναι τυχαία και δεν υπάρχει συνοχή μεταξύ των εκπεμπόμενων φωτονίων, πράγμα που σημαίνει ότι η φάση, η κατάσταση πόλωσης και η κατεύθυνση διάδοσής τους είναι όλα τυχαία.

Sδιεγερμένη απορρόφηση

Όταν ένα ηλεκτρόνιο σε χαμηλό ενεργειακό επίπεδο απορροφά ένα φωτόνιο με διαφορά ενεργειακού επιπέδου ίση με τη δική του, μπορεί να διεγερθεί σε υψηλό ενεργειακό επίπεδο. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται διεγερμένη απορρόφηση.

Στα λέιζερ, μια συντονισμένη κοιλότητα που αποτελείται από δύο παράλληλα κάτοπτρα χρησιμοποιείται συνήθως για την ενίσχυση της διέγερσης της ακτινοβολίας. Ο ένας καθρέφτης είναι καθρέφτης ολικής ανάκλασης και ο άλλος καθρέφτης είναι καθρέφτης ημι-ανάκλασης, ο οποίος μπορεί να επιτρέψει σε ένα μέρος του λέιζερ να διέλθει.

Τα φωτόνια στο μέσο λέιζερ ανακλώνται μπρος-πίσω μεταξύ δύο κατόπτρων και κάθε ανάκλαση παράγει περισσότερα φωτόνια μέσω της διεγείρουσας διαδικασίας ακτινοβολίας, επιτυγχάνοντας έτσι ενίσχυση του φωτός. Όταν η ένταση του φωτός αυξάνεται σε κάποιο βαθμό, παράγεται λέιζερ μέσω ενός ημιανακλαστικού κατόπτρου.