1. Принцип лазерної генерації
Структура атома подібна до маленької сонячної системи, з атомним ядром посередині. Електрони постійно обертаються навколо атомного ядра, і атомне ядро також постійно обертається.
Ядро складається з протонів і нейтронів. Протони позитивно заряджені, а нейтрони – незаряджені. Кількість позитивних зарядів, що несе все ядро, дорівнює кількості негативних зарядів, що несе всі електрони, тому атоми загалом нейтральні до зовнішнього світу.
Що стосується маси атома, то ядро зосереджує більшу частину маси атома, а маса, яку займають усі електрони, дуже мала. В атомній структурі ядро займає лише невеликий простір. Електрони обертаються навколо ядра, і електрони мають набагато більший простір для активності.
Атоми мають «внутрішню енергію», яка складається з двох частин: перша полягає в тому, що електрони мають орбітальну швидкість і певну кінетичну енергію; інша полягає в тому, що між негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженим ядром існує відстань, а також певна потенційна енергія. Сума кінетичної енергії та потенційної енергії всіх електронів є енергією всього атома, яка називається внутрішньою енергією атома.
Усі електрони обертаються навколо ядра; іноді ближче до ядра енергія цих електронів менша; іноді далі від ядра енергія цих електронів більша; відповідно до ймовірності виникнення, люди поділяють електронний шар на різні «енергетичні рівні»; на певному «енергетичному рівні» може часто обертатися кілька електронів, і кожен електрон не має фіксованої орбіти, але всі ці електрони мають однаковий рівень енергії; «енергетичні рівні» ізольовані один від одного. Так, вони ізольовані відповідно до енергетичних рівнів. Поняття «енергетичного рівня» не тільки поділяє електрони на рівні відповідно до енергії, але й поділяє орбітальний простір електронів на кілька рівнів. Коротше кажучи, атом може мати кілька енергетичних рівнів, і різні енергетичні рівні відповідають різним енергіям; деякі електрони обертаються на «низькому енергетичному рівні», а деякі електрони обертаються на «високому енергетичному рівні».
Сьогодні в підручниках з фізики для середньої школи чітко позначені структурні характеристики певних атомів, правила розподілу електронів у кожному електронному шарі та кількість електронів на різних енергетичних рівнях.
В атомній системі електрони рухаються шарами, причому деякі атоми знаходяться на високих енергетичних рівнях, а деякі - на низьких; оскільки на атоми завжди впливає зовнішнє середовище (температура, електрика, магнетизм), електрони на високих енергетичних рівнях нестабільні та спонтанно переходять на низький енергетичний рівень, їхній вплив може поглинатися, або ж вони можуть створювати спеціальні ефекти збудження та спричиняти «спонтанне випромінювання». Тому в атомній системі, коли електрони на високих енергетичних рівнях переходять на низькі енергетичні рівні, спостерігаються два прояви: «спонтанне випромінювання» та «вимушене випромінювання».
Спонтанне випромінювання, електрони у високоенергетичних станах нестабільні та під впливом зовнішнього середовища (температури, електрики, магнетизму) спонтанно мігрують у низькоенергетичні стани, а надлишок енергії випромінюється у вигляді фотонів. Характерною рисою цього виду випромінювання є те, що перехід кожного електрона здійснюється незалежно та є випадковим. Фотонні стани спонтанного випромінювання різних електронів різні. Спонтанне випромінювання світла знаходиться в «некогерентному» стані та має розсіяні напрямки. Однак спонтанне випромінювання має характеристики самих атомів, а спектри спонтанного випромінювання різних атомів різні. Говорячи про це, варто нагадати людям про базові знання з фізики: «Будь-який об'єкт має здатність випромінювати тепло, а також об'єкт має здатність безперервно поглинати та випромінювати електромагнітні хвилі. Електромагнітні хвилі, що випромінюються теплом, мають певний розподіл спектру. Цей розподіл пов'язаний з властивостями самого об'єкта та його температурою». Отже, причиною існування теплового випромінювання є спонтанне випромінювання атомів.
При стимульованому випромінюванні електрони високоенергетичних рівнів переходять на низькоенергетичний рівень під дією «стимуляції» або «індукції» «фотонів, відповідних умов», та випромінюють фотон тієї ж частоти, що й падаючий фотон. Найголовнішою особливістю стимульованого випромінювання є те, що фотони, що генеруються стимульованим випромінюванням, мають точно такий самий стан, як і падаючі фотони, які генерують стимульоване випромінювання. Вони знаходяться в «когерентному» стані. Вони мають однакову частоту та той самий напрямок, і розрізнити ці дві відмінності між ними абсолютно неможливо. Таким чином, один фотон стає двома однаковими фотонами через одне стимульоване випромінювання. Це означає, що світло посилюється або «підсилюється».
Тепер давайте ще раз проаналізуємо, які умови потрібні для того, щоб отримати все частіше і частіше вимушене випромінювання?
За нормальних обставин кількість електронів на високих енергетичних рівнях завжди менша, ніж кількість електронів на низьких енергетичних рівнях. Якщо ви хочете, щоб атоми виробляли вимушене випромінювання, вам потрібно збільшити кількість електронів на високих енергетичних рівнях, тому вам потрібне «джерело накачування», метою якого є стимулювання більшої кількості електронів. Занадто багато електронів на низьких енергетичних рівнях перестрибують на високі енергетичні рівні, тому кількість електронів на високих енергетичних рівнях буде більшою, ніж кількість електронів на низьких енергетичних рівнях, і відбудеться «зворотне число частинок». Занадто багато електронів на високих енергетичних рівнях можуть залишатися лише дуже короткий час. Час перестрибне на нижчий енергетичний рівень, тому ймовірність вимушеного випромінювання випромінювання зросте.
Звичайно, «джерело накачування» налаштовується для різних атомів. Воно змушує електрони «резонувати» та дозволяє більшій кількості електронів з низькими енергетичними рівнями переходити на високі. Читачі можуть загалом зрозуміти, що таке лазер? Як виробляється лазер? Лазер – це «світлове випромінювання», яке «збуджується» атомами об'єкта під дією певного «джерела накачування». Це лазер.
Час публікації: 27 травня 2024 р.
