Generácia laserov

Generácia laserov
Generovanie laserov navrhol Einstein v roku 1916 svojou teóriou „spontánnej a stimulovanej emisie“. Táto teória tvorí fyzikálny základ moderných laserových systémov. Interakcia medzi fotónmi a atómami môže viesť k trom prechodným procesom: stimulovanej absorpcii, spontánnej emisii a stimulovanej emisii. Pokiaľ je stimulovaná emisia udržateľná a stabilná, je možné získať lasery. Preto je potrebné vyrobiť špeciálne zariadenia – lasery. Zloženie lasera sa vo všeobecnosti skladá z troch hlavných častí: pracovnej látky, excitačného zariadenia a optického rezonátora.

1. Pracovná látka

Látka v lasere, ktorá dokáže generovať laserové svetlo, sa nazýva pracovná látka. Za normálnych okolností je rozloženie atómových čísel v látke na každej energetickej hladine normálne rozdelenie. Počet atómov na nižšej energetickej hladine je vždy väčší ako počet atómov na vyššej energetickej hladine. Preto, keď svetlo prechádza normálnym stavom luminiscenčnej látky, dominantný je proces absorpcie a svetlo vždy slabne. Aby sa svetlo po prechode luminiscenčnou látkou zosilnilo a dosiahlo sa zosilnenie svetla, je potrebné, aby dominantnou bola stimulovaná emisia. Aby bol počet atómov na vyššej energetickej hladine väčší ako počet atómov na nižšej energetickej hladine, toto rozdelenie je opačné k normálnemu rozdeleniu a nazýva sa inverzia počtu častíc.
2. Budiace zariadenie
Funkciou excitačného zariadenia je excitovať atómy z nižšej energetickej hladiny na vyššiu energetickú hladinu, čo umožňuje pracovnej látke dosiahnuť inverziu počtu častíc. Energetické hladiny látky zahŕňajú základný stav a excitovaný stav, ako aj metastabilný stav. Metastabilný stav je menej stabilný ako základný stav, ale oveľa stabilnejší ako excitovaný stav. Relatívne povedané, atómy môžu zostať v metastabilnom stave dlhší čas. Napríklad ióny chrómu (Cr3+) v rubíne majú metastabilný stav s životnosťou rádovo 10-3 sekúnd. Po excitácii pracovnej látky a dosiahnutí inverzie počtu častíc majú spočiatku, v dôsledku rôznych smerov šírenia fotónov emitovaných spontánnym žiarením, aj fotóny stimulovaného žiarenia rôzne smery šírenia a dochádza k mnohým stratám vo výstupe a absorpcii; nie je možné generovať stabilný laserový výstup. Aby stimulované žiarenie mohlo naďalej existovať v obmedzenom objeme pracovnej látky, je potrebný optický rezonátor na dosiahnutie selekcie a zosilnenia svetla.
3. Optický rezonátor
Ide o dvojicu vzájomne rovnobežných odrazových zrkadiel umiestnených na oboch koncoch pracovnej látky, kolmo na hlavnú os. Jeden koniec je zrkadlo s úplným odrazom (s mierou odrazu 100 %) a druhý koniec je čiastočne priehľadné a čiastočne reflexné zrkadlo (s mierou odrazu 90 % až 99 %).
Funkcie rezonátora sú: 1. generovanie a udržiavanie optického zosilnenia; 2. výber smeru výstupného svetla; 3. výber vlnovej dĺžky výstupného svetla. Pre konkrétnu pracovnú látku nie je skutočná vlnová dĺžka vyžarovaného svetla v dôsledku rôznych faktorov jedinečná a spektrum má určitú šírku. Rezonátor môže zohrávať úlohu výberu frekvencie, čím sa zlepšuje monochromatickosť laseru.