1. Principiul generării laserului
Structura atomică este ca un mic sistem solar, cu nucleul atomic în mijloc. Electronii se rotesc constant în jurul nucleului atomic, iar nucleul atomic se rotește și el constant.
Nucleul este compus din protoni și neutroni. Protonii sunt încărcați pozitiv, iar neutronii sunt neîncărcați. Numărul de sarcini pozitive purtate de întregul nucleu este egal cu numărul de sarcini negative purtate de electronii întregi, deci, în general, atomii sunt neutri față de lumea exterioară.
În ceea ce privește masa unui atom, nucleul concentrează cea mai mare parte a masei atomului, iar masa ocupată de toți electronii este foarte mică. În structura atomică, nucleul ocupă doar un spațiu mic. Electronii se rotesc în jurul nucleului, iar electronii au un spațiu mult mai mare pentru activitate.
Atomii au „energie internă”, care constă din două părți: una este că electronii au o viteză de rotație și o anumită energie cinetică; cealaltă este că există o distanță între electronii încărcați negativ și nucleul încărcat pozitiv și există o anumită cantitate de energie potențială. Suma energiei cinetice și a energiei potențiale a tuturor electronilor este energia întregului atom, care se numește energia internă a atomului.
Toți electronii se rotesc în jurul nucleului; uneori, cu cât mai aproape de nucleu, energia acestor electroni este mai mică; alteori, cu cât mai departe de nucleu, energia acestor electroni este mai mare; în funcție de probabilitatea de apariție, oamenii împart stratul de electroni în diferite „niveluri de energie”; La un anumit „nivel de energie”, pot exista mai mulți electroni care orbitează frecvent, iar fiecare electron nu are o orbită fixă, dar toți acești electroni au același nivel de energie; „nivelurile de energie” sunt izolate unele de altele. Da, ele sunt izolate în funcție de nivelurile de energie. Conceptul de „nivel de energie” nu numai că împarte electronii în niveluri în funcție de energie, ci împarte și spațiul orbital al electronilor în mai multe niveluri. Pe scurt, un atom poate avea mai multe niveluri de energie, iar diferite niveluri de energie corespund unor energii diferite; unii electroni orbitează la un „nivel de energie scăzut”, iar alții la un „nivel de energie ridicat”.
În zilele noastre, manualele de fizică pentru gimnaziu au evidențiat clar caracteristicile structurale ale anumitor atomi, regulile de distribuție a electronilor în fiecare strat de electroni și numărul de electroni la diferite niveluri de energie.
Într-un sistem atomic, electronii se mișcă practic în straturi, unii atomi având niveluri de energie ridicate, iar alții la niveluri de energie scăzute; deoarece atomii sunt întotdeauna afectați de mediul extern (temperatură, electricitate, magnetism), electronii cu nivel de energie ridicată sunt instabili și vor trece spontan la un nivel de energie scăzut, efectul lor putând fi absorbit sau putând produce efecte speciale de excitație și provocând „emisie spontană”. Prin urmare, în sistemul atomic, atunci când electronii cu nivel de energie ridicată trec la niveluri de energie scăzute, vor exista două manifestări: „emisie spontană” și „emisie stimulată”.
Radiația spontană, electronii aflați în stări de energie înaltă sunt instabili și, sub influența mediului extern (temperatură, electricitate, magnetism), migrează spontan către stări de energie scăzută, iar excesul de energie este radiat sub formă de fotoni. Caracteristica acestui tip de radiație este că tranziția fiecărui electron se realizează independent și este aleatorie. Stările fotonice de emisie spontană a diferiților electroni sunt diferite. Emisia spontană a luminii este într-o stare „incoerentă” și are direcții împrăștiate. Cu toate acestea, radiația spontană are caracteristicile atomilor înșiși, iar spectrele radiației spontane a diferiților atomi sunt diferite. Vorbind despre aceasta, oamenii reamintesc o cunoaștere de bază din fizică: „Orice obiect are capacitatea de a radia căldură, iar obiectul are capacitatea de a absorbi și emite continuu unde electromagnetice. Undele electromagnetice radiate de căldură au o anumită distribuție spectrală. Această distribuție spectrală este legată de proprietățile obiectului în sine și de temperatura sa.” Prin urmare, motivul existenței radiației termice este emisia spontană a atomilor.
În emisia stimulată, electronii cu nivel de energie ridicată trec la un nivel de energie scăzută sub „stimularea” sau „inducția” unor „fotoni potriviți condițiilor” și radiază un foton de aceeași frecvență ca și fotonul incident. Cea mai importantă caracteristică a radiației stimulate este că fotonii generați de radiația stimulată au exact aceeași stare ca și fotonii incidenți care generează radiația stimulată. Aceștia se află într-o stare „coerentă”. Au aceeași frecvență și aceeași direcție și este complet imposibil să se distingă cele două diferențe dintre acestea. În acest fel, un foton devine doi fotoni identici printr-o singură emisie stimulată. Aceasta înseamnă că lumina este intensificată sau „amplificată”.
Acum să analizăm din nou, ce condiții sunt necesare pentru a obține radiații stimulate din ce în ce mai frecvente?
În circumstanțe normale, numărul de electroni aflați la niveluri de energie ridicate este întotdeauna mai mic decât numărul de electroni aflați la niveluri de energie scăzute. Dacă doriți ca atomii să producă radiații stimulate, doriți să creșteți numărul de electroni aflați la niveluri de energie ridicate, deci aveți nevoie de o „sursă de pompă”, al cărei scop este de a stimula mai mulți electroni. Prea mulți electroni de nivel de energie scăzută sar la niveluri de energie ridicată, astfel încât numărul de electroni de nivel de energie ridicată va fi mai mare decât numărul de electroni de nivel de energie scăzută și va avea loc o „inversare a numărului de particule”. Prea mulți electroni de nivel de energie ridicată pot rămâne doar pentru o perioadă foarte scurtă de timp. Timpul va sări la un nivel de energie mai scăzut, astfel încât posibilitatea emisiei stimulate de radiații va crește.
Desigur, „sursa de pompare” este setată pentru diferiți atomi. Aceasta face ca electronii să „rezoneze” și să permită mai multor electroni de nivel scăzut de energie să sară la niveluri ridicate de energie. Cititorii pot înțelege, în principiu, ce este laserul? Cum este produs laserul? Laserul este „radiație luminoasă” care este „excitată” de atomii unui obiect sub acțiunea unei „surse de pompare” specifice. Acesta este laserul.
Data publicării: 27 mai 2024
