1. Princíp generovania laseru
Atómová štruktúra je ako malá slnečná sústava s atómovým jadrom uprostred. Elektróny neustále rotujú okolo atómového jadra a atómové jadro sa tiež neustále otáča.
Jadro sa skladá z protónov a neutrónov. Protóny sú kladne nabité a neutróny sú nenabité. Počet kladných nábojov, ktoré nesie celé jadro, sa rovná počtu záporných nábojov, ktoré nesú všetky elektróny, takže atómy sú vo všeobecnosti neutrálne voči vonkajšiemu svetu.
Čo sa týka hmotnosti atómu, jadro sústreďuje väčšinu hmotnosti atómu a hmotnosť, ktorú zaberajú všetky elektróny, je veľmi malá. V atómovej štruktúre jadro zaberá len malý priestor. Elektróny rotujú okolo jadra a majú oveľa väčší priestor na aktivitu.
Atómy majú „vnútornú energiu“, ktorá sa skladá z dvoch častí: jednou je, že elektróny majú obežnú rýchlosť a určitú kinetickú energiu; druhou je, že medzi záporne nabitými elektrónmi a kladne nabitým jadrom je vzdialenosť a existuje určité množstvo potenciálnej energie. Súčet kinetickej energie a potenciálnej energie všetkých elektrónov je energia celého atómu, ktorá sa nazýva vnútorná energia atómu.
Všetky elektróny rotujú okolo jadra; niekedy bližšie k jadru je energia týchto elektrónov menšia; niekedy ďalej od jadra je energia týchto elektrónov väčšia; podľa pravdepodobnosti výskytu ľudia delia elektrónovú vrstvu na rôzne „energetické hladiny“; na určitej „energetickej hladine“ môže často obiehať viacero elektrónov a každý elektrón nemá pevnú dráhu, ale všetky tieto elektróny majú rovnakú hladinu energie; „energetické hladiny“ sú od seba izolované. Áno, sú izolované podľa energetických hladín. Pojem „energetická hladina“ nielen rozdeľuje elektróny na hladiny podľa energie, ale rozdeľuje aj obežný priestor elektrónov na viacero hladín. Stručne povedané, atóm môže mať viacero energetických hladín a rôzne energetické hladiny zodpovedajú rôznym energiám; niektoré elektróny obiehajú na „nízkej energetickej hladine“ a niektoré elektróny obiehajú na „vysokej energetickej hladine“.
V dnešnej dobe učebnice fyziky pre stredné školy jasne vyznačujú štrukturálne charakteristiky určitých atómov, pravidlá rozloženia elektrónov v každej elektrónovej vrstve a počet elektrónov na rôznych energetických hladinách.
V atómovom systéme sa elektróny v podstate pohybujú vo vrstvách, pričom niektoré atómy sú na vysokých energetických hladinách a niektoré na nízkych. Pretože atómy sú vždy ovplyvnené vonkajším prostredím (teplota, elektrina, magnetizmus), elektróny na vysokých energetických hladinách sú nestabilné a spontánne prechádzajú na nízku energetickú hladinu, ich účinok sa môže absorbovať alebo môžu vyvolať špeciálne excitačné efekty a spôsobiť „spontánnu emisiu“. Preto v atómovom systéme, keď elektróny na vysokých energetických hladinách prechádzajú na nízke energetické hladiny, dochádza k dvom prejavom: „spontánnej emisii“ a „stimulovanej emisii“.
Spontánne žiarenie, elektróny vo vysokoenergetických stavoch sú nestabilné a pod vplyvom vonkajšieho prostredia (teplota, elektrina, magnetizmus) spontánne migrujú do nízkoenergetických stavov a prebytočná energia sa vyžaruje vo forme fotónov. Charakteristickým znakom tohto druhu žiarenia je, že prechod každého elektrónu sa vykonáva nezávisle a je náhodný. Stavy fotónov spontánnej emisie rôznych elektrónov sú odlišné. Spontánna emisia svetla je v „nekoherentnom“ stave a má rozptýlené smery. Spontánne žiarenie má však vlastnosti samotných atómov a spektrá spontánneho žiarenia rôznych atómov sú odlišné. Keď už o tom hovoríme, pripomína to ľuďom základné poznatky z fyziky: „Každý objekt má schopnosť vyžarovať teplo a objekt má schopnosť nepretržite absorbovať a vyžarovať elektromagnetické vlny. Elektromagnetické vlny vyžarované teplom majú určité spektrálne rozloženie. Toto spektrálne rozloženie súvisí s vlastnosťami samotného objektu a jeho teplotou.“ Preto je dôvodom existencie tepelného žiarenia spontánna emisia atómov.
Pri stimulovanej emisii prechádzajú elektróny na vysokej energetickej hladine na nízku energetickú hladinu v dôsledku „stimulácie“ alebo „indukcie“ „fotónov vhodných pre dané podmienky“ a vyžarujú fotón s rovnakou frekvenciou ako dopadajúci fotón. Najväčšou vlastnosťou stimulovaného žiarenia je, že fotóny generované stimulovaným žiarením majú presne rovnaký stav ako dopadajúce fotóny, ktoré generujú stimulované žiarenie. Sú v „koherentnom“ stave. Majú rovnakú frekvenciu a rovnaký smer a je úplne nemožné rozlíšiť tieto dva rozdiely medzi nimi. Týmto spôsobom sa jeden fotón stane dvoma identickými fotónmi prostredníctvom jednej stimulovanej emisie. To znamená, že svetlo je zosilnené alebo „zosilnené“.
Teraz si znova rozoberme, aké podmienky sú potrebné na dosiahnutie čoraz častejšieho stimulovaného žiarenia?
Za normálnych okolností je počet elektrónov na vysokých energetických hladinách vždy menší ako počet elektrónov na nízkych energetických hladinách. Ak chcete, aby atómy produkovali stimulované žiarenie, chcete zvýšiť počet elektrónov na vysokých energetických hladinách, takže potrebujete „pumpovací zdroj“, ktorého účelom je stimulovať viac elektrónov. Príliš veľa elektrónov na nízkych energetických hladinách preskočí na vysoké energetické hladiny, takže počet elektrónov na vysokých energetických hladinách bude väčší ako počet elektrónov na nízkych energetických hladinách a dôjde k „zvratu počtu častíc“. Príliš veľa elektrónov na vysokých energetických hladinách sa tam môže zdržať len veľmi krátko. Čas preskočí na nižšiu energetickú hladinu, takže sa zvýši pravdepodobnosť stimulovaného žiarenia.
Samozrejme, „čerpací zdroj“ je nastavený pre rôzne atómy. Spôsobuje „rezonanciu“ elektrónov a umožňuje viacerým elektrónom s nízkou energetickou hladinou preskočiť na vysokoenergetické hladiny. Čitatelia v podstate pochopia, čo je laser? Ako sa laser vyrába? Laser je „svetelné žiarenie“, ktoré je „excitované“ atómami objektu pôsobením špecifického „čerpacieho zdroja“. Tým je laser.
Čas uverejnenia: 27. mája 2024
