1. Princip generování laseru
Struktura atomu je jako malá sluneční soustava s atomovým jádrem uprostřed. Elektrony neustále rotují kolem atomového jádra a atomové jádro se také neustále otáčí.
Jádro se skládá z protonů a neutronů. Protony jsou kladně nabité a neutrony jsou nenabité. Počet kladných nábojů nesených celým jádrem se rovná počtu záporných nábojů nesených všemi elektrony, takže atomy jsou obecně neutrální vůči okolnímu světu.
Pokud jde o hmotnost atomu, jádro koncentruje většinu hmotnosti atomu a hmotnost zabíraná všemi elektrony je velmi malá. V atomové struktuře jádro zabírá jen malý prostor. Elektrony rotují kolem jádra a elektrony mají mnohem větší prostor pro aktivitu.
Atomy mají „vnitřní energii“, která se skládá ze dvou částí: jednou je, že elektrony mají oběžnou rychlost a určitou kinetickou energii; druhou je, že mezi záporně nabitými elektrony a kladně nabitým jádrem je vzdálenost a existuje určité množství potenciální energie. Součet kinetické energie a potenciální energie všech elektronů je energie celého atomu, která se nazývá vnitřní energie atomu.
Všechny elektrony rotují kolem jádra; někdy blíže k jádru je energie těchto elektronů menší; někdy dále od jádra je energie těchto elektronů větší; podle pravděpodobnosti výskytu lidé dělí elektronovou vrstvu na různé „energetické hladiny“; na určité „energetické hladině“ může často obíhat více elektronů a každý elektron nemá pevnou dráhu, ale všechny tyto elektrony mají stejnou hladinu energie; „energetické hladiny“ jsou od sebe izolovány. Ano, jsou izolovány podle energetických hladin. Pojem „energetická hladina“ nejen dělí elektrony na hladiny podle energie, ale také dělí oběžný prostor elektronů na více hladin. Stručně řečeno, atom může mít více energetických hladin a různé energetické hladiny odpovídají různým energiím; některé elektrony obíhají na „nízké energetické hladině“ a některé elektrony obíhají na „vysoké energetické hladině“.
V dnešní době učebnice fyziky pro střední školy jasně vyznačují strukturní vlastnosti určitých atomů, pravidla rozložení elektronů v každé elektronové vrstvě a počet elektronů na různých energetických hladinách.
V atomovém systému se elektrony v podstatě pohybují ve vrstvách, přičemž některé atomy jsou na vysokých energetických hladinách a některé na nízkých. Protože atomy jsou vždy ovlivněny vnějším prostředím (teplotou, elektřinou, magnetismem), jsou elektrony na vysokých energetických hladinách nestabilní a spontánně přecházejí na nízkou energetickou hladinu. Jejich účinek může být absorbován, nebo mohou vyvolat speciální excitační efekty a způsobit „spontánní emisi“. Proto v atomovém systému, když elektrony na vysokých energetických hladinách přecházejí na nízkoenergetické hladiny, dochází ke dvěma projevům: „spontánní emisi“ a „stimulované emisi“.
Spontánní záření, elektrony ve vysokoenergetických stavech jsou nestabilní a pod vlivem vnějšího prostředí (teplota, elektřina, magnetismus) spontánně migrují do nízkoenergetických stavů a přebytečná energie je vyzařována ve formě fotonů. Charakteristickým rysem tohoto druhu záření je, že přechod každého elektronu probíhá nezávisle a je náhodný. Stavy fotonů spontánní emise různých elektronů se liší. Spontánní emise světla je v „nekoherentním“ stavu a má rozptýlené směry. Spontánní záření má však vlastnosti samotných atomů a spektra spontánního záření různých atomů se liší. Když o tom mluvíme, připomíná to lidem základní znalost fyziky: „Každý objekt má schopnost vyzařovat teplo a objekt má schopnost nepřetržitě absorbovat a emitovat elektromagnetické vlny. Elektromagnetické vlny vyzařované teplem mají určité spektrální rozložení. Toto spektrální rozložení souvisí s vlastnostmi samotného objektu a jeho teplotou.“ Důvodem existence tepelného záření je tedy spontánní emise atomů.
Při stimulované emisi přecházejí elektrony na vysokoenergetické hladině na nízkoenergetickou hladinu vlivem „stimulace“ nebo „indukce“ „fotonů vhodných pro dané podmínky“ a vyzařují foton o stejné frekvenci jako dopadající foton. Největším rysem stimulovaného záření je, že fotony generované stimulovaným zářením mají přesně stejný stav jako dopadající fotony, které generují stimulované záření. Jsou v „koherentním“ stavu. Mají stejnou frekvenci a stejný směr a je zcela nemožné tyto dva rozdíly mezi nimi rozlišit. Tímto způsobem se jeden foton prostřednictvím jedné stimulované emise stane dvěma identickými fotony. To znamená, že světlo je zesíleno neboli „zesíleno“.
Nyní si to znovu rozeberme, jaké podmínky jsou potřeba k získání stále častějšího stimulovaného záření?
Za normálních okolností je počet elektronů na vysokých energetických hladinách vždy menší než počet elektronů na nízkých energetických hladinách. Pokud chcete, aby atomy produkovaly stimulované záření, chcete zvýšit počet elektronů na vysokých energetických hladinách, takže potřebujete „čerpací zdroj“, jehož účelem je stimulovat více elektronů. Příliš mnoho elektronů na nízkých energetických hladinách přeskočí na vysoké energetické hladiny, takže počet elektronů na vysokých energetických hladinách bude větší než počet elektronů na nízkých energetických hladinách a dojde k „obrácení počtu částic“. Příliš mnoho elektronů na vysokých energetických hladinách se může udržet jen velmi krátkou dobu. Čas přeskočí na nižší energetickou hladinu, takže se zvýší pravděpodobnost stimulovaného záření.
„Budicí zdroj“ je samozřejmě nastaven pro různé atomy. Ten způsobuje, že elektrony „rezonují“ a umožňuje elektronům s nízkou energií přeskočit na vyšší energetické hladiny. Čtenáři v podstatě pochopí, co je laser? Jak se laser vytváří? Laser je „světelné záření“, které je „buzeno“ atomy objektu působením specifického „budicího zdroje“. Tím je laser.
Čas zveřejnění: 27. května 2024
