La generació dels làsers

La generació dels làsers
La generació de làsers va ser proposada per Einstein el 1916 amb la seva teoria de "l'emissió espontània i estimulada". Aquesta teoria constitueix la base física dels sistemes làser moderns. La interacció entre fotons i àtoms pot conduir a tres processos de transició: absorció estimulada, emissió espontània i emissió estimulada. Sempre que l'emissió estimulada pugui ser sostinguda i estable, es poden obtenir làsers. Per tant, s'han de fabricar dispositius especials, els làsers. La composició d'un làser generalment es compon de tres parts principals: la substància de treball, el dispositiu d'excitació i el ressonador òptic.

1. Substància de treball

La substància d'un làser que pot generar llum làser s'anomena substància de treball. En circumstàncies normals, la distribució dels nombres atòmics de la substància a cada nivell d'energia és una distribució normal. El nombre d'àtoms al nivell d'energia inferior sempre és més gran que al nivell d'energia superior. Per tant, quan la llum passa per l'estat normal de la substància luminescent, el procés d'absorció és dominant i la llum sempre s'afebleix. Per fer que la llum s'enforteixi després de passar per la substància luminescent i aconseguir l'amplificació de la llum, cal fer que l'emissió estimulada sigui dominant. Per fer que el nombre d'àtoms al nivell d'energia superior sigui més gran que al nivell d'energia inferior, aquesta distribució és oposada a la distribució normal i s'anomena inversió del nombre de partícules.
2. Dispositiu d'excitació
La funció del dispositiu d'excitació és excitar àtoms en un nivell d'energia més baix a un nivell d'energia més alt, permetent que la substància de treball aconsegueixi una inversió del nombre de partícules. Els nivells d'energia de la substància inclouen l'estat fonamental i l'estat excitat, així com un estat metaestable. L'estat metaestable és menys estable que l'estat fonamental, però molt més estable que l'estat excitat. Relativament parlant, els àtoms poden romandre en l'estat metaestable durant un període de temps més llarg. Per exemple, els ions de crom (Cr3+) del robí tenen un estat metaestable amb una vida útil de l'ordre de 10-3 segons. Després que la substància de treball s'exciti i aconsegueixi la inversió del nombre de partícules, inicialment, a causa de les diferents direccions de propagació dels fotons emesos per la radiació espontània, els fotons de radiació estimulada també tenen diferents direccions de propagació, i hi ha moltes pèrdues en la sortida i l'absorció; no es pot generar una sortida làser estable. Per permetre que la radiació estimulada continuï existint en el volum limitat de la substància de treball, es necessita un ressonador òptic per aconseguir la selecció i l'amplificació de la llum.
3. Ressonador òptic
Es tracta d'un parell de miralls reflectors mútuament paral·lels instal·lats a tots dos extrems de la substància de treball, perpendiculars a l'eix principal. Un extrem és un mirall de reflexió total (amb una taxa de reflexió del 100%), i l'altre extrem és un mirall parcialment transparent i parcialment reflector (amb una taxa de reflexió del 90% al 99%).
Les funcions del ressonador són: ① generar i mantenir l'amplificació òptica; ② seleccionar la direcció de la llum de sortida; ③ seleccionar la longitud d'ona de la llum de sortida. Per a una substància de treball específica, a causa de diversos factors, la longitud d'ona de la llum emesa real no és única i l'espectre té una amplada determinada. El ressonador pot tenir un paper de selecció de freqüència, millorant la monocromaticitat del làser.