En 1960, le premier laser artificiel au monde a percé la tranquillité du Sis Lab californien, et le laser au rubis inventé par Theodore Mehman a ouvert la porte à la création humaine de lasers et à l'utilisation de lasers pour transformer le monde. Depuis cinquante ans, le développement de la science laser a été rapide et la vulgarisation et l’application de la technologie laser ont également pénétré la vie des gens sous tous ses aspects. Mais la plupart des gens savent simplement que les lasers ont un tel objectif, mais ils ne savent pas comment le laser est né. Par conséquent, cet article expliquera le principe de la formation de laser dans un langage relativement commun.
Pour comprendre le principe de la formation du laser, commencez par comprendre quel est le niveau d'énergie. En termes simples, un niveau d'énergie est un état dans lequel chaque atome (en réalité un électron extranucléaire) transporte une certaine quantité d'énergie, et des niveaux d'énergie différents indiquent que l'énergie transportée par l'atome est différente. Plus le niveau d'énergie est élevé, plus l'énergie des électrons extranucléaires est élevée et plus il est facile de se séparer du noyau. Par souci de compréhension, l’atome d’hydrogène le plus simple de la structure atomique est pris comme exemple.
n représente un nombre quantique correspondant au niveau d'énergie E de l'atome. Lorsque n = 1, il indique le niveau d'énergie dans l'état d'équilibre de l'atome d'hydrogène, appelé état fondamental (niveau E1). n = 2, 3, 4, etc. sont appelés états excités (niveau d'énergie E2, niveau d'énergie E3, niveau d'énergie E4, etc.). Selon la théorie du physicien danois Bohr, lorsque l'atome est dans un état fondamental stable, s'il est excité par le monde extérieur et absorbe l'énergie externe correspondante, il passera à un niveau d'énergie supérieur pour former un état excité. L'atome est instable à l'état excité. Lorsque l'atome est à l'état excité, il passe spontanément au niveau d'énergie inférieur. Après une ou plusieurs transitions à l'état fondamental, l'énergie correspondante est libérée lors de la transition vers le niveau d'énergie faible. Cette énergie correspondante existe sous la forme de photons d'une certaine fréquence, qui peut être calculée à partir de la valeur située à droite du diagramme de niveaux d'énergie, et de l'énergie des photons E = hν = Em - En. h est la valeur fixe mesurée par le physicien (constante de Planck), ν est la fréquence du photon (la fréquence à laquelle le photon est libéré de l'état excité à l'état fondamental, qui est la fréquence de la lumière externe émise, qui est le laser lors de la formation du laser. La fréquence qui détermine la longueur d'onde du laser λ = c / ν, c est la vitesse de la lumière).
Après avoir compris la structure du niveau d’énergie, voyons comment se forme le laser. Pour faciliter la compréhension, le laser ruby le plus simple est pris comme exemple. Le laser ruby est un laser à l'état solide. La substance de travail est une tige de rubis. La matrice cristalline est Al2O3, qui est dopé avec 0,05% de Cr2O3. L'action du laser sur le rubis est obtenue par le processus d'émission stimulée de Cr3 + (ion chrome). C'est pourquoi on appelle souvent Cr3 + l'ion activant, qui est le "corps" du laser produit en rubis. Le composant principal du rubis, l'alumine, n'est qu'une matrice contenant des ions de chrome, qui n'a qu'un effet indirect sur l'action du laser. Sa structure de niveau d'énergie est la suivante:
Lorsque la lumière de la pompe illumine le rubis, l'ion Cr3 + à l'état fondamental absorbe la lumière d'une longueur d'onde spécifique et passe au niveau E3. L'ion Cr3 + a une durée de vie très courte à ce niveau d'énergie (très instable, environ 10 à 9 s) et passe donc rapidement à travers la transition de rayonnement (la transition sans rayonnement fait référence à l'échange d'énergie avec le monde extérieur par la collision atomique, c'est-à-dire le mouvement thermique à l'intérieur du cristal, de sorte que le niveau d'énergie change, n'émettant ni n'absorbe de photons) et passe au niveau E2. Le niveau d'énergie E2 a une longue durée de vie (environ 3 ms), appelé niveau d'énergie métastable, auquel plus d'ions Cr3 + peuvent être collectés. Lorsque la pompe externe est suffisamment puissante, une inversion de population se forme entre le niveau E2 et le niveau E1, c'est-à-dire que le nombre d'ions Cr3 + au niveau E2 est supérieur au niveau E1. Une fois que l’inversion de population est réalisée, chaque photon externe d’énergie hν excite un atome au niveau E2 pour le faire passer à l’état fondamental et libère un photon d’énergie hν. L’énergie totale du photon passe à 2, 2. changements 4, 4 changements 8 ... réalisant ainsi le processus d’amplification (gain) de rayonnement stimulé. Comme la cavité optique a une perte sur le gain optique, le laser n'est sorti que lorsque le gain de l'amplification du rayonnement stimulé est supérieur aux différentes pertes dans le laser.
