Lazerių generavimas

Lazerių generavimas
Lazerių generavimo teoriją 1916 m. pasiūlė Einšteinas, suformulavęs „savaiminės ir stimuliuojamos emisijos“ teoriją. Ši teorija sudaro šiuolaikinių lazerinių sistemų fizinį pagrindą. Fotonų ir atomų sąveika gali sukelti tris pereinamuosius procesus: stimuliuojamą absorbciją, savaiminę emisiją ir stimuliuojamą emisiją. Kol stimuliuojama emisija yra stabili ir ilgalaikė, galima gauti lazerius. Todėl reikia gaminti specialius įrenginius – lazerius. Lazerio sudėtį paprastai sudaro trys pagrindinės dalys: darbinė medžiaga, sužadinimo įtaisas ir optinis rezonatorius.

1. Darbinė medžiaga

Lazeryje esanti medžiaga, galinti generuoti lazerio šviesą, vadinama darbine medžiaga. Normaliomis sąlygomis atomų skaičiaus pasiskirstymas medžiagoje kiekviename energijos lygmenyje yra normalusis pasiskirstymas. Atomų skaičius žemesniame energijos lygmenyje visada yra didesnis nei aukštesniame energijos lygmenyje. Todėl, kai šviesa praeina pro normaliąją liuminescencinės medžiagos būseną, dominuoja absorbcijos procesas, o šviesa visada silpnėja. Norint, kad šviesa, praėjusi pro liuminescencinę medžiagą, sustiprėtų ir būtų pasiektas šviesos sustiprinimas, būtina, kad vyrautų stimuliuojamoji emisija. Kad atomų skaičius aukštesniame energijos lygmenyje būtų didesnis nei žemesniame energijos lygmenyje, šis pasiskirstymas yra priešingas normaliajam pasiskirstymui ir vadinamas dalelių skaičiaus inversija.
2. Sužadinimo įtaisas
Sužadinimo įrenginio funkcija – sužadinti atomus, kurių energijos lygis žemesnis, į aukštesnį, taip įgalinant darbinę medžiagą pasiekti dalelių skaičiaus inversiją. Medžiagos energijos lygmenys apima pagrindinę būseną, sužadintą būseną ir metastabilią būseną. Metastabili būsena yra mažiau stabili nei pagrindinė būsena, bet daug stabilesnė nei sužadinta būsena. Santykinai kalbant, atomai gali išlikti metastabilioje būsenoje ilgesnį laiką. Pavyzdžiui, chromo jonai (Cr3+) rubine turi metastabilią būseną, kurios gyvavimo laikas yra apie 10⁻³ sekundžių. Sužadinus darbinę medžiagą ir pasiekus dalelių skaičiaus inversiją, iš pradžių dėl skirtingų savaiminės spinduliuotės skleidžiamų fotonų sklidimo krypčių stimuliuojamos spinduliuotės fotonai taip pat sklinda skirtingai, todėl patiriami dideli išėjimo ir sugerties nuostoliai; negalima generuoti stabilios lazerio išėjimo. Kad stimuliuojama spinduliuotė galėtų toliau egzistuoti ribotame darbinės medžiagos tūryje, reikalingas optinis rezonatorius, kuris užtikrintų šviesos atranką ir stiprinimą.
3. Optinis rezonatorius
Tai pora vienas kitam lygiagrečių atspindinčių veidrodžių, sumontuotų abiejuose darbinės medžiagos galuose, statmenai pagrindinei ašiai. Vienas galas yra visiško atspindžio veidrodis (100 % atspindžio rodiklis), o kitas galas yra iš dalies skaidrus ir iš dalies atspindintis veidrodis (90–99 % atspindžio rodiklis).
Rezonatoriaus funkcijos: 1. optinio stiprinimo generavimas ir palaikymas; 2. išėjimo šviesos krypties pasirinkimas; 3. išėjimo šviesos bangos ilgio pasirinkimas. Dėl įvairių veiksnių, konkrečiai darbinei medžiagai skleidžiamos šviesos bangos ilgis nėra unikalus, o spektras turi tam tikrą plotį. Rezonatorius gali atlikti dažnio pasirinkimo vaidmenį, todėl lazerio monochromatinis spinduliavimas yra geresnis.