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¿De dónde viene el láser?

Oct 27, 2018

En 1960, el primer láser artificial del mundo perforó la tranquilidad del Laboratorio Sis de California, y el láser de rubí inventado por Theodore Mehman abrió la puerta a la creación humana de láseres y al uso de láseres para transformar el mundo. Desde los últimos cincuenta años, el desarrollo de la ciencia láser ha sido rápido, y la popularización y aplicación de la tecnología láser también ha entrado en la vida de las personas desde todos los aspectos. Pero la mayoría de la gente simplemente sabe que los láseres tienen ese propósito, pero no saben de dónde proviene el láser. Por lo tanto, este artículo explicará el principio de formación de láser en un lenguaje relativamente común.

Para entender el principio de formación de láser, primero entienda cuál es el nivel de energía. En términos simples, un nivel de energía es un estado en el que cada átomo (en realidad un electrón extranuclear) lleva una cierta cantidad de energía, y los diferentes niveles de energía indican que la energía transportada por el átomo es diferente. Cuanto mayor sea el nivel de energía, mayor será la energía de los electrones extranucleares y más fácil será separarse del núcleo. Por el bien de la comprensión, el átomo de hidrógeno más simple de la estructura atómica se toma como ejemplo.

n representa un número cuántico correspondiente al nivel de energía E del átomo. Cuando n = 1, indica el nivel de energía en el estado estacionario del átomo de hidrógeno, que se denomina estado fundamental (nivel E1). n = 2, 3, 4, etc. se denominan estados excitados (nivel de energía E2, nivel de energía E3, nivel de energía E4, etc.). De acuerdo con la teoría del físico danés Bohr, cuando el átomo se encuentra en un estado fundamental estable, si es excitado por el mundo exterior y absorbe la energía externa correspondiente, saltará a un nivel de energía más alto para formar un estado excitado. El átomo es inestable en el estado excitado. Cuando el átomo está en el estado excitado, hace una transición espontánea al nivel de energía más bajo. Después de una o varias transiciones al estado fundamental, la energía correspondiente se libera durante la transición al nivel de energía baja. Esta energía correspondiente existe en forma de fotones de una cierta frecuencia, que se puede calcular a partir del valor en el lado derecho del diagrama de nivel de energía, y la energía del fotón E = hν = Em - En. h es el valor fijo medido por el físico (constante de Planck), ν es la frecuencia del fotón (la frecuencia a la que se libera el fotón desde el estado excitado al estado fundamental, que es la frecuencia de la luz radiada externa, que es el láser cuando se forma el láser. La frecuencia, que determina la longitud de onda del láser λ = c / ν, c es la velocidad de la luz).

Después de entender la estructura del nivel de energía, veamos cómo se forma el láser. Para facilitar la comprensión, se toma como ejemplo el láser de rubí más simple. El láser rubí es un láser de estado sólido. La sustancia de trabajo es una varilla de rubí. La matriz cristalina es Al2O3, que está dopada con 0.05% de Cr2O3. La acción del láser en el rubí se logra mediante el proceso de emisión estimulada de Cr3 + (ión cromo), por lo que el Cr3 + a menudo se denomina ión activador, que es el "cuerpo" del láser producido en el rubí. El componente principal del rubí, la alúmina, es solo una matriz que contiene iones de cromo, que solo tiene un efecto indirecto sobre la acción del láser. Su estructura de nivel de energía es como se muestra:

Cuando la luz de la bomba ilumina el rubí, el ion Cr3 + en el estado fundamental absorbe la luz de una longitud de onda específica y pasa al nivel E3. El ion Cr3 + tiene una vida útil muy corta en este nivel de energía (muy inestable, aproximadamente 10-9 s), y por lo tanto pasa rápidamente a través de la transición de la radiación (la transición sin radiación se refiere al intercambio de energía con el mundo exterior por la colisión atómica es decir, el movimiento térmico dentro del cristal, de modo que el nivel de energía cambia, sin emitir ni absorber fotones, pasa al nivel E2. El nivel de energía E2 tiene una larga vida útil (aproximadamente 3 ms), llamado nivel de energía metaestable, en el que se pueden recolectar más iones Cr3 +. Cuando la bomba externa es lo suficientemente fuerte, se forma una inversión de población entre el nivel E2 y el nivel E1, es decir, el número de iones Cr3 + en el nivel E2 es mayor que el nivel E1. Después de que se realiza la inversión de la población, cada fotón externo con energía hν excitará un átomo en el nivel E2 para hacer la transición al estado fundamental, y liberará un fotón con energía hν, y la energía total del fotón cambiará a 2, 2 cambios 4, 4 cambios 8 ... logrando así el proceso de amplificación (ganancia) de radiación estimulada. Dado que la cavidad óptica tiene una pérdida en la ganancia óptica, el láser se emite solo cuando la ganancia de la amplificación de la radiación estimulada es mayor que las diversas pérdidas en el láser.