1960 년 세계 최초의 인공 레이저가 Californian Sis Lab의 평온함을 뚫었으며 Theodore Mehman이 발명 한 루비 레이저는 인간의 레이저 생성 및 세계를 변형시키는 레이저 사용에 대한 문호를 열었습니다. 지난 50 년 이래로 레이저 과학의 발전은 빨라졌으며 레이저 기술의 대중화와 응용 또한 모든면에서 사람들의 삶에 들어 섰습니다. 그러나 대부분의 사람들은 레이저가 그러한 목적을 가지고 있음을 알고 있지만 레이저가 어떻게 발생했는지 알지 못합니다. 따라서이 기사에서는 비교적 일반적인 언어로 레이저 형성 원리를 설명합니다.
레이저 형성 원리를 이해하려면 먼저 에너지 수준이 무엇인지 이해하십시오. 간단히 말하면, 에너지 준위는 각 원자 (실제로 핵외 전자)가 일정량의 에너지를 전달하는 상태이며, 상이한 에너지 준위는 원자에 의해 운반되는 에너지가 다른 것을 나타낸다. 에너지 레벨이 높을수록 핵외 전자의 에너지가 높아지고 핵에서 이탈하는 것이 쉬워집니다. 이해를 위해서, 원자 구조의 가장 간단한 수소 원자가 예로서 취해진 다.
n은 원자의 에너지 준위 E에 해당하는 양자 수를 나타낸다. n = 1 일 때, 이는 수소 원자의 정상 상태에서의 에너지 레벨을 나타내며, 이는 기저 상태 (E1 레벨)로 불린다. n = 2, 3, 4 등을 여기 상태 (E2 에너지 준위, E3 에너지 준위, E4 에너지 준위 등)라고합니다. 덴마크 물리학 자 보어 (Bohr)의 이론에 따르면, 원자가 안정된 바닥 상태에있을 때 외부 세계에 의해 흥분되고 해당 외부 에너지를 흡수하면 더 높은 에너지 레벨로 이동하여 여기 상태를 형성하게됩니다. 원자는 여기 상태에서 불안정합니다. 원자가 여기 상태에있을 때, 그것은 자발적으로 낮은 에너지 준위로 천이한다. 바닥 상태로 한 번 또는 여러 번 이동 한 후 해당 에너지가 저에너지 레벨로 전환되는 동안 해제됩니다. 이 상응하는 에너지는 에너지 준위도의 오른쪽에있는 값과 광자 에너지 E = hν = Em-En에서 계산할 수있는 특정 주파수의 광자 형태로 존재합니다. h는 물리학 자에 의해 측정 된 고정 값 (플랑크 상수), ν는 광자의 주파수 (외부 방사 된 빛의 주파수 인 광자가 여기 상태에서 바닥 상태로 방출되는 빈도, 레이저가 형성 될 때의 레이저이다. 레이저의 파장을 결정하는 주파수 λ = c / v, c는 빛의 속도이다.
에너지 수준 구조를 이해 한 후에 레이저가 어떻게 형성되는지 봅시다. 쉽게 이해할 수 있도록 가장 간단한 루비 레이저를 예로 들어 설명합니다. 루비 레이저는 고체 레이저입니다. 작동 물질은 루비로드입니다. 결정 매트릭스는 0.05 % Cr2O3로 도핑 된 Al2O3이다. 루비의 레이저 작용은 Cr3 + (크롬 이온)의 유도 방출 과정에 의해 이루어 지므로 Cr3 +는 종종 루비에서 생성 된 레이저의 "몸체"인 활성화 이온이라고합니다. 루비의 주성분 인 알루미나는 크롬 이온을 포함하는 매트릭스로 레이저 작용에만 간접적 인 영향을 미칩니다. 그것의 에너지 수준 구조는 다음과 같습니다 :
펌프 광이 루비를 비추면 기저 상태의 Cr3 + 이온은 특정 파장의 빛을 흡수하고 E3 수준으로 전이합니다. Cr3 + 이온은이 에너지 수준 (매우 불안정, 약 10-9 초)에서 매우 짧은 수명을 가지며, 따라서 신속하게 방사선 천이를 통과합니다 (무 복사 천이는 원자 충돌에 의한 외부 세계와의 에너지 교환을 말하며, 즉 결정 내부의 열 운동으로 인해 에너지 수준이 변하고 광자를 방출하거나 흡수하지 않음)는 E2 레벨로 전환됩니다. E2 에너지 준위는 더 긴 Cr3 + 이온이 모일 수있는 준 안정 에너지 준위 (metastable energy level)라고하는 긴 수명 (약 3ms)을 갖는다. 외부 펌프가 충분히 강하면, E2 레벨과 E1 레벨 사이에 모집단 반전이 형성된다. 즉, E2 레벨의 Cr3 + 이온의 수는 E1 레벨보다 크다. 집단 반전이 실현 된 후에, 에너지 hν를 갖는 각각의 외부 광자는 E2 레벨에서 원자를 여기시켜 기저 상태로 전이시키고, 에너지 hν를 갖는 광자를 방출하며, 총 광자 에너지는 2, 2로 변경 될 것이다 변화 4, 4 변화 8 ... 따라서 자극 방사선 증폭 (이득) 프로세스를 달성. 광학 공동이 광학 이득에서 손실을 가지기 때문에, 자극 된 방사선 증폭의 이득이 레이저의 다양한 손실보다 큰 경우에만 레이저가 출력된다.
