El láser se refiere a una gran cantidad de fotones con exactamente las mismas características generadas por la transición de electrones metaestables en átomos desde niveles de alta energía a niveles de baja energía bajo la excitación de fotones incidentes. El proceso de generación de láser es el proceso de amplificación de luz de radiación estimulada, es decir, el material de trabajo del láser absorbe energía externa, lo que hace que cada vez más partículas en el nivel de alta energía del material de trabajo pasen al nivel de baja energía y, al mismo tiempo, se liberan fotones y los fotones pasan a través de la resonancia. La oscilación y amplificación continuas en la cavidad forman un láser. Por lo tanto, para generar láser, se deben cumplir tres condiciones: material de trabajo del láser, fuente de excitación externa y cavidad resonante óptica.
En el estado de equilibrio térmico, las partículas, como los átomos, en los medios generales satisfacen la distribución de Boltzmann, es decir, la densidad numérica de partículas en niveles de energía bajos es mayor que en niveles de energía altos. Para generar luz láser, primero se debe cambiar la distribución de partículas de modo que la densidad numérica de partículas en niveles de energía altos sea mayor que en niveles de energía bajos. Este estado de distribución se denomina "inversión del número de partículas". La inversión del número de partículas solo se puede lograr en medios especiales, y actualmente solo se encuentran unos pocos cientos de medios de este tipo en la naturaleza. Solo estos medios especiales pueden servir como sustancia de trabajo del láser, también conocido como medio de activación. Son las condiciones necesarias para la generación del láser.
Además, las partículas en estado excitado también deben tener una vida útil lo suficientemente larga. En el material de trabajo del láser, la vida útil promedio de una determinada partícula en estado excitado es particularmente larga, hasta 10^-3 segundos o incluso 1 segundo, lo que se denomina "estado metaestable". Solo en el estado metaestable se puede lograr la inversión del número de partículas, proporcionando así las condiciones necesarias para la generación de luz láser.
Para lograr la inversión del número de partículas entre los niveles de energía superior e inferior del material de trabajo, se debe proporcionar energía desde el exterior para excitar las partículas del nivel de energía bajo al nivel de energía alto. Este proceso se llama "bombeo" o "bombeo". Las sustancias que proporcionan energía para realizar esta función son fuentes de estimulación. Las líneas espectrales emitidas por la fuente de excitación deben coincidir con las líneas espectrales de absorción del material de trabajo tanto como sea posible, para lograr la máxima conversión de energía. Los métodos de excitación comunes generalmente incluyen excitación óptica, excitación eléctrica, excitación química, excitación nuclear, excitación térmica, etc.
La fuente de excitación puede hacer que el material de trabajo logre una inversión del número de partículas, pero para producir un láser de alta pureza, la radiación estimulada debe ser mucho mayor que la emisión espontánea del material (el ruido de fondo del láser) para garantizar que la densidad numérica de fotones en un espectro específico sea lo suficientemente alta. Para esto se requiere un resonador óptico.
La cavidad resonante óptica no solo puede proporcionar la retroalimentación óptica necesaria para la oscilación de los fotones láser, sino que también limita la frecuencia y la dirección del láser, mejorando la monocromaticidad y la direccionalidad del láser. Los espejos coaxiales están instalados en ambos extremos de la cavidad resonante. La fuente de excitación excita átomos o moléculas en el material de trabajo a través del proceso de bombeo para generar radiación estimulada. Los fotones irradiados a lo largo del eje de la cavidad resonante se reflejan de regreso a lo largo del eje por los espejos y, además, la generación de fotones de excitación forma un proceso de amplificación de oscilación de tipo efecto de avalancha. Uno de los dos espejos es un espejo parcial. El haz de luz oscilado y amplificado a lo largo de la dirección del eje se puede liberar a través del espejo parcial para generar un haz láser; mientras que los fotones que encuentran el otro espejo de reflexión total se reflejan de regreso y continúan oscilando. y hacer zoom nuevamente.
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