Lāzers un tā apstrādes sistēma

1. Lāzera ģenerēšanas princips

Atoma struktūra ir kā maza Saules sistēma, kuras vidū atrodas atoma kodols. Elektroni pastāvīgi rotē ap atoma kodolu, un arī atoma kodols pastāvīgi rotē.

Kodols sastāv no protoniem un neitroniem. Protoni ir pozitīvi lādēti, bet neitroni nav lādēti. Pozitīvo lādiņu skaits, ko nes viss kodols, ir vienāds ar negatīvo lādiņu skaitu, ko nes visi elektroni, tāpēc parasti atomi ir neitrāli pret ārpasauli.

Kas attiecas uz atoma masu, kodolā koncentrēta lielākā daļa atoma masas, un visu elektronu aizņemtā masa ir ļoti maza. Atoma struktūrā kodols aizņem tikai nelielu telpu. Elektroni rotē ap kodolu, un elektroniem ir daudz lielāka telpa aktivitātei.

Atomiem piemīt “iekšējā enerģija”, kas sastāv no divām daļām: pirmkārt, elektroniem ir orbitālais ātrums un noteikta kinētiskā enerģija; otrkārt, starp negatīvi lādētajiem elektroniem un pozitīvi lādēto kodolu ir attālums un noteikts potenciālās enerģijas daudzums. Visu elektronu kinētiskās enerģijas un potenciālās enerģijas summa ir visa atoma enerģija, ko sauc par atoma iekšējo enerģiju.

Visi elektroni rotē ap kodolu; dažreiz tuvāk kodolam šo elektronu enerģija ir mazāka; dažreiz tālāk no kodola šo elektronu enerģija ir lielāka; atkarībā no rašanās varbūtības cilvēki elektronu slāni sadala dažādos "enerģijas līmeņos"; noteiktā "enerģijas līmenī" var bieži riņķot vairāki elektroni, un katram elektronam nav fiksētas orbītas, bet visiem šiem elektroniem ir vienāds enerģijas līmenis; "Enerģijas līmeņi" ir izolēti viens no otra. Jā, tie ir izolēti atbilstoši enerģijas līmeņiem. "Enerģijas līmeņa" jēdziens ne tikai sadala elektronus līmeņos atbilstoši enerģijai, bet arī sadala elektronu orbītas telpu vairākos līmeņos. Īsāk sakot, atomam var būt vairāki enerģijas līmeņi, un dažādi enerģijas līmeņi atbilst dažādām enerģijām; daži elektroni riņķo "zemā enerģijas līmenī", bet citi - "augstā enerģijas līmenī".

Mūsdienās vidusskolas fizikas grāmatās ir skaidri norādītas noteiktu atomu strukturālās īpašības, elektronu sadalījuma noteikumi katrā elektronu slānī un elektronu skaits dažādos enerģijas līmeņos.

Atomu sistēmā elektroni pamatā pārvietojas slāņos, dažiem atomiem atrodoties augstā enerģijas līmenī, bet citiem - zemā enerģijas līmenī; tā kā atomus vienmēr ietekmē ārējā vide (temperatūra, elektrība, magnētisms), augsta enerģijas līmeņa elektroni ir nestabili un spontāni pāriet uz zemu enerģijas līmeni, tā ietekme var tikt absorbēta vai arī tie var radīt īpašus ierosmes efektus un izraisīt "spontānu emisiju". Tāpēc atomu sistēmā, kad augsta enerģijas līmeņa elektroni pāriet uz zemu enerģijas līmeni, būs divas izpausmes: "spontāna emisija" un "stimulēta emisija".

Spontānais starojums, elektroni augstas enerģijas stāvokļos ir nestabili un, ārējās vides (temperatūras, elektrības, magnētisma) ietekmē, spontāni migrē uz zemas enerģijas stāvokļiem, un liekā enerģija tiek izstarota fotonu veidā. Šāda veida starojuma raksturīga iezīme ir tā, ka katra elektrona pāreja notiek neatkarīgi un ir nejauša. Dažādu elektronu spontānās emisijas fotonu stāvokļi ir atšķirīgi. Gaismas spontānā emisija ir "nekoherentā" stāvoklī un tai ir izkliedēti virzieni. Tomēr spontānajam starojumam piemīt pašu atomu īpašības, un dažādu atomu spontānā starojuma spektri ir atšķirīgi. Runājot par to, tas atgādina cilvēkiem par fizikas pamatzināšanām: "Jebkuram objektam piemīt spēja izstarot siltumu, un objektam piemīt spēja nepārtraukti absorbēt un izstarot elektromagnētiskos viļņus. Siltuma izstarotajiem elektromagnētiskajiem viļņiem ir noteikts spektra sadalījums. Šī spektra sadalījums ir saistīts ar paša objekta īpašībām un tā temperatūru." Tāpēc termiskā starojuma pastāvēšanas iemesls ir atomu spontānā emisija.

Stimulētās emisijas gadījumā augsta enerģijas līmeņa elektroni pāriet uz zema enerģijas līmeni “apstākļiem piemērotu fotonu” “stimulācijas” vai “indukcijas” ietekmē un izstaro fotonu ar tādu pašu frekvenci kā krītošajam fotonam. Stimulētā starojuma lielākā iezīme ir tā, ka stimulētā starojuma radītajiem fotoniem ir tieši tāds pats stāvoklis kā krītošajiem fotoniem, kas ģenerē stimulēto starojumu. Tie atrodas “koherentā” stāvoklī. Tiem ir viena un tā pati frekvence un viens un tas pats virziens, un ir pilnīgi neiespējami atšķirt abas atšķirības starp tiem. Tādā veidā viens fotons vienas stimulētās emisijas rezultātā kļūst par diviem identiskiem fotoniem. Tas nozīmē, ka gaisma tiek pastiprināta jeb “pastiprināta”.

Tagad vēlreiz analizēsim, kādi apstākļi ir nepieciešami, lai iegūtu arvien biežāku stimulētu starojumu?

Normālos apstākļos elektronu skaits augstā enerģijas līmenī vienmēr ir mazāks nekā elektronu skaits zemā enerģijas līmenī. Ja vēlaties, lai atomi radītu stimulētu starojumu, ir jāpalielina elektronu skaits augstā enerģijas līmenī, tāpēc ir nepieciešams "sūkņa avots", kura mērķis ir stimulēt vairāk elektronu. Pārāk daudz zema enerģijas līmeņa elektronu pārlec uz augsta enerģijas līmeni, tāpēc augsta enerģijas līmeņa elektronu skaits būs lielāks nekā zema enerģijas līmeņa elektronu skaits, un notiks "daļiņu skaita maiņa". Pārāk daudz augsta enerģijas līmeņa elektronu var palikt tikai ļoti īsu laiku. Laiks pārlēks uz zemāku enerģijas līmeni, tāpēc palielināsies stimulētas starojuma emisijas iespējamība.

Protams, “sūkņa avots” ir iestatīts dažādiem atomiem. Tas liek elektroniem “rezonēt” un ļauj vairāk zemas enerģijas līmeņa elektroniem pāriet uz augstas enerģijas līmeņiem. Lasītāji būtībā var saprast, kas ir lāzers? Kā lāzers tiek ģenerēts? Lāzers ir “gaismas starojums”, ko “ierosina” objekta atomi īpaša “sūkņa avota” iedarbībā. Tas ir lāzers.