La generazione dei laser

La generazione dei laser
La generazione dei laser fu proposta da Einstein nel 1916 con la sua teoria dell'"emissione spontanea e stimolata". Questa teoria costituisce la base fisica dei moderni sistemi laser. L'interazione tra fotoni e atomi può portare a tre processi di transizione: assorbimento stimolato, emissione spontanea ed emissione stimolata. Finché l'emissione stimolata può essere sostenuta e stabile, è possibile ottenere laser. Pertanto, è necessario realizzare dispositivi speciali: i laser. La composizione di un laser è generalmente costituita da tre parti principali: la sostanza attiva, il dispositivo di eccitazione e il risonatore ottico.

1. Sostanza di lavoro

La sostanza che in un laser genera luce laser è chiamata sostanza attiva. In condizioni normali, la distribuzione del numero di atomi nella sostanza a ciascun livello energetico segue una distribuzione normale. Il numero di atomi al livello energetico inferiore è sempre maggiore di quello al livello energetico superiore. Pertanto, quando la luce attraversa la sostanza luminescente in condizioni normali, il processo di assorbimento è dominante e la luce si indebolisce. Per amplificare la luce dopo aver attraversato la sostanza luminescente, è necessario rendere dominante l'emissione stimolata. Per far sì che il numero di atomi al livello energetico superiore sia maggiore di quello al livello energetico inferiore, si ottiene una distribuzione opposta alla distribuzione normale, detta inversione del numero di particelle.
2. Dispositivo di eccitazione
La funzione del dispositivo di eccitazione è quella di eccitare gli atomi da un livello energetico inferiore a un livello energetico superiore, consentendo alla sostanza di lavoro di raggiungere un'inversione del numero di particelle. I livelli energetici della sostanza includono lo stato fondamentale e lo stato eccitato, nonché uno stato metastabile. Lo stato metastabile è meno stabile dello stato fondamentale, ma molto più stabile dello stato eccitato. Relativamente parlando, gli atomi possono rimanere nello stato metastabile per un periodo di tempo più lungo. Ad esempio, gli ioni di cromo (Cr3+) nel rubino hanno uno stato metastabile con una durata di vita dell'ordine di 10⁻³ secondi. Dopo che la sostanza di lavoro è stata eccitata e ha raggiunto l'inversione del numero di particelle, inizialmente, a causa delle diverse direzioni di propagazione dei fotoni emessi dalla radiazione spontanea, anche i fotoni della radiazione stimolata hanno direzioni di propagazione diverse, e si verificano molte perdite in uscita e assorbimento; non è possibile generare un'uscita laser stabile. Per consentire alla radiazione stimolata di continuare a esistere nel volume limitato della sostanza di lavoro, è necessario un risonatore ottico per ottenere la selezione e l'amplificazione della luce.
3. Risonatore ottico
Si tratta di una coppia di specchi riflettenti paralleli installati alle due estremità del materiale di lavoro, perpendicolarmente all'asse principale. Un'estremità è costituita da uno specchio a riflessione totale (con un tasso di riflessione del 100%), mentre l'altra è costituita da uno specchio parzialmente trasparente e parzialmente riflettente (con un tasso di riflessione compreso tra il 90% e il 99%).
Le funzioni del risonatore sono: ① generare e mantenere l'amplificazione ottica; ② selezionare la direzione della luce in uscita; ③ selezionare la lunghezza d'onda della luce in uscita. Per una specifica sostanza di lavoro, a causa di vari fattori, la lunghezza d'onda della luce emessa effettivamente non è univoca e lo spettro ha una certa ampiezza. Il risonatore può svolgere una funzione di selezione della frequenza, migliorando la monocromaticità del laser.