레이저는 어떻게 생산됩니까?

레이저20 세기의 위대한 발명품이며, 가장 빠른 칼, 가장 정확한 통치자 및 가장 밝은 빛이라고합니다. 자극 된 방사선 광 증폭을 의미하는 레이저 (자극 된 방사선 방출에 의한 광 증폭) 는레이저 생성. 다음으로 레이저가 어떻게 생성되는지 살펴 보겠습니다.

레이저의 이론적 기초

자극 된 방사선의 이론은 1917 년 아인슈타인이 제시 한 레이저 생성의 기초입니다. 레이저 이득 매체에는 두 가지 에너지 레벨 S1 및 S2 가 있으며, 이는 낮은 에너지 상태와 상위 에너지 상태에 해당합니다.레이저 전이의 각각. 그들 사이에 E2-E1 에너지 차이는 hν와 같습니다. 시스템이 에너지 레벨 (S1) 에 있고 에너지 (hν) 를 갖는 광자에 의해 조사될 때, 광자를 흡수하고 에너지 레벨 (S2) 로 전이할 특정 확률을 갖는다. 이 과정을 자극 흡수라고합니다. 시스템이 에너지 레벨 (S2) 에 있을 때, 그것이 에너지 레벨 (S1) 로 점프하여 형광 광자 (hν) 를 방출할 가능성이 있다. 이 과정을 자발적 방출이라고합니다. 시스템이 에너지 레벨 (S2) 에 있고 hν에 의해 조사되면, 입사 광자와 동일한 주파수, 위상 1 및 전파 방향을 갖는 광자를 방출할 확률을 갖는다. 이 과정을 자극 방사선이라고합니다. S2 에너지 레벨에서 많은 수의 분자를 포함하는 이러한 이득 매체가 두 개의 대향 평행 거울 사이에 위치한다면, 거울에 수직 인 일부 형광 광자는 자극 된 방사선에 의해 증폭되어 자기 여기 진동을 형성하여 레이저 광을 방출 할 수 있습니다. 공진 공동의 왼쪽 끝에있는 광학 요소를 출력 커플러라고하며, 이는 특정 투과율을 가진 반사 표면과 동일합니다. 공진 공동에서 레이저의 출구입니다.

레이저 생성의 열쇠

일반적으로 자극 된 방사선은 너무 약해서 관찰하기가 어렵습니다. 레이저를 생성하는 데 사용하는 것은 말할 것도 없습니다. 물질이 열 평형 상태에있을 때 에너지 수준의 분자 분포는 볼츠만 분포를 따릅니다. 낮은 에너지 상태 (S1) 에서 입자 (N1) 의 수는 상부 에너지 상태 (S2) 에서 입자 (N2) 의 수보다 훨씬 더 크다. hν 광자의 흡수는 자극 된 방사선의 흡수보다 훨씬 크기 때문에 광신호를 거시적으로 실현하는 것은 불가능합니다. 레이저 생성의 핵심은 입자 수의 반전에 있으므로 N2>N1 입니다. 현재 레이저가 작동 할 때 특정 에너지 수준에서 입자 수의 반전을 실현하기 위해 적절한 여기 (펌핑) 방법을 채택 할 필요가 있습니다.

염료 레이저를 예로 들어 본 논문은 입자 수 반전을 실현하는 방법을 소개합니다. 레이저의 이득 매체는 유기 염료 용액이다. 일반적으로 사용되는 염료는 청색 및 보라색 밴드의 쿠마린, 적색 및 황색 밴드의 로다민 등을 포함합니다. 유기 염료의 레이저 전이는 주로 S0 및 S1 단일 항 상태의 에너지 밴드에서 발생합니다. 이 두 에너지밴드는 많은 회전 및 진동 에너지 레벨로 구성되며, 이는 용액의 충돌 확대로 인해 연속적인 것으로 간주 될 수 있습니다. 레이저 생성 과정에서 염료 분자는 펌프 광에 의해 조사되어 S0 밴드의 바닥 에너지 레벨에서 S1 밴드로 전환됩니다. 그런 다음 비 방사선, 즉 레이저 전이의 상위 에너지 상태를 통해 S1 의 하단 에너지 레벨로 빠르게 전환됩니다. 레이저 전이에서 분자는 S0 에너지 밴드에서 지정된 에너지 레벨로 전이하고 광자를 방출 한 다음 S0 에너지 밴드의 하단 에너지 레벨로 빠르게 전환합니다. 레이저 전이의 상위 에너지 상태 S2 는 수명이 길기 때문에 S1 의 수명은 매우 짧고 펌프 빛의 작용하에, 많은 수의 분자들이 상부 에너지 상태 (S2) 에 여기되어, 인구 반전이 실현될 수 있다. 레이저 생성과 동시에, 염료 분자는 S1 밴드 생성 시스템 사이를 교차하고, T1 에서 긴 수명을 가진 삼중 항 시스템에 들어가고, 레이저 효율에 영향을 미치는 레이저 전이 사이클을 남긴다. 따라서 염료 레이저가 작동 할 때염료 용액을 재활용하는 데 필요합니다.

레이저의 파장

많은 레이저는 좋은 단색도를 가지고 있습니다. 즉, 출력 광의 스펙트럼 대역폭이 좁습니다. 레이저의 출력 스펙트럼이 좁은지 여부는 다음 요소와 관련이 있습니다. 우선, 레이저 이득 매체 및 펌핑 모드는 어느 파장 대역 광자가 증폭될 수 있는지를 결정한다. 가스 레이저, 엑시머 레이저 및 Nd:YAG 레이저와 같은 이득 매체는 에너지 수준이 희박하고 에너지 분포가 좁은 레이저를 자연적으로 생성합니다. 둘째, 레이저의 단색도는 공진 공동에 의해 조정될 수 있다. 양호한 단색성을 갖는 레이저를 생성할 필요가 있는 경우, 특정 스펙트럼 성분을 증폭시키기 위해 공진 공동 내의 상이한 스펙트럼 성분의 감쇠를 설정하는 것이 필요하다.