Năm 1960, tia laser nhân tạo đầu tiên trên thế giới đã xuyên thủng sự yên tĩnh của Phòng thí nghiệm Sis ở California và tia laser ruby do Theodore Mehman phát minh đã mở ra cánh cửa cho việc tạo ra laser của con người và sử dụng tia laser để biến đổi thế giới. Kể từ năm mươi năm qua, sự phát triển của khoa học laser đã nhanh chóng và sự phổ biến và ứng dụng công nghệ laser cũng đã đi vào cuộc sống của mọi người từ mọi khía cạnh. Nhưng hầu hết mọi người chỉ biết rằng laser có mục đích như vậy, nhưng họ không biết laser đến từ đâu. Do đó, bài viết này sẽ giải thích nguyên lý hình thành laser trong một ngôn ngữ tương đối phổ biến.
Để hiểu nguyên lý hình thành laser, trước tiên hãy hiểu mức năng lượng là gì. Nói một cách đơn giản, mức năng lượng là trạng thái trong đó mỗi nguyên tử (thực ra là electron ngoài hành tinh) mang một lượng năng lượng nhất định và các mức năng lượng khác nhau cho thấy năng lượng mà nguyên tử mang theo là khác nhau. Mức năng lượng càng cao, năng lượng của các electron ngoài hạt nhân càng cao và càng dễ tách ra khỏi hạt nhân. Để dễ hiểu, nguyên tử hydro đơn giản nhất của cấu trúc nguyên tử được lấy làm ví dụ.
n đại diện cho một số lượng tử tương ứng với mức năng lượng E của nguyên tử. Khi n = 1, nó biểu thị mức năng lượng ở trạng thái ổn định của nguyên tử hydro, được gọi là trạng thái cơ bản (mức E1). n = 2, 3, 4, v.v. được gọi là trạng thái kích thích (mức năng lượng E2, mức năng lượng E3, mức năng lượng E4, v.v.). Theo lý thuyết của nhà vật lý người Đan Mạch Bohr, khi nguyên tử ở trạng thái ổn định, nếu nó bị thế giới bên ngoài kích thích và hấp thụ năng lượng bên ngoài tương ứng, nó sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn để tạo thành trạng thái kích thích. Nguyên tử không ổn định ở trạng thái kích thích. Khi nguyên tử ở trạng thái kích thích, nó tự phát chuyển sang mức năng lượng thấp hơn. Sau một hoặc một vài lần chuyển sang trạng thái cơ bản, năng lượng tương ứng được giải phóng trong quá trình chuyển sang mức năng lượng thấp. Năng lượng tương ứng này tồn tại dưới dạng các photon có tần số nhất định, có thể được tính từ giá trị ở phía bên phải của sơ đồ mức năng lượng và năng lượng photon E = hν = Em - En. h là giá trị cố định được đo bởi nhà vật lý (hằng số Planck), ν là tần số của photon (tần số mà photon được giải phóng từ trạng thái kích thích sang trạng thái cơ bản, là tần số của ánh sáng bức xạ ngoài là laser khi laser được hình thành. Tần số, xác định bước sóng của laser = c / ν, c là tốc độ của ánh sáng).
Sau khi hiểu cấu trúc mức năng lượng, hãy xem cách laser được hình thành. Để dễ hiểu, laser ruby đơn giản nhất được lấy làm ví dụ. Laser ruby là một laser trạng thái rắn. Các chất làm việc là một thanh ruby. Ma trận tinh thể là Al2O3, được pha tạp 0,05% Cr2O3. Hoạt động laser trong ruby đạt được nhờ quá trình phát xạ kích thích của Cr3 + (ion crom), vì vậy Cr3 + thường được gọi là ion kích hoạt, là "cơ thể" của laser được tạo ra từ ruby. Thành phần chính của ruby, alumina, chỉ là một ma trận chứa các ion crom, chỉ có tác động gián tiếp lên hành động laser. Cấu trúc mức năng lượng của nó là như thể hiện:
Khi đèn bơm chiếu sáng viên ruby, ion Cr3 + ở trạng thái cơ bản sẽ hấp thụ ánh sáng của bước sóng cụ thể và chuyển sang mức E3. Ion Cr3 + có thời gian tồn tại rất ngắn ở mức năng lượng này (rất không ổn định, khoảng 10-9 giây), và do đó nhanh chóng chuyển qua quá trình chuyển đổi bức xạ (chuyển tiếp không bức xạ đề cập đến sự trao đổi năng lượng với thế giới bên ngoài bởi sự va chạm nguyên tử, nghĩa là, chuyển động nhiệt bên trong tinh thể, để mức năng lượng thay đổi, không phát ra cũng không hấp thụ photon) chuyển sang cấp độ E2. Mức năng lượng E2 có tuổi thọ dài (khoảng 3ms), được gọi là mức năng lượng siêu bền, tại đó có thể thu được nhiều ion Cr3 + hơn. Khi bơm bên ngoài đủ mạnh, sự đảo ngược dân số được hình thành giữa cấp độ E2 và cấp độ E1, nghĩa là, số lượng ion Cr3 + ở cấp độ E2 lớn hơn cấp độ E1. Sau khi nhận ra sự đảo ngược dân số, mỗi photon bên ngoài có năng lượng hv sẽ kích thích một nguyên tử ở cấp độ E2 để chuyển sang trạng thái cơ bản và giải phóng một photon có năng lượng hv và tổng năng lượng photon sẽ được thay đổi thành 2, 2 thay đổi 4, 4 thay đổi 8 ... do đó đạt được quá trình khuếch đại bức xạ kích thích (khuếch đại). Do khoang quang có tổn thất về độ lợi quang, nên laser chỉ phát ra khi mức khuếch đại bức xạ kích thích lớn hơn tổn thất khác nhau trong laser.
