El 1960, el primer làser artificial del món va foradar la tranquil·litat del Califòrnia Sis Lab, i el làser rubí inventat per Theodore Mehman va obrir la porta a la creació humana de làsers i l'ús de làsers per transformar el món. Des dels últims cinquanta anys, el desenvolupament de la ciència làser ha estat ràpid, i la popularització i aplicació de la tecnologia làser també ha entrat en la vida de tots els aspectes. Però la majoria de la gent només sap que els làsers tenen aquest propòsit, però no saben com va venir el làser. Per tant, aquest article explicarà el principi de la formació del làser en un llenguatge relativament comú.
Per entendre el principi de la formació del làser, primer compren quin és el nivell d'energia. En termes simples, un nivell d'energia és un estat en què cada àtom (en realitat un electró extranuclear) té una certa quantitat d'energia, i diferents nivells d'energia indiquen que l'energia que porta l'àtom és diferent. Com més alt sigui el nivell d'energia, major serà l'energia dels electrons extranuclears, i més fàcil és trencar-se del nucli. Per comprensió, es pren com a exemple l'àtom d'hidrogen més senzill de l'estructura atòmica.
n representa un nombre quàntic corresponent al nivell d'energia E de l'àtom. Quan n = 1, indica el nivell d'energia en l'estat constant de l'àtom d'hidrogen, que es denomina estat fonamental (nivell E1). n = 2, 3, 4, etc. s'anomenen estats excitats (nivell d'energia E2, nivell d'energia E3, nivell d'energia E4, etc.). Segons la teoria del físic danès Bohr, quan l'àtom està en un estat de terra estable, si està excitat pel món exterior i absorbeix l'energia externa corresponent, saltarà a un nivell d'energia més alt per formar un estat excitat. L'àtom és inestable en l'estat excitat. Quan l'àtom està en estat excitat, transmet espontàniament al nivell d'energia més baix. Després d'una o diverses transicions a l'estat de terra, s'allibera l'energia corresponent durant la transició cap al nivell d'energia baix. Aquesta energia corresponent existeix en forma de fotons d'una determinada freqüència, que es pot calcular a partir del valor en el costat dret del diagrama de nivell d'energia, i l'energia fotònica E = hν = Em - En. h és el valor fixat pel físic (constància de Planck), ν és la freqüència del fotó (la freqüència amb què el fotó és alliberat de l'estat excitat a l'estat del sòl, que és la freqüència de la llum radiada externa, que és el làser quan es forma el làser. La freqüència, que determina la longitud d'ona del làser λ = c / ν, c és la velocitat de la llum).
Després d'entendre l'estructura de nivell d'energia, vegem com es forma el làser. En nom de la comprensió fàcil, es pren com a exemple el làser rubí més senzill. El làser rubí és un làser d'estat sòlid. La substància activa és una barra de robí. La matriu de cristall és Al2O3, que està dopada amb 0,05% de Cr2O3. L'acció làser en rubí s'aconsegueix mitjançant el procés d'emissió estimulada de Cr3 + (ions de crom), de manera que Cr3 + se sol anomenar ió activador, que és el "cos" del làser produït en rubí. El component principal del rubí, l'alúmina, és només una matriu que conté ions de crom, que només té un efecte indirecte sobre l'acció del làser. La seva estructura de nivell d'energia és la següent:
Quan la llum de la bomba il·lumina el rubí, l'ió Cr3 + a l'estat del sòl absorbeix la llum d'una longitud d'ona específica i les transicions al nivell E3. L'ió Cr3 + té una vida molt breu a aquest nivell d'energia (molt inestable, d'uns 10-9 s) i, per tant, passa ràpidament per la transició de la radiació (la transició sense radiació es refereix a l'intercanvi d'energia amb el món exterior per la col·lisió atòmica, és a dir, el moviment tèrmic dins del cristall, de manera que el nivell de l'energia canvia, ni emet ni absorbeix els fotons) transicions cap al nivell E2. El nivell d'energia E2 té una llarga vida (uns 3ms), anomenat nivell d'energia metaestable, en el qual es poden recollir més ions Cr3 +. Quan la bomba externa és prou forta, es produeix una inversió poblacional entre el nivell E2 i el nivell E1, és a dir, la quantitat de ions Cr3 + en el nivell E2 és superior al nivell E1. Després de la inversió de la població, cada fotó extern amb energia hν excitarà un àtom al nivell E2 per fer-ho en estat de terra i alliberar un fotó amb energia hν, i l'energia fotònica total es canviarà a 2, 2 canvia 4, 4 canvis 8 ... aconseguint així el procés d'amplificació de la radiació estimulada (guany). Atès que la cavitat òptica té una pèrdua en el guany òptic, el làser només es produeix quan el guany de l'amplificació de la radiació estimulada és superior a les diverses pèrdues del làser.
