การกำเนิดของเลเซอร์

การกำเนิดของเลเซอร์
ไอน์สไตน์เสนอแนวคิดการสร้างเลเซอร์ในปี 1916 ด้วยทฤษฎี "การปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเองและการปล่อยแสงแบบกระตุ้น" ทฤษฎีนี้เป็นพื้นฐานทางฟิสิกส์ของระบบเลเซอร์สมัยใหม่ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฟตอนและอะตอมอาจนำไปสู่กระบวนการเปลี่ยนผ่านสามแบบ ได้แก่ การดูดกลืนแบบกระตุ้น การปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง และการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ตราบใดที่การปล่อยแสงแบบกระตุ้นสามารถเกิดขึ้นได้อย่างต่อเนื่องและเสถียร ก็จะสามารถสร้างเลเซอร์ได้ ดังนั้นจึงต้องผลิตอุปกรณ์พิเศษ – เลเซอร์ – ขึ้นมา โดยทั่วไปแล้วองค์ประกอบของเลเซอร์ประกอบด้วยสามส่วนหลัก ได้แก่ สารทำงาน อุปกรณ์กระตุ้น และตัวเรโซเนเตอร์ทางแสง

1. สารออกฤทธิ์

สารในเลเซอร์ที่สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้เรียกว่าสารทำงาน ภายใต้สภาวะปกติ การกระจายตัวของเลขอะตอมในสารที่ระดับพลังงานแต่ละระดับจะเป็นการกระจายตัวแบบปกติ กล่าวคือ จำนวนอะตอมที่ระดับพลังงานต่ำกว่าจะมากกว่าจำนวนอะตอมที่ระดับพลังงานสูงกว่าเสมอ ดังนั้น เมื่อแสงผ่านสารเรืองแสงในสภาวะปกติ กระบวนการดูดซับจะเป็นกระบวนการหลัก และแสงจะอ่อนลงเสมอ เพื่อให้แสงมีความเข้มขึ้นหลังจากผ่านสารเรืองแสงและเพื่อให้เกิดการขยายแสง จำเป็นต้องทำให้การปล่อยแสงแบบกระตุ้นเป็นกระบวนการหลัก เพื่อให้จำนวนอะตอมที่ระดับพลังงานสูงกว่ามากกว่าจำนวนอะตอมที่ระดับพลังงานต่ำกว่า การกระจายตัวนี้จึงตรงกันข้ามกับการกระจายตัวแบบปกติ และเรียกว่าการผกผันของจำนวนอะตอม
2. อุปกรณ์กระตุ้น
หน้าที่ของอุปกรณ์กระตุ้นคือการกระตุ้นอะตอมในระดับพลังงานต่ำให้สูงขึ้น ทำให้สารทำงานสามารถเกิดการผกผันจำนวนอนุภาคได้ ระดับพลังงานของสารประกอบด้วยสถานะพื้นฐาน สถานะกระตุ้น และสถานะกึ่งเสถียร สถานะกึ่งเสถียรมีความเสถียรน้อยกว่าสถานะพื้นฐาน แต่เสถียรมากกว่าสถานะกระตุ้นมาก โดยทั่วไปแล้ว อะตอมสามารถอยู่ในสถานะกึ่งเสถียรได้นานกว่า ตัวอย่างเช่น ไอออนโครเมียม (Cr3+) ในทับทิมมีสถานะกึ่งเสถียรที่มีอายุขัยประมาณ 10-3 วินาที หลังจากที่สารทำงานถูกกระตุ้นและเกิดการผกผันจำนวนอนุภาคแล้ว ในขั้นต้น เนื่องจากทิศทางการแพร่กระจายของโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากการแผ่รังสีแบบธรรมชาติแตกต่างกัน โฟตอนของการแผ่รังสีแบบกระตุ้นจึงมีทิศทางการแพร่กระจายที่แตกต่างกันเช่นกัน และมีการสูญเสียในการส่งออกและการดูดซับจำนวนมาก ทำให้ไม่สามารถสร้างเอาต์พุตเลเซอร์ที่เสถียรได้ เพื่อให้รังสีที่ถูกกระตุ้นยังคงดำรงอยู่ได้ในปริมาตรที่จำกัดของสารทำงาน จำเป็นต้องใช้ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงเพื่อคัดเลือกและขยายแสง
3. ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสง
มันคือกระจกสะท้อนแสงคู่ขนานที่ติดตั้งไว้ที่ปลายทั้งสองด้านของวัสดุที่ใช้งาน โดยตั้งฉากกับแกนหลัก ปลายด้านหนึ่งเป็นกระจกสะท้อนแสงทั้งหมด (มีอัตราการสะท้อน 100%) และปลายอีกด้านหนึ่งเป็นกระจกโปร่งแสงบางส่วนและสะท้อนแสงบางส่วน (มีอัตราการสะท้อน 90% ถึง 99%)
หน้าที่ของตัวเรโซเนเตอร์ ได้แก่: ① การสร้างและรักษาการขยายสัญญาณแสง; ② การเลือกทิศทางของแสงที่ปล่อยออกมา; ③ การเลือกความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมา สำหรับสารทำงานเฉพาะชนิดหนึ่ง เนื่องจากปัจจัยต่างๆ ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมาจริงจึงไม่เป็นเอกลักษณ์ และสเปกตรัมมีความกว้างระดับหนึ่ง ตัวเรโซเนเตอร์สามารถทำหน้าที่เลือกความถี่ ทำให้เลเซอร์มีความเป็นเอกสีมากขึ้น