در سال 1960، اولین لیزر مصنوعی در جهان، آرامش آزمایشگاه سی آی ای کالیفرنیا را متوقف کرد و لیزر ruby که توسط Theodore Mehman اختراع شده بود، درب منجر به تولید لیزر و استفاده از لیزر برای تبدیل جهان شد. از زمان پنجاه سال گذشته، پیشرفت علوم لیزر سریع بوده است و محبوبیت و کاربرد فناوری لیزر نیز از همه جنبه های زندگی مردم وارد شده است. اما اکثر مردم فقط می دانند که لیزر چنین هدف دارد، اما آنها نمی دانند که لیزر چگونه از آن استفاده می شود. بنابراین، این مقاله، اصل تشکیل لیزر را در یک زبان نسبتا مشترک توضیح خواهد داد.
برای درک اصل تشکیل لیزر، ابتدا درک کنید که سطح انرژی چیست. به عبارت ساده، یک سطح انرژی یک حالت است که در آن هر اتم (در واقع یک الکترون بیرونی هسته ای) مقدار انرژی خاصی را حمل می کند و سطوح مختلف انرژی نشان می دهد که انرژی که توسط اتم انجام می شود متفاوت است. سطح انرژی بالاتر، انرژی الکترونهای خارج از هسته بالاتر است و آسانتر از انفجار هسته است. به خاطر درک، ساده ترین اتم هیدروژن ساختار اتمی به عنوان مثال به دست می آید.
n نشان دهنده یک عدد کوانتومی مربوط به سطح انرژی اتم است. وقتی n = 1، آن را نشان می دهد سطح انرژی در حالت پایدار از اتم هیدروژن، که حالت زمین (سطح E1) نامیده می شود. n = 2، 3، 4 و غیره حالت های هیجانی (سطح انرژی E2، سطح انرژی E3، سطح انرژی E4 و غیره) نامیده می شود. طبق نظریه فیزیکدان دان بوهر، زمانی که اتم در حالت پایدار پایدار است، اگر آن را توسط دنیای بیرون جذب کرده و انرژی خارجی آن را جذب کند، به یک سطح انرژی بالاتر برای ایجاد حالت هیجان پر می شود. اتم در حالت هیجانی ناپایدار است. هنگامی که اتم در حالت هیجانی است، به خودی خود به سطح انرژی پایین انتقال می یابد. پس از یک یا چند گذار به حالت زمین، انرژی متناظر در جریان انتقال به سطح پایین انرژی آزاد می شود. این انرژی مربوطه در قالب فوتون های یک فرکانس خاص وجود دارد که می تواند از مقدار در سمت راست نمودار دیفرانسیل انرژی محاسبه و انرژی فوتون E = hν = Em-En. h مقدار ثابت است که توسط فیزیکدان (ثابت پلانک) اندازه گیری می شود، ν فرکانس فوتون است (فرکانسی که فوتون از حالت هیجانی به حالت زمین آزاد می شود، که فرکانس نور تابش خارجی است که لیزر زمانی تشکیل شده است که لیزر تشکیل شده است. فرکانس، که طول موج لیزر λ = c / ν را تعیین می کند، سرعت نور است).
پس از درک ساختار سطح انرژی، بیایید ببینیم که لیزر شکل گرفته است. به خاطر درک آسان، ساده ترین لیزر روبن به عنوان مثال مورد استفاده قرار می گیرد. لیزر ruby لیزر حالت جامد است. ماده کار یک میله یقه دار است. ماتریس کریستال Al2O3 است که با 0.05٪ Cr2O3 مورد استفاده قرار می گیرد. عمل لیزر در ruby با فرآیند انتشار Cr3 + (یون کروم) به دست می آید، بنابراین Cr3 + اغلب به نام یون فعال می شود که "بدن" لیزر تولید شده در روبی است. جزء اصلی ruby، alumina، تنها یک ماتریس است که حاوی یون های کرومی است که تنها اثر غیر مستقیم روی عمل لیزر دارد. ساختار سطح انرژی آن نشان داده شده است:
هنگامی که نور پمپ نور را نشان می دهد، یون Cr3 + در حالت زمین نور یک طول موج خاص را جذب می کند و به سطح E3 انتقال می دهد. یون Cr3 + طول عمر بسیار کوتاهی در این سطح انرژی (بسیار ناپایدار، حدود 10-9 ثانیه) دارد و به همین دلیل به سرعت از طریق گذر پرتو عبور می کند (انتقال بدون پرتو به مبادله انرژی با جهان خارج از طریق برخورد اتمی، یعنی حرکت حرارتی داخل کریستال، به طوری که سطح انرژی تغییر می کند، نه انتشار و نه جذب فوتون) انتقال به سطح E2. سطح انرژی E2 دارای عمر طولانی (حدود 3 میلی ثانیه) است که سطح انرژی متاستاییل نامیده می شود که در آن یون های Cr3 + می توانند جمع شوند. هنگامی که پمپ خارجی به اندازه کافی قوی باشد، یک تغییر جمعیت بین سطح E2 و سطح E1 شکل می گیرد، یعنی تعداد یون های Cr3 + در سطح E2 بیشتر از سطح E1 است. پس از برداشت جمعیت، متوجه می شویم که هر فوتون خارجی با انرژی hν یک اتم را در سطح E2 تحریک می کند تا آن را به وضعیت زمین منتقل کند و فوتون با انرژی hν را آزاد کند و انرژی فوتون کامل به 2، 2 تغییرات 4، 4 تغییرات 8 ... در نتیجه دستیابی به فرآیند تقویت (افزایش) تشعشع تحریک شده است. از آنجاییکه حفره نوری از دست دادن اثر نوری است، لیزر فقط خروجی حاصل از تقویت تابش تحریک شده بیشتر از ضررهای مختلف در لیزر است.
