1. Načelo laserske generacije
Atomska struktura je kot majhen sončni sistem, z atomskim jedrom na sredini. Elektroni se nenehno vrtijo okoli atomskega jedra, atomsko jedro pa se prav tako nenehno vrti.
Jedro je sestavljeno iz protonov in nevtronov. Protoni so pozitivno nabiti, nevtroni pa nenabiti. Število pozitivnih nabojev, ki jih nosi celotno jedro, je enako številu negativnih nabojev, ki jih nosijo vsi elektroni, zato so atomi na splošno nevtralni do zunanjega sveta.
Kar zadeva maso atoma, jedro koncentrira večino mase atoma, masa, ki jo zasedajo vsi elektroni, pa je zelo majhna. V atomski strukturi jedro zavzema le majhen prostor. Elektroni krožijo okoli jedra in imajo veliko večji prostor za aktivnost.
Atomi imajo "notranjo energijo", ki je sestavljena iz dveh delov: prvi je, da imajo elektroni orbitalno hitrost in določeno kinetično energijo; drugi je, da obstaja razdalja med negativno nabitimi elektroni in pozitivno nabitim jedrom ter da obstaja določena količina potencialne energije. Vsota kinetične energije in potencialne energije vseh elektronov je energija celotnega atoma, ki se imenuje notranja energija atoma.
Vsi elektroni se vrtijo okoli jedra; včasih bližje jedru je energija teh elektronov manjša; včasih dlje od jedra je energija teh elektronov večja; glede na verjetnost pojavljanja ljudje delijo elektronsko plast na različne »energijske nivoje«; na določenem »energijskem nivoju« lahko pogosto kroži več elektronov in vsak elektron nima fiksne orbite, vendar imajo vsi ti elektroni enako raven energije; »Energijski nivoji« so med seboj izolirani. Da, izolirani so glede na energijske nivoje. Koncept »energijskega nivoja« ne deli elektrone na nivoje le glede na energijo, temveč tudi deli krožni prostor elektronov na več nivojev. Skratka, atom ima lahko več energijskih nivojev, različni energijski nivoji pa ustrezajo različnim energijam; nekateri elektroni krožijo na »nizkem energijskem nivoju«, nekateri elektroni pa na »visokem energijskem nivoju«.
Dandanes so v učbenikih fizike za srednje šole jasno označene strukturne značilnosti določenih atomov, pravila porazdelitve elektronov v vsaki elektronski plasti in število elektronov na različnih energijskih ravneh.
V atomskem sistemu se elektroni v osnovi gibljejo v plasteh, pri čemer so nekateri atomi na visokih, drugi pa na nizkih energijskih nivojih; ker na atome vedno vpliva zunanje okolje (temperatura, elektrika, magnetizem), so elektroni na visokih energijskih nivojih nestabilni in spontano prehajajo na nizke energijske nivoje, njihov učinek se lahko absorbira ali pa povzročijo posebne vzbujevalne učinke in povzročijo "spontano emisijo". Zato se v atomskem sistemu pri prehodu elektronov na nizke energijske nivoje pojavita dve manifestaciji: "spontana emisija" in "stimulirana emisija".
Spontano sevanje, elektroni v visokoenergijskih stanjih so nestabilni in pod vplivom zunanjega okolja (temperature, elektrike, magnetizma) spontano prehajajo v nizkoenergijska stanja, presežna energija pa se seva v obliki fotonov. Značilnost te vrste sevanja je, da prehod vsakega elektrona poteka neodvisno in je naključen. Stanja fotonov spontane emisije različnih elektronov so različna. Spontana emisija svetlobe je v "nekoherentnem" stanju in ima razpršene smeri. Vendar pa ima spontano sevanje značilnosti samih atomov, spektri spontanega sevanja različnih atomov pa so različni. Ko govorimo o tem, nas spomni na osnovno znanje fizike: "Vsak predmet ima sposobnost sevanja toplote in predmet ima sposobnost neprekinjene absorpcije in oddajanja elektromagnetnih valov. Elektromagnetni valovi, ki jih seva toplota, imajo določeno porazdelitev spektra. Ta porazdelitev spektra je povezana z lastnostmi samega predmeta in njegovo temperaturo." Zato je razlog za obstoj toplotnega sevanja spontana emisija atomov.
Pri stimulirani emisiji elektroni na visoki energijski ravni preidejo na nizko energijsko raven pod vplivom "stimulacije" ali "indukcije" "fotonov, primernih za dane pogoje" in sevajo foton z enako frekvenco kot vpadni foton. Največja značilnost stimuliranega sevanja je, da imajo fotoni, ki jih generira stimulirano sevanje, popolnoma enako stanje kot vpadni fotoni, ki ustvarjajo stimulirano sevanje. So v "koherentnem" stanju. Imajo enako frekvenco in isto smer, zato je popolnoma nemogoče ločiti med njima. Na ta način en foton z eno stimulirano emisijo postane dva enaka fotona. To pomeni, da se svetloba okrepi ali "ojači".
Zdaj pa ponovno analizirajmo, kateri pogoji so potrebni za pridobitev vedno pogostejšega stimuliranega sevanja?
V normalnih okoliščinah je število elektronov na visokih energijskih nivojih vedno manjše od števila elektronov na nizkih energijskih nivojih. Če želite, da atomi proizvajajo stimulirano sevanje, želite povečati število elektronov na visokih energijskih nivojih, zato potrebujete "črpalni vir", katerega namen je stimulirati več elektronov. Preveč elektronov na nizkoenergijskih nivojih skoči na visoke energijske nivoje, zato bo število elektronov na visokoenergijskih nivojih večje od števila elektronov na nizkoenergijskih nivojih in prišlo bo do "obrata števila delcev". Preveč elektronov na visokoenergijskih nivojih lahko ostane le zelo kratek čas. Čas bo skočil na nižji energijski nivo, zato se bo povečala možnost stimuliranega sevanja.
Seveda je »črpalni vir« nastavljen za različne atome. Zaradi njega elektroni »resonirajo« in omogočajo, da več elektronov z nižjih energijskih nivojev preskoči na višje energijske nivoje. Bralci lahko v osnovi razumejo, kaj je laser? Kako nastane laser? Laser je »svetlobno sevanje«, ki ga »vzbujajo« atomi predmeta pod delovanjem določenega »črpalnega vira«. To je laser.
Čas objave: 27. maj 2024
