1. Lasergeneroinnin periaate
Atomirakenne on kuin pieni aurinkokunta, jonka keskellä on atomin ydin. Elektronit pyörivät jatkuvasti atomin ytimen ympäri, ja myös atomin ydin pyörii jatkuvasti.
Ydin koostuu protoneista ja neutroneista. Protonit ovat positiivisesti varautuneita ja neutronit varaamattomia. Koko ytimen kantamien positiivisten varausten lukumäärä on yhtä suuri kuin koko elektronien kantamien negatiivisten varausten lukumäärä, joten atomit ovat yleensä neutraaleja ulkomaailmaan nähden.
Atomin massan osalta ydin keskittyy suurimman osan atomin massasta, ja kaikkien elektronien viemä massa on hyvin pieni. Atomirakenteessa ydin vie vain pienen tilan. Elektronit pyörivät ytimen ympäri, ja elektroneilla on paljon suurempi tila aktiivisuutta varten.
Atomilla on "sisäinen energia", joka koostuu kahdesta osasta: elektroneilla on tietty kiertonopeus ja tietty liike-energia; negatiivisesti varautuneiden elektronien ja positiivisesti varautuneen ytimen välinen etäisyys ja tietty määrä potentiaalienergiaa. Kaikkien elektronien kineettisen energian ja potentiaalienergian summa on koko atomin energia, jota kutsutaan atomin sisäiseksi energiaksi.
Kaikki elektronit pyörivät ytimen ympäri; joskus lähempänä ydintä näiden elektronien energia on pienempi; joskus kauempana ytimestä näiden elektronien energia on suurempi; esiintymistodennäköisyyden mukaan ihmiset jakavat elektronikerroksen eri ""energiatasoihin""; tietyllä ""energiatasolla"" voi olla useita elektroneja, jotka kiertävät usein, eikä jokaisella elektronilla ole kiinteää kiertorataa, vaan näillä elektroneilla on kaikilla sama energiataso; ""energiatasot"" ovat erillään toisistaan. Kyllä, ne ovat erillään energiatasojen mukaan. ""energiatason"" käsite ei ainoastaan jaa elektroneja tasoihin energian mukaan, vaan myös jakaa elektronien kiertoradan useille tasoille. Lyhyesti sanottuna atomilla voi olla useita energiatasoja, ja eri energiatasot vastaavat eri energioita; jotkut elektronit kiertävät ""matalalla energiatasolla"" ja jotkut elektronit ""korkealla energiatasolla".
Nykyään yläkoulun fysiikan kirjoissa on selvästi merkitty tiettyjen atomien rakenteelliset ominaisuudet, elektronien jakautumisen säännöt kussakin elektronikerroksessa ja elektronien lukumäärä eri energiatasoilla.
Atomijärjestelmässä elektronit liikkuvat pohjimmiltaan kerroksittain, ja jotkut atomit ovat korkealla energiatasolla ja jotkut matalalla energiatasolla. Koska ulkoinen ympäristö (lämpötila, sähkö, magnetismi) vaikuttaa aina atomeihin, korkean energiatason elektronit ovat epävakaita ja siirtyvät spontaanisti matalalle energiatasolle, sen vaikutus voi absorboitua tai ne voivat tuottaa erityisiä viritystiheyksiä ja aiheuttaa "spontaanin emission". Siksi atomijärjestelmässä, kun korkean energiatason elektronit siirtyvät matalalle energiatasolle, tapahtuu kaksi ilmentymää: "spontaani emissio" ja "stimuloitu emissio".
Spontaani säteily, korkeaenergisten tilojen elektronit ovat epävakaita ja ulkoisen ympäristön (lämpötila, sähkö, magnetismi) vaikutuksesta siirtyvät spontaanisti matalaenergisiin tiloihin, ja ylimääräinen energia säteilee fotonien muodossa. Tämän tyyppisen säteilyn ominaispiirre on, että jokaisen elektronin siirtymä tapahtuu itsenäisesti ja satunnaisesti. Eri elektronien spontaanin emission fotonitilat ovat erilaiset. Valon spontaani emissio on "epäkoherenssissa" tilassa ja sillä on sirontasuunnat. Spontaanilla säteilyllä on kuitenkin atomien itsensä ominaisuudet, ja eri atomien spontaanin säteilyn spektrit ovat erilaiset. Tästä puheen ollen, se muistuttaa ihmisiä fysiikan perustiedosta: "Millä tahansa kappaleella on kyky säteillä lämpöä, ja kappaleella on kyky jatkuvasti absorboida ja lähettää sähkömagneettisia aaltoja. Lämmön säteilemillä sähkömagneettisilla aalloilla on tietty spektrijakauma. Tämä spektrijakauma liittyy itse kappaleen ominaisuuksiin ja sen lämpötilaan." Siksi lämpösäteilyn olemassaolon syy on atomien spontaani emissio.
Stimuloidussa emissiossa korkeaenergiset elektronit siirtyvät matalaenergiselle tasolle "olosuhteisiin sopivien fotonien" "stimulaation" tai "induktion" alaisena ja säteilevät saman taajuuden fotonia kuin tuleva fotoni. Stimuloidun säteilyn tärkein ominaisuus on, että stimuloidun säteilyn tuottamat fotonit ovat täsmälleen samassa tilassa kuin stimuloitua säteilyä tuottavat tulevat fotonit. Ne ovat "koherenssissa" tilassa. Niillä on sama taajuus ja sama suunta, ja on täysin mahdotonta erottaa näitä kahta toisistaan. Tällä tavoin yhdestä fotonista tulee kaksi identtistä fotonia yhden stimuloidun emission kautta. Tämä tarkoittaa, että valo voimistuu eli "vahvistuu".
Analysoidaan nyt uudelleen, mitä olosuhteita tarvitaan, jotta stimuloitua säteilyä saadaan yhä useammin?
Normaalioloissa korkeaenergisten elektronien lukumäärä on aina pienempi kuin matalaenergisten elektronien lukumäärä. Jos haluat atomien tuottavan stimuloitua säteilyä, sinun on lisättävä korkeaenergisten elektronien määrää. Siksi tarvitset "pumppulähteen", jonka tarkoituksena on stimuloida enemmän elektroneja. Liian monta matalaenergistä elektronia hyppää korkeaenergisille tasoille, joten korkeaenergisten elektronien määrä on suurempi kuin matalaenergisten elektronien määrä, ja tapahtuu "hiukkasluvun kääntyminen". Liian monta korkeaenergistä elektronia voi pysyä paikallaan vain hyvin lyhyen aikaa. Aika hyppää alemmalle energiatasolle, joten stimuloidun säteilyn mahdollisuus kasvaa.
Tietenkin "pumppauslähde" asetetaan eri atomeille. Se saa elektronit "resonoimaan" ja sallii useampien matalaenergisten elektronien hypätä korkeaenergisiin tasoihin. Lukijat ymmärtävät periaatteessa, mitä laser on? Miten laser tuotetaan? Laser on "valosäteilyä", jota kappaleen atomit "virittävät" tietyn "pumppauslähteen" vaikutuksesta. Tämä on laseria.
Julkaisun aika: 27.5.2024
