1. Laseri genereerimise põhimõte
Aatomi struktuur on nagu väike päikesesüsteem, mille keskel asub aatomituum. Elektronid pöörlevad pidevalt ümber aatomituuma ja ka aatomituum pöörleb pidevalt.
Tuum koosneb prootonitest ja neutronitest. Prootonid on positiivselt laetud ja neutronid laenguta. Kogu tuuma poolt kantavate positiivsete laengute arv on võrdne kogu elektroni poolt kantavate negatiivsete laengute arvuga, seega on aatomid üldiselt välismaailma suhtes neutraalsed.
Mis puutub aatomi massi, siis tuumas on koondunud suurem osa aatomi massist ja kõigi elektronide poolt hõivatud mass on väga väike. Aatomi struktuuris hõivab tuum vaid väikese ruumi. Elektronid pöörlevad ümber tuuma ja elektronidel on palju suurem aktiivsusruum.
Aatomitel on "siseenergia", mis koosneb kahest osast: esiteks on elektronide orbiidikiirus ja teatud kineetiline energia; teiseks on negatiivselt laetud elektronide ja positiivselt laetud tuuma vahel kaugus ning teatud hulk potentsiaalset energiat. Kõigi elektronide kineetilise ja potentsiaalse energia summa on kogu aatomi energia, mida nimetatakse aatomi siseenergiaks.
Kõik elektronid tiirlevad ümber tuuma; mõnikord tuumale lähemal on nende elektronide energia väiksem; mõnikord tuumast kaugemal on nende elektronide energia suurem; vastavalt esinemise tõenäosusele jagatakse elektronkiht erinevateks "energiatasemeteks"; teatud "energiatasemel" võib mitu elektroni sageli tiirleda ja igal elektronil pole kindlat orbiiti, kuid neil kõigil on sama energiatase; "energiatasemed" on üksteisest isoleeritud. Jah, nad on isoleeritud vastavalt energiatasemetele. "Energiataseme" mõiste mitte ainult ei jaga elektrone tasemeteks vastavalt energiale, vaid jagab ka elektronide orbiidiruumi mitmeks tasemeks. Lühidalt öeldes võib aatomil olla mitu energiataset ja erinevad energiatasemed vastavad erinevatele energiatele; mõned elektronid tiirlevad "madala energiataseme" ja mõned "kõrge energiataseme" juures.
Tänapäeval on keskkooli füüsikaõpikutes selgelt märgitud teatud aatomite struktuurilised omadused, elektronide jaotuse reeglid igas elektronkihis ja elektronide arv erinevatel energiatasemetel.
Aatomisüsteemis liiguvad elektronid põhimõtteliselt kihtidena, kusjuures mõned aatomid on kõrge ja mõned madala energiatasemega; kuna aatomeid mõjutab alati väliskeskkond (temperatuur, elekter, magnetism), on kõrge energiatasemega elektronid ebastabiilsed ja lähevad spontaanselt madala energiatasemega elektronidele, nende mõju võib neelduda või need võivad tekitada spetsiaalseid ergastusefekte ja põhjustada "spontaanset emissiooni". Seega, kui aatomisüsteemis kõrge energiatasemega elektronid lähevad madala energiatasemega elektronidele üle, toimub kaks ilmingut: "spontaanne emissioon" ja "stimuleeritud emissioon".
Spontaanne kiirgus – kõrge energiaga elektronid on ebastabiilsed ja väliskeskkonna (temperatuur, elekter, magnetism) mõjul migreeruvad spontaanselt madala energiaga olekutesse ning liigne energia kiirgub footonite kujul. Seda tüüpi kiirguse iseloomulikuks tunnuseks on see, et iga elektroni üleminek toimub sõltumatult ja on juhuslik. Erinevate elektronide spontaanse emissiooni footonseisundid on erinevad. Valguse spontaanne emissioon on "mittekoherentses" olekus ja hajutatud suundadega. Spontaansel kiirgusel on aga aatomite endi omadused ja erinevate aatomite spontaanse kiirguse spektrid on erinevad. Seda rääkides tuletab see inimestele meelde füüsika põhiteadmisi: "Igal objektil on võime kiirata soojust ning objektil on võime pidevalt neelata ja kiirata elektromagnetlaineid. Soojuse kiirgavatel elektromagnetlainetel on teatud spektrijaotus. See spektrijaotus on seotud objekti enda omaduste ja selle temperatuuriga." Seega on soojuskiirguse olemasolu põhjuseks aatomite spontaanne emissioon.
Stimuleeritud emissiooni korral lähevad kõrge energiatasemega elektronid „tingimustele sobivate footonite“ „stimuleerimise“ või „induktsiooni“ mõjul madala energiatasemega elektronidele ja kiirgavad langeva footoniga sama sagedusega footonit. Stimuleeritud kiirguse suurim omadus on see, et stimuleeritud kiirguse tekitatud footonitel on täpselt sama olek kui stimuleeritud kiirgust tekitavatel langevatel footonitel. Nad on „koherentses“ olekus. Neil on sama sagedus ja sama suund ning nende kahe erinevuse eristamine on täiesti võimatu. Sel viisil saab ühest footonist ühe stimuleeritud emissiooni kaudu kaks identset footonit. See tähendab, et valgus intensiivistub ehk „võimendub“.
Analüüsime nüüd uuesti, millised tingimused on vajalikud üha sagedasema stimuleeritud kiirguse saamiseks?
Tavalistes tingimustes on kõrge energiatasemega elektronide arv alati väiksem kui madala energiatasemega elektronide arv. Kui soovite, et aatomid tekitaksid stimuleeritud kiirgust, peate suurendama kõrge energiatasemega elektronide arvu, seega vajate "pumbaallikat", mille eesmärk on stimuleerida rohkem elektrone. Liiga palju madala energiatasemega elektrone hüppab kõrge energiatasemega elektronidele, seega on kõrge energiatasemega elektronide arv suurem kui madala energiatasemega elektronide arv ja toimub "osakeste arvu pöördumine". Liiga palju kõrge energiatasemega elektrone saab püsida vaid väga lühikest aega. Aeg hüppab madalamale energiatasemele, seega suureneb stimuleeritud kiirgusemissiooni võimalus.
Loomulikult on „pumbaallikas“ seatud erinevatele aatomitele. See paneb elektronid „resoneerima“ ja võimaldab madalama energiaga elektronidel hüpata kõrge energiaga elektronidele. Lugejad saavad põhimõtteliselt aru, mis on laser? Kuidas laserit tekitatakse? Laser on „valguskiirgus“, mida objekti aatomid „ergastavad“ kindla „pumbaallika“ toimel. See on laser.
Postituse aeg: 27. mai 2024
