1. Principio di generazione laser
La struttura atomica è simile a un piccolo sistema solare, con il nucleo atomico al centro. Gli elettroni ruotano costantemente attorno al nucleo atomico, e anche il nucleo atomico ruota costantemente.
Il nucleo atomico è composto da protoni e neutroni. I protoni sono carichi positivamente, mentre i neutroni sono neutri. Il numero di cariche positive presenti nell'intero nucleo è uguale al numero di cariche negative presenti in tutti gli elettroni; pertanto, in generale, gli atomi sono neutri rispetto all'ambiente esterno.
Per quanto riguarda la massa di un atomo, il nucleo ne concentra la maggior parte, mentre la massa occupata da tutti gli elettroni è molto piccola. Nella struttura atomica, il nucleo occupa solo un piccolo spazio. Gli elettroni ruotano attorno al nucleo e hanno a disposizione uno spazio molto più ampio per muoversi.
Gli atomi possiedono un'“energia interna”, composta da due parti: la prima è data dalla velocità orbitale e dalla conseguente energia cinetica degli elettroni; la seconda è data dalla distanza tra gli elettroni, caricati negativamente, e il nucleo, caricato positivamente, e dalla conseguente presenza di una certa quantità di energia potenziale. La somma dell'energia cinetica e dell'energia potenziale di tutti gli elettroni costituisce l'energia totale dell'atomo, detta energia interna dell'atomo.
Tutti gli elettroni ruotano attorno al nucleo; a volte, più sono vicini al nucleo, minore è l'energia di questi elettroni; a volte, più sono lontani dal nucleo, maggiore è l'energia di questi elettroni; in base alla probabilità di occorrenza, si divide lo strato elettronico in diversi "livelli energetici"; a un determinato "livello energetico", possono esserci più elettroni che orbitano frequentemente, e ogni elettrone non ha un'orbita fissa, ma tutti questi elettroni hanno lo stesso livello di energia; i "livelli energetici" sono isolati l'uno dall'altro. Sì, sono isolati in base ai livelli energetici. Il concetto di "livello energetico" non solo divide gli elettroni in livelli in base all'energia, ma divide anche lo spazio orbitale degli elettroni in più livelli. In breve, un atomo può avere più livelli energetici, e diversi livelli energetici corrispondono a energie diverse; alcuni elettroni orbitano a un "basso livello energetico" e altri orbitano a un "alto livello energetico".
Oggigiorno, i libri di fisica delle scuole medie indicano chiaramente le caratteristiche strutturali di alcuni atomi, le regole di distribuzione degli elettroni in ogni strato elettronico e il numero di elettroni a diversi livelli energetici.
In un sistema atomico, gli elettroni si muovono fondamentalmente a strati, con alcuni atomi a livelli energetici elevati e altri a livelli energetici bassi; poiché gli atomi sono sempre influenzati dall'ambiente esterno (temperatura, elettricità, magnetismo), gli elettroni ad alta energia sono instabili e possono effettuare una transizione spontanea a un livello energetico inferiore. Questo effetto può essere assorbito oppure può produrre effetti di eccitazione particolari e causare "emissione spontanea". Pertanto, in un sistema atomico, quando gli elettroni ad alta energia effettuano una transizione a livelli energetici inferiori, si verificano due fenomeni: "emissione spontanea" ed "emissione stimolata".
La radiazione spontanea si verifica quando gli elettroni in stati ad alta energia sono instabili e, influenzati dall'ambiente esterno (temperatura, elettricità, magnetismo), migrano spontaneamente verso stati a bassa energia, irradiando l'energia in eccesso sotto forma di fotoni. La caratteristica di questo tipo di radiazione è che la transizione di ciascun elettrone avviene in modo indipendente e casuale. Gli stati fotonici dell'emissione spontanea di elettroni diversi sono differenti. L'emissione spontanea di luce è in uno stato "incoerente" e presenta direzioni di diffusione. Tuttavia, la radiazione spontanea possiede le caratteristiche degli atomi stessi, e gli spettri di radiazione spontanea di atomi diversi sono differenti. A tal proposito, viene in mente un principio fondamentale della fisica: "Qualsiasi oggetto ha la capacità di irradiare calore e di assorbire ed emettere continuamente onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche irradiate dal calore hanno una certa distribuzione spettrale. Questa distribuzione spettrale è correlata alle proprietà dell'oggetto stesso e alla sua temperatura". Pertanto, la ragione dell'esistenza della radiazione termica è l'emissione spontanea degli atomi.
Nell'emissione stimolata, gli elettroni ad alta energia passano a un livello energetico inferiore sotto la "stimolazione" o "induzione" di "fotoni adatti alle condizioni" ed emettono un fotone con la stessa frequenza del fotone incidente. La caratteristica principale della radiazione stimolata è che i fotoni generati hanno esattamente lo stesso stato dei fotoni incidenti che li hanno generati. Si trovano in uno stato "coerente". Hanno la stessa frequenza e la stessa direzione, ed è assolutamente impossibile distinguerli. In questo modo, un singolo fotone si trasforma in due fotoni identici attraverso un'unica emissione stimolata. Ciò significa che la luce viene intensificata, o "amplificata".
Analizziamo ora nuovamente quali condizioni sono necessarie per ottenere una radiazione stimolata sempre più frequente.
In circostanze normali, il numero di elettroni nei livelli energetici superiori è sempre inferiore al numero di elettroni nei livelli energetici inferiori. Se si desidera che gli atomi producano radiazione stimolata, è necessario aumentare il numero di elettroni nei livelli energetici superiori, quindi serve una "sorgente di pompaggio", il cui scopo è stimolare un maggior numero di elettroni dai livelli energetici inferiori a quelli superiori, in modo che il numero di elettroni nei livelli energetici superiori superi quello dei livelli energetici inferiori, causando un'inversione del numero di particelle. Un numero eccessivo di elettroni nei livelli energetici superiori può rimanere in tali livelli solo per un brevissimo periodo di tempo, consentendo quindi un salto a un livello energetico inferiore e aumentando di conseguenza la probabilità di emissione stimolata di radiazione.
Naturalmente, la "sorgente di pompaggio" è impostata per atomi diversi. Fa sì che gli elettroni "risuonino" e permettano a un maggior numero di elettroni a basso livello energetico di saltare a livelli energetici superiori. I lettori possono quindi capire cos'è un laser e come viene prodotto. Un laser è una "radiazione luminosa" che viene "eccitata" dagli atomi di un oggetto sotto l'azione di una specifica "sorgente di pompaggio". Questo è il laser.
Data di pubblicazione: 27 maggio 2024
