Laser e seu sistema de processamento

1. Princípio da geração de laser

A estrutura atômica é como um pequeno sistema solar, com o núcleo atômico no centro. Os elétrons estão em constante rotação ao redor do núcleo atômico, e o núcleo atômico também está em constante rotação.

O núcleo é composto por prótons e nêutrons. Os prótons possuem carga positiva e os nêutrons não possuem carga. O número de cargas positivas presentes em todo o núcleo é igual ao número de cargas negativas presentes em todos os elétrons, portanto, em geral, os átomos são neutros em relação ao meio externo.

Em relação à massa de um átomo, o núcleo concentra a maior parte da massa, e a massa ocupada por todos os elétrons é muito pequena. Na estrutura atômica, o núcleo ocupa apenas um pequeno espaço. Os elétrons orbitam ao redor do núcleo e têm um espaço muito maior para realizar atividades.

Os átomos possuem “energia interna”, que consiste em duas partes: uma é a velocidade orbital e a energia cinética dos elétrons; a outra é a energia potencial resultante da distância entre os elétrons, de carga negativa, e o núcleo, de carga positiva. A soma da energia cinética e da energia potencial de todos os elétrons constitui a energia total do átomo, denominada energia interna do átomo.

Todos os elétrons orbitam o núcleo; quanto mais próximos do núcleo, menor a energia desses elétrons; quanto mais distantes, maior a energia. De acordo com a probabilidade de ocorrência, as camadas eletrônicas são divididas em diferentes "níveis de energia". Em um determinado "nível de energia", pode haver múltiplos elétrons orbitando frequentemente, e cada elétron não possui uma órbita fixa, mas todos esses elétrons têm o mesmo nível de energia. Os "níveis de energia" são isolados uns dos outros. Sim, eles são isolados de acordo com os níveis de energia. O conceito de "nível de energia" não apenas divide os elétrons em níveis de acordo com a energia, mas também divide o espaço orbital dos elétrons em múltiplos níveis. Em resumo, um átomo pode ter múltiplos níveis de energia, e diferentes níveis de energia correspondem a diferentes níveis de energia; alguns elétrons orbitam em um "nível de energia baixo" e outros orbitam em um "nível de energia alto".

Atualmente, os livros de física do ensino fundamental apresentam claramente as características estruturais de certos átomos, as regras de distribuição de elétrons em cada camada eletrônica e o número de elétrons em diferentes níveis de energia.

Em um sistema atômico, os elétrons se movem basicamente em camadas, com alguns átomos em níveis de energia altos e outros em níveis de energia baixos. Como os átomos são constantemente afetados pelo ambiente externo (temperatura, eletricidade, magnetismo), os elétrons em níveis de energia altos são instáveis ​​e podem sofrer transições espontâneas para níveis de energia baixos. Esse efeito pode ser absorvido ou pode produzir efeitos de excitação específicos, causando "emissão espontânea". Portanto, em um sistema atômico, quando elétrons de níveis de energia altos transitam para níveis de energia baixos, ocorrem duas manifestações: "emissão espontânea" e "emissão estimulada".

A radiação espontânea ocorre quando elétrons em estados de alta energia são instáveis ​​e, influenciados pelo ambiente externo (temperatura, eletricidade, magnetismo), migram espontaneamente para estados de baixa energia, irradiando o excesso de energia na forma de fótons. A característica desse tipo de radiação é que a transição de cada elétron ocorre de forma independente e aleatória. Os estados dos fótons emitidos espontaneamente por diferentes elétrons são distintos. A luz emitida espontaneamente encontra-se em um estado "incoerente" e apresenta direções de dispersão. No entanto, a radiação espontânea possui características próprias dos átomos, e os espectros de radiação espontânea de diferentes átomos são diferentes. Isso nos remete a um princípio básico da física: "Todo objeto tem a capacidade de irradiar calor e de absorver e emitir ondas eletromagnéticas continuamente. As ondas eletromagnéticas irradiadas pelo calor possuem uma determinada distribuição espectral. Essa distribuição espectral está relacionada às propriedades do próprio objeto e à sua temperatura." Portanto, a razão da existência da radiação térmica é a emissão espontânea de fótons pelos átomos.

Na emissão estimulada, elétrons de alto nível de energia transitam para um nível de baixa energia sob a “estimulação” ou “indução” de “fótons adequados às condições”, emitindo um fóton com a mesma frequência do fóton incidente. A principal característica da radiação estimulada é que os fótons gerados por ela possuem exatamente o mesmo estado que os fótons incidentes que a originaram. Eles estão em um estado “coerente”. Possuem a mesma frequência e a mesma direção, sendo completamente impossível distinguir diferenças entre si. Dessa forma, um único fóton se transforma em dois fótons idênticos por meio de uma emissão estimulada. Isso significa que a luz é intensificada ou “amplificada”.

Vamos analisar novamente: quais são as condições necessárias para obter radiação estimulada com maior frequência?

Em circunstâncias normais, o número de elétrons em níveis de alta energia é sempre menor que o número de elétrons em níveis de baixa energia. Para que os átomos produzam radiação estimulada, é necessário aumentar o número de elétrons em níveis de alta energia, o que requer uma "fonte de bombeamento". Essa fonte tem como função estimular um número excessivo de elétrons de níveis de baixa energia a saltarem para níveis de alta energia, fazendo com que o número de elétrons em níveis de alta energia seja maior que o número de elétrons em níveis de baixa energia, causando uma "inversão do número de partículas". Elétrons em níveis de alta energia permanecem nesses níveis por um período muito curto, saltando para níveis de energia mais baixos em seguida, aumentando assim a probabilidade de emissão estimulada de radiação.

Claro, a "fonte de bombeamento" é configurada para diferentes átomos. Ela faz com que os elétrons "ressonem" e permitam que mais elétrons de níveis de energia mais baixos saltem para níveis de energia mais altos. Os leitores podem basicamente entender o que é um laser e como ele é produzido. Um laser é uma "radiação luminosa" que é "excitada" pelos átomos de um objeto sob a ação de uma "fonte de bombeamento" específica. Isso é um laser.