1. レーザー発生原理
原子の構造は小さな太陽系のようなもので、中央に原子核があります。電子は原子核の周りを常に回転しており、原子核も常に回転しています。
原子核は陽子と中性子で構成されています。陽子は正に帯電しており、中性子は帯電していません。原子核全体が持つ正電荷の数は電子全体が持つ負電荷の数に等しいため、一般に原子は外界に対して中性です。
原子の質量に関する限り、原子核には原子の質量の大部分が集中しており、すべての電子が占める質量は非常に小さいです。原子の構造において、原子核は小さな空間しか占めません。電子は原子核の周りを回転し、電子は活動するためのより広い空間を持っています。
原子には「内部エネルギー」があり、これは 2 つの部分で構成されます。1 つは、電子が周回速度と特定の運動エネルギーを持っていることです。もう 1 つは、マイナスに帯電した電子とプラスに帯電した原子核の間に距離があり、ある程度の位置エネルギーが存在することです。すべての電子の運動エネルギーと位置エネルギーの和が原子全体のエネルギーであり、これを原子の内部エネルギーといいます。
すべての電子は原子核の周りを回転します。場合によっては、原子核に近づくと、これらの電子のエネルギーが小さくなります。場合によっては、原子核から離れると、これらの電子のエネルギーが大きくなります。発生確率に応じて、人々は電子層を異なる「エネルギーレベル」に分けます。特定の「エネルギーレベル」では、複数の電子が頻繁に軌道を周回している可能性があり、各電子は固定された軌道を持っていませんが、これらの電子はすべて同じレベルのエネルギーを持っています。「エネルギーレベル」は互いに分離されています。はい、エネルギーレベルに応じて分離されています。「エネルギー準位」の概念は、電子をエネルギーに応じて準位に分けるだけでなく、電子が周回する空間を複数の準位に分割するものでもある。つまり、原子は複数のエネルギー準位を持つことができ、異なるエネルギー準位は異なるエネルギーに対応します。一部の電子は「低エネルギーレベル」で周回し、一部の電子は「高エネルギーレベル」で周回します。
現在、中学校の物理の本には、特定の原子の構造的特徴、各電子層の電子分布規則、さまざまなエネルギー準位の電子の数が明確に記載されています。
原子系では、電子は基本的に層状に移動し、一部の原子は高エネルギー レベルにあり、一部の原子は低エネルギー レベルにあります。原子は常に外部環境（温度、電気、磁気）の影響を受けるため、高エネルギー準位の電子は不安定で、低エネルギー準位に自発的に遷移し、その影響が吸収されたり、特殊な励起効果を生じて「自然放出」。したがって、原子系では、高エネルギー準位の電子が低エネルギー準位に遷移するときに、「自然放出」と「誘導放出」の2つの現象が起こります。
自然放射とは、高エネルギー状態にある電子が不安定で、外部環境（温度、電気、磁気）の影響を受けて自発的に低エネルギー状態に移動し、過剰なエネルギーが光子の形で放射される現象です。この種の放射線の特徴は、各電子の遷移が独立してランダムに行われることです。異なる電子の自然放出の光子状態は異なります。光の自然放出は「インコヒーレント」状態にあり、方向が散乱しています。しかし、自然放射線は原子そのものの性質を持っており、原子ごとに自然放射線のスペクトルは異なります。そう言えば、「あらゆる物体には熱を放射する性質があり、物体は電磁波を吸収・放出し続ける性質がある」という物理学の基礎知識を思い出します。熱によって放射される電磁波は、あるスペクトル分布を持っています。このスペクトルの分布は、物体自体の特性とその温度に関係しています。」したがって、熱放射の存在理由は原子の自然放出です。
誘導放出では、高エネルギーレベルの電子が「条件に適した光子」の「刺激」または「誘導」を受けて低エネルギーレベルに遷移し、入射光子と同じ周波数の光子を放射します。誘導放射線の最大の特徴は、誘導放射線により発生する光子が、誘導放射線を発生させる入射光子と全く同じ状態であることです。それらは「コヒーレント」状態にあります。同じ周波数、同じ方向を持っており、両者を区別することはまったく不可能です。それらの間の違い。このように、1 つの光子は 1 つの誘導放出によって 2 つの同一の光子になります。これは、光が強化される、または「増幅される」ことを意味します。
さて、もう一度分析してみましょう。刺激放射線をより頻繁に得るためにはどのような条件が必要でしょうか?
通常の状況下では、高エネルギー準位の電子の数は常に低エネルギー準位の電子の数よりも少なくなります。原子に誘導放射線を発生させたい場合は、高エネルギー準位の電子の数を増やしたいため、より多くの刺激を与えることを目的とした「ポンプ源」が必要です。低エネルギー準位の電子が多すぎると高エネルギー準位にジャンプします。 、したがって、高エネルギーレベルの電子の数が低エネルギーレベルの電子の数よりも多くなり、「粒子数の逆転」が起こります。高エネルギーレベルの電子が多すぎると、非常に短時間しか滞在できなくなります。時間はより低いエネルギーレベルにジャンプするため、放射線の誘導放出の可能性が高まります。
もちろん、「ポンプソース」は原子ごとに設定されます。これにより電子が「共鳴」し、より多くの低エネルギーレベルの電子が高エネルギーレベルにジャンプできるようになります。読者は基本的に、レーザーとは何なのかを理解できるでしょう。レーザーはどのように生成されるのですか?レーザーは、特定の「ポンプ源」の作用下で物体の原子によって「励起」される「光放射」です。これがレーザーです。
投稿日時: 2024 年 5 月 27 日
