Godine 1960. prvi svjetski umjetni laser probio je mir u kalifornijskom Sis Labu, a rubinski laser koji je izumio Theodore Mehman otvorio je vrata ljudskom stvaranju lasera i uporabi lasera za transformaciju svijeta. Od proteklih pedeset godina, razvoj laserske znanosti je bio brz, a popularizacija i primjena laserske tehnologije također je ušla u živote ljudi iz svih aspekata. Ali većina ljudi samo zna da laseri imaju takvu svrhu, ali ne znaju kako je došao laser. Stoga će ovaj članak objasniti princip stvaranja lasera u relativno zajedničkom jeziku.
Da bi razumjeli princip stvaranja lasera, najprije shvatite koja je razina energije. Jednostavno rečeno, energetska razina je stanje u kojem svaki atom (zapravo ekstranuklearni elektron) nosi određenu količinu energije, a različite razine energije pokazuju da je energija koju nosi atom različita. Što je viša razina energije, veća je energija ekstranuklearnih elektrona, i lakše je odvojiti se od jezgre. Radi razumijevanja, za primjer se uzima najjednostavniji vodikov atom atomske strukture.
n predstavlja kvantni broj koji odgovara energetskoj razini E atoma. Kada je n = 1, označava razinu energije u ustaljenom stanju vodikovog atoma, koji se naziva osnovno stanje (razina E1). n = 2, 3, 4 itd. nazivaju se pobuđena stanja (razina energije E2, razina energije E3, razina energije E4, itd.). Prema danskoj teoriji fizičara Bohra, kada je atom u stabilnom osnovnom stanju, ako je uzbuđen vanjskim svijetom i apsorbira odgovarajuću vanjsku energiju, skoči na višu razinu energije da bi stvorio uzbuđeno stanje. Atom je nestabilan u pobuđenom stanju. Kada je atom u pobuđenom stanju, on spontano prelazi na nižu razinu energije. Nakon jednog ili više prijelaza u osnovno stanje, odgovarajuća energija se oslobađa tijekom prijelaza na nisku razinu energije. Ta odgovarajuća energija postoji u obliku fotona određene frekvencije, koja se može izračunati iz vrijednosti na desnoj strani dijagrama energetske razine, a energija fotona E = hν = Em - En. h je fiksna vrijednost koju mjeri fizičar (Planckova konstanta), ν je frekvencija fotona (frekvencija na kojoj se foton oslobađa iz uzbuđenog stanja u osnovno stanje, a to je frekvencija vanjskog zračenog svjetla, je laser pri formiranju lasera, a frekvencija koja određuje valnu duljinu lasera λ = c / ν, c je brzina svjetlosti).
Nakon razumijevanja strukture razine energije, da vidimo kako se formira laser. Radi lakšeg razumijevanja, za primjer se uzima najjednostavniji rubinski laser. Rubinski laser je čvrsti laser. Radna supstanca je rubinski štap. Kristalna matrica je Al2O3, koja je dopirana s 0,05% Cr2O3. Djelovanje lasera u rubinu postiže se stimuliranim procesom emisije Cr3 + (kromovih iona), tako da se Cr3 + često naziva aktivirajući ion, koji je "tijelo" lasera proizvedenog u rubinu. Glavna komponenta rubina, glinice, samo je matrica koja sadrži ione kroma, što ima samo neizravan učinak na djelovanje lasera. Struktura energetske razine je prikazana:
Kada svjetlo pumpe osvijetli rubin, ion Cr3 + u osnovnom stanju apsorbira svjetlo određene valne duljine i prelazi na razinu E3. Ion Cr3 + ima vrlo kratak životni vijek na toj razini energije (vrlo nestabilan, oko 10-9 s), i tako brzo prolazi kroz prijelaz zračenja (tranzicija bez zračenja odnosi se na razmjenu energije s vanjskim svijetom atomskim sudaranjem, to jest, toplinsko gibanje unutar kristala, tako da se razina energije mijenja, niti emitira niti apsorbira fotone) prelazi na razinu E2. Razina energije E2 ima dugi vijek trajanja (oko 3 ms), što se naziva razina metastabilne energije, na kojoj se mogu skupiti više iona Cr3 +. Kada je vanjska crpka dovoljno jaka, formira se inverzija populacije između razine E2 i razine E1, odnosno broj Cr3 + iona na razini E2 je veći od razine E1. Nakon što se realizira populacijska inverzija, svaki vanjski foton s energijom hν pobudit će atom na razini E2 kako bi ga prešao u osnovno stanje i oslobodio foton energijom hν, a ukupna energija fotona će se promijeniti na 2 promjene 4, 4 promjene 8 ... čime se postiže stimulirani proces pojačanja (pojačanja) zračenja. Budući da optička šupljina ima gubitak na optičkom pojačanju, laser se emitira samo kada je dobitak stimuliranog pojačanja zračenja veći od različitih gubitaka u laseru.
