Godine 1960, prvi svjetski umjetni laser probio je mir u kalifornijskoj Sis laboratoriji, a rubinski laser izumio Theodore Mehman otvorio je vrata ljudskom stvaranju lasera i korištenju lasera za transformaciju svijeta. Od proteklih pedeset godina, razvoj laserske nauke je bio brz, a popularizacija i primena laserske tehnologije takođe je ušla u živote ljudi sa svih aspekata. Ali većina ljudi jednostavno zna da laseri imaju takvu svrhu, ali ne znaju odakle je došao laser. Stoga će ovaj članak objasniti princip stvaranja lasera u relativno zajedničkom jeziku.
Da bi razumeli princip stvaranja lasera, prvo shvatite koji je nivo energije. Jednostavno rečeno, energetski nivo je stanje u kojem svaki atom (zapravo ekstrauklearni elektron) nosi određenu količinu energije, a različiti nivoi energije ukazuju na to da je energija koju nosi atom različita. Što je viši nivo energije, veća je energija ekstranuklearnih elektrona, i lakše je odvojiti se od jezgra. Radi razumijevanja, za primjer je uzet najjednostavniji atom vodika u atomskoj strukturi.
n predstavlja kvantni broj koji odgovara energetskom nivou E atoma. Kada je n = 1, to ukazuje na nivo energije u stacionarnom stanju atoma vodonika, koji se naziva osnovno stanje (nivo E1). n = 2, 3, 4, itd. se nazivaju pobuđena stanja (E2 nivo energije, E3 nivo energije, E4 nivo energije, itd.). Prema danskoj teoriji fizičara Borova, kada je atom u stabilnom osnovnom stanju, ako je uzbuđen od strane vanjskog svijeta i apsorbira odgovarajuću vanjsku energiju, skočiće na viši energetski nivo da bi stvorio uzbuđeno stanje. Atom je nestabilan u pobuđenom stanju. Kada je atom u uzbuđenom stanju, on spontano prelazi na niži energetski nivo. Nakon jednog ili više prijelaza u osnovno stanje, odgovarajuća energija se oslobađa tokom prijelaza na niski energetski nivo. Ova odgovarajuća energija postoji u obliku fotona određene frekvencije, koja se može izračunati iz vrijednosti na desnoj strani dijagrama energetskog nivoa, a energija fotona E = hν = Em - En. h je fiksna vrijednost mjerena od strane fizičara (Planckova konstanta), ν je frekvencija fotona (frekvencija na kojoj se foton oslobađa iz pobuđenog stanja u osnovno stanje, a to je frekvencija vanjskog zračenog svjetla, Frekvencija, koja određuje talasnu dužinu lasera λ = c / ν, c je brzina svjetlosti).
Posle razumevanja strukture nivoa energije, da vidimo kako se formira laser. Radi lakšeg razumevanja, najjednostavniji rubinski laser je uzet kao primer. Rubinski laser je laser u čvrstom stanju. Radna supstanca je rubinski štap. Kristalna matrica je Al2O3, dopirana sa 0,05% Cr2O3. Delovanje lasera u rubinu postiže se procesom stimulisane emisije Cr3 + (hromovih jona), tako da se Cr3 + često naziva aktivirajući ion, koji je "telo" lasera proizvedenog u rubinu. Glavna komponenta rubina, glinice, samo je matrica koja sadrži ione kroma, što ima samo indirektan efekat na djelovanje lasera. Struktura energetskog nivoa je prikazana:
Kada svetlo pumpe osvetljava rubin, Cr3 + ion u osnovnom stanju apsorbuje svetlost određene talasne dužine i prelazi na nivo E3. Ion Cr3 + ima veoma kratak životni vek na ovom energetskom nivou (veoma nestabilan, oko 10-9 s), i tako brzo prolazi kroz radijacioni prelaz (tranzicija bez zračenja se odnosi na razmenu energije sa spoljašnjim svetom atomskim sudaranjem, to jest, toplotno kretanje unutar kristala, tako da se nivo energije menja, niti emituje niti apsorbuje fotone) prelazi na nivo E2. Energetski nivo E2 ima dugi vijek trajanja (oko 3 ms), nazvan metastabilni nivo energije, na kojem se mogu sakupiti više iona Cr3 +. Kada je vanjska pumpa dovoljno jaka, formira se inverzija populacije između razine E2 i razine E1, odnosno broj Cr3 + iona na razini E2 je veći od E1 nivoa. Nakon što se realizira inverzija populacije, svaki vanjski foton s energijom hν pobudit će atom na razini E2 kako bi ga prešao u osnovno stanje i oslobodio foton s energijom hν, a ukupna energija fotona će se promijeniti na 2, 2 promene 4, 4 promene 8 ... čime se postiže stimulisani proces pojačanja (pojačanja) zračenja. Pošto optička šupljina ima gubitak na optičkom dobitku, laser se emituje samo kada je dobitak stimuliranog pojačanja zračenja veći od različitih gubitaka u laseru.
