1. Principe van lasergeneratie
De atoomstructuur is als een klein zonnestelsel, met de atoomkern in het midden. De elektronen draaien constant rond de atoomkern, en de atoomkern zelf draait ook constant.
De kern bestaat uit protonen en neutronen. Protonen zijn positief geladen en neutronen zijn ongeladen. Het aantal positieve ladingen van de gehele kern is gelijk aan het aantal negatieve ladingen van alle elektronen, waardoor atomen over het algemeen neutraal zijn voor de buitenwereld.
Wat de massa van een atoom betreft, concentreert de kern het grootste deel van de massa van het atoom, en de massa die door alle elektronen wordt ingenomen is zeer klein. In de atoomstructuur neemt de kern slechts een kleine ruimte in beslag. De elektronen draaien rond de kern en hebben daardoor een veel grotere bewegingsruimte.
Atomen bezitten "interne energie", die uit twee delen bestaat: ten eerste de omloopsnelheid en de kinetische energie van de elektronen; ten tweede de potentiële energie die ontstaat door de afstand tussen de negatief geladen elektronen en de positief geladen kern. De som van de kinetische energie en de potentiële energie van alle elektronen is de energie van het hele atoom, die we de interne energie van het atoom noemen.
Alle elektronen draaien rond de kern; soms is de energie van elektronen dichter bij de kern lager, soms is de energie van elektronen verder van de kern hoger. Afhankelijk van de waarschijnlijkheid van voorkomen, worden de elektronenlagen verdeeld in verschillende 'energieniveaus'. Op een bepaald 'energieniveau' kunnen meerdere elektronen tegelijkertijd ronddraaien, en elk elektron heeft geen vaste baan, maar ze hebben wel allemaal hetzelfde energieniveau. 'Energieniveaus' zijn van elkaar gescheiden. Ja, ze zijn gescheiden op basis van energieniveaus. Het concept 'energieniveau' verdeelt elektronen niet alleen in niveaus op basis van energie, maar verdeelt ook de ruimte waarin elektronen ronddraaien in meerdere niveaus. Kortom, een atoom kan meerdere energieniveaus hebben, en verschillende energieniveaus corresponderen met verschillende energieën; sommige elektronen draaien op een 'laag energieniveau' en andere op een 'hoog energieniveau'.
Tegenwoordig geven natuurkundeboeken voor de middelbare school duidelijk de structurele kenmerken van bepaalde atomen weer, evenals de regels voor de verdeling van elektronen in elke elektronenlaag en het aantal elektronen op verschillende energieniveaus.
In een atomair systeem bewegen elektronen zich in principe in lagen, waarbij sommige atomen zich op hoge energieniveaus bevinden en andere op lage energieniveaus. Omdat atomen altijd worden beïnvloed door de externe omgeving (temperatuur, elektriciteit, magnetisme), zijn elektronen op hoge energieniveaus instabiel en zullen ze spontaan overgaan naar een lager energieniveau. Het effect hiervan kan worden geabsorbeerd, of het kan speciale excitatie-effecten veroorzaken en leiden tot "spontane emissie". Daarom zijn er in een atomair systeem twee verschijnselen wanneer elektronen van hoge naar lage energieniveaus overgaan: "spontane emissie" en "gestimuleerde emissie".
Spontane straling is een verschijnsel waarbij elektronen in hoge-energiestaten instabiel zijn en, onder invloed van de externe omgeving (temperatuur, elektriciteit, magnetisme), spontaan migreren naar lage-energiestaten. De overtollige energie wordt daarbij uitgestraald in de vorm van fotonen. Kenmerkend voor dit type straling is dat de overgang van elk elektron onafhankelijk en willekeurig verloopt. De fotonen die spontaan worden uitgezonden, verschillen per elektron. De spontane emissie van licht is "incoherent" en heeft verstrooide richtingen. Spontane straling heeft echter ook de eigenschappen van de atomen zelf, en de spectra van spontane straling verschillen per atoom. Dit doet denken aan een basisprincipe uit de natuurkunde: "Elk object kan warmte uitstralen en elektromagnetische golven absorberen en uitzenden. De elektromagnetische golven die door warmte worden uitgestraald, hebben een bepaalde spectrumverdeling. Deze spectrumverdeling is gerelateerd aan de eigenschappen van het object zelf en de temperatuur." De reden voor het bestaan van warmtestraling is dus de spontane emissie van atomen.
Bij gestimuleerde emissie gaan elektronen met een hoge energieniveau over naar een laag energieniveau onder invloed van fotonen die geschikt zijn voor de omstandigheden. Daarbij zenden ze een foton uit met dezelfde frequentie als het invallende foton. Het belangrijkste kenmerk van gestimuleerde emissie is dat de gegenereerde fotonen zich in exact dezelfde toestand bevinden als de invallende fotonen. Ze zijn coherent. Ze hebben dezelfde frequentie en dezelfde richting, waardoor het onmogelijk is om de twee van elkaar te onderscheiden. Op deze manier wordt één foton door één gestimuleerde emissie twee identieke fotonen. Dit betekent dat het licht wordt versterkt.
Laten we nu nog eens analyseren welke voorwaarden nodig zijn om steeds vaker gestimuleerde straling te verkrijgen?
Onder normale omstandigheden is het aantal elektronen in hogere energieniveaus altijd kleiner dan het aantal elektronen in lagere energieniveaus. Om atomen gestimuleerde straling te laten produceren, moet het aantal elektronen in hogere energieniveaus toenemen. Hiervoor is een "pompbron" nodig, die ervoor zorgt dat er meer elektronen in hogere energieniveaus naar hogere energieniveaus springen. Hierdoor wordt het aantal elektronen in hogere energieniveaus groter dan het aantal elektronen in lagere energieniveaus, wat leidt tot een "omkering van het deeltjesaantal". Te veel elektronen in hogere energieniveaus kunnen slechts zeer kort in deze niveaus blijven. Na verloop van tijd springen ze naar een lager energieniveau, waardoor de kans op gestimuleerde straling toeneemt.
De "pompbron" is natuurlijk afgestemd op verschillende atomen. Deze zorgt ervoor dat de elektronen "resoneren" en dat meer elektronen van een laag energieniveau naar een hoger energieniveau kunnen springen. Lezers begrijpen nu in principe wat een laser is en hoe deze wordt opgewekt. Een laser is "lichtstraling" die wordt "opgewekt" door de atomen van een object onder invloed van een specifieke "pompbron". Dat is laserlicht.
Geplaatst op: 27 mei 2024
