เลเซอร์และระบบการประมวลผล

1. หลักการสร้างเลเซอร์

โครงสร้างอะตอมเปรียบเสมือนระบบสุริยะขนาดเล็ก โดยมีนิวเคลียสของอะตอมอยู่ตรงกลาง อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมอยู่ตลอดเวลา และนิวเคลียสของอะตอมก็หมุนอยู่ตลอดเวลาเช่นกัน

นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน โปรตอนมีประจุบวก และนิวตรอนไม่มีประจุ จำนวนประจุบวกที่พาไปโดยนิวเคลียสทั้งหมดจะเท่ากับจำนวนประจุลบที่พาไปโดยอิเล็กตรอนทั้งหมด ดังนั้น โดยทั่วไปอะตอมจึงเป็นกลางกับโลกภายนอก

เท่าที่เกี่ยวกับมวลของอะตอม นิวเคลียสจะรวมมวลส่วนใหญ่ของอะตอมเข้าด้วยกัน และมวลที่อิเล็กตรอนทั้งหมดครอบครองนั้นมีขนาดเล็กมาก ในโครงสร้างอะตอม นิวเคลียสครอบครองพื้นที่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น อิเล็กตรอนหมุนรอบนิวเคลียส และอิเล็กตรอนมีพื้นที่สำหรับทำกิจกรรมมากขึ้น

อะตอมมี “พลังงานภายใน” ซึ่งประกอบด้วยสองส่วน ส่วนแรกคืออิเล็กตรอนมีความเร็วในการโคจรและพลังงานจลน์ที่แน่นอน อีกประการหนึ่งคือมีระยะห่างระหว่างอิเล็กตรอนที่มีประจุลบกับนิวเคลียสที่มีประจุบวก และมีพลังงานศักย์อยู่จำนวนหนึ่ง ผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอิเล็กตรอนทั้งหมดคือพลังงานของอะตอมทั้งหมด ซึ่งเรียกว่าพลังงานภายในของอะตอม

อิเล็กตรอนทั้งหมดหมุนรอบนิวเคลียส บางครั้งใกล้กับนิวเคลียส พลังงานของอิเล็กตรอนเหล่านี้ก็จะน้อยลง บางครั้งอยู่ห่างจากนิวเคลียส พลังงานของอิเล็กตรอนเหล่านี้ก็มีมากกว่า ตามความน่าจะเป็นที่จะเกิดขึ้น ผู้คนจะแบ่งชั้นอิเล็กตรอนออกเป็น "ระดับพลังงาน"; ใน “ระดับพลังงาน” ระดับหนึ่ง อาจมีอิเล็กตรอนหลายตัวโคจรอยู่บ่อยครั้ง และอิเล็กตรอนแต่ละตัวไม่มีวงโคจรคงที่ แต่อิเล็กตรอนเหล่านี้ล้วนมีระดับพลังงานเท่ากัน “ระดับพลังงาน” จะแยกออกจากกัน ใช่ พวกมันถูกแยกออกตามระดับพลังงาน แนวคิดเรื่อง “ระดับพลังงาน” ไม่เพียงแต่แบ่งอิเล็กตรอนออกเป็นระดับตามพลังงานเท่านั้น แต่ยังแบ่งพื้นที่การโคจรของอิเล็กตรอนออกเป็นหลายระดับอีกด้วย กล่าวโดยสรุป อะตอมอาจมีระดับพลังงานหลายระดับ และระดับพลังงานที่แตกต่างกันจะสอดคล้องกับพลังงานที่แตกต่างกัน อิเล็กตรอนบางตัวโคจรที่ "ระดับพลังงานต่ำ" และอิเล็กตรอนบางตัวโคจรที่ "ระดับพลังงานสูง"

ปัจจุบัน หนังสือฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษาตอนต้นได้ระบุลักษณะโครงสร้างของอะตอมบางอะตอม กฎการกระจายอิเล็กตรอนในแต่ละชั้นอิเล็กตรอน และจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่แตกต่างกันไว้อย่างชัดเจน

ในระบบอะตอม โดยพื้นฐานแล้วอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เป็นชั้นๆ โดยอะตอมบางอะตอมมีระดับพลังงานสูงและบางอะตอมมีระดับพลังงานต่ำ เนื่องจากอะตอมมักได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก (อุณหภูมิ ไฟฟ้า แม่เหล็ก) อิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงจึงไม่เสถียรและจะเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานต่ำได้เอง ผลกระทบของมันอาจถูกดูดซับหรืออาจทำให้เกิดการกระตุ้นพิเศษและทำให้เกิด” การปล่อยก๊าซธรรมชาติ” ดังนั้น ในระบบอะตอม เมื่ออิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานต่ำ จะมีอาการสองอย่าง: "การปล่อยก๊าซธรรมชาติ" และ "การปล่อยก๊าซกระตุ้น"

การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเอง อิเล็กตรอนในสภาวะพลังงานสูงจะไม่เสถียร และได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก (อุณหภูมิ ไฟฟ้า แม่เหล็ก) จะอพยพไปสู่สภาวะพลังงานต่ำตามธรรมชาติ และพลังงานส่วนเกินจะถูกแผ่ออกมาในรูปของโฟตอน ลักษณะของรังสีประเภทนี้คือการเปลี่ยนผ่านของอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะดำเนินการอย่างอิสระและเป็นแบบสุ่ม สถานะของโฟตอนของการปล่อยอิเล็กตรอนต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นเองนั้นแตกต่างกัน การเปล่งแสงที่เกิดขึ้นเองนั้นอยู่ในสถานะ "ไม่ต่อเนื่องกัน" และมีทิศทางที่กระจัดกระจาย อย่างไรก็ตาม การแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองนั้นมีลักษณะเฉพาะของอะตอมเอง และสเปกตรัมของการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองของอะตอมต่าง ๆ นั้นแตกต่างกัน เมื่อพูดถึงสิ่งนี้ เป็นการเตือนผู้คนถึงความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์ว่า “วัตถุใดๆ มีความสามารถในการแผ่ความร้อน และวัตถุนั้นมีความสามารถในการดูดซับและปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากความร้อนจะมีการกระจายสเปกตรัมที่แน่นอน สเปกตรัมนี้ การกระจายตัวสัมพันธ์กับคุณสมบัติของวัตถุและอุณหภูมิของมัน” ดังนั้นสาเหตุของการมีอยู่ของรังสีความร้อนก็คือการปล่อยอะตอมที่เกิดขึ้นเอง

ในการปล่อยก๊าซกระตุ้น อิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงจะเปลี่ยนไปสู่ระดับพลังงานต่ำภายใต้ "การกระตุ้น" หรือ "การเหนี่ยวนำ" ของ "โฟตอนที่เหมาะสมกับสภาวะ" และแผ่โฟตอนที่มีความถี่เดียวกันกับโฟตอนที่ตกกระทบ คุณลักษณะที่ใหญ่ที่สุดของรังสีกระตุ้นคือโฟตอนที่เกิดจากรังสีกระตุ้นมีสถานะเดียวกับโฟตอนตกกระทบที่สร้างรังสีกระตุ้นทุกประการ พวกเขาอยู่ในสถานะที่ "สอดคล้องกัน" พวกมันมีความถี่และทิศทางเดียวกัน และเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแยกทั้งสองสิ่งนี้ออกจากกัน ความแตกต่างระหว่างสิ่งเหล่านั้น ด้วยวิธีนี้ โฟตอนหนึ่งตัวจะกลายเป็นโฟตอนที่เหมือนกันสองตัวผ่านการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นเพียงครั้งเดียว ซึ่งหมายความว่าแสงมีความเข้มข้นมากขึ้น หรือ “ถูกขยาย”

ทีนี้มาวิเคราะห์อีกครั้งว่าจำเป็นต้องมีเงื่อนไขอะไรบ้างเพื่อให้ได้รังสีกระตุ้นบ่อยขึ้น?

ภายใต้สถานการณ์ปกติ จำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูงจะน้อยกว่าจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานต่ำเสมอ หากคุณต้องการให้อะตอมผลิตรังสีที่ถูกกระตุ้นคุณจะต้องเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนในระดับพลังงานสูง ดังนั้นคุณจึงต้องมี "แหล่งกำเนิดปั๊ม" ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อกระตุ้นมากขึ้น อิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำจำนวนมากเกินไปจะกระโดดไปสู่ระดับพลังงานสูง ดังนั้นจำนวนอิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงจะมากกว่าจำนวนอิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำ และ "การกลับตัวของจำนวนอนุภาค" จะเกิดขึ้น อิเล็กตรอนระดับพลังงานสูงมากเกินไปสามารถคงอยู่ได้ในช่วงเวลาสั้น ๆ เท่านั้น เวลาจะกระโดดไปสู่ระดับพลังงานที่ต่ำลง ดังนั้นความเป็นไปได้ในการกระตุ้นการปล่อยรังสีจะเพิ่มขึ้น

แน่นอนว่า "แหล่งกำเนิดปั๊ม" ถูกกำหนดไว้สำหรับอะตอมต่างๆ มันทำให้อิเล็กตรอน “สะท้อน” และยอมให้อิเล็กตรอนระดับพลังงานต่ำกระโดดไปสู่ระดับพลังงานสูงได้มากขึ้น โดยทั่วไปผู้อ่านสามารถเข้าใจได้ว่าเลเซอร์คืออะไร? เลเซอร์เกิดขึ้นได้อย่างไร? เลเซอร์คือ "การแผ่รังสีแสง" ที่ถูก "กระตุ้น" โดยอะตอมของวัตถุภายใต้การกระทำของ "แหล่งกำเนิดปั๊ม" ที่เฉพาะเจาะจง นี่คือเลเซอร์