Leta 1960 je prvi umetniški laser na svetu prebodel tišino kalifornijskega laboratorija Sis, rubinski laser, ki ga je izumil Theodore Mehman, pa je odprl vrata človeškemu ustvarjanju laserjev in uporabi laserjev za preoblikovanje sveta. Od zadnjih petdesetih let je bil razvoj laserske znanosti hiter, popularizacija in uporaba laserske tehnologije pa je prav tako vstopila v življenje ljudi z vseh vidikov. Večina ljudi ve, da imajo laserji takšen namen, vendar ne vedo, od kod je prišel laser. Zato bomo v tem članku pojasnili načelo laserske formacije v razmeroma pogostem jeziku.
Da bi razumeli načelo laserske tvorbe, najprej razumite, kakšna je energijska raven. Enostavno rečeno, energetska raven je stanje, v katerem vsak atom (dejansko ekstrauklearni elektron) nosi določeno količino energije in različne energetske ravni kažejo, da je energija, ki jo nosi atom, drugačna. Višja kot je energijska raven, višja je energija zunaj nuklearnih elektronov in lažje se je odtrgati od jedra. Zaradi razumevanja je za primer vzet najpreprostejši vodikov atom atomske strukture.
n predstavlja kvantno število, ki ustreza energetski ravni E atoma. Ko je n = 1, označuje energijsko raven v ustaljenem stanju vodikovega atoma, ki se imenuje osnovno stanje (nivo E1). n = 2, 3, 4 itd. se imenujejo ekscitirana stanja (energetska raven E2, energetska raven E3, energetska raven E4 itd.). V skladu z dansko teorijo fizika Bohra, ko je atom v stabilnem osnovnem stanju, če ga vzbudi zunanji svet in absorbira ustrezno zunanjo energijo, bo skočil na višjo energetsko raven, da bo tvoril vzburjeno stanje. Atom je nestabilen v vzbujenem stanju. Ko je atom v vzbujenem stanju, spontano preide na nižjo energetsko raven. Po enem ali več prehodih v osnovno stanje se med prehodom na nizko energetsko raven sprosti ustrezna energija. Ta ustrezna energija obstaja v obliki fotonov določene frekvence, ki se lahko izračuna iz vrednosti na desni strani diagrama energetske ravni, energija fotona E = hν = Em - En. h je stalna vrednost, ki jo izmeri fizik (Planckova konstanta), ν je frekvenca fotona (frekvenca, pri kateri se foton sprosti iz vzburjenega stanja v osnovno stanje, ki je frekvenca zunanje sevane svetlobe, ki je je laser, ko nastane laser, frekvenca, ki določa valovno dolžino laserja λ = c / ν, c je hitrost svetlobe).
Ko razumemo strukturo energetske ravni, poglejmo, kako se tvori laser. Zaradi preprostega razumevanja je kot na primer vzet najpreprostejši rubinski laser. Rubinski laser je polprevodniški laser. Delovna snov je rubin. Kristalna matrika je Al2O3, ki je dopirana z 0,05% Cr2O3. Lasersko delovanje v rubinih se doseže s procesom stimulirane emisije Cr3 + (kromovih ionov), tako da se Cr3 + pogosto imenuje aktivacijski ion, ki je "telo" laserja, proizvedenega v rubinu. Glavna sestavina rubin, aluminijevega oksida, je le matrika, ki vsebuje kromove ione, ki le posredno vpliva na delovanje laserja. Njena energijska struktura je prikazana:
Ko svetloba črpalke osvetli rubin, Cr3 + ion v osnovnem stanju absorbira svetlobo določene valovne dolžine in prehaja v raven E3. Ion Cr3 + ima zelo kratko življenjsko dobo na tem energetskem nivoju (zelo nestabilen, približno 10-9 s) in s tem hitro prehaja skozi prehod sevanja (prehod brez sevanja se nanaša na izmenjavo energije z zunanjim svetom z atomskim trkom, to je toplotno gibanje znotraj kristala, tako da se energijska raven spreminja, ne oddaja ali absorbira fotonov), prehaja na raven E2. Energijska raven E2 ima dolgo življenjsko dobo (približno 3 ms), imenovano metastabilno raven energije, na kateri se lahko zbira več ionov Cr3 +. Ko je zunanja črpalka dovolj močna, se med nivojem E2 in nivojem E1 oblikuje populacijska inverzija, to pomeni, da je število Cr3 + ionov na ravni E2 večje od ravni E1. Po realizaciji populacijske inverzije bo vsak zunanji foton z energijo hν vzbujal atom na ravni E2, tako da bo prehod v osnovno stanje in sproščal foton z energijo hν, skupna energija fotona pa bo spremenjena na 2, 2 spremembe 4, 4 spremembe 8 ... s čimer se doseže stimuliran proces ojačanja sevanja. Ker ima optična votlina izgubo na optičnem dobitku, se laser predvaja le takrat, ko je dobiček stimuliranega ojačevalnega sevanja večji od različnih izgub v laserju.
