Laser se refere a um grande número de fótons com exatamente as mesmas características geradas pela transição de elétrons metaestáveis em átomos de altos níveis de energia para baixos níveis de energia sob a excitação de fótons incidentes. O processo de geração de laser é o processo de amplificação de luz de radiação estimulada, ou seja, o material de trabalho do laser absorve energia externa, fazendo com que mais e mais partículas no alto nível de energia do material de trabalho transitem para o baixo nível de energia e, ao mesmo tempo, os fótons são liberados e os fótons passam pela ressonância. A oscilação e amplificação contínuas na cavidade formam um laser. Portanto, para gerar laser, três condições devem ser atendidas: material de trabalho do laser, fonte de excitação externa e cavidade ressonante óptica.
No estado de equilíbrio térmico, partículas como átomos em meios gerais satisfazem a distribuição de Boltzmann, ou seja, a densidade numérica de partículas em níveis de energia baixos é maior do que em níveis de energia altos. Para gerar luz laser, a distribuição de partículas deve primeiro ser alterada para que a densidade numérica de partículas em níveis de energia altos seja maior do que em níveis de energia baixos. Este estado de distribuição é chamado de "inversão do número de partículas". A reversão do número de partículas só pode ser alcançada em meios especiais, e apenas algumas centenas desses meios são encontrados atualmente na natureza. Apenas esses meios especiais podem servir como a substância de trabalho do laser, também conhecido como meio de ativação. Eles são as condições necessárias para a geração do laser.
Além disso, as partículas no estado excitado também devem ter uma vida longa o suficiente. No material de trabalho do laser, a vida média de uma certa partícula de estado excitado é particularmente longa, até 10^-3 segundos ou mesmo 1 segundo, o que é chamado de "estado metaestável". Somente no estado metaestável a reversão do número de partículas pode ser alcançada, fornecendo assim as condições necessárias para a geração de luz laser.
Para atingir a inversão do número de partículas entre os níveis de energia superior e inferior do material de trabalho, a energia deve ser fornecida de fora para excitar as partículas no nível de energia baixa para o nível de energia alta. Este processo é chamado de "bombeamento" ou "bombeamento". Substâncias que fornecem energia para executar esta função são fontes de estimulação. As linhas espectrais emitidas pela fonte de excitação devem corresponder às linhas espectrais de absorção do material de trabalho tanto quanto possível, de modo a atingir a conversão máxima de energia. Os métodos de excitação comuns geralmente incluem excitação óptica, excitação elétrica, excitação química, excitação nuclear, excitação térmica, etc.
A fonte de excitação pode fazer com que o material de trabalho atinja a inversão do número de partículas, mas para produzir laser de alta pureza, a radiação estimulada deve ser muito maior do que a emissão espontânea do material (o ruído de fundo do laser) para garantir que a densidade numérica de fótons em um espectro específico seja alta o suficiente. Isto é Um ressonador óptico é necessário.
A cavidade ressonante óptica pode não apenas fornecer o feedback óptico necessário para a oscilação dos fótons do laser, mas também limitar a frequência e a direção do laser, melhorando a monocromaticidade e a direcionalidade do laser. Espelhos coaxiais são instalados em ambas as extremidades da cavidade ressonante. A fonte de excitação excita átomos ou moléculas no material de trabalho por meio do processo de bombeamento para gerar radiação estimulada. Os fótons irradiados ao longo do eixo da cavidade ressonante são refletidos de volta ao longo do eixo pelos espelhos e, posteriormente, a geração de fótons de excitação forma um processo de amplificação de oscilação do tipo efeito avalanche. Um dos dois espelhos é um espelho parcial. O feixe de luz oscilado e amplificado ao longo da direção do eixo pode ser liberado através do espelho parcial para gerar um feixe de laser; enquanto os fótons que encontram o outro espelho de reflexão total são refletidos de volta e continuam a oscilar. e aumentar o zoom novamente.
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