ฟิสิกส์เลเซอร์
ฟิสิกส์เลเซอร์ศึกษาว่าการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นและการป้อนกลับทางแสงทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อสร้างแสงที่มีความสอดคล้องกัน มีทิศทางเดียว และเป็นแสงสีเดียว
Definition
การศึกษาหลักการที่ตัวกลางขยายสัญญาณที่มีภาวะประชากรผกผัน ซึ่งวางอยู่ภายในตัวกำทอนแสง จะขยายแสงผ่านการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นเพื่อสร้างลำแสงที่สอดคล้องกัน มีทิศทางเดียว และมีช่วงความถี่แคบ
Scope
ฟิสิกส์เลเซอร์เป็นสาขาหนึ่งของทัศนศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างแสงที่สอดคล้องกันโดยการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น ครอบคลุมถึงอันตรกิริยาเชิงควอนตัมของแสงและสสารผ่านสัมประสิทธิ์ของไอน์สไตน์ การสร้างภาวะประชากรผกผันและอัตราขยายทางแสงในตัวกลางที่ถูกกระตุ้น บทบาทของตัวกำทอนแสงในการให้การป้อนกลับและการเลือกโหมด การทำงานแบบเกณฑ์และสถานะคงที่ของออสซิลเลเตอร์เลเซอร์ ประเภทหลักของเลเซอร์และระบอบการทำงานของเลเซอร์ รวมถึงเอาต์พุตแบบต่อเนื่องและแบบพัลส์ (Q-switched และ mode-locked) และโครงสร้างเชิงพื้นที่ของลำแสงเลเซอร์ เป็นพื้นฐานทางฟิสิกส์สำหรับเลเซอร์ที่ใช้ในวิทยาศาสตร์ อุตสาหกรรม และการแพทย์
Sub-topics
Core questions
- การปล่อยรังสีแบบกระตุ้นสร้างอัตราขยายทางแสงได้อย่างไร?
- เงื่อนไขใดบ้างที่จำเป็นในการเข้าถึงและรักษาสภาวะการแกว่งของเลเซอร์?
- ตัวกำทอนมีผลต่อคุณสมบัติทางสเปกตรัมและเชิงพื้นที่ของเอาต์พุตอย่างไร?
- อะไรคือความแตกต่างระหว่างเลเซอร์ประเภทหลักและวิธีการสร้างพัลส์ของเลเซอร์เหล่านั้น?
Key concepts
- การปล่อยรังสีแบบกระตุ้น
- ภาวะประชากรผกผัน
- อัตราขยายทางแสง
- การกระตุ้น
- ตัวกำทอนแสง
- เกณฑ์การเกิดเลเซอร์
- โหมดตามยาวและตามขวาง
- ความสอดคล้องและแสงสีเดียว
Key theories
- การปล่อยรังสีแบบกระตุ้นและสัมประสิทธิ์ของไอน์สไตน์
- การอธิบายของไอน์สไตน์เกี่ยวกับการดูดกลืน การปล่อยรังสีแบบธรรมชาติ และการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น เชื่อมโยงอัตราของสิ่งเหล่านี้และแสดงให้เห็นว่าตัวกลางที่ถูกกระตุ้นสามารถขยายแสงได้อย่างสอดคล้องกัน ซึ่งเป็นหลักการพื้นฐานของเลเซอร์ทั้งหมด
- การแกว่งของเลเซอร์: อัตราขยาย การป้อนกลับ และเกณฑ์
- การเกิดเลเซอร์เกิดขึ้นเมื่ออัตราขยายแบบไปกลับจากตัวกลางที่มีภาวะประชากรผกผันสมดุลกับการสูญเสียของตัวกำทอน; เหนือเกณฑ์นี้ การแกว่งที่สอดคล้องกันและคงอยู่ได้ด้วยตัวเองจะเกิดขึ้นในโหมดโพรง
- โครงสร้างโหมดของตัวกำทอน
- ตัวกำทอนแสงกำหนดความถี่ตามยาวแบบไม่ต่อเนื่องและโหมดเชิงพื้นที่ตามขวางให้กับสนาม ซึ่งกำหนดความกว้างของเส้นสเปกตรัม โปรไฟล์ลำแสง และความสอดคล้องกันของเลเซอร์
Clinical relevance
เลเซอร์ถูกนำมาใช้ทั่วทั้งวงการแพทย์สำหรับการตัดและทำให้เลือดแข็งตัวของเนื้อเยื่อในการผ่าตัด สำหรับการแข็งตัวของเลือดด้วยแสงและการแก้ไขสายตาในจักษุวิทยา สำหรับการรักษาทางผิวหนังและความงาม และเป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการถ่ายภาพวินิจฉัยและสเปกโทรสโกปี โดยเอาต์พุตที่แม่นยำและสอดคล้องกันช่วยให้สามารถส่งพลังงานได้อย่างควบคุม
History
ไอน์สไตน์ได้นำเสนอการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นในปี 1917 แต่การขยายสัญญาณที่สอดคล้องกันยังไม่เกิดขึ้นจนกระทั่งมีการสร้างเมเซอร์ในช่วงทศวรรษ 1950 โดยทาวน์สและเพื่อนร่วมงาน ชอว์โลว์และทาวน์สได้อธิบายเลเซอร์เชิงแสงในปี 1958 และไมแมนได้เดินเครื่องเลเซอร์ตัวแรกที่ใช้งานได้จริง ซึ่งเป็นอุปกรณ์ทับทิมในปี 1960 ซึ่งเป็นการเปิดสาขาวิชานี้
Key figures
- Albert Einstein
- Charles H. Townes
- Arthur L. Schawlow
- Theodore H. Maiman
Related topics
Seminal works
- siegman1986
- svelto2010
Frequently asked questions
- อะไรที่ทำให้แสงเลเซอร์แตกต่างจากแสงธรรมดา?
- แสงเลเซอร์มีความสอดคล้องกันสูง เป็นแสงสีเดียวเกือบสมบูรณ์ และถูกปล่อยออกมาเป็นลำแสงที่มีทิศทางที่ชัดเจน เนื่องจากเกิดจากการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นเข้าสู่โหมดตัวกำทอนเพียงไม่กี่โหมด แทนที่จะเกิดจากการปล่อยรังสีแบบธรรมชาติที่เป็นอิสระในหลายทิศทางและหลายความยาวคลื่น
- ทำไมเลเซอร์จึงต้องมีตัวกำทอน?
- ตัวกำทอนจะส่งแสงกลับผ่านตัวกลางขยายสัญญาณหลายครั้ง ทำให้สนามสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยการปล่อยรังสีแบบกระตุ้นซ้ำๆ และเลือกความถี่และรูปร่างลำแสงที่เฉพาะเจาะจงที่รักษาสภาวะการแกว่ง