Laser bezieht sich auf eine große Anzahl von Photonen mit genau denselben Eigenschaften, die durch den Übergang metastabiler Elektronen in Atomen von hohen Energieniveaus zu niedrigen Energieniveaus unter Anregung durch einfallende Photonen erzeugt werden. Der Prozess der Lasererzeugung ist der Prozess der stimulierten Strahlungslichtverstärkung, d. h. das Laserarbeitsmaterial absorbiert externe Energie, wodurch immer mehr Partikel auf dem hohen Energieniveau des Arbeitsmaterials auf das niedrige Energieniveau übergehen und gleichzeitig Photonen freigesetzt werden und die Photonen die Resonanz durchlaufen. Die kontinuierliche Schwingung und Verstärkung im Hohlraum bildet einen Laser. Daher müssen zur Erzeugung eines Lasers drei Bedingungen erfüllt sein: Laserarbeitsmaterial, externe Anregungsquelle und optischer Resonanzhohlraum.
Im thermischen Gleichgewichtszustand genügen alle Teilchen wie Atome in allgemeinen Medien der Boltzmann-Verteilung, das heißt, die Teilchenzahldichte bei niedrigen Energieniveaus ist größer als bei hohen Energieniveaus. Um Laserlicht zu erzeugen, muss zunächst die Teilchenverteilung so verändert werden, dass die Teilchenzahldichte bei hohen Energieniveaus größer ist als bei niedrigen Energieniveaus. Dieser Verteilungszustand wird als „Teilchenzahlumkehr“ bezeichnet. Eine Teilchenzahlumkehr kann nur in speziellen Medien erreicht werden, und derzeit sind in der Natur nur einige Hundert solcher Medien zu finden. Nur diese speziellen Medien können als Arbeitssubstanz des Lasers dienen, auch als Aktivierungsmedium bezeichnet. Sie sind die notwendigen Voraussetzungen für die Erzeugung von Laserlicht.
Darüber hinaus müssen die Teilchen im angeregten Zustand auch eine ausreichend lange Lebensdauer haben. Im Arbeitsmaterial des Lasers ist die durchschnittliche Lebensdauer eines bestimmten Teilchens im angeregten Zustand besonders lang, bis zu 10^-3 Sekunden oder sogar 1 Sekunde, was als „metastabiler Zustand“ bezeichnet wird. Nur im metastabilen Zustand kann eine Umkehr der Teilchenzahl erreicht werden, wodurch die notwendigen Voraussetzungen für die Erzeugung von Laserlicht geschaffen werden.
Um die Umkehrung der Teilchenzahl zwischen dem oberen und unteren Energieniveau des Arbeitsmaterials zu erreichen, muss Energie von außen zugeführt werden, um die Teilchen auf dem niedrigen Energieniveau auf das hohe Energieniveau anzuregen. Dieser Vorgang wird als „Pumpen“ oder „Pumpen“ bezeichnet. Substanzen, die Energie bereitstellen, um diese Funktion auszuführen, sind Anregungsquellen. Die von der Anregungsquelle emittierten Spektrallinien sollten so weit wie möglich mit den Absorptionsspektrallinien des Arbeitsmaterials übereinstimmen, um eine maximale Energieumwandlung zu erreichen. Übliche Anregungsmethoden umfassen im Allgemeinen optische Anregung, elektrische Anregung, chemische Anregung, Kernanregung, thermische Anregung usw.
Die Anregungsquelle kann dazu führen, dass das Arbeitsmaterial eine Teilchenzahlumkehr erreicht. Um jedoch hochreine Laser zu erzeugen, muss die angeregte Strahlung viel größer sein als die spontane Emission des Materials (das Hintergrundrauschen des Lasers), um sicherzustellen, dass die Anzahldichte der Photonen in einem bestimmten Spektrum hoch genug ist. Dazu ist ein optischer Resonator erforderlich.
Der optische Resonanzhohlraum kann nicht nur die notwendige optische Rückkopplung für die Schwingung der Laserphotonen liefern, sondern auch die Frequenz und Richtung des Lasers begrenzen, wodurch die Monochromasie und die Richtung des Lasers verbessert werden. An beiden Enden des Resonanzhohlraums sind koaxiale Spiegel angebracht. Die Anregungsquelle regt durch den Pumpvorgang Atome oder Moleküle im Arbeitsmaterial an, um stimulierte Strahlung zu erzeugen. Die entlang der Achse des Resonanzhohlraums abgestrahlten Photonen werden von den Spiegeln entlang der Achse zurückreflektiert, und die weitere Erzeugung von Anregungsphotonen bildet einen Schwingungsverstärkungsprozess vom Typ Lawineneffekt. Einer der beiden Spiegel ist ein Teilspiegel. Der entlang der Achsenrichtung oszillierende und verstärkte Lichtstrahl kann durch den Teilspiegel freigesetzt werden, um einen Laserstrahl zu erzeugen; während die Photonen, die auf den anderen Totalreflexionsspiegel treffen, zurückreflektiert werden und weiter schwingen. und wieder heranzoomen.
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