Princip lasera: značajke laserskog zračenja

Prvo načelo laserskog djelovanja, čija je fizika utemeljena na Planckovom zračenju, teorijski je potvrdio Einstein 1917. godine. On je opisao apsorpciju, spontano i stimulirano elektromagnetsko zračenje pomoću koeficijenata vjerojatnosti (Einsteinovi koeficijenti).

Trailblazers

Theodore Meiman bio je prvi koji je pokazao načelo djelovanja rubinog lasera temeljenog na optičkom pumpanju pomoću bljeskalice s sintetičkim rubinom koji proizvodi pulsirano koherentno zračenje s valnom duljinom od 694 nm.

Godine 1960. iranski znanstvenici Javan i Bennett stvorili su prvi kvantni generator plina pomoću mješavine He i Ne plinova u omjeru 1:10.

Godine 1962. RN Hall je pokazao prvi diodni laser iz galijskog arsenida (GaAs), emitiran na 850 nm. Kasnije te godine Nick Golonyak razvio je prvi kvadratni generator vidljivog svjetla.

Uređaj i načelo rada lasera

Svaki laserski sustav sastoji se od aktivnog medija postavljenog između par optički paralelnih i visoko reflektirajućih zrcala, od kojih je jedan polutransparentan i izvor energije za njegovu pumpu. Medij za pojačavanje može biti krut, tekući ili plin koji ima svojstvo pojačavanja amplitude svjetlosnog vala koji prolazi kroz njega stimuliranom emisijom električnim ili optičkim pumpanjem. Tvar se nalazi između para ogledala na takav način da svjetlost koja se reflektira u njima prolazi kroz njega svaki put i, postižući znatnu dobit, prodire kroz prozirno zrcalo.

Dvije razine medija

Razmotriti načelo djelovanja lasera s aktivnim medijem čiji atomi imaju samo dvije razine energije: uzbuđeni E2 i baza E1. Ako se atomi uzbuđuju u bilo kojoj državi pomoću bilo kojeg mehanizma crpke (optički, električni iscjedak, strujni prijenos ili bombardiranje elektrona) do države E2, onda se vraćaju na zemlju nakon nekoliko nanosekundi, emitirajući fotone energije hν = E2-E1. Prema Einsteinovoj teoriji, emisija se proizvodi na dva različita načina: ili je inducirana fotonom, ili se to događa spontano. U prvom slučaju, postoji stimulirana emisija, au drugom slučaju - spontana emisija. Na toplinskoj ravnoteži, vjerojatnost stimulirane emisije je znatno niža od spontane emisije (1:10 ³³ ), stoga je većina konvencionalnih izvora svjetlosti nekoherentna, a laserska proizvodnja je moguća pod drugim uvjetima od toplinske ravnoteže.

Čak i uz vrlo snažno crpanje, populacija dvostrukih sustava može biti jednaka. Stoga, kako bi se postigla preokrenuta populacija optičkim ili drugim pumpanjem, potrebni su sustavi s tri ili četiri razine.

Višerazinski sustavi

Kakvo je načelo djelovanja lasera s tri razine? Radijacija s intenzivnom svjetlošću frekvencije ν ₀₂ pumpa velik broj atoma od najniže razine energije E ₀ do gornje E2. Nerazijativna tranzicija atoma od E2 do E1 uspostavlja inverznu populaciju između E1 i E0, što je u praksi moguće samo kada su atomi dugo vremena metastabilni _, a prijelaz iz E2 u E1 odvija se brzo. Načelo rada lasera s tri razine je ispunjenje ovih uvjeta, tako da se inverzija populacije postigne između E0 i E1, a fotoni se intenziviraju energijom E1 _- E ₀ induciranog zračenja. Šira E2 razina mogla bi povećati raspon apsorpcije valne duljine za učinkovitiju pumpu, što bi rezultiralo povećanjem stimulirane emisije.

Sustav s tri razine zahtijeva vrlo veliku snagu pumpanja, budući da je niža razina uključena u generaciju osnovna. U tom slučaju, da bi se izvršila inversija populacije, više od polovice ukupnog broja atoma mora biti pumpano u stanje E ₁ . Istodobno, energija se gubi. Snaga pumpe može se značajno smanjiti ako niža razina proizvodnje nije osnovna, što zahtijeva najmanje četiri razine sustava.

Ovisno o prirodi aktivne tvari, laseri su podijeljeni u tri glavne kategorije, naime, čvrste, tekuće i plin. Od 1958. godine, kada je generacija prvi put promatrana u rubinskom kristalu, znanstvenici i istraživači proučavali su širok spektar materijala u svakoj kategoriji.

Solid State Laser

Načelo rada temelji se na upotrebi aktivnog medija koji se formira dodavanjem prijelazne skupine (Ti ^{+ 3} , Cr ^{+ 3} , V ^{+ 2} , Co ^{+ 2} , Ni ^{+ 2} , Fe ^{+ 2} itd.) Na izolacijsku kristalnu rešetku metala , Ioni rijetkih Zemljina (Ce ⁺³ , Pr ⁺³ , Nd ⁺³ , Pm ⁺³ , Sm ^{+ 2} , Eu ^{+ 2, +3} , Tb ⁺³ , Dy ⁺³ , Ho ⁺³ , Er ⁺³ , Yb ⁺ , Etc.) i aktinida kao što je U ⁺³ . Energetska razina iona odgovorna je samo za generaciju. Fizička svojstva osnovnog materijala, kao što su toplinska vodljivost i toplinska ekspanzija, važni su za učinkovito djelovanje lasera. Raspored atoma rešetke oko dopiranog iona mijenja razinu energije. Različite valne duljine stvaranja u aktivnom mediju postižu se dopingom različitih materijala s istim ionom.

Holmium laser

Primjer lasera čvrstog stanja je kvantni generator u kojem holmium zamjenjuje atom baznog materijala kristalne rešetke. Ho: YAG je jedan od najboljih materijala za generaciju. Princip holmičnog lasera je da se aluminij-itrij granat dopira s holmium ionima, optički pumpom pomoću bljeskalice i emitira na valnoj duljini od 2097 nm u IR pojasu, što je dobro apsorbirano od tkiva. Ovaj laser koristi se za operacije na zglobovima, u liječenju zuba, za isparavanje stanica raka, bubrežnih kamenaca i žučnih kamenaca.

Kvantitativni kvantni generator

Laseri u kvantnim jažicama su jeftini, dopuštaju masovnu proizvodnju i lako se mogu skalirati. Načelo rada poluvodičkog lasera temelji se na korištenju diode s pn spojem, koji stvara svjetlo određene valne duljine rekombiniranjem nosača s pozitivnom pristranosti, poput LED-a. LED emitira spontano, a laser diode - prisiljeni. Da bi se ispunio uvjet inverzije populacije, radna struja mora premašiti vrijednost praga. Aktivni medij u poluvodičkoj diodi ima oblik povezujuće regije dvaju dvodimenzionalnih slojeva.

Načelo rada ove vrste lasera je takvo da ne zahtijeva vanjsko zrcalo za održavanje vibracija. Reflektirajuća snaga nastala indeksom loma slojeva i unutarnjem refleksijom aktivnog medija dovoljna je u tu svrhu. Krajne površine dioda su cijepane, što osigurava paralelnost reflektirajućih površina.

Spoj formiran poluvodičkim materijalima istog tipa nazvan je homojunction, i stvoren je kombinacijom dva različita - heterojunction.

Poluvodiči tipa p i n s visokom gustoćom nosača čine pn spajanje s vrlo tanjim (≈ 1 μm) depletiranim slojem.

Plinski laser

Načelo rada i upotrebe ovog tipa lasera omogućuje stvaranje uređaja s gotovo bilo kojom snagom (od milliwata do megavata) i valnih duljina (od UV do IR) i omogućuje rad u pulsiranim i kontinuiranim načinima rada. Na temelju prirode aktivnih medija, postoje tri vrste kvantnih generatora plina, naime, atomske, ionske i molekularne.

Većina plinskih lasera se pumpaju električnim pražnjenjem. Elektroni u cijevi za pražnjenje ubrzavaju se električnim poljem između elektroda. Oni se sudaraju s atomima, ionima ili molekulama aktivnog medija i induciraju prijelaz na višu razinu energije kako bi se postiglo stanje stanovništva inverzije i stimulirane emisije.

Molekularni laser

Princip lasera zasnovan je na činjenici da, za razliku od izoliranih atoma i iona, u atomskim i ionskim kvantnim generatorima, molekule imaju široke energetske vrpce diskretnih razina energije. U ovom slučaju, svaka elektronska razina energije ima veliki broj vibracijskih razina, a one zauzvrat su nešto rotacijski.

Energija između razina energije elektrona nalazi se u UV i vidljivim područjima spektra, dok između razina vibracijsko-rotacijskih - na udaljenim i blisko IR regijama. Dakle, većina molekularnih kvantnih generatora djeluju u udaljenim ili blizu IR regijama.

Excimer laseri

Eksperti su takve molekule kao ArF, KrF, XeCl, koje imaju podijeljeno osnovno stanje i koje su stabilne na prvoj razini. Princip lasera je kako slijedi. U pravilu, broj molekula u zemaljskom stanju je mali, tako da izravno crpljenje iz osnovnog stanja nije moguće. Molekule se formiraju u prvom uzbudljivom elektronskom stanju kombiniranjem visokoenergetskih halogenida s inertnim plinovima. Populacija inverzije je lako postignuta, jer je broj molekula na razini baze premalen, u usporedbi s uzbuđenim. Načelo laserskog djelovanja, ukratko, sastoji se u prijelazu iz vezanog uzbuđenog elektronskog stanja na disocijativno tlo stanje. Stanovništvo u zemaljskom stanju uvijek ostaje na niskoj razini, jer se molekule u ovom trenutku disociraju u atome.

Uređaj i načelo rada lasera je da je cijev za ispuštanje ispunjena smjesom halida (F2) i rijetkog zemnog plina (Ar). Elektroni u njemu razdvajaju i ioniziraju halogenide molekule i stvaraju negativno nabijene ione. Pozitivni ioni Ar ⁺ i negativni F ^- reagiraju i proizvode ArF molekule u prvom uzbudenom vezanom stanju sa njihovim naknadnim prijelazom na odbojnu bazu i generiranje koherentnog zračenja. Eksimerski laser, načelo rada i primjena koje sada razmatramo, može se koristiti za pumpanje aktivnog medija na bojila.

Tekući laser

U usporedbi s krutinama, tekućine su homogene i imaju veću gustoću aktivnih atoma, u usporedbi s plinovima. Osim toga, oni nisu teško proizvesti, oni jednostavno dopuštaju uklanjanje toplote i lako se mogu zamijeniti. Princip lasera je korištenje organskih boja kao aktivnog medija kao što je DCM (4-diciano-metilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilbene itd. ., Otopljeno u odgovarajućem otapalu. Otopina molekula boja uzbuđena je zračenjem čija valna duljina ima dobar koeficijent apsorpcije. Načelo lasera, ukratko, jest stvaranje duže valne duljine, nazvane fluorescencija. Razlika između apsorbirane energije i emitiranih fotona koristi se neotencijalnim energetskim prijelazima i zagrijava sustav.

Širi spektar fluorescencije tekućih kvantnih generatora ima jedinstvenu značajku - ugađanje valnih duljina. Načelo rada i upotreba ove vrste lasera kao prilagodljivog i koherentnog izvora svjetlosti postaje sve važnija u spektroskopiji, holografiji iu biomedicinskim primjenama.

Nedavno su generatori na bazi kvantne boje korišteni za odvajanje izotopa. U tom slučaju, laser selektivno uzbuđuje jedan od njih, potičući ulazak u kemijsku reakciju.