Princip lasera: značajke laserskog zračenja

Prvi princip lasera, čija je fizika bila utemeljena na zakonu planckog zračenja, Einstein je teoretski utemeljio 1917. godine. On je opisao apsorpciju, spontano i stimulirano elektromagnetsko zračenje pomoću koeficijenata vjerojatnosti (Einsteinovi koeficijenti).

Trailblazers

Theodor Meiman bio je prvi koji je pokazao načelo djelovanja rubinski laser, temeljeno na optičkom pumpanju s bljeskom svjetiljke sintetičke rubine koja proizvodi impulsno koherentno zračenje valne duljine 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 prvi pokazao diodni laser od galijeva arsenida (GaAs), emitirana na valnoj duljini od 850 nm. Kasnije te godine Nick Golonyak razvio je prvi generator kvantnog vidljivog svjetlosnog poluvodiča.

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 proziran 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 pumpiranjem. Tvar je smještena između para ogledala na takav način da svjetlost koja se reflektira u njima prolazi kroz njega svaki put i, postižući značajnu 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 uz pomoć bilo kojeg mehanizma za pumpanje (optički, električni iscjedak, strujni prijenos ili bombardiranje elektrona)₂, onda će se za nekoliko nanosekundi vratiti na svoj osnovni položaj, emitirajući fotone energije hnu- = E₂ - E₁. Prema Einsteinovoj teoriji, emisija se proizvodi na dva različita načina: ili je inducirana fotonom, ili se to događa spontano. U prvom slučaju dolazi do stimulirane emisije, au drugom slučaju - spontana emisija. Pri toplinskoj ravnoteži, vjerojatnost stimulirane emisije je znatno niža od spontane emisije (1:10³³), tako da je većina konvencionalnih izvora svjetla nesukladna, a laserska generacija je moguća u uvjetima koji nisu toplinska ravnoteža.

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

Višerazinski sustavi

Koji je princip troslovnog lasera? Radijacija s intenzivnom svjetlošću frekvencije nu-₀₂ pumpa velik broj atoma od najniže razine energije E₀ Gornji E₂. Nonradiative prijelaz atoma iz E₂ do E₁ uspostavlja inverziju stanovništva između E₁ i E₀, što je u praksi moguće samo kad su atomi dugo vremena metastabilni₁ i prijelaz iz E₂ do E₁ događa se brzo. Princip trostrukog lasera je ispuniti ove uvjete, tako da između E₀ i E₁ postignuta je inverznost populacije i fotoni se intenziviraju energijom E₁-E₀ inducirano zračenje. Šira razina E₂ mogao bi povećati apsorpcijski raspon valnih duljina za učinkovitiju pumpu, što bi rezultiralo rastom stimulirane emisije.

Sustav s tri razine zahtijeva vrlo visoku pumpnu snagu, budući da je niža razina uključena u generaciju osnovna. U ovom slučaju, da bi se populacijska inversija dogodila, do države E₁ potrebno je pumpati više od polovice ukupnog broja atoma. 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 raspon materijala u svakoj kategoriji.

Solid State Laser

Princip djelovanja zasniva se na korištenju aktivnog medija, koji nastaje dodavanjem prijelazne skupine na izolacijsku kristalnu rešetku (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², s⁺², ni⁺², fe⁺², i tako dalje), ioni rijetkih zemlja (Ce⁺³, Pr⁺³, Sjeverna Dakota⁺³, pm⁺³, Sm⁺², eu^{+2, + 3}, Tb⁺³, dy⁺³, Ho⁺³, Er⁺³, Yb⁺³, , itd.), i aktinidi poput U⁺³. Razine energije ioni su odgovorni samo za generaciju. Fizička svojstva osnovnog materijala, kao što je toplinska vodljivost i termička 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 čvrste laser je kvantni generator u kojem holmium zamjenjuje atom osnovnog materijala kristalne rešetke. Ho: YAG je jedan od najboljih materijala za generaciju. Operativni princip holmij laser da itrij aluminij granat dopiran holmijevih iona, optički dizanih flash svjetiljku i emitira na valnoj dužini od 2097 nm u infracrvenom području dobro apsorbira tkivo. Ovaj laser se koristi za operacije na zglobovima, u liječenju zuba, za isparavanje stanica raka, bubrežnih kamenaca i žučnih kamenaca.

Kvantitativni generator poluvodiča

Laseri u kvantnim jažicama su jeftini, omogućuju masovnu proizvodnju i lako se skalirati. Načelo rada poluvodičkog lasera na temelju uporabe diode s p-n-spojem, koji stvara svjetlo određene valne duljine rekombiniranjem nosača s pozitivnom pristranost, poput LED-a. LED emitira spontano, a laser diode - prisiljeni. Da bi se popunio stanje inverzije populacije, radna struja mora premašiti vrijednost praga. Aktivni medij u poluvodičkoj diodi ima oblik povezujuće regije dvaju dvodimenzionalnih slojeva.

Princip rada ovog tipa lasera je takav da ne zahtijeva vanjsko zrcalo za održavanje oscilacija. Reflektivna snaga koju je stvorio indeks loma slojevi i unutarnji odraz aktivnog medija, dovoljno je za tu svrhu. Krajnja su lica dioda cijepana, što osigurava paralelizam reflektirajućih površina.

Spoj formiran od poluvodičkih materijala 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 (asymp-1 μm) osiromašenim slojem.

Plinski laser

Princip rada i korištenja ovog tipa lasera omogućuje stvaranje uređaji gotovo bilo kojem svojstvu (od mW do megavata) i valne duljine (od ultraljubičastog do infracrveni) i može raditi u pulsirajuće i kontinuiranog načina. Na temelju prirode aktivnih medija postoje tri vrste kvantnih generatora plina, naime atomske, ionske i molekularne.

Većina plinovih lasera pumpaju se 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 stimulira emisiju.

Molekularni laser

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

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

Excimer laseri

Eksperti su takve molekule kao ArF, KrF, XeCl, koje imaju podijeljeno tlo stanje i koje su stabilne na prvoj razini. Princip lasera je kako slijedi. U pravilu, broj molekula u zemaljskom stanju je mali, pa izravno crpljenje iz osnovnog stanja nije moguće. Molekule se formiraju u prvom uzbudljivom elektronskom stanju kombinirajući visokovrijedne halogenide s inertnim plinovima. Populacija inverzije se lako postiže, 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 disocijativu osnovnog stanja. 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 napunjena halidnom smjesom (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 baznu stanicu i stvaranje koherentnog zračenja. Eksimerski laser, načelo rada i primjena koje sada razmatramo, može se koristiti za pumpanje aktivnog medija na bojama.

Tekući laser

U usporedbi s krutinama, tekućine su ujednačenije 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 djelovanja lasera koristi kao dobitak sredstvo organske boje kao što je DCM (4-dicijanometilen-2-metil-6-p-dimethylaminostyryl-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilbena, i slično. D , otopljenog u odgovarajućem otapalu. Otopina molekula boja uzbuđena je zračenjem čija valna duljina ima dobar koeficijent apsorpcije. Načelo lasera, ukratko, je stvaranje duže valne duljine, nazvane fluorescencija. Razlika između apsorbirane energije i emitiranih fotona koristi se neradiativnim 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 podesivog i koherentnog izvora svjetlosti postaje sve važnija u spektroskopiji, holografiji iu biomedicinskim primjenama.

Nedavno su generatori na bazi kvantnih bojenja korišteni za odvajanje izotopa. U tom slučaju laseri selektivno uzbuđuju jedan od njih, potičući ulazak u kemijsku reakciju.