Lazerio principas: lazerio spinduliuotės ypatybės

Pirmasis lazerio veiksmo principas, kurio fizika buvo pagrįstas Planko spinduliuotės įstatymu, teoriškai buvo pagrįstas Einšteinu 1917 m. Jis apibūdino sugeriančią, spontaninę ir stimuliuotą elektromagnetinę spinduliuotę, naudodamas tikimybių koeficientus (Einšteino koeficientus).

Pionieriai

Teodoras Meimanas pirmasis parodė rubino lazerio veikimo principą, pagrįstą optiniu siurbliu su sintetinio rubino blykstės lempučiu, gaminančiu impulsinę koherentinę spinduliuotę, kurios bangos ilgis yra 694 nm.

1960 m. Irano mokslininkai Javanas ir Bennetas sukūrė pirmąjį dujų kvantinį generatorių, naudojantį He ir Ne dujų mišinį santykiu 1:10.

1962 m. RN salė parodė pirmąjį diodų lazerį iš galio arsenido (GaAs), skleidžiamo 850 nm. Vėliau tais metais Nickas Golonyakas sukūrė pirmąjį puslaidininkinį matomos šviesos kvantinį generatorių.

Lazerių veikimo įtaisas ir principas

Kiekviena lazerio sistema susideda iš aktyvios terpės, kuri yra tarp poros optiškai paralelių ir labai atspindžių veidrodžių, vienas iš kurių yra pusiau skaidrus, ir energijos šaltinį, skirtą jo siurbimui. Amplifikacinė terpė gali būti kieta, skysta ar dujinė, kurios savybė yra sustiprinti šviesos bangos, besiskiriančios per jį, stimuliuotą spinduliavimą, naudojant elektrinį ar optinį siurblį. Medžiaga yra tarp poros veidrodžių tokiu būdu, kad joje atspindėta šviesa kaskart praeina per ją ir, pasiekusi didelį pelną, prasiskverbia per permatomą veidrodį.

Dviejų lygių laikmenos

Apsvarstykite lazerio su veikliosios terpės, kurio atomų turi tik du energijos lygius, veikimo principas: susijaudinęs E ₂ ir bazė E ₁ . Jei bet kokia būsena sujungta su bet kokiu siurblio mechanizmu (optinė, elektros iškrova, srovės perdavimas arba elektroninis bombardavimas), atomai į bet kurią būseną sužadinami į būseną E ₂ , po kelių nanosekundžių grįžta į žemės padėtį, išmatuojant energijos fotonus hν = E ₂ - E ₁ . Remiantis Einšteino teorija, emisija gaminama dviem skirtingais būdais: arba ją sukelia fotonas, ar tai atsitinka spontaniškai. Pirmuoju atveju stimuliuoja išmetamą teršalų kiekį, o antroje - spontaniškai. Esant šiluminei pusiausvyrai, stimuliuotos emisijos tikimybė yra žymiai mažesnė už spontanišką emisiją (1:10 ³³ ), todėl dauguma įprastų šviesos šaltinių yra nesuderinami, o lazerio generavimas yra įmanomas kitomis sąlygomis nei terminė pusiausvyra.

Net ir labai stipriai pumpuojant, dviejų lygių sistemų populiacija gali būti vienoda. Todėl norint, kad optinė ar kita siurbimo sistema pasieks apverstą populiaciją, reikalingos trijų arba keturių lygių sistemos.

Daugiapakopės sistemos

Koks trijų lygių lazerio veikimo principas? Šviesos intensyvios apšvitos su ν ₀₂ dažniais pumpuoja daugybę atomų, kurių energija yra žemiausia nuo E ₀ iki viršutinės E ₂ . Neatlyginamasis atomų perkėlimas iš E ₂ į E ₁ nustato gyventojų inversiją tarp E ₁ ir E ₀ , kuri praktiškai įmanoma tik tuomet, kai atomai ilgą laiką yra metastaziškoje būsenoje _, o spartus perėjimas iš E ₂ į E ₁ . Trijų laipsnių lazerio veikimo principas yra tenkinti šias sąlygas, taigi populiacijos inversija pasiekiama tarp E ₀ ir E _1, o fotonus intensyvina indukuojamos spinduliuotės energija E1 _- E0. Didesnis E ₂ lygis gali padidinti bangos ilgio sugėrimo diapazoną efektyvesniam siurbliui, taip padidinant stimuliuotą emisiją.

Trijų lygių sistema reikalauja labai didelės siurblinės galios, nes žemiausias gamybos lygis yra pagrindinis. Tokiu atveju gyventojų inversijos atveju daugiau nei pusė visų atomų skaičiaus turi būti pumpuojami į valstiją E1. Taigi energija yra švaistoma. Siurblio galią galima žymiai sumažinti, jei žemesnis gamybos lygis nėra pagrindinis, o tai reikalauja bent keturių lygių sistemos.

Priklausomai nuo veikliosios medžiagos pobūdžio, lazeriai yra suskirstyti į tris pagrindines kategorijas: kietą, skystą ir dujinį. Nuo 1958 m., Kai pirmą kartą karta buvo stebima rubino kristaluose, mokslininkai ir tyrinėtojai ištyrė įvairias medžiagas kiekvienoje kategorijoje.

Kietojo kūno lazeris

Veikimo principas grindžiamas aktyviosios terpės, kuri susidaro pridedant pereinamųjų grupių (Ti ^{+ 3} , Cr ^{+ 3} , V ^{+ 2} , Co ^{+ 2} , Ni ^{+ 2} , Fe ^{+ 2} ir tt) prie metalo izoliacinės kristalinės grotelės , Re-žemių jonai (Ce ⁺³ , Pr ⁺³ , Nd ⁺³ , Pm ⁺³ , Sm ⁺² , Eu ^{+ 2, +3} , Tb ⁺³ , Dy ⁺³ , Ho ⁺³ , Er ⁺³ , Yb ⁺³ , Ir t.t.), ir aktinidai, tokie kaip U ⁺³ . Jonų energijos lygis yra atsakingas tik už gamybą. Pagrindinės medžiagos fizikinės savybės, tokios kaip šilumos laidumas ir terminis plėtra, yra svarbios veiksmingam lazerio veikimui. Sraigto atomų išdėstymas aplink legiruotą joną keičia jo energijos lygius. Skirtingi bangos ilgiai aktyviojoje terpėje pasiekiami dopingu skirtingomis medžiagomis su tuo pačiu jonu.

Holmium lazeris

Kietojo būdo lazerio pavyzdys yra kvantinis generatorius, kuriame holmium pakeičia kristalinės grotelės bazinės medžiagos atomą. Ho: YAG yra viena iš geriausių kartos medžiagų. Holmium lazerio principas yra tai, kad aliuminio-itrio granatas yra legiruojamas su holmium jonais, optiškai perpumpuojamas blykstės lempučiu IR IR juostoje, kuris gerai absorbuojamas audiniuose, skleidžia 2097 nm bangos ilgį. Šis lazeris naudojamas sąnarių operacijoms, dantų gydymui, vėžinių ląstelių, inkstų akmenų ir tulžies akmenų išgaravimui.

Puslaidininkio kvantinis generatorius

Lazeriai kvantiniuose šuliniuose yra nebrangūs, jie leidžia masinę gamybą ir yra lengvai keičiamo dydžio. Puslaidininkinio lazerio veikimo principas grindžiamas diodo su pn jungtimi naudojimu, kuris lemia tam tikrą bangos ilgį, rekombinuojant nešiklį su teigiamu šališkumu, pavyzdžiui, šviesos diodais. LED išsiskleidžia spontaniškai, o lazeriniai diodai - priverstinai. Norint įvykdyti gyventojų inversijos būklę, veikimo srovė turi viršyti ribinę vertę. Aktyvioji terpė puslaidininkiniame diode yra dviejų dvimačių sluoksnių sujungimo srities forma.

Šio tipo lazerio veikimo principas yra toks, kad nereikėtų jokio išorinio veidrodžio, kad būtų išlaikytos vibracijos. Šiam tikslui pakanka atspindžio jėgos, sukurtos sluoksnių lūžio rodiklio ir vidinės atspindžio aktyviosios terpės. Galutiniai diodų paviršiai yra suskaidomi, todėl užtikrinamas atspindinčių paviršių paralelumas.

Junginys, pagamintas iš to paties tipo puslaidininkinių medžiagų, vadinamas homojančiu, ir sukurtas dviejų skirtingų - heterojontavimo deriniu.

Puslaidininkiai tipo p ir n su dideliu nešiklio tankiu sudaro pn sankryžą su labai plonu (≈ 1 μm) išeinančiu sluoksniu.

Dujų lazeris

Šio tipo lazerio veikimo ir naudojimo principas leidžia kurti beveik bet kokią galia (nuo milivatų iki megavatų) ir bangos ilgius (nuo UV iki IR) ir leidžia veikti impulsais ir nuolatiniais režimais. Remiantis aktyviosios terpės pobūdžiu, yra trijų tipų dujų kvantiniai generatoriai, būtent atominiai, joniniai ir molekuliniai.

Dauguma dujų lazerių yra pumpuojami su elektros iškroze. Išleidimo vamzdžio elektronai pagreitina elektrinį lauką tarp elektrodų. Jie susiduria su aktyviosios terpės atomais, jonais ar molekulėmis ir sukelia perėjimą prie aukštesnės energijos lygių, kad būtų pasiekta inversijos ir stimuliuotos emisijos būklė.

Molekulinis lazeris

Lazerio principas grindžiamas tuo, kad atominiuose ir joniniuose kvantiniuose generatoriumiose, skirtingai nei izoliuotieji atomai ir jonai, molekulės turi daugybę atskirų energijos lygių energijos juostų. Šiuo atveju kiekvienas elektroninis energijos lygis turi daug vibracinių lygių, o tie, savo ruožtu, yra šiek tiek rotaciniai.

Energija tarp elektronų energijos lygių yra UV ir matomuose spektro srityse, o tarp vibracinių sukimosi lygių - tolimojoje ir artimoje IR vietovėse. Taigi, dauguma molekulinių kvantinių generatorių veikia toli ar artimais IR regionais.

Eksimeriniai lazeriai

Eksimerai yra tokios molekulės kaip ArF, KrF, XeCl, turinčios suskaidytą pirminę būseną ir yra stabilios pirmajame lygyje. Lazerio principas yra toks. Paprastai molekulių skaičius pagrindinėje būklėje yra mažas, todėl tiesioginis pumpavimas iš pagrindinės būklės neįmanomas. Molekulės suformuojamos pirmojoje susijaudinusiame elektroniniame būde, derinant aukštos energijos halogenidus su inertinėmis dujomis. Inversijos gyventojus galima lengvai pasiekti, nes molekulių skaičius baziniame lygyje yra per mažas, palyginti su susijaudintu. Trumpai, lazerio veikimo principas yra perėjimas nuo susaistytos sužadintos elektroninės būklės į atsiribojančią pagrindinę būseną. Žemės būklė visada išlieka žema, nes šiuo metu molekulės atsiskiria į atomus.

Lazerio veikimo įtaisas ir principas yra tas, kad išleidimo vamzdis užpildomas halogeno (F ₂ ) ir retųjų žemių dujų (Ar) mišiniu. Jame esantys elektronai išsklaido ir jonizuoja halogenų molekules ir sukuria neigiamai įkrautus jonus. Teigiami jonai Ar ⁺ ir neigiamas F ^- reaguoja ir gamina ArF molekules pirmojoje susijungtoje suspaustoje būsenoje su tolesniu perėjimu prie atmetimo bazinės būklės ir koherentinės spinduliuotės generavimo. Eksicerio lazeris, kurio veikimo ir taikymo principas mes dabar svarstome, gali būti naudojamas aktyvios terpės siurbimui dažais.

Skystas lazeris

Palyginus su kietosiomis medžiagomis, skysčiai yra labiau homogeniški ir didesnis aktyviųjų atomų tankis, palyginti su dujomis. Be to, juos sunku pagaminti, jie leidžia lengvai pašalinti šilumą ir lengvai juos pakeisti. Lazerio principas - kaip aktyvią terpę naudoti organinius dažus, tokius kaip DCM (4-dicyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostyril-4H-piranas), rodaminas, stiilis, LDS, kumarinas, stilbenas ir kt. ., Ištirpinta tinkamame tirpiklyje. Dažų molekulių tirpalas yra sužadinamas spinduliuote, kurio bangos ilgis turi gerą absorbcijos koeficientą. Trumpai tariant, lazerio principas yra generuoti ilgesnį bangos ilgį, vadinamą fluorescencija. Skirtumas tarp absorbuotosios energijos ir išmestų fotonų yra naudojamas neatitinkančių energijos perėjimų metu ir šildo sistemą.

Platesnė skysčių kvantinių generatorių fluorescencijos juosta turi unikalią savybę - bangos ilgio nustatymą. Šio tipo lazerio, kaip perjungiamo ir suderinto šviesos šaltinio, veikimo ir naudojimo principas tampa vis svarbesnis spektroskopijoje, holografijoje ir biomediciniuose taikymuose.

Neseniai izotopams atskirti buvo naudojami kvantavimo dažikliai. Šiuo atveju lazeris selektyviai sužadina vieną iš jų, paskatindamas patekti į cheminę reakciją.