Princip laserskega: značilnosti laserskega sevanja

Prvo načelo laserskega laserja, katerega fizika je temeljila na zakonu Planckovega sevanja, je teoretično utemeljil Einstein leta 1917. Opisal je absorpcijsko, spontano in stimulirano elektromagnetno sevanje s pomočjo koeficientov verjetnosti (Einsteinovi koeficienti).

Pionirji

Teodor Meiman je prvi pokazal načelo delovanja ruby laser, ki temelji na optični črpalki z bliskavico sintetičnega rubyja, ki je proizvedla impulzno koherentno sevanje z valovno dolžino 694 nm.

Leta 1960 so iranski znanstveniki Javan in Bennett ustvarili prvi plinski kvantni generator z mešanico He in Ne plinov v razmerju 1:10.

Leta 1962 je prvo dvorano RN pokazalo diode laser galijevega arzenida (GaAs), ki se oddaja pri valovni dolžini 850 nm. Kasneje istega leta je Nick Golonyak razvil prvi polprevodniški kvantni vidni svetlobni generator.

Naprava in princip delovanja laserja

Vsak laserski sistem vključuje aktivno medija optično nahaja med parom vzporednih in zelo odsevnih zrcal, med katerimi je prosojen, in vir energije za črpanje. Kot lahko pridobijo medij deluje kot trdno snov, tekočino ali plin, ki imajo sposobnost, da pomnožimo amplitudo svetlobnega valovanja, ki poteka skozi notranje z električnim ali optičnim črpalno sevanjem. Snov se med parom zrcal, tako da se svetloba odbije na njih vsakič, ko skozenj in, ko je dosegel znatno povečanje, prodre v pol ogledalo.

Dvostopenjski mediji

Razmislite o principu delovanja laserja z aktivnim medijem, katerega atomi imajo le dve ravni energije: vzbujeni E₂ in osnovo E₁. Če so atomi vzbujani v katerokoli stanje s pomočjo katerega koli črpalnega mehanizma (optični, električni tok, prenos toka ali elektronsko bombardiranje)₂, potem se v nekaj nanosekundah vrnejo v svoj osnovni položaj, ki oddajajo fotone energije hnu- = E₂ - E₁. Po Einsteinovi teoriji se emisija proizvaja na dva različna načina: bodisi povzroči foton, ali pa se zgodi spontano. V prvem primeru poteka stimulirana emisija, v drugem primeru spontana emisija. Pri toplotnem ravnovesju je verjetnost stimulirane emisije precej nižja od spontane emisije (1:10³³), zato je večina običajnih svetlobnih virov neskladna, laserska generacija pa je možna tudi pod pogoji, ki niso toplotno ravnovesje.

Tudi pri zelo močni črpanju je lahko populacija dvostopenjskih sistemov enaka. Zato je za doseganje obrnjene populacije z optičnimi ali drugimi črpalkami potreben sistem treh ali štirih ravni.

Multilevel sistemi

Kakšno je načelo tristopenjskega laserja? Obsevanje z intenzivno svetlobo frekvence nu-₀₂ črpalke veliko število atomov od najnižje ravni energije₀ Zgornja E₂. Nonradiative prehod atomov iz E₂ do E₁ vzpostavlja inverzijo populacije med E₁ in E₀, kar je v praksi mogoče le, če so atomi v dolgoročnem stanju v metastabilnem stanju_1, in prehod iz E₂ do E₁ hitro se zgodi. Načelo tristopenjskega laserja je, da izpolni te pogoje, tako da med E₀ in E₁ dosežemo populacijsko inverzijo in fotone intenzivirajo energija E₁-E₀ povzročeno sevanjem. Široka raven E₂ bi lahko povečala absorpcijsko območje valovnih dolžin za učinkovitejšo črpalko, kar bi povzročilo rast stimulirane emisije.

Tristopenjski sistem zahteva zelo visoko moč črpanja, saj je spodnja raven, ki je vključena v generacijo, osnova. V tem primeru, da bi prišlo do inverzije populacije, v stanje E₁ je treba črpati več kot polovico skupnega števila atomov. Istočasno se porabi energija. Moč črpalke se lahko znatno zmanjša, če nižja raven proizvodnje ni osnovna, kar zahteva vsaj štiristopenjski sistem.

Glede na naravo aktivne snovi so laserji razdeljeni v tri glavne kategorije, namreč trdne, tekoče in plinske. Od leta 1958, ko je bila generacija najprej ugotovljena v rubinskem kristalu, so znanstveniki in raziskovalci preučevali širok spekter materialov v vsaki kategoriji.

Solid State Laser

Načelo delovanja temelji na uporabi aktivnega medija, ki se tvori z dodajanjem prehodne skupine k izolacijski kristalni rešetki (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², Co⁺², Ni⁺², Fe⁺², ipd.), redki zemeljski ioni (Ce⁺³, Pr⁺³, Nd⁺³, Pm⁺³, Sm⁺², Eu^{+2, + 3}, Tb⁺³, Dy⁺³, Ho⁺³, Er⁺³, Yb⁺³, , itd.) in aktinidi, kot je U⁺³. Energijske ravni ioni so odgovorni samo za generacijo. Fizične lastnosti osnovnega materiala, kot so toplotna prevodnost in toplotno širjenje, so pomembni za učinkovito delovanje laserskega sistema. Razporeditev atomov mreženja okoli dopiranega iona spremeni svoje energijske vrednosti. Različne valovne dolžine proizvodnje v aktivnem mediju dosežemo z dopingom različnih materialov z istim ionom.

Holmijev laser

Primer trdne snovi laser je kvantni generator, v katerem holmij nadomešča atom osnovnega materiala kristalne rešetke. Ho: YAG je eden izmed najboljših generacijskih materialov. Princip delovanja je holmij laserja je, itrij aluminija granat dopiran z holmij ioni, optičnega črpanja s flash svetilko in jih proizvaja pri valovni dolžini 2097 nm v infrardečem območju se dobro absorbira tkivo. Ta laser se uporablja za operacije na sklepih, pri zdravljenju zob, za izhlapevanje rakavih celic, ledvičnih kamnov in žolčnih kamnov.

Polprevodniški kvantni generator

Laserji v kvantnih vodnjakih so poceni, omogočajo masovno proizvodnjo in se zlahka zmanjšajo. Načelo delovanja polprevodniškega laserja ki temelji na uporabi diode s p-n-križiščem, ki daje svetlobo določeni valovni dolžini z rekombinacijo nosilca s pozitivnim pristranskostjo, kot so LED. LED oddaja spontano in laserske diode - prisiljene. Za izpolnitev pogoja inverzije prebivalstva mora obratovalni tok presegati mejno vrednost. Aktivni medij v polprevodniških dioda ima obliko povezovalne regije dveh dvodimenzionalnih plasti.

Načelo delovanja te vrste laserja je takšno, da za vzdrževanje nihanja ni potrebno zunanje ogledalo. Odsevna moč, ki jo je ustvaril indeks lomljenja plasti in notranji odboj aktivnega medija zadostuje za ta namen. Končne površine diode se razcepi, kar zagotavlja paralelnost zrcalnih površin.

Spojina, oblikovana iz polprevodniških materialov iste vrste, se imenuje homojkcija in nastane s kombinacijo dveh različnih - heterojnosti.

Polprevodniki p in n tipa z visoko gostoto nosilca tvorijo pn spoj z zelo tanko (asymp-1 μm) osiromašeno plastjo.

Plinski laser

Princip delovanja in uporaba te vrste laserja omogoča ustvarjanje naprav za skoraj vse zmogljivosti (od milivatov do megavatov) in valovnih dolžin (od ultravijolične do infrardeče) in lahko delujejo pulzno in neprekinjeno načine. Na podlagi narave aktivnih medijev obstajajo tri vrste plinskih kvantnih generatorjev, in sicer atomske, ionske in molekularne.

Večina plinskih laserjev se črpajo z električnim izpustom. Elektroni v izpustni cevi pospešujejo električno polje med elektrodama. Sodijo z atomi, ioni ali molekulami aktivnega medija in povzročijo prehod na višje nivoje energije, da dosežejo populacijsko stanje inverzije in stimulirane emisije.

Molekularni laser

Načelo laserskega delovanja temelji na dejstvu, da za razliko od izoliranih atomov in ionov v atomskih in ionskih laserjev molekule razpolagajo s širokim energije pasove ločenih ravni energije. V tem primeru ima vsaka elektronska raven energije veliko število vibracij, ti pa so nekoliko rotacijski.

Energija med nivoji energije elektronov je v UV in vidnih regijah spektra, medtem ko med vibracijsko-rotacijskimi nivoji - v daljnih in bližnjih IR regijah. Tako večina molekularnih kvantnih generatorjev deluje v daleč ali blizu IR območij.

Excimer laserji

Eksimeri so takšne molekule kot ArF, KrF, XeCl, ki imajo razdeljeno osnovno stanje in sta stabilni na prvi stopnji. Načelo laserja je naslednje. Praviloma je število molekul v osnovnem stanju majhno, tako da direktno črpanje iz osnovnega stanja ni možno. Molekule nastanejo v prvem vzbujanem elektronskem stanju s kombiniranjem visokonergijskih halidov z inertnimi plini. Prebivalstvo inverzije je enostavno doseženo, saj je število molekul na osnovni ravni premajhno v primerjavi z vzburjenimi. Načelo laserskega delovanja na kratko sestavlja prehod iz vezanega vzbujanega elektronskega stanja v disociativno osnovno stanje. Prebivalstvo v osnovnem stanju vedno ostane na nizki ravni, ker se molekule na tej točki disociirajo v atome.

Naprava in princip delovanja laserja je, da se cev za praznjenje napolni s halogenidno zmesjo (F₂) in plin iz redkih zemelj (Ar). Elektroni v njem disociirajo in ionizirajo halidne molekule in tvorijo negativno nabit ion. Pozitivni ioni Ar⁺ in negativno F^- reagirajo in proizvajajo ArF molekule v prvem vzbujanem vezanem stanju s svojim nadaljnjim prehodom v odbojno bazno stanje in generacijo koherentnega sevanja. Za črpanje aktivnega medija na barvilih lahko uporabimo excimer laser, načelo delovanja in uporabe, ki ga zdaj razmišljamo.

Tekoči laser

V primerjavi s trdnimi snovmi so tekočine bolj enotne in imajo večjo gostoto aktivnih atomov v primerjavi s plini. Poleg tega jih ni težko izdelati, omogočajo preprosto odstranjevanje toplote in jih je mogoče enostavno zamenjati. Princip delovanja laserja se uporablja kot dobiček mediju organskega barvila, kot DCM (4-dicyanomethylene-2-metil-6-p- dimethylaminostyryl-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilbena, in podobno. D , raztopimo v ustreznem topilu. Raztopina barvnih molekul vzbudi sevanje, katerega valovna dolžina ima dober absorpcijski koeficient. Načelo laserskega, na kratko, je ustvariti daljšo valovno dolžino, imenovano fluorescenca. Razlika med absorpcijsko energijo in oddajanimi fotoni se uporablja pri neradiativnem prehodu energije in segreva sistem.

Širši fluorescenčni pas tekočih kvantnih generatorjev ima edinstveno funkcijo - tuning valovne dolžine. Načelo delovanja in uporabe te vrste laserja kot spremenljivega in koherentnega vira svetlobe postaja vse pomembnejše pri spektroskopiji, holografiji in biomedicinskih aplikacijah.

V zadnjem času se uporabljajo kvantni barvni generatorji za ločevanje izotopov. V tem primeru laser selektivno vzbudi enega od njih, s čimer se začne kemična reakcija.