Princip laseru: vlastnosti laserového záření

První princip laseru, jehož fyzika byla založena na zákoně Planckova záření, teoreticky zakládala Einstein v roce 1917. Popsal absorpci, spontánní a stimulované elektromagnetické záření pomocí pravděpodobnostních koeficientů (Einsteinových koeficientů).

Průkopníci

Theodor Meiman byl prvním, kdo prokázal princip jednání rubínový laser, založené na optickém čerpání pomocí zábleskové lampy ze syntetického rubínu, které produkovalo impulsní koherentní záření o vlnové délce 694 nm.

V roce 1960 vytvořili iránští vědci Javan a Bennett první plynový kvantový generátor za použití směsi plynů He a Ne v poměru 1:10.

V roce 1962 ukázala RN Hall první diodový laser arzenidu galia (GaAs), emitovaného při vlnové délce 850 nm. Později v tomto roce vyvinul Nick Golonyak první generátor kvantového viditelného světla polovodičů.

Zařízení a princip činnosti lasery

Každý laserový systém obsahuje aktivní médium opticky umístěný mezi dvojicí paralelních a vysoce odrážející zrcadla, z nichž jeden je průsvitný, a zdroj energie pro čerpání ji. Protože zesílení médium může působit jako pevné látky, kapaliny nebo plynu, které mají schopnost zesílit amplitudu světelné vlny procházející skrz něj interně s elektrickým nebo optického čerpacího záření. Látka je umístěna mezi párem zrcadel tak, že světlo odražené na ně pokaždé, když jím prochází, a které dosáhly významné zvýšení, proniká do Polopropustné zrcadlo.

Dvě úrovňová média

Zvažte princip činnosti laseru s aktivním médiem, jehož atomy mají pouze dvě úrovně energie: excitované E₂ a základnu E₁. Jsou-li atomy excitovány do jakéhokoliv stavu pomocí jakéhokoliv čerpacího mechanismu (optický, elektrický výboj, proudový přenos nebo bombardování elektronů)₂, pak se v několika nanosekundách vrátí do své základní polohy a vyzařují fotony energie hnu- E₂ - E₁. Podle Einsteinovy ​​teorie se emise produkuje dvěma různými způsoby: buď je vyvolána fotonem, nebo se to děje spontánně. V prvním případě dochází ke stimulaci emisí a ve druhém případě ke spontánní emisi. Při tepelné rovnováze je pravděpodobnost stimulované emise mnohem nižší než spontánní emise (1:10³³), takže většina běžných světelných zdrojů je nekoherentní a generování laserů je možné za jiných podmínek, než je tepelná rovnováha.

Dokonce i při velmi silném čerpání může být populace dvouúrovňových systémů rovnocenná. Proto, aby se dosáhlo obrácené populace optickým nebo jiným čerpáním, jsou vyžadovány tři nebo čtyři úrovně.

Víceúrovňové systémy

Jaký je princip třístupňového laseru? Ozařování s intenzivním světlem frekvence nu-₀₂ čerpá velké množství atomů z nejnižší energetické úrovně E₀ Horní E₂. Nonradiativní přechod atomů z E₂ k E₁ zavádí převrácení populace mezi E₁ a E₀, což je v praxi možné pouze tehdy, když jsou atomy v metastabilním stavu po dlouhou dobu E_1, a přechod z E₂ až do čísla E₁ dochází rychle. Principem třístupňového laseru je splnění těchto podmínek, takže mezi E₀ a E₁ je dosažena inverze populace a fotony jsou zesíleny energií E₁-E₀ indukované záření. Širší úroveň E₂ by mohla zvýšit absorpční rozsah vlnových délek pro účinnější čerpadlo, což by vedlo k růstu stimulovaných emisí.

Tříúrovňový systém vyžaduje velmi vysoký čerpací výkon, jelikož nižší úroveň podílející se na generaci je základní. V tomto případě, aby se objevila inverze populace, do stavu E₁ více než polovina celkového počtu atomů by měla být čerpána. Zároveň je ztracena energie. Výkon čerpadla může být výrazně snížen, jestliže nižší úroveň výroby není základní, což vyžaduje alespoň systém se čtyřmi úrovněmi.

V závislosti na povaze účinné látky jsou lasery rozděleny do tří hlavních kategorií: pevná, kapalná a plynná. Od roku 1958, kdy byla generace poprvé pozorována v rubínově krystale, vědci a výzkumní pracovníci studovali širokou škálu materiálů v každé kategorii.

Solid State Laser

Princip činnosti je založen na použití aktivního média, které je tvořeno přidáním přechodné skupiny k izolační krystalové mřížce (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², Co⁺², Ni⁺², Fe⁺², a tak dále), ionty vzácných zemin (Ce⁺³, Pr⁺³, Nd⁺³, Pm⁺³, Sm⁺², Eu^{+2, + 3}, Tb⁺³, Dy⁺³, Ho⁺³, Er⁺³, Yb⁺³, , atd.) a aktinidy jako U⁺³. Energetické úrovně ionty jsou zodpovědné pouze za generaci. Fyzikální vlastnosti základního materiálu, jako je tepelná vodivost a tepelná expanze, jsou důležité pro efektivní provoz laseru. Uspořádání atomů mřížky kolem dopovaného iontu mění jeho energetické hladiny. Různé vlnové délky generace v aktivním médiu se dosahují dopováním různých materiálů stejným iontem.

Holmium laser

Příklad pevné látky laser je kvantový generátor, ve kterém holmium nahrazuje atom základního materiálu krystalové mřížky. Ho: YAG je jedním z nejlepších materiálů. Pracovní princip Holmium laseru je, že YAG dopované ionty holmium, opticky čerpanou bleskovou lampou a emitující při vlnové délce 2097 nm v infračervené oblasti je dobře absorbována tkání. Pomocí tohoto laseru pro operace na klouby, ošetření zubů, k odpařování rakovinné buňky, ledvinové a žlučové kameny.

Polovodičový kvantový generátor

Lasery v kvantových studních jsou levné, umožňují hromadnou výrobu a snadno se liší. Princip činnosti polovodičového laseru založené na použití diody s p-n-křižovatkou, která produkuje světlo s určitou vlnovou délkou rekombinováním nosiče s pozitivním zkreslením, jako jsou LED diody. LED vyzařují spontánně a laserové diody jsou nuceny. Ke splnění podmínky pro inverzi populace musí provozní proud překročit prahovou hodnotu. Aktivní médium v ​​polovodičové diodě má formu spojovací oblasti dvou dvourozměrných vrstev.

Princip fungování tohoto typu laseru je takový, že žádné vnější zrcadlo není nutné k udržení oscilací. Reflexní síla vytvořená index lomu vrstvy a vnitřní odraz aktivního média je pro tento účel postačující. Koncové plochy diod jsou odštěpeny, což zajišťuje rovnoběžnost odrazných ploch.

Sloučenina tvořená polovodičovými materiály stejného typu se nazývá homojunkce a vytváří se kombinací dvou odlišných - heterojunkce.

Polovodiče typu p a n s vysokou hustotou nosiče tvoří spojení pn s velmi tenkou (asymp-1 μm) vyčerpanou vrstvou.

Plynový laser

Princip provozu a použití tohoto typu laseru umožňuje vytvořit zařízení prakticky jakékoliv kapacity (z miliwattů megawattů) a vlnových délek (od ultrafialové oblasti do infračervené) a může pracovat v pulzních a režimech. na povaze účinné látky na basi, existují tři typy plynových laserů, a to atomové, iontové a molekulární.

Většina plynových laser je čerpána elektrickým výbojem. Elektrony ve výtlačné trubce jsou urychleny elektrickým polem mezi elektrodami. Kolidují se s atomy, ionty nebo molekulami aktivního média a vyvolávají přechod na vyšší energetické úrovně, aby se dosáhlo populačního stavu inverze a stimulovaných emisí.

Molekulární laser

Princip laserové akce je založen na skutečnosti, že na rozdíl od izolovaných atomů a iontů v atomových a iontových lasery molekuly mají široké energetické pásy diskrétních energetických hladin. Kromě toho, každá úroveň energie elektronů má velký počet vibračních hladin, a ty zase - několik rotační.

Energie mezi hladinami elektronů je v oblasti UV a viditelných oblastí spektra, zatímco mezi vibračními rotačními úrovněmi - v dalekých a blízkých IR oblastech. Tak většina molekulárních kvantových generátorů pracuje v dalekých nebo blízkých IR oblastech.

Excimerové lasery

Excimery jsou takové molekuly jako ArF, KrF, XeCl, které mají rozdělený základní stav a jsou na první úrovni stabilní. Princip laseru je následující. Zpravidla je počet molekul v základním stavu malý, takže přímá čerpání ze základního stavu není možná. Molekuly se vytvářejí v prvním vzrušeném elektronickém stavu kombinací vysoce energetických halogenidů s inertními plyny. Populace inverze se snadno dosahuje, jelikož počet molekul na základní úrovni je příliš malý, ve srovnání s vybuzeným. Princip laserové akce, stručně, spočívá v přechodu od vázaného excitovaného elektronického stavu k disociativnímu základnímu stavu. Populace v základním stavu vždy zůstává na nízké úrovni, protože molekuly v tomto okamžiku se od sebe oddělují na atomy.

Přístroj a princip činnosti lasery spočívají v tom, že výbojka je naplněna halogenidovou směsí (F₂) a plyn vzácných zemin (Ar). Elektrony v něm disociují a ionizují halogenidové molekuly a vytvářejí negativně nabité ionty. Pozitivní ionty Ar⁺ a negativní F^- reagují a produkují ArF molekuly v prvním excitovaném vázaném stavu s jejich následným přechodem do stavu odpudivého báze a vytváření koherentního záření. Excimerový laser, jehož princip fungování a použití nyní uvažujeme, lze použít k čerpání aktivního média na barviva.

Tekutý laser

Ve srovnání s pevnými látkami jsou kapaliny rovnoměrnější a mají vyšší hustotu aktivních atomů ve srovnání s plyny. Kromě toho nejsou těžké vyrábět, umožňují jednoduše odstranit teplo a lze je snadno vyměnit. Princip působení laseru se používá jako média pro zesílení organického barviva, jako je například DCM (4-dikyanomethylenová-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben, a podobně. D , rozpuštěný ve vhodném rozpouštědle. Roztok molekul barviva je excitován zářením, jehož vlnová délka má dobrý absorpční koeficient. Princip laseru, zkrátka, je generovat delší vlnovou délku, nazývanou fluorescence. Rozdíl mezi energie absorbované a emitované fotony použity nonradiative energetických přechodů a ohřívá systém.

Širší fluorescenční pás kapalných kvantových generátorů má jedinečnou vlastnost - tuning vlnové délky. Princip fungování a používání tohoto typu laseru jako laděného a koherentního světelného zdroje je stále důležitější v oblasti spektroskopie, holografie a biomedicínských aplikací.

V poslední době byly k separaci izotopů použity generátory s kvantovým barvivem. V tomto případě laser selektivně vybuchne jeden z nich a vyvolá chemickou reakci.