Parimi i veprimit lazer: Karakteristikat e rrezatimit lazer

Parimi i parë i veprimit të lazer, e cila është e bazuar në fizikën e ligjit rrezatimit Planck 's, në teori, Ajnshtajni në vitin 1917 ishte i justifikuar. Ai e përshkroi thithjen, spontane dhe stimuluar rrezatim elektromagnetik duke përdorur koeficientët probabilitetit (Koeficientët Einstein).

Trailblazers

Teodor Meyman ishte i pari për të demonstruar parimin e veprimit të një lazer rubin, bazuar në pompimin optik duke përdorur një flash llambë rubin sintetike, gjeneron rrezatim koherent me një gjatësi vale prej 694 nm.

Në vitin 1960, shkencëtarët iranianë Javan dhe Bennett krijuar lazer e parë e gazit duke përdorur përzierjet e ai dhe NE gazeve në një raport prej 1:10.

Në vitin 1962, R. N. Hall bën një parë lazer diodë bërë nga galium arsenide (GaAs), emitting në një gjatësi vale 850 nm. Më vonë atë vit, Nick Golonyak zhvilluar parë gjenerator gjysmëpërçues kuantike të dritës së dukshme.

Pajisja dhe parimi i lazer

Secili sistem lazer përfshin një medium aktiv optikisht vendoset midis një palë të pasqyron paralele dhe shumë pasqyruar, njëri prej të cilëve është i tejdukshëm, dhe një burim energjie për pompimin atë. Si fitimi mesme mund të veprojë si një të ngurta, të lëngshme ose gaz, të cilat kanë aftësinë për të plotësoj amplitudë e valë dritës që kalon nëpër atë nga brenda me rrezatim elektrik ose optik pompimit. Substanca është vendosur në mes të një palë e pasqyra në mënyrë që drita reflektohet në to sa herë që kalon nëpërmjet saj dhe, pasi ka arritur një rritje të konsiderueshme, depërton pasqyrë gjysmë.

mjedisi duplex

Konsideroni parimin e veprimit lazer me një medium aktive atomet e të cilit kanë vetëm dy nivelet e energjisë: E ngazëllyer E ₂ dhe bazë _1. Nëse atomet nëpërmjet ndonjë mekanizëm të pompimit (optike, elektrike aktuale shkarkimin ose transmetimi elektron bombardimeve) jemi të ngazëllyer për një shtet E _2, në një nanoseconds pak ata kthehen në pozitën bazë, radiating fotone energjisë hν = E ₂ - E _1. Sipas teorisë së Ajnshtajnit, emetimi është prodhuar në dy mënyra të ndryshme: ose ajo është shkaktuar nga një foton, apo kjo ndodh në mënyrë spontane. Në rastin e parë, emision stimuluar ndodh dhe e dyta - spontane. Në ekuilibër termik, probabiliteti i emisionit të stimuluar është shumë më e ulët se sa spontane (1:10 ^33), në mënyrë që pjesa më e madhe konvencionale burime jokoherente të lehta, dhe lasing është e mundur në kushte të ndryshme nga ekuilibër termik.

Edhe me një sisteme shumë të fortë pompimit popullsisë të nivelit mund të bëhet vetëm të barabartë. Prandaj, për të arritur përmbysja e popullsisë ose metodë tjetër pompimit optike kërkon një sistem të nivelit katër tre- ose.

Sistemi multi-nivel

Cili është parimi i lazer tre-nivel? Rrezatim i dritës intensive e frekuencës ν ₀₂ pompa up një numër të madh të atomeve nga niveli më i ulët i energjisë E ₀ dhe E ₂ të sipërme. Tranzicioni Radiationless me atomet E ₂ në E ₁ krijon një përmbysja popullsisë ndërmjet E ₁ dhe E _0, e cila në praktikë është e mundur vetëm kur atomet janë një kohë të gjatë në një gjendje E metastabël _1, dhe kalimin nga E ₁ për të e ₂ ndodh shpejt. Parimi operativ i një lazer tre-nivel është në këto kushte, në mënyrë që në mes E ₀ dhe E _1, përmbysja popullsia është arritur dhe është përforcohet Energjisë foton E ₁ -E ₀ emisionit stimuluar. nivel më të gjerë E ₂ mund të rrisin gamën thithjen gjatësi vale për të pompë në mënyrë më efikase, duke rezultuar në rritjen e emisionit stimuluar.

Tre-nivel sistemi kërkon një fuqi shumë të lartë pompimit që nga niveli më të ulët, janë të përfshirë në brez, kjo është një bazë. Në këtë rast, në mënyrë që të përmbysja e popullsisë ka ndodhur të shtetit KN ₁ të pompohet më shumë se gjysma e numrit të përgjithshëm të atomeve. Në këtë rast, energjia është tretur. Fuqia pompë mund të reduktohet në masë të madhe në qoftë se niveli i ulët lasing nuk është baza, e cila kërkon të paktën një sistem të katër niveleve.

Varësisht nga natyra e substancës aktive, lazer klasifikohen në tri kategori themelore, domethënë të ngurta, të lëngshme dhe të gazit. Që nga viti 1958, kur brezi i parë u vu re në një kristal rubini, shkencëtarët dhe hulumtuesit kanë studiuar një gamë të gjerë të materialeve në secilën kategori.

lazer solid-shtet

Operacioni është i bazuar në përdorimin e një medium aktive e cila është formuar duke shtuar një izolues metali tranzicioni grilë kristal (Ti ^+3, Cr ^3, V ^{+ 2,} Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} etj. D.) , joneve rralla tokë (CE ^+3, Pr ^+3, Nd ^3, Pm ^+3, Sm ^{+ 2,} Eu ^{+ 2 + 3,} Tb ^+3, dy ^+3, HO ^+3, Er ^+3, Yb ⁺³ , et al.), dhe aktinidet tilla si U ^+3. Nivelet e energjisë e joneve përgjegjës vetëm për gjeneratën. Vetitë fizike të materialit bazë, të tilla si përçueshmëri termike dhe zgjerimit termik janë të rëndësishme për funksionimin efikas të lazer. Vendndodhja grilë e atomeve rreth një jon stimuluar ndryshon nivelet e saj të energjisë. gjatesite e ndryshme të gjeneratës së tundur në medium aktiv janë arritur nga doping materiale të ndryshme në të njëjtën jon.

Laser holmium

Një shembull i lazer solid-shtet është një gjenerator quantum, ku atom holmiumi zëvendëson materialin bazë prej hekurave kristal. Ho: YAG është një nga materialet më të mira lasing. Parimi operativ i lazer holmium është se kuqe itrium alumini stimuluar me jone holmium, pompohet optikisht nga FLASH LAMP dhe lëshon në një gjatësi vale prej 2097 nm në varg infra të kuqe është zhytur edhe nga indet. Përdoreni këtë lazer për operacionet në nyje, trajtim dentar, për të avullon qelizat e kancerit, veshkave dhe gurëve të tëmthit.

Një gjenerator gjysmëpërçues kuantike

dhe lasers kuantike janë të lira, të lejojë prodhimin në masë dhe janë lehtësisht të shkallëzuar. Parimi operativ i lazer gjysmëpërçues bazuar në përdorimin e kryqëzim PN-diodë, e cila prodhon dritë e një gjatësi vale të caktuar nga ana e rekombinimit të transportuesit në një paragjykim pozitiv, si LEDs. LED lëshojnë në mënyrë spontane dhe diodes lazer - dhunë. Për të përmbushur përmbysja kusht popullsisë, aktual operativ duhet të kalojë një prag. Mediumi aktive në një diodë gjysmëpërçues ka një pamje të zonës lidhjes së shtresave dy-dimensionale.

Parimi i funksionimit të këtij lloji të lazer është se për të ruajtur luhatjet nuk ka pasqyrë të jashtëm është e nevojshme. Aftësia reflektues, e krijuar për shkak të indeksit refraktive shtresat dhe reflektimin e brendshëm të mesme aktive, është e mjaftueshme për këtë qëllim. Sipërfaqet përfundimtarë të bashkohet diodes që siguron sipërfaqet paralele pasqyruar.

Përbërësi i formuar nga materiali gjysmëpërçues së llojit të njëjtë quhet homojunction, siç përcaktohet nga lidh dy të ndryshme - heterojunction.

Semiconductors të p dhe n tipit me densitetit të lartë e transportuesve të formojnë një p-n-nyje me një (≈1 mm) shtrese shumë të hollë varfëruar.

Laser gazit

Parimi i funksionimit dhe përdorimit të këtij lloji të lazer bën të mundur për të krijuar pajisjet e praktikisht çdo kapacitet (nga milivat në megavat) dhe gjatesi vale (nga ultravjollcë në infra të kuqe) dhe mund të veprojë në mënyra të pulsojnë dhe të vazhdueshme. Bazuar në natyrën e medias aktive, ekzistojnë tri lloje të lazer gazit, domethënë atomike, jonik dhe molekulare.

Shumica lasers gazit pompohet nga shkarkimi elektrik. Elektronet në tub shkarkimi janë përshpejtuar nga fusha elektrike në mes të elektrodave. Ata bien ndesh me atomet, jonet ose molekulat e një të mesme aktive dhe nxisin kalimin në nivele më të larta të energjisë për të arritur një gjendje të përmbysja e popullsisë dhe emisionit të stimuluar.

lazer molekulare

Parimi i veprimit lazer është i bazuar në faktin se, ndryshe nga atomet izoluara dhe joneve në lazer atomike dhe jon molekulat posedon grupe të gjera të energjisë të niveleve të diskrete të energjisë. Përveç kësaj, secili nivel i energjisë elektron ka një numër të madh të niveleve vibrational, dhe ata nga ana tjetër - një rrotulluese disa.

Energjia në mes të niveleve të energjisë elektron është në rajonet UV dhe të dukshme të spektrit, ndërsa në mes të niveleve vibrational-rrotulluese - në rajonet e largëta dhe të afërta infra të kuqe. Kështu, shumica e lazer molekulare duke punuar në një rajonet e largëta apo afër-infra të kuqe.

laseri excimer

Excimers janë molekula të tilla si ARF, Krf, XeCl, të cilat janë ndarë shtetin terren të qëndrueshme dhe nivelin e parë. Parimi i funksionimit të lazer ardhshëm. Në mënyrë tipike, numri në shtetin e parë të molekulave është i vogël, kështu që pompimit drejtpërdrejtë nga shteti terren nuk është e mundur. Molekulat e formuar ne gjendjen e pare ngacmuar elektronike me nje komponim qe ka një halidet larta energjisë me gazeve inerte. Përmbysja popullsia është arritur me lehtësi pasi që numri i molekulave në një nivel bazë është shumë i ulët, në krahasim me të ngacmuar. Parimi i veprimit lazer, me pak fjalë, është të kalojnë nga një shtet lidhur ngacmuar elektronike të një shkëputës shtetit terren. Popullsia e shtetit terren është gjithmonë në nivel të ulët, për shkak se në këtë pikë molekula veçoj në atome.

Aparat dhe lazer parim përbëhet nga ajo qe, tubi i shkarkimit është e mbushur me një përzierje të halid (F _2), dhe gazi rralle (Ar). Elektronet në të veçoj dhe jonizues molekulat halide dhe për të krijuar joneve negative. jonet pozitive Ar ⁺ dhe F negative ^- reaguar dhe për të prodhuar molekulat Arf ne gjendjen e pare ngacmuar të lidhur me të tranzicionit të mëvonshëm të zmbraps shtet bazë dhe gjenerimin e rrezatimit koherente. Laser Excimer, parimi i veprimit dhe përdorimi i të cilave ne jemi tani duke marrë parasysh, mund të përdoret për pompimin e mesme aktive të ngjyroset.

lazer likuid

Krahasuar me ngurta, lengje janë më homogjene dhe kanë një densitet të lartë të atomeve aktive, në krahasim me gazrave. Përveç kësaj, ata nuk janë të vështirë për të prodhuar, të lejuar shpërndarje të lehtë të ngrohjes dhe mund të zëvendësohen lehtësisht. Principi i veprimit të lazer është përdorur si një medium fituar e bojë organike, si për shembull VKM (4-dicyanomethylene-2-metil-6-p- dimethylaminostyryl-4H-piran) rhodamine, styryl, LDS, kumarin, stilbene, dhe si. D ., e tretur në një tretës të përshtatshëm. Një zgjidhje e molekulave ngjyrë është ngacmuar nga rrezatimi gjatësi vale të cilit ka një koeficient të mirë thithjen. Parimi i veprimit lazer, me pak fjalë, është për të gjeneruar në një gjatësi vale më të gjatë, quhet ndriçim fluoreshent. Dallimi në mes të energjisë së absorbuar dhe fotonet emetuar përdorur tranzicionit nonradiative energji dhe nxehet sistemin.

Gjerë band ndriçim fluoreshent lasers lëngshme ka një tipar unik - gjatësi vale tuning. Parimi i funksionimit dhe përdorimit të këtij lloji, si një lazer harmonishëm dhe burim drite koherente, po bëhet gjithnjë e më i rëndësishëm në spectroscopy, holografi, dhe në aplikimet biomjekësore.

Kohët e fundit, lasers janë përdorur për të ngjyrosur për ndarjen izotopeve. Në këtë rast, lazer selektive nxeh një prej tyre, duke bërë që të fillojë një reaksion kimik.