Прынцып дзеяння лазера: асаблівасці лазернага выпраменьвання

Першым прынцып дзеяння лазера, фізіка якога засноўвалася на законе выпраменьвання Планка, тэарэтычна абгрунтаваў Эйнштэйн ў 1917 годзе. Ён апісаў паглынанне, спантаннае і вымушанае электрамагнітнае выпраменьванне з дапамогай імавернасных каэфіцыентаў (каэфіцыенты Эйнштэйна).

Першапраходцы

Тэадор Мейман быў першым, хто прадэманстраваў прынцып дзеяння лалавага лазера, заснаваны на аптычнай напампоўцы з дапамогай лямпы-ўспышкі сінтэтычнага рубіну, вырабляць імпульснае кагерэнтнай выпраменьванне з даўжынёй хвалі 694 нм.

У 1960 г. іранскія навукоўцы Джаван і Беннетт стварылі першы газавы квантавы генератар з выкарыстаннем сумесі газаў He і Ne у суадносінах 1:10.

У 1962 году Р. Н. Хол прадэманстраваў першы дыёдны лазер з арсенід Галіі (GaAs), выпраменьваючых на даўжыні хвалі 850 нм. Пазней у тым жа годзе Нік Голоняк распрацаваў першы паўправадніковы квантавы генератар бачнага святла.

Прылада і прынцып дзеяння лазераў

Кожная лазерная сістэма складаецца з актыўнай асяроддзя, змешчанай паміж парай аптычна паралельных і высокоотражающих люстэркаў, адно з якіх напаўпразрыстае, і крыніцы энергіі для яе накачкі. У якасці асяроддзя ўзмацнення можа выступаць цвёрдае цела, вадкасць або газ, якія валодаюць уласцівасцю ўзмацняць амплітуду светлавой хвалі, якая праходзіць праз яго, вымушаным выпраменьваннем з электрычнай або аптычнай накачкі. Рэчыва змяшчаецца паміж парай люстэркаў такім чынам, што святло, які адлюстроўваецца ў іх, кожны раз праходзіць праз яго і, дасягнуўшы значнага ўзмацнення, пранікае скрозь напаўпразрыстае люстэрка.

двухузроўневыя асяроддзя

Разгледзім прынцып дзеяння лазера з актыўнай асяроддзем, атамы якой маюць толькі два ўзроўні энергіі: узбуджаны E ₂ і базавы Е _1. Калі атамы з дапамогай любога механізму накачкі (аптычнага, электрычнага разраду, прапускання току або бамбардзіроўкі электронамі) узбуджаюцца да стану E _2, то праз некалькі нанасекунд яны вернуцца ў асноўны становішча, выпраменьваючы фатоны энергіі hν = E ₂ - E _1. Паводле тэорыі Эйнштэйна, эмісія вырабляецца двума рознымі спосабамі: альбо яна індукуецца фатонам, альбо гэта адбываецца спантанна. У першым выпадку мае месца вымушанае выпраменьванне, а ў другім - спантаннае. Пры цеплавым раўнавазе верагоднасць вымушанага выпраменьвання значна ніжэй, чым спантанага (1:10 ^33), таму большасць звычайных крыніц святла некогерентного, а лазерная генерацыя магчымая ва ўмовах, выдатных ад цеплавога раўнавагі.

Нават пры вельмі моцнай напампоўцы населеным двухузроўневых сістэм можна толькі зрабіць роўнай. Таму для дасягнення інверснай населенасці аптычным або іншым спосабам накачкі патрабуюцца трох-ці чатырохузроўневага сістэмы.

шматузроўневыя сістэмы

Які прынцып дзеяння трохузроўневага лазера? Апрамяненне інтэнсіўным святлом частоты ν ₀₂ напампоўвае вялікая колькасць атамаў з самага нізкага ўзроўню энергіі E ₀ да верхняга Е _2. Безызлучательный пераход атамаў з E ₂ да E ₁ ўсталёўвае інверсію населенасці паміж E ₁ і E _0, што на практыцы магчыма толькі, калі атамы працяглы час знаходзяцца ў метастабільным стане E _1, і пераход ад Е ₂ да Е ₁ адбываецца хутка. Прынцып дзеяння трохузроўневага лазера складаецца ў выкананні гэтых умоў, дзякуючы чаму паміж E ₀ і E ₁ дасягаецца інверсія населенасці і адбываецца ўзмацненне фатонаў энергіяй Е ₁ -е ₀ індукаванага выпраменьвання. Больш шырокі ўзровень E ₂ мог бы павялічыць дыяпазон паглынання даўжынь хваль для больш эфектыўнай накачкі, следствам чаго з'яўляецца рост вымушанага выпраменьвання.

Трохузроўневая сістэма патрабуе вельмі высокай магутнасці накачкі, так як ніжні ўзровень, задзейнічаны ў генерацыі, з'яўляецца базавым. У гэтым выпадку для таго, каб адбылася інверсія населенасці, да стану E ₁ павінна быць напампаваць больш за палову ад агульнай колькасці атамаў. Пры гэтым энергія расходуецца марна. Магутнасць накачкі можна значна паменшыць, калі ніжні ўзровень генерацыі не будзе базавым, што патрабуе, па меншай меры, чатырохузроўневага сістэмы.

У залежнасці ад прыроды актыўнага рэчывы, лазеры падпадзяляюцца на тры асноўныя катэгорыі, а менавіта, цвёрды, вадкі і газавы. З 1958 года, калі ўпершыню назіралася генерацыя ў крышталі рубіну, навукоўцы і даследчыкі вывучылі шырокі спектр матэрыялаў у кожнай катэгорыі.

цвёрдацельны лазер

Прынцып дзеяння заснаваны на выкарыстанні актыўнай асяроддзя, якая ўтворыцца шляхам дадання ў ізалявальную крышталічную рашотку металу пераходнай групы (Ti ^+3, Cr ^+3, V ^+2, Са ^+2, Ni ^+2, Fe ^+2, і т. Д.) , рэдказямельных іёнаў (Ce ^+3, Pr ^+3, Nd ^+3, Pm ^+3, Sm ^+2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^+3, Dy ^+3, Ho ^+3, Er ^+3, Yb ⁺³ , і інш.), і актиноидов, падобных U ^+3. Энергетычныя ўзроўні іёнаў адказваюць толькі за генерацыю. Фізічныя ўласцівасці базавага матэрыялу, такія як цеплаправоднасць і цеплавое пашырэнне, маюць важнае значэнне для эфектыўнай працы лазера. Размяшчэнне атамаў рашоткі вакол легаванай іёна змяняе яе энергетычныя ўзроўні. Розныя даўжыні хваляў генерацыі ў актыўнай асяроддзі дасягаюцца шляхам легіравання розных матэрыялаў адным і тым жа іёнам.

Гольмиевый лазер

Прыкладам цвёрдацельнага лазера з'яўляецца квантавы генератар, у якім гольмій замяняе атам базавага рэчывы крышталічнай рашоткі. Ho: YAG з'яўляецца адным з лепшых генерацыйных матэрыялаў. Прынцып дзеяння гольмиевого лазера складаецца ў тым, што алюмоиттриевый гранат легіравальных іёнамі Гольм, аптычна напампоўваецца лямпай-выбліскам і выпраменьвае на даўжыні хвалі 2097 нм ў ВК-дыяпазоне, добра паглынальных тканінамі. Выкарыстоўваецца гэты лазер для аперацый на суставах, у лячэнні зубоў, для выпарэння ракавых клетак, нырачных і жоўцевых камянёў.

Паўправадніковы квантавы генератар

Лазеры на квантавых ямах недарагія, дазваляюць масавае вытворчасць і лёгка маштабуецца. Прынцып дзеяння паўправадніковага лазера заснаваны на выкарыстанні дыёда з pn-пераходам, які вырабляе святло вызначанай даўжыні хвалі шляхам рэкамбінацыі носьбіта пры станоўчым зрушэнні, падобна святлодыёдам. LED выпраменьваюць спантанна, а лазерныя дыёды - вымушана. Каб выканаць ўмова інверсіі заселенасці, працоўны ток павінен перавышаць парогавае значэнне. Актыўная сераду ў паўправадніковым дыёдзе мае выгляд злучальнай вобласці двух двухмерных слаёў.

Прынцып дзеяння лазера дадзенага тыпу такі, што для падтрымання ваганняў ніякага вонкавага люстэркі не патрабуецца. Якая адлюстроўвае здольнасць, якая ствараецца дзякуючы паказчыку пераламлення слаёў і ўнутранага адлюстравання актыўнай асяроддзя, для гэтай мэты дастатковая. Кантавыя паверхні дыёдаў скалываются, што забяспечвае раўналежнасць адлюстроўваюць паверхняў.

Злучэнне, утвораная паўправадніковымі матэрыяламі аднаго тыпу, называецца гомопереходом, а створанае злучэннем двух розных - гетеропереходом.

Паўправаднікі р і n тыпу з высокай шчыльнасцю носьбітаў ўтвараюць р-n-пераход з вельмі тонкім (≈1 мкм) збедненых пластом.

газавы лазер

Прынцып дзеяння і выкарыстанне лазера гэтага тыпу дазваляе ствараць прылады практычна любой магутнасці (ад милливатта да мегавата) і даўжынь хваль (ад УФ да ВК) і дазваляе працаваць у імпульсным і бесперапынным рэжымах. Зыходзячы з прыроды актыўных асяроддзяў, адрозніваюць тры тыпу газавых квантавых генератараў, а менавіта атамныя, іённыя, і малекулярныя.

Большасць газавых лазераў напампоўваюцца электрычным разрадам. Электроны ў разраднай трубцы паскараюцца электрычным полем паміж электродамі. Яны сутыкаюцца з атамамі, іёнамі або малекуламі актыўнай асяроддзя і індукуюць пераход на больш высокія энергетычныя ўзроўні для дасягнення стану насельніцтва інверсіі і вымушанага выпраменьвання.

малекулярны лазер

Прынцып дзеяння лазера заснаваны на тым, што, у адрозненне ад ізаляваных атамаў і іёнаў, у атамных і іённых квантавых генератарах малекулы валодаюць шырокімі энергетычнымі зонамі дыскрэтных энергетычных узроўняў. Пры гэтым кожны электронны энергетычны ўзровень мае вялікі лік вагальных узроўняў, а тыя, у сваю чаргу, - некалькі круцільных.

Энергія паміж электроннымі энергетычнымі ўзроўнямі знаходзіцца ў УФ і бачнай абласцях спектру, у той час як паміж вагальных-круцільнымі ўзроўнямі - у далёкай і блізкай ІЧ абласцях. Такім чынам, большасць малекулярных квантавых генератараў працуе ў далёкай ці блізкай ІЧ абласцях.

эксімерным лазеры

Эксимеры ўяўляюць сабой такія малекулы як ArF, KrF, XeCl, якія маюць падзеленае асноўны стан і стабільныя на першым узроўні. Прынцып дзеяння лазера наступны. Як правіла, у асноўным стане лік малекул мала, таму прамая напампоўка з асноўнага стану не ўяўляецца магчымай. Малекулы ўтвараюцца ў першым узбуджанай электронным стане шляхам злучэння валодаюць вялікай энергіяй галагенідаў з інэртнымі газамі. Населеным інверсіі лёгка дасягаецца, так як лік малекул на базавым узроўні занадта мала, у параўнанні з узбуджанай. Прынцып дзеяння лазера, коратка кажучы, складаецца ў пераходзе з звязанага узбуджанай электроннага стану ў диссоциативное асноўны стан. Населеным ў асноўным стане заўсёды застаецца на нізкім узроўні, таму што малекулы ў гэтай кропцы дысацыюе на атамы.

Прылада і прынцып дзеяння лазераў складаецца ў тым, што разрадную трубку напаўняюць сумессю галагеніду (F ₂₎ і рэдказямельных газу (Ar). Электроны ў ёй дысацыюе і іянізуюць малекулы галагеніду і ствараюць адмоўна зараджаныя іёны. Станоўчыя іёны Ar ⁺ і адмоўныя F ^- рэагуюць і вырабляюць малекулы ArF ў першым узбуджанай звязаным стане з наступным іх пераходам у якое адштурхвае базавую стан і генерацыяй кагерэнтнага выпраменьвання. Эксімерным лазер, прынцып дзеяння і ўжыванне якога мы цяпер разглядаем, можа прымяняцца для накачкі актыўнага асяроддзя на фарбавальніках.

вадкасны лазер

У параўнанні з цвёрдымі рэчывамі, вадкасці больш аднастайныя, і валодаюць большай шчыльнасцю актыўных атамаў, у параўнанні з газамі. У дадатак да гэтага, яны не складаныя ў вытворчасці, дазваляюць проста адводзіць цяпло і могуць быць лёгка заменены. Прынцып дзеяння лазера складаецца ў выкарыстанні ў якасці актыўнай асяроддзя арганічных фарбавальнікаў, такіх як DCM (4-дицианометилен-2-пазначаў-6-p- диметиламиностирил-4Н-балю), родамина, сціраючы, LDS, кумарыны, стильбена, і т. Д ., раствораных у належным растваральніку. Раствор малекул фарбавальніка ўзбуджаецца выпраменьваннем, даўжыня хвалі якога валодае добрым каэфіцыентам паглынання. Прынцып дзеяння лазера, коратка кажучы, заключаецца ў генерацыі на большай даўжыні хвалі, званай флуарэсцэнцыі. Розніца паміж паглынутай энергіяй і выпраменьваюць фатонамі выкарыстоўваецца безызлучательными энергетычнымі пераходамі і награвае сістэму.

Больш шырокая паласа флуарэсцэнцыі вадкасных квантавых генератараў валодае унікальнай асаблівасцю - перабудовай даўжыні хвалі. Прынцып дзеяння і выкарыстанне лазера гэтага тыпу як наладжвальнага і кагерэнтнага крыніцы святла, набывае ўсё большае значэнне ў спектраскапіі, галаграфіі, і ў біямедыцынскіх прыкладаннях.

Нядаўна квантавыя генератары на фарбавальніках сталі выкарыстоўвацца для падзелу ізатопаў. У гэтым выпадку лазер выбарча ўзбуджае адзін з іх, падахвочваючы ўступіць у хімічную рэакцыю.