Principiul laserului: caracteristicile radiației laser

Primul principiu al laserului, a cărui fizică se baza pe legea radiației lui Planck, a fost teoretic fundamentată de Einstein în 1917. El a descris absorbția, radiația electromagnetică spontană și stimulată cu ajutorul coeficienților de probabilitate (coeficienții lui Einstein).

Trailblazers

Theodor Meiman a fost primul care a demonstrat principiul acțiunii rubin laser, bazat pe pomparea optică, cu o lampă flash a unui rubin sintetic care a produs radiații coerente pulsate cu o lungime de undă de 694 nm.

În 1960, oamenii de știință iranieni Javan și Bennett au creat primul generator de cuanțe de gaz folosind un amestec de gaze He și Ne într-un raport de 1:10.

În 1962, RN Hall a demonstrat primul cu diodă laser de arsenură de galiu (GaAs), emisă la o lungime de undă de 850 nm. Mai târziu în acel an, Nick Golonyak a dezvoltat primul generator de lumină vizibilă cuantică semiconductor.

Dispozitivul și principiul funcționării laserelor

Fiecare sistem laser este alcătuit dintr-un mediu activ plasat între o pereche de oglinzi optic paralele și oglindă foarte reflectată, dintre care unul este translucid și o sursă de energie pentru pompare. Mediul de amplificare poate fi un solid, lichid sau gaz care are proprietatea de a amplifica amplitudinea undei luminoase care trece prin el prin emisia stimulată cu pompare electrică sau optică. O substanță este plasată între o pereche de oglinzi în așa fel încât lumina reflectată în ele să treacă prin ea de fiecare dată și, obținând un câștig semnificativ, pătrunde prin oglinda translucidă.

Suport pe două niveluri

Luați în considerare principiul acțiunii unui laser cu un mediu activ, ale cărui atomi au doar două nivele de energie: E excitat₂ și baza E₁. Dacă atomii sunt excitați la orice stare cu ajutorul oricărui mecanism de pompare (optic, descărcare electrică, transmisie curentă sau bombardament cu electroni)₂, apoi în câteva nanosecunde se vor întoarce la poziția lor de bază, emise fotoni de energie hnu- = E₂ - E₁. Conform teoriei lui Einstein, emisia este produsă în două moduri diferite: fie este indusă de un foton, fie se produce în mod spontan. În primul caz, au loc emisii stimulate, iar în al doilea caz - emisii spontane. La echilibrul termic, probabilitatea emisiei stimulate este mult mai mică decât emisia spontană (1:10³³), astfel încât cele mai multe surse de lumină convenționale sunt incoerente, iar generarea de laser este posibilă în alte condiții decât echilibrul termic.

Chiar și cu pompare foarte puternică, populația sistemelor pe două nivele poate fi egală. Prin urmare, pentru a obține o populație inversată prin optică sau prin alte pompări, sunt necesare sisteme cu trei sau patru niveluri.

Sisteme pe mai multe niveluri

Care este principiul laserului cu trei niveluri? Iradierea cu lumină intensă a frecvenței nu-₀₂ pompează un număr mare de atomi de la cel mai scăzut nivel de energie E₀ E superior₂. Transformarea nonradiativă a atomilor din E₂ la E₁ stabilește o inversare a populației între E₁ și E₀, care în practică este posibilă numai atunci când atomii sunt într-o stare metastabilă pentru o lungă perioadă de timp E₁ și trecerea de la E₂ până la E₁ apare rapid. Principiul laserului cu trei niveluri este acela de a îndeplini aceste condiții, astfel încât între E₀ și E₁ o inversiune a populației este atinsă și fotonii sunt intensificați de energia E₁-E₀ indusă de radiații. Un nivel mai mare de E₂ ar putea mări gama de lungimi de undă de absorbție a pompa mai eficient, având ca rezultat creșterea emisiei stimulate.

Sistemul cu trei niveluri necesită o putere de pompare foarte ridicată, deoarece nivelul inferior implicat în generare este cel de bază. În acest caz, pentru ca inversiunea populației să aibă loc, statul E₁ mai mult de jumătate din numărul total de atomi ar trebui pompați. În același timp, energia este irosită. Puterea pompei poate fi redusă semnificativ dacă nivelul inferior de generare nu este de bază, ceea ce necesită cel puțin un sistem pe patru niveluri.

În funcție de natura substanței active, laserele sunt împărțite în trei categorii principale, și anume, solide, lichide și gaze. Din 1958, când generația a fost observată pentru prima dată într-un cristal rubin, cercetătorii și cercetătorii au studiat o gamă largă de materiale în fiecare categorie.

Solid State Laser

Principiul de funcționare se bazează pe utilizarea unui mediu activ, care se formează prin adăugarea unui grup de tranziție la zăcământul de cristal izolant (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², cu⁺², Ni⁺², Fe⁺², și așa mai departe), ionii de pământuri rare (Ce⁺³, Pr⁺³, Nd⁺³, pm⁺³, Sm⁺², UE^{+2, + 3}, Tb⁺³, dy⁺³, Ho⁺³, Er⁺³, Yb⁺³, , etc.) și actinide ca U⁺³. Nivelurile energetice ioni sunt responsabili doar pentru generare. Proprietățile fizice ale materialului de bază, cum ar fi conductivitatea termică și expansiune termică, sunt importante pentru funcționarea eficientă a laserului. Aranjamentul atomilor de zăbrele în jurul ionului dopat își modifică nivelele de energie. Diferitele lungimi de undă de generare în mediul activ sunt obținute prin doparea diferitelor materiale cu același ion.

Laser cu laser

Un exemplu de solid laserul este un generator cuantic în care holumul înlocuiește atomul din materialul de bază al rețelei de cristal. Ho: YAG este una dintre cele mai bune materiale de generație. Principiul de funcționare al laserului holmium este ca granat de ytriu si aluminiu dopat cu ioni de holmiu, pompati optic de lampa flash si emite la o lungime de undă de 2097 nm în domeniul infraroșu este bine absorbită de țesuturi. Utilizați acest laser pentru operații pe articulații, tratamentul dentar, pentru a vaporiza celulele canceroase, rinichi și calculi biliari.

Generator cuantic semiconductor

Laserele din fântânile cuantice sunt ieftine, permit producerea în masă și sunt ușor de redresat. Principiul de funcționare a unui laser semiconductor bazată pe utilizarea unei diode cu joncțiune p-n, care produce lumină cu o anumită lungime de undă prin recombinarea purtătorului cu o polarizare pozitivă, cum ar fi LED-urile. LED-urile emit spontan, iar diodele laser - forțate. Pentru a îndeplini condiția de inversiune a populației, curentul de funcționare trebuie să depășească valoarea de prag. Mediul activ într-o diodă semiconductoare are forma unei zone de conectare a două straturi bidimensionale.

Principiul de funcționare al acestui tip de laser este astfel încât nu este necesară o oglindă exterioară pentru a menține oscilațiile. Puterea reflexivă creată de indicele de refracție straturile și reflexia internă a mediului activ, este suficientă pentru acest scop. Fețele finale ale diodelor sunt despicate, ceea ce asigură paralelismul suprafețelor de reflexie.

Un compus format din materiale semiconductoare de același tip se numește homojuncție și este creat printr-o combinație de două diferite - o heterojuncție.

Semiconductorii de tip p și n cu o densitate mare a purtătorului formează o joncțiune pn cu un strat foarte subțire (asymp-1 μm) epuizat.

Gaze laser

Principiul de funcționare și utilizarea acestui tip de laser face posibilă pentru a crea dispozitive de aproape orice capacitate (de la milliwatts la megawați) și lungimi de undă (de la ultraviolete la infraroșu) și poate funcționa în modurile de impulsuri și continuă. Pe baza naturii mediilor active, există trei tipuri de generatoare cuantice de gaze, și anume atomice, ionice și moleculare.

Cele mai multe lasere cu gaz sunt pompate cu o descărcare electrică. Electronii din tubul de descărcare sunt accelerați de câmpul electric dintre electrozii. Acestea se ciocnesc cu atomi, ioni sau molecule ale mediului activ și induc o tranziție la niveluri de energie mai mari pentru a atinge starea de inversiune a populației și emisia stimulată.

Molecular laser

Principiul acțiunii laserului se bazează pe faptul că, spre deosebire de atomii izolați și ionii în lasere atomice și ioni de molecule posedă benzi energetice largi ale nivelurilor de energie discrete. În acest caz, fiecare nivel de energie electronică are un număr mare de niveluri vibraționale, iar cele, la rândul lor, sunt oarecum rotative.

Energia dintre nivelele de energie ale electronilor se regăsește în zonele UV și vizibile ale spectrului, în timp ce între nivelele de rotație vibraționale - în regiunile îndepărtate și apropiate ale IR. Astfel, majoritatea generatoarelor cuantice moleculare operează în regiuni îndepărtate sau apropiate de IR.

Excimer lasere

Excimerele sunt molecule precum ArF, KrF, XeCl, care au o stare divizată și sunt stabile la primul nivel. Principiul laserului este după cum urmează. Ca regulă, numărul de molecule din starea solului este mic, astfel încât pomparea directă de la nivelul solului nu este posibilă. Moleculele se formează în prima stare electronică excitată prin combinarea halogenurilor de mare putere cu gazele inerte. Populația de inversiune este ușor de atins, deoarece numărul de molecule la nivelul bazei este prea mic, în comparație cu cel excitat. Principiul acțiunii laserului, pe scurt, constă în trecerea de la starea electronică excitată legată la starea de bază disociativă. Populația în starea de bază rămâne întotdeauna la un nivel scăzut, deoarece moleculele de la acest punct disociază în atomi.

Dispozitivul și principiul de funcționare a laserelor este că tubul de descărcare este umplut cu un amestec de halogenuri (F₂) și gaze de pământuri rare (Ar). Electronii din ele disociază și ionizează moleculele de halogenuri și creează ioni încărcați negativ. Ionii pozitivi Ar⁺ și F negativ^- reacționează și produc molecule de ArF în prima stare legată excitat, cu tranziția lor ulterioară către o stare de bază respingătoare și generarea de radiații coerente. Laserul excimer, principiul de funcționare și aplicare pe care îl analizăm acum, poate fi utilizat pentru a pompa mediul activ pe coloranți.

Lichidul laser

În comparație cu substanțele solide, lichidele sunt mai uniforme și au o densitate mai mare de atomi activi, comparativ cu gazele. În plus, acestea nu sunt greu de fabricat, permit pur și simplu îndepărtarea căldurii și pot fi ușor înlocuite. Principiul acțiunii laserului este utilizat ca mediu câștig de colorant organic, cum ar fi DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p- dimethylaminostyryl-4H), rodamina, știrii, LDS, cumarina, stilbene, și altele asemenea. D , dizolvat într-un solvent adecvat. O soluție de molecule de coloranți este excitată de radiații a căror lungime de undă are un bun coeficient de absorbție. Principiul laserului, pe scurt, este de a genera o lungime de undă mai lungă, numită fluorescență. Diferența dintre energia absorbită și fotonii emise este folosită de tranzițiile de energie nonradiative și încălzesc sistemul.

Extins banda fluorescenta laseri cu lichid are o caracteristică unică - Tuning lungime de undă. Principiul de funcționare și utilizarea acestui tip ca un laser acordabile și sursa de lumină coerentă, devine din ce în ce mai importantă în spectroscopie, holografie și în aplicații biomedicale.

Recent, generatoarele pe bază de coloranți cuantice au fost utilizate pentru separarea izotopilor. În acest caz, laserul excită selectiv unul dintre ele, determinând să intre într-o reacție chimică.