Принципът на лазера: характеристики на лазерното лъчение

Първият принцип на лазера, чиято физика се основаваше на закона на радиацията на Планк, бе теоретично основана от Айнщайн през 1917 г. Той описва абсорбцията, спонтанното и стимулирано електромагнитно излъчване с помощта на коефициенти на вероятност (коефициентите на Айнщайн).

Трейлблейзърс

Теодор Мейман е първият, който демонстрира принципа на действие руби лазер, въз основа на оптична помпа с флаш лампа от синтетичен рубин, който произвеждаше пулсираща кохерентна радиация с дължина на вълната 694 nm.

През 1960 г. иранските учени Javan и Bennett създават първия газов квантов генератор, използващ смес от He и Ne газове в съотношение 1:10.

През 1962 г. RN Hall демонстрира първото диоден лазер от галиев арсенид (GaAs), излъчван при дължина на вълната 850 nm. По-късно тази година Ник Голяник разработи първия генератор на полупроводникови квантови видими светлини.

Устройството и принципа на работа на лазерите

Всяка лазерна система се състои от активна среда, разположена между двойка оптично успоредни и силно отразяващи огледала, едната от които е полупрозрачна и източник на енергия за нейното изпомпване. Амплифициращата среда може да бъде твърда, течна или газ, която има свойството да усилва амплитудата на светлинната вълна, преминаваща през нея чрез стимулирана емисия с електрическо или оптично изпомпване. Едно вещество се поставя между двойка огледала по такъв начин, че светлината, отразена в тях, да минава през него всеки път и да достигне значителна печалба, прониква през прозрачното огледало.

Медии на две нива

Помислете за принципа на действието на лазер с активна среда, чиито атоми имат само две нива на енергия: възбуден Е₂ и основата Е₁. Ако атомите се възбуждат към някое състояние с помощта на всеки помпени механизъм (оптичен, електрически разряд, токово предаване или електронно бомбардиране)₂, след това в няколко наносекунди те ще се върнат към основното си положение, излъчвайки фотони с енергия hnu- = E₂ - E₁. Според теорията на Айнщайн емисията се произвежда по два различни начина: или тя се индуцира от фотон, или се случва спонтанно. В първия случай се стимулира излъчването, а във втория - спонтанно излъчване. При термично равновесие вероятността за стимулирана емисия е много по-ниска от спонтанната емисия (1:10³³), така че повечето конвенционални източници на светлина са несъвместими и генерирането на лазери е възможно при условия, различни от термичното равновесие.

Дори при много силно изпомпване населението на системи на две нива може да бъде равностойно. Следователно, за да се постигне обърната популация чрез оптично или друго изпомпване, са необходими системи с три или четири нива.

Многостепенни системи

Какъв е принципът на лазерния три нива? Облъчване с интензивна честота на светлината NU-₀₂ изпомпва голям брой атоми от най-ниското енергийно ниво Е₀ Горна Е₂. Неразрешим преход на атоми от Е₂ до Е₁ установява обръщане на населението между Е₁ и Е₀, което на практика е възможно само когато атомите са в метастабилно състояние за дълго време Е₁ и прехода от Е₂ до E₁ се появява бързо. Принципът на трислойния лазер е да изпълни тези условия, така че между Е₀ и Е₁ се постига инверсия на населението и фотони се усилват от енергията Е₁-E₀ предизвикано от радиация. По-широко ниво на Е₂ може да увеличи обхвата на абсорбция на дължини на вълните за по-ефективна помпа, което води до нарастване на стимулираните емисии.

Системата на три нива изисква много висока мощност на изпомпване, тъй като по-ниското ниво, включено в генерацията, е основната. В този случай, за да се случи инверсията на населението, към държавата Е₁ трябва да се изпомпва повече от половината от общия брой атоми. В същото време енергията се губи. Силата на помпата може да бъде значително намалена, ако по-ниското ниво на поколение не е основно, което изисква най-малко четиристепенна система.

В зависимост от естеството на активното вещество лазерите са разделени на три основни категории, а именно твърди, течни и газови. От 1958 г., когато първото поколение е наблюдавано в рубинен кристал, учените и изследователите са изучавали широка гама от материали във всяка категория.

Лазер с твърдо състояние

Принципът на действие се основава на използването на активна среда, която се образува чрез добавяне на преходна група към изолиращата кристална решетка (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², с⁺², Ni⁺², Fe⁺², и т.н.), йони от редкоземни (Ce⁺³, Pr⁺³, Nd⁺³, Pm⁺³, Sm⁺², Еи^{+2, + 3}, туберкулоза⁺³, Dy⁺³, Хо⁺³, Ъ⁺³, Яб⁺³, и т.н.) и актиниди като U⁺³. Енергийни нива йони са отговорни само за генерирането. Физическите свойства на основния материал, като термична проводимост и термична експанзия, са важни за ефективното действие на лазера. Подреждането на атомите на решетката около дозирания йон променя енергийните си нива. Различните дължини на вълните на генериране в активната среда се постигат чрез допинг на различни материали със същия йон.

Холмий лазер

Пример за твърдо вещество лазерът е квантов генератор, в който холмият замества атома на основния материал на кристалната решетка. Ho: YAG е едно от най-добрите поколения материали. принципа на работа на лазера холмий е, че итрий алуминиев гранат легиран с холмий йони, оптично изпомпва чрез флаш лампа и излъчва при дължина на вълната 2097 пМ в инфрачервения диапазон се абсорбира добре от тъканите. Използвайте този лазерни операции на ставите, дентална лечение, за изпаряване на раковите клетки, бъбречни и жлъчни камъни.

Полупроводников квантов генератор

Лазерите в квантовите кладенци са евтини, позволяват масово производство и лесно се мащабират. Принцип на действие на полупроводников лазер въз основа на използването на диод с р-n-възел, който произвежда светлина с определена дължина на вълната чрез рекомбиниране на носача с положително пристрастие, подобно на светодиодите. Светодиодът излъчва спонтанно, а лазерните диоди - принудени. За да изпълни условието за инверсия на населението, работният ток трябва да превиши праговата стойност. Активната среда в полупроводниковия диод има формата на свързващ участък от два двуизмерни слоя.

Принципът на действие на този тип лазер е такъв, че да не се изисква външно огледало за поддържане на колебания. Отразяващата сила, създадена от индекс на пречупване слоеве и вътрешно отражение на активната среда, е достатъчна за тази цел. Крайните лица на диодите се разцепват, което осигурява паралелността на отразяващите повърхности.

Съединение, образувано от полупроводникови материали от същия тип, се нарича хомодукция и е създадено чрез комбинация от две различни - хетероункция.

Полупроводниците с тип p и n с висока плътност на носещия елемент формират свързване pn с много тънък (asymp-1 μm) обеднен слой.

Газов лазер

Принципът на работа и използването на този тип лазер прави възможно създаването на устройства с почти всяка мощност (от миливата до мегавата) и дължини на вълните (от ултравиолетови лъчи до инфрачервени лъчи) и да се работи в импулсни и непрекъснати режими. Въз основа на характера на активната среда, съществуват три вида генератори на квантови газове, а именно атомни, йонни и молекулярни.

Повечето газови лазери се изпомпват с електрическо разреждане. Електроните в изпускателната тръба се ускоряват от електрическото поле между електродите. Те се сблъскват с атоми, йони или молекули на активната среда и предизвикват преход към по-високи нива на енергия, за да се постигне популационно състояние на инверсия и стимулирани емисии.

Молекулярен лазер

Принципът на лазера се основава на факта, че за разлика от изолираните атоми и йони молекулите в атомните и йонните квантови генератори имат широки енергийни ленти с дискретни енергийни нива. В този случай всяко електронно ниво на енергия има голям брой вибрационни нива, а тези, на свой ред, са малко ротационни.

Енергията между енергийните нива на електроните е в UV и видимите области на спектъра, докато между вибрационните ротационни нива - в далечните и близките IR региони. По този начин, повечето молекулярни квантови генератори работят в отдалечени или близки до IR областите.

Ексциерни лазери

Екзимерите са такива молекули като ArF, KrF, XeCl, които имат разделено основно състояние и са стабилни на първо ниво. Принципът на лазера е както следва. По правило броят на молекулите в основното състояние е малък, така че директното изпомпване от основното състояние не е възможно. Молекулите се образуват в първото възбудено електронно състояние чрез комбиниране на високоенергийни халиди с инертни газове. Населението на инверсията се постига лесно, тъй като броят на молекулите на базовото ниво е твърде малък в сравнение с развъждания. Принципът на действие на лазера, за кратко, се състои в прехода от обвързаното възбудено електронно състояние към разединителното земно състояние. Населението в земното състояние винаги остава на ниско ниво, защото молекулите в тази точка се разпадат на атоми.

Устройството и принципът на работа на лазерите са, че изпускателната тръба се запълва с халидна смес (F₂) и газ от редкоземни (Ar). Електроните в него дисоциират и йонизират молекулите на халогенидите и създават отрицателно заредени йони. Положителни йони Ar⁺ и отрицателен F^- реагират и произвеждат АрФ молекули в първото възбудено свързано състояние с последващия им преход към отблъскващо основно състояние и генериране на кохерентно излъчване. Ексимерът лазер, принципът на работа и приложението, който сега разглеждаме, може да се използва за изпомпване на активната среда върху багрила.

Течен лазер

В сравнение с твърдите вещества, течностите са по-равномерни и имат по-висока плътност от активни атоми в сравнение с газовете. В допълнение към това, те не са трудни за производство, те просто позволяват да премахнат топлината и могат лесно да бъдат заменени. Принципът на действие на лазера се използва като печалба среда на органична боя, като DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-р-dimethylaminostyryl-4Н-пиран), родамин, стирил, LDS, кумарин, стилбен, и други подобни. D , разтворен в подходящ разтворител. Разтвор на молекули на багрилото е възбуден от радиация, чиято дължина на вълната има добър коефициент на поглъщане. Принципът на лазера, накратко, е да генерира по-дълга дължина на вълната, наречена флуоресценция. Разликата между абсорбираната енергия и излъчваните фотони се използва от нерадиационни енергийни преходи и отоплява системата.

Широката флуоресцентна лента на течни квантови генератори има уникална характеристика - настройка на дължината на вълната. Принципът на работа и използването на този тип лазер като регулируем и съгласуван източник на светлина става все по-важен в спектроскопията, холографията и в биомедицинските приложения.

Напоследък генератори с квантова багрила са използвани за отделяне на изотопи. В този случай лазерът селективно възбужда един от тях, предизвиквайки химична реакция.