Prinsippet av laser handling: trekk ved laserstråling

Det første prinsippet av handlingen av laser, som er basert på fysikk av Plancks strålingslov, i teorien, Einstein i 1917 var berettiget. Han beskrev absorpsjon, spontan og stimulert elektromagnetisk stråling ved hjelp av sannsynlighets koeffisienter (Einstein koeffisienter).

Trailblazers

Teodor Meyman var den første til å demonstrere prinsippet for virkningen av en rubin laser, basert på den optiske pumping ved hjelp av en blitzlampe syntetisk rubin, genererer koherent stråling med en bølgelengde på 694 nm.

I 1960 iranske forskere Javan og Bennett skapte de første gass lasere bruker blandinger av han og Ne gasser i forholdet 1:10.

I 1962, R. N. Hall gjør et første diodelaser består av galliumarsenid (GaAs), sender ut lys med en bølgelengde på 850 nm. Senere samme år, Nick Golonyak utviklet den første halvleder quantum generator av synlig lys.

Anordningen og prinsippet av lasere

Hver lasersystem innbefatter et aktivt medium optisk plassert mellom et par parallelle og har sterkt reflekterende speil, hvorav ett er gjennomsiktig, og en strømkilde for å pumpe det. Som forsterkningsmediet kan virke som et fast stoff, væske eller gass, som har evnen til å forsterke amplituden av lysbølge som passerer gjennom det innvendig med elektrisk eller optisk pumpestråling. Stoffet er plassert mellom par av speil, slik at det lys som reflekteres på de hver gang passerer gjennom den, og, etter å ha nådd en betydelig økning, trenger inn i halvspeil.

duplex miljø

Ser på prinsippet med laser handling med et aktivt medium hvis atomer har bare to energinivåer: E spent E ₂ og basis _1. Dersom atomene via en hvilken som helst pumpemekanisme (optisk, elektrisk utladningsstrømmen eller transmittans elektronbombardement) er spent til en tilstand _E2, i noen få nanosekunder de gå tilbake til grunnstillingen, utstrålende energi fotoner hν = E ₂ - E _1. Ifølge Einsteins teori, blir utslippsstilles på to forskjellige måter: enten det er indusert av et foton, eller det oppstår spontant. I det førstnevnte tilfelle skjer stimulert emisjon og den andre - spontan. Ved termisk likevekt, er sannsynligheten for stimulert emisjon er mye lavere enn den spontane (1:10 ^33), slik at de fleste konvensjonelle inkoherente lyskilder, og laseroperasjon er mulig i de andre enn termisk likevekt betingelser.

Selv med en veldig sterk pumping befolkningsnivå systemer kan bare gjøres like. Derfor, for å oppnå den populasjonsinversjon eller annen optisk pumping metoden krever en tre- eller fire-nivå-system.

flernivåsystem

Hva er prinsippet om tre-nivå laser? Bestråling av intenst lys av frekvens ν ₀₂ pumper opp et stort antall atomer fra den laveste energinivå E ₀ og E ₂ av den øvre. Radiationless overgang med den atomer _E2 til E ₁ etablerer en populasjonsinversjon mellom E ₁ og E _{er 0,} noe som i praksis bare er mulig når atomene er en lang tid i en metastabil tilstand E _1, og overgangen fra E ₁ til _E2 skjer raskt. Driftsprinsippet som gir en tre-nivå laser er i disse betingelser, slik at det mellom E og E _{0 1,} er populasjonsinversjon oppnådd og forsterkes fotonenergi E ₁ -E ₀ stimulert emisjon. Bredere nivå E ₂ kunne øke absorpsjonen bølgelengdeområdet til en mer effektiv pumpe, noe som resulterer i vekst av stimulert emisjon.

Tre-nivå-system krever en meget høy pumpeeffekt, fordi det lavere nivå, er involvert i genereringen, er det en base. I dette tilfellet, for å populasjonsinversjon forekom til tilstand E ₁ som skal pumpes mer enn halvparten av det totale antall atomer. I dette tilfellet er det bortkastet energi. Pumpeeffekt kan bli sterkt redusert dersom det lavere lasernivået er ikke basen, som krever minst en firetrinns system.

Avhengig av typen av den aktive substans, er lasere klassifiseres i tre hovedkategorier, nemlig faststoff, væske og gass. Siden 1958, da den første generasjonen ble observert i en rubin krystall, vitenskapsmenn og forskere har studert et bredt spekter av materialer i hver kategori.

solid-state laser

Virkemåten er basert på anvendelse av et aktivt medium som er dannet ved å legge en isolerende krystallgitter-overgangsmetall (Ti ^3, Cr ^{+ 3,} V ^2, Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} og så videre D.). , sjeldne jordartsmetaller (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.), og aktinider, slik som ^U-3. Energinivåer ionene som bare er ansvarlige for den generasjonen. Fysikalske egenskaper for basismaterialet, slik som termisk ledningsevne og termisk ekspansjon er viktig for effektiv drift av laseren. Plassering gitter av atomer rundt et dopet ion endrer dets energinivå. Forskjellige lengder av bølgegenererings i det aktive medium er oppnådd ved å dope forskjellige materialer i den samme ion.

holmium laser

Et eksempel på en solid-state laser er en kvante-generator, karakterisert ved at holmium atom erstatter basismaterialet av krystallgitteret. Ho: YAG er en av de beste laser materialer. Driftsprinsippet for holmium laseren er at yttrium aluminium granat som er dopet med holmium-ioner, optisk pumpet ved blitzlampe og avgir ved en bølgelengde på 2097 nm i det infrarøde området er godt absorbert av vevene. Bruk denne laser for operasjoner på leddene, tannbehandling, for å fordampe kreftceller, nyre og gallestein.

En halvleder quantum generator

Quantum vel lasere er billig, tillate masseproduksjon og er lett skalerbar. Driftsprinsippet til halvlederlaseren basert på bruk av pn-diodeovergang, som produserer lys av en viss bølgelengde ved rekombinasjon av bæreren på en positiv forspenning, som lysdioder. LED avgi spontant og laserdioder - tvangsmessig. For å oppfylle vilkåret befolkning inversjon, bør driftsstrømmen overstiger en terskel. Den aktive medium i en halvlederdiode har en riss av forbindelsesområdet todimensjonale lag.

Prinsippet for virkemåten av denne type laser er at for å opprettholde oscillasjoner ingen ytre speil er nødvendig. Den reflekterende evne, laget på grunn av brytningsindeksen lagene og innvendig refleksjon av det aktive medium, er tilstrekkelig for dette formål. Endeflatene spalte dioder som har parallelle reflekterende flater.

Forbindelsen dannet av halvledermateriale av samme type som kalles en homo-overgang, som etablert ved å koble to forskjellige - hetero-overgang.

Halvlederen p og n-type med en høy tetthet av bærere danner en p-n-knutepunkt med en meget tynn (≈1 mm) utarmet lag.

gasslaser

Prinsippet for virkemåten og bruken av denne type laser som gjør det mulig å lage anordninger av praktisk talt en hvilken som helst kapasitet (fra milliwatt til megawatt) og bølgelengder (fra ultrafiolett til infrarødt) og kan operere i pulserende og kontinuerlig modus. Basert på typen av den aktive media, er det tre typer av gasslasere, nemlig atom, ioniske og molekylære.

De fleste gasslasere som pumpes ved hjelp av elektrisk utladning. Elektronene i utladningsrøret blir akselerert av det elektriske feltet mellom elektrodene. De kolliderer med atomer, ioner eller molekyler av et aktivt medium og indusere overgang til høyere energinivåer for å oppnå en tilstand av populasjonsinversjon og stimulert emisjon.

molekylær laser

Prinsippet av laser virkning er basert på det faktum at, i motsetning til de isolerte atomer og ioner i atom og ion-laser molekyler har brede energibånd diskrete energinivåer. I tillegg har hver elektronenerginivå et stort antall vibrasjonsnivåer, og de som i sin tur - noen rotasjons.

Den energi mellom elektronenerginivåer er i UV- og synlige områder av spekteret, mens det mellom de vibrasjons-roterende plan - i langt og nære infrarøde områder. Således er de fleste av de molekylære lasere som arbeider i et fjernt eller nær-infrarøde områder.

ekcimerlasere

Excimers er et slikt molekyl som ArF, KrF, XeCl, som er delt stabil grunntilstanden og det første nivå. Prinsippet om drift av laseren neste. Vanligvis er det tall i grunntilstanden av molekylene liten, slik at den direkte pumping fra grunntilstanden er ikke mulig. Molekylene som dannes i det første elektroniske opphisset tilstand ved hjelp av en forbindelse som har et høyt energi halogenider med inerte gasser. Befolkningen inversjon oppnås lett siden antallet molekyler på grunnivå er for lavt, sammenlignet med spent. Prinsippet med laser handling, kort sagt, er å gå over fra en bundet spent elektronisk tilstand til en grunntilstand dissosiativ. Populasjonen av grunntilstanden alltid er på et lavt nivå, fordi på dette tidspunkt molekylet dissosiere til atomer.

Apparatet og lasere Prinsippet består i at utløpsrøret er fylt med en blanding av halogenidet (F ₂₎ og edelgass (Ar). Elektronene i den dissosiere og ionisere halogenid-molekylene og skaper negative ioner. Positive ioner Ar ⁺ og negativ F ^- reagere og produsere ARF-molekyler i den første eksiterte tilstand forbundet med den påfølgende overgang til basistilstanden vannopptagende delen av beskyttelses generering av koherent stråling. Excimer laser, prinsippet om virkningen og anvendelsen av disse er vi vurderer nå, kan brukes til pumping av det aktive medium av fargestoffet.

væske laser

Sammenlignet med faste stoffer, væsker er mer homogent og har en høyere tetthet av aktive atomer, sammenlignet med gasser. I tillegg til dette, er de ikke vanskelige å produsere, gi enkel varmespredning og kan enkelt skiftes ut. Prinsippet for virkningen av laser brukes som et forsterkningsmedium av organisk fargestoff, slik som DCM (4-dicyanomethylene-2-metyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben, og lignende. D ., oppløst i et passende løsningsmiddel. En oppløsning av fargestoffmolekylene blir eksitert ved bestråling hvis bølgelengde har en god absorpsjonskoeffisient. Prinsippet med laser handling, kort sagt, er å generere i en lengre bølgelengde, som kalles fluorescens. Forskjellen mellom den energi som absorberes og slippes ut fotoner som brukes nonradiative energioverganger, og varmer opp systemet.

Bredere bånd fluorescens flytende lasere har en unik funksjon - bølgelengdeavstemning. Prinsippet for virkemåten og bruken av denne type som en avstembar laser, og den koherente lyskilden, blir stadig viktigere i spektroskopi, holografi, og i biomedisinske anvendelser.

Nylig, lasere har vært brukt til å farge for isotopseparasjon. I dette tilfellet, laseren selektivt å eksitere en av dem, spørre starte en kjemisk reaksjon.