Det første prinsippet til laseren, hvis fysikk var basert på Plancks lov om stråling, ble teoretisk underbygget av Einstein i 1917. Han beskrev absorpsjon, spontan og stimulert elektromagnetisk stråling ved bruk av sannsynlighetskoeffisienter (Einstein-koeffisienter).
Pionerer
Theodor Meiman var den første som demonstrerte prinsippet for drift av en rubinlaser basert på optisk pumping av syntetisk rubin med en blitslampe, som produserte pulserende koherent stråling med en bølgelengde på 694 nm.
I 1960 skapte iranske forskere Javan og Bennett den første gasskvantegeneratoren ved å bruke en 1:10-blanding av He- og Ne-gasser.
I 1962 demonstrerte RN Hall den første galliumarsenid (GaAs) diodelaseren som sender ut ved en bølgelengde på 850 nm. Senere samme år utviklet Nick Golonyak den første kvantegeneratoren for synlig lys av halvledere.
Design og prinsipp for drift av lasere
Hvert lasersystem består av et aktivt medium plassertmellom et par optisk parallelle og sterkt reflekterende speil, hvorav ett er gjennomskinnelig, og en energikilde for pumping. Forsterkningsmediet kan være et fast stoff, væske eller gass, som har egenskapen til å forsterke amplituden til en lysbølge som passerer gjennom det ved stimulert emisjon med elektrisk eller optisk pumping. Et stoff plasseres mellom et par speil på en slik måte at lyset som reflekteres i dem passerer gjennom det hver gang og, etter å ha nådd en betydelig forsterkning, trenger inn i et gjennomskinnelig speil.
Tolagsmiljøer
La oss vurdere prinsippet for operasjon av en laser med et aktivt medium, hvis atomer har bare to energinivåer: eksitert E2 og grunnleggende E1 . Hvis atomer eksiteres til tilstanden E2 av en hvilken som helst pumpemekanisme (optisk, elektrisk utladning, strømoverføring eller elektronbombardement), vil de etter noen få nanosekunder gå tilbake til bakkeposisjonen og sende ut fotoner av energi hν=E 2 - E1. I følge Einsteins teori produseres emisjon på to forskjellige måter: enten induseres det av et foton, eller så skjer det spontant. I det første tilfellet skjer stimulert emisjon, og i det andre spontan emisjon. Ved termisk likevekt er sannsynligheten for stimulert emisjon mye lavere enn spontan emisjon (1:1033), så de fleste konvensjonelle lyskilder er usammenhengende, og lasergenerering er mulig under andre forhold enn termisk likevekt.
Selv med veldig sterkpumping, kan bestanden av to-nivå systemer bare gjøres lik. Derfor kreves det tre- eller firenivåsystemer for å oppnå populasjonsinversjon ved optiske eller andre pumpemetoder.
Flernivåsystemer
Hva er prinsippet for tre-nivå laseren? Bestråling med intenst lys med frekvens ν02 pumper et stort antall atomer fra det laveste energinivået E0 til det høyeste energinivået E 2. Den ikke-strålende overgangen til atomer fra E2 til E1 etablerer en populasjonsinversjon mellom E1 og E 0 , som i praksis bare er mulig når atomene er i en metastabil tilstand over lang tid E1, og overgangen fra E2til E 1 går raskt. Prinsippet for drift av en tre-nivå laser er å oppfylle disse betingelsene, på grunn av at mellom E0 og E1 oppnås en populasjonsinversjon og fotoner forsterkes av energi E 1-E0 indusert emisjon. Et bredere nivå av E2 kan øke bølgelengdeabsorpsjonsområdet for mer effektiv pumping, noe som resulterer i en økning i stimulert utslipp.
Tre-nivåsystemet krever en veldig høy pumpeeffekt, siden det lavere nivået som er involvert i generering er det grunnleggende. I dette tilfellet, for at populasjonsinversjonen skal skje, må mer enn halvparten av det totale antallet atomer pumpes til tilstanden E1. Ved å gjøre det, er energi bortkastet. Pumpekraften kan være betydeligreduseres hvis det lavere generasjonsnivået ikke er basisnivået, som krever minst et firenivåsystem.
Avhengig av arten av det aktive stoffet, deles lasere inn i tre hovedkategorier, nemlig fast, flytende og gass. Siden 1958, da lasering først ble observert i en rubinkrystall, har forskere og forskere studert et bredt utvalg av materialer i hver kategori.
Solid State Laser
Operasjonsprinsippet er basert på bruk av et aktivt medium, som dannes ved å legge til et overgangsgruppemetall til det isolerende krystallgitteret (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, osv.), sjeldne jordarter (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, osv.), og aktinider som U+3. Energinivåene til ionene er bare ansvarlige for generering. De fysiske egenskapene til basismaterialet, som termisk ledningsevne og termisk ekspansjon, er avgjørende for effektiv laserdrift. Arrangementet av gitteratomer rundt et dopet ion endrer energinivået. Ulike generasjonsbølgelengder i det aktive mediet oppnås ved å dope forskjellige materialer med samme ion.
Holmium laser
Et eksempel på en faststofflaser er en kvantegenerator, der holmium erstatter et atom i basisstoffet i krystallgitteret. Ho:YAG er et av de beste generasjonsmaterialene. Prinsippet for driften av en holmiumlaser er at yttriumaluminiumgranat er dopet med holmiumioner, optisk pumpet av en blitslampe og sender ut ved en bølgelengde på 2097 nm i IR-området, som absorberes godt av vev. Denne laseren brukes til operasjoner i leddene, til behandling av tenner, for fordampning av kreftceller, nyre og gallestein.
Halvlederkvantegenerator
Kvantebrønnlasere er rimelige, masseproduserbare og lett skalerbare. Driftsprinsippet til en halvlederlaser er basert på bruken av en p-n-kryssdiode, som produserer lys med en viss bølgelengde ved bærerekombinasjon ved en positiv forspenning, som ligner på lysdioder. LED avgir spontant, og laserdioder - tvunget. For å oppfylle populasjonsinversjonsbetingelsen må driftsstrømmen overstige terskelverdien. Det aktive mediet i en halvlederdiode har form av et forbindelsesområde av to todimensjonale lag.
Prinsippet for driften av denne typen laser er slik at det ikke kreves noe eksternt speil for å opprettholde svingninger. Refleksjonsevnen som skapes av lagenes brytningsindeks og den indre refleksjon av det aktive mediet er tilstrekkelig for dette formålet. Endeflatene på diodene er chippet, noe som sikrer at de reflekterende flatene er parallelle.
En forbindelse dannet av halvledermaterialer av samme type kalles en homojunction, og en forbindelse som er opprettet av en forbindelse av to forskjellige kallesheterojunction.
P- og n-type halvledere med høy bærertetthet danner et p-n-kryss med et veldig tynt (≈1 µm) uttømmingslag.
gasslaser
Driftsprinsippet og bruken av denne typen laser lar deg lage enheter med nesten hvilken som helst effekt (fra milliwatt til megawatt) og bølgelengder (fra UV til IR) og lar deg arbeide i pulserende og kontinuerlige moduser. Basert på naturen til aktive medier, er det tre typer gass kvantegeneratorer, nemlig atomære, ioniske og molekylære.
De fleste gasslasere pumpes med en elektrisk utladning. Elektronene i utladningsrøret akselereres av det elektriske feltet mellom elektrodene. De kolliderer med atomer, ioner eller molekyler i det aktive mediet og induserer en overgang til høyere energinivåer for å oppnå en befolkningstilstand med inversjon og stimulert utslipp.
Molecular Laser
Operasjonsprinsippet til en laser er basert på det faktum at, i motsetning til isolerte atomer og ioner, har molekyler i atom- og ionekvantegeneratorer brede energibånd med diskrete energinivåer. Dessuten har hvert elektronisk energinivå et stort antall vibrasjonsnivåer, og disse har igjen flere rotasjonsnivåer.
Energien mellom elektroniske energinivåer er i UV- og synlige områder av spekteret, mens mellom vibrasjonsrotasjonsnivåene - i fjern- og nær-IRområder. Dermed opererer de fleste molekylære kvantegeneratorer i fjern- eller nærinfrarøde områder.
Excimer-lasere
Excimers er molekyler som ArF, KrF, XeCl, som har en separert grunntilstand og er stabile på første nivå. Prinsippet for operasjon av laseren er som følger. Som regel er antallet molekyler i grunntilstanden lite, så direkte pumping fra grunntilstanden er ikke mulig. Molekyler dannes i den første eksiterte elektroniske tilstanden ved å kombinere høyenergihalogenider med inerte gasser. Populasjonen av inversjonen oppnås lett, siden antall molekyler på basisnivået er for lite sammenlignet med den eksiterte. Operasjonsprinsippet til en laser er kort fort alt overgangen fra en bundet eksitert elektronisk tilstand til en dissosiativ grunntilstand. Populasjonen i grunntilstanden forblir alltid på et lavt nivå, fordi molekylene på dette tidspunktet dissosieres til atomer.
Enheten og prinsippet for drift av lasere er at utladningsrøret er fylt med en blanding av halogenid (F2) og sjeldne jordartsgass (Ar). Elektronene i den dissosierer og ioniserer halogenidmolekyler og lager negativt ladede ioner. Positive ioner Ar+ og negative F- reagerer og produserer ArF-molekyler i den første eksiterte bundne tilstanden med deres påfølgende overgang til den frastøtende basetilstanden og generering av koherent stråling. Excimer-laseren, prinsippet for drift og anvendelse som vi nå vurderer, kan brukes til å pumpeaktivt medium på fargestoffer.
Flytende laser
Sammenlignet med faste stoffer er væsker mer homogene og har høyere tetthet av aktive atomer enn gasser. I tillegg til dette er de enkle å produsere, gir enkel varmeavledning og kan enkelt skiftes ut. Operasjonsprinsippet til laseren er å bruke organiske fargestoffer som et aktivt medium, slik som DCM (4-dicyanometylen-2-metyl-6-p-dimetylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben, etc. …, oppløst i et passende løsningsmiddel. En løsning av fargestoffmolekyler eksiteres av stråling hvis bølgelengde har en god absorpsjonskoeffisient. Prinsippet for operasjonen til laseren er kort sagt å generere ved en lengre bølgelengde, k alt fluorescens. Forskjellen mellom absorbert energi og emitterte fotoner brukes av ikke-strålingsenergioverganger og varmer opp systemet.
Det bredere fluorescensbåndet til flytende kvantegeneratorer har en unik funksjon - bølgelengdeinnstilling. Operasjonsprinsippet og bruken av denne typen laser som en avstembar og koherent lyskilde blir stadig viktigere i spektroskopi, holografi og biomedisinske applikasjoner.
Nylig har fargestoffkvantegeneratorer blitt brukt til isotopseparasjon. I dette tilfellet eksiterer laseren selektivt en av dem, og får dem til å gå inn i en kjemisk reaksjon.
