Principen om laserverkan: funktioner i laserstrålning

Den första principen om inverkan av laser, som är baserad på fysik Plancks strålningslag, i teorin, Einstein 1917 var berättigad. Han beskrev absorption, spontan och stimulerad elektromagnetisk strålning med användning av sannolikhets koefficienter (Einstein koefficienter).

trailblazers

Teodor Meyman var först med att demonstrera principen av verkan av en rubinlaser, baserat på den optiska pump med användning av en blixtlampa syntetisk rubin, alstrar koherent strålning med en våglängd av 694 nm.

I 1960, iranska vetenskapsmän Javan och Bennett skapade de första gaslasrar med användning av blandningar av He och Ne gaser i ett förhållande av 01:10.

I 1962, gör R.N. Hall en första diodlaser tillverkad av galliumarsenid (GaAs), som emitterar vid en våglängd av 850 nm. Senare samma år, Nick Golonyak utvecklade den första halvledarkvantgenerator för synligt ljus.

Apparaten och principen om lasrar

Varje lasersystemet innefattar ett aktivt medium optiskt placerad mellan ett par parallella och i hög grad reflekterande speglar, av vilka en är genomskinlig, och en kraftkälla för pumpning av den. Som förstärkningsmediet kan verka som ett fast ämne, vätska eller gas, som har förmågan att förstärka amplituden hos den ljusvåg som passerar genom det internt med elektrisk eller optisk pumpningsstrålning. Ämnet är placerat mellan ett par speglar, så att det ljus som reflekteras på dem varje gång passerar genom den och, efter att ha nått en betydande ökning, penetrerar halv spegel.

duplexmiljö

Överväga att principen om laserverkan med ett aktivt medium, vars atomer har endast två energinivåer: E excite E ₂ och bas _1. Om atomerna via någon pumpmekanism (optisk, elektrisk urladdningsström eller transmittans elektronbombardemang) exciteras till ett tillstånd E _2, i ett fåtal nanosekunder de återvänder till grundpositionen, strålande energifotoner hv = E ₂ - E _1. Enligt Einsteins teori, produceras emissionen på två olika sätt: antingen det induceras av en foton, eller det sker spontant. I det förra fallet, uppträder stimulerad emission och den andra - spontan. Vid termisk jämvikt, är sannolikheten för stimulerad emission mycket lägre än den spontana (01:10 ^33), så att de flesta konventionella inkoherenta ljuskällor, och lasring är möjligt i de andra än termisk jämvikt betingelser.

Även med en mycket stark pumppopulationsnivå system kan endast göras lika. Därför, för att uppnå den populationsinversionen eller annan optisk pumpning metoden kräver en tre- eller fyr-nivåsystemet.

system med flera nivåer

Vad är principen om tre nivåer laser? Bestrålning av intensivt ljus med frekvensen ν ₀₂ pumpar upp ett stort antal atomer från det lägsta energinivån E ₀ och E ₂ av den övre. Strålningslös övergång med atomer E ₂ till E ₁ upprättas en populationsinversion mellan E ₁ och E _0, vilket i praktiken är endast möjlig när atomerna är en lång tid i ett metastabilt tillstånd E _1, och övergången från E ₁ till E ₂ sker snabbt. Funktionsprincipen för en tre-nivålaser är i dessa förhållanden, så att mellan E ₀ och E _1, är populationsinversion uppnås och förstärks fotonenergin E ₁ -E ₀ stimulerad emission. Bredare nivå E ₂ kan öka absorptionen våglängdsområdet för att mer effektivt pumpa, vilket resulterar i tillväxt av den stimulerade emissionen.

Tre-nivå-system kräver en mycket hög pumpeffekt, eftersom den lägre nivån, är involverade i generering, är det en bas. I detta fall, för att populationsinversion inträffade till staten E ₁ som skall pumpas mer än hälften av det totala antalet atomer. I detta fall är den energi som går till spillo. Pumpeffekten kan minskas väsentligt om den nedre lasernivån är inte basen, vilket kräver åtminstone en fyr-nivåsystemet.

Beroende på naturen av den aktiva substansen, är lasrarna klassificeras i tre grundläggande kategorier, nämligen fast, flytande och gas. Sedan 1958, när den första generationen observerades i en rubin kristall, har vetenskapsmän och forskare studerat ett brett utbud av material i varje kategori.

fastatillståndslaser

Operationen är baserad på användningen av ett aktivt medium som är bildad genom att tillsätta en isolerande kristallgitterövergångsmetall (Ti ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^2, Ni ^2, Fe ^2, och så vidare. D.) , sällsynta jordartsjoner (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.), och aktiniderna såsom U ^3. Energinivåerna hos jonerna som ansvarar endast för generering. Fysikaliska egenskaperna hos grundmaterialet, såsom värmeledningsförmåga och termisk expansion är viktiga för den effektiva driften av lasern. Lokalisering gitter av atomer runt en dopad jon ändrar sina energinivåer. Olika längder av vågalstring i det aktiva mediet uppnås genom dopning av olika material i samma jon.

holmium-laser

Ett exempel på en halvledarlaser är en kvantgenerator, varvid holmium atom ersätter basmaterialet i kristallgittret. Ho: YAG är en av de bästa laser material. Funktionsprincipen av holmium-laser är att yttriumaluminiumgranat dopad med holmium joner, optiskt pumpade genom blixtlampa och emitterar vid en våglängd av 2097 nm i det infraröda området absorberas väl av vävnaderna. Använd denna laser för verksamheten på lederna, tandvård, för att förånga cancerceller, njurar och gallsten.

En halvledarkvantgenerator

Kvantbrunnslasrar är billiga, tillåter massproduktion och är skalbar. Manöverprincipen halvledarlasem baserad på användningen av pn-diodövergången, som alstrar ljus av en viss våglängd genom rekombinationen av bäraren vid en positiv förspänning, som lysdioder. LED avger spontant och laserdioder - tvångsmässigt. För att uppfylla villkoret populationsinversionen bör driftströmmen överskrider en tröskel. Det aktiva mediet i en halvledardiod har en vy av anslutningsområdet av tvådimensionella skikt.

Principen för drift av denna typ av laser är att för att bibehålla oscilleringar ingen extern spegel krävs. Den reflekterande förmåga, skapas på grund av de brytningsindexskikt och inre reflektion av det aktiva mediet, är tillräckligt för detta ändamål. Ändytorna klyva dioder som ger parallella reflekterande ytor.

Föreningen som bildas av halvledarmaterial av samma typ kallas en homojunction, som fastställts genom att ansluta två olika - hetero.

Halvledare av p och n-typ med en hög densitet av bärare bildar en p-n-övergång med ett mycket tunt (≈1 mm) utarmat skikt.

gaslaser

Principen för drift och användning av denna typ av laser gör det möjligt att skapa anordningar av praktiskt taget vilken kapacitet (från milliwatt till megawatt) och våglängder (från ultraviolett till infrarött) och kan användas i pulsade och kontinuerliga lägen. Baserat på vilken typ av rörliga media, det finns tre typer av gas lasrar, nämligen atomära, joniska och molekylära.

De flesta gaslasrar pumpas genom elektrisk urladdning. Elektronerna i urladdningsröret accelereras av det elektriska fältet mellan elektroderna. De kolliderar med atomer, joner eller molekyler av ett aktivt medium och inducerar övergång till högre energinivåer för att uppnå ett tillstånd av populationsinversion och stimulerad emission.

molekylär laser

Principen för laserverkan är baserad på det faktum att, till skillnad från de isolerade atomer och joner i atom- och jonlasrar molekyler har breda band av diskreta energinivåer energi. Dessutom har varje elektronenerginivån ett stort antal vibrationsnivåer, och de i sin tur - ett fåtal rotations.

Den energi mellan energinivåerna elektron är i UV och synliga områdena av spektrat, medan mellan de vibrations-rotations nivåer - i långt och nära infraröda regionerna. Således är de flesta av de molekylära lasrar som arbetar i en avlägsen eller nära-infraröda området.

excimerlasrar

Excimers är sådan molekyl som ArF, KrF, XeCl, vilka är uppdelade stabila grundtillståndet och den första nivån. Principen för driften av lasern nästa. Typiskt, är antalet i grundtillståndet av molekylerna små, så den direkta pumpningen från grundtillståndet är inte möjlig. Molekylerna som bildas i det första exciterade elektroniska tillstånd av en förening som har en hög energi halider med inerta gaser. Populationsinversionen uppnås lätt, eftersom antalet molekyler på en grundläggande nivå är för låg jämfört med den exciterade. Principen för laserverkan, kort sagt, är att övergå från en bunden exciterade elektroniska tillstånd till ett grundtillstånd dissociativ. Befolkningen i grundtillståndet är alltid vid en låg nivå, eftersom vid denna punkt molekylen dissocierar till atomer.

Principen apparaten och lasrar består av att utloppsröret är fyllt med en blandning av halogenid (F ₂₎ och ädelgas (Ar). Elektronerna i det dissociera och jonisera de halogenid- molekylerna och skapa negativa joner. Positiva joner Ar ⁺ och negativa F ^- reagera och producera ArF molekyler i det första exciterade tillståndet associerat med det följande övergång till grundtillståndet repellerande och generering av koherent strålning. Excimerlaser, principen om åtgärder och användning av som vi nu överväger, kan användas för pumpning av det aktiva mediet av färgen.

flytande laser

Jämfört med fasta ämnen, vätskor är mer homogen och har en högre täthet av aktiva atomer, i jämförelse med gaser. Utöver detta, de är inte svåra att framställa, möjliggör enkel värmeavledning och kan lätt bytas ut. Principen för verkan av lasern används som ett förstärkningsmedium av organiskt färgämne, såsom DCM (4-dicyanometylen-2-metyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben, och liknande. D ., upplöst i ett lämpligt lösningsmedel. En lösning av färgämnesmolekylerna exciteras genom strålning vars våglängd har en bra absorptionskoefficient. Principen för laserverkan, kort sagt, är att generera vid en längre våglängd, som kallas fluorescens. Skillnaden mellan den energi som absorberas och emitterade fotonerna används icke strålande energiövergångar och värmer systemet.

Bredare band fluorescens flytande lasrar har en unik funktion - våglängdsavstämning. Principen för drift och användning av denna typ som en avstämbar laser och den koherenta ljuskällan, blir allt viktigare i spektroskopi, holografi, och i biomedicinska tillämpningar.

Nyligen har lasrar använts för att färga för isotopseparation. I detta fall kan laser selektivt excitera en av dem, vilket fick starta en kemisk reaktion.