Princip laserového provozu: vlastnosti laserového záření

První princip působení laseru, jehož fyzikabyl založen na Planckově zákonu záření, teoreticky doloženém Einsteinem v roce 1917. Popsal absorpci, spontánní a stimulované elektromagnetické záření pomocí koeficientů pravděpodobnosti (Einsteinovy ​​koeficienty).

Průkopníci

První demonstroval Theodore Maimanprincip činnosti rubínového laseru, založený na optickém čerpání syntetickou rubínovou zábleskovou lampou, která produkovala pulzní koherentní záření o vlnové délce 694 nm.

V roce 1960 vytvořili íránští vědci Javan a Bennett první plynový kvantový generátor využívající směs plynů He a Ne v poměru 1:10.

V roce 1962 R.N.Hall předvedl první gallium arsenidový (GaAs) diodový laser emitující při 850 nm. Později téhož roku Nick Golonyak vyvinul první polovodičový kvantový generátor viditelného světla.

Zařízení a princip činnosti laserů

Každý laserový systém se skládá z aktivníhomédium umístěné mezi dvojicí opticky rovnoběžných a vysoce reflexních zrcadel, z nichž jedno je poloprůhledné, a zdrojem energie pro jeho čerpání. Zesilovacím médiem může být pevná látka, kapalina nebo plyn, které mají tu vlastnost, že zesilují amplitudu světelné vlny procházející jím stimulovanou emisí s elektrickým nebo optickým čerpáním. Látka je umístěna mezi dvojici zrcadel tak, že jím odražené světlo pokaždé prochází a po dosažení výrazného zesílení proniká polopropustným zrcadlem.

Dvouvrstvá prostředí

Uvažujme princip činnosti laseru s aktivním prostředím, jehož atomy mají pouze dvě energetické hladiny: excitované E₂ a základ E₁... Pokud jsou atomy buzeny jakýmkoliv čerpacím mechanismem (optickým, elektrickým výbojem, přenosem proudu nebo ostřelováním elektrony) do stavu E₂, poté se po několika nanosekundách vrátí do hlavní polohy a budou emitovat fotony o energii hν = E₂ - E₁... Podle Einsteinovy ​​teorie je emise produkovánadvěma různými způsoby: buď je indukován fotonem, nebo se to děje spontánně. V prvním případě dochází ke stimulované emisi a ve druhém ke spontánní emisi. Při tepelné rovnováze je pravděpodobnost stimulované emise mnohem nižší než pravděpodobnost spontánní (1:10³³); proto je většina běžných světelných zdrojů nekoherentní a laserové záření je možné za jiných podmínek, než je tepelná rovnováha.

I při velmi silném čerpání obyvateldvouúrovňové systémy mohou být pouze rovnocenné. Pro dosažení inverze populace optickými nebo jinými metodami čerpání jsou proto vyžadovány tří- nebo čtyřúrovňové systémy.

Víceúrovňové systémy

Jaký je princip činnosti tříúrovňového laseru? Ozáření intenzivním světlem o frekvenci ν₀₂ pumpuje velké množství atomů z nejnižší energetické hladiny E₀ do horního E₂... Nezářivý přechod atomů s E₂ prst₁ nastavuje populační inverzi mezi E₁ a E₀, což je v praxi možné pouze tehdy, když jsou atomy v metastabilním stavu po dlouhou dobu E_1, a přechod z E₂ prst₁ děje se rychle. Principem činnosti tříúrovňového laseru je splnění těchto podmínek, díky kterým mezi E₀ a E₁ je dosaženo inverze populace a fotony jsou zesíleny energií E₁-E₀ indukované záření. Širší úroveň E₂ mohl zvýšit rozsah absorpce vlnových délek pro účinnější čerpání, což má za následek zvýšení stimulované emise.

Třívrstvý systém vyžaduje velmi vysokouvýkon čerpadla, protože nižší úroveň zapojená do výroby je základní. V tomto případě, aby došlo k inverzi populace, do stavu E₁ více než polovina z celkového množství by měla být čerpánapočet atomů. To je plýtvání energií. Výkon čerpadla lze výrazně snížit, pokud nižší generační úroveň není základní, což vyžaduje alespoň čtyřúrovňový systém.

V závislosti na povaze účinné látky,lasery spadají do tří hlavních kategorií, a to pevné, kapalné a plynné. Od roku 1958, kdy byl laser poprvé pozorován v rubínovém krystalu, vědci a výzkumníci studovali širokou škálu materiálů v každé kategorii.

Pevný laser

Princip činnosti je založen na použití aktivního média, které vzniká přidáním přechodného kovu (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², spol⁺², Ni⁺², Fe⁺²atd.), ionty vzácných zemin (Ce⁺³, Pr⁺³, Nd⁺³, Pm⁺³, Sm⁺², Eu^{+ 2, + 3}, Tb⁺³, Dy⁺³, Ho⁺³, Er⁺³, Yb⁺³atd.) a aktinidy jako U⁺³... Energetické hladiny iontů jsou zodpovědné pouze zagenerace. Fyzikální vlastnosti základního materiálu, jako je tepelná vodivost a tepelná roztažnost, jsou zásadní pro efektivní výkon laseru. Uspořádání atomů mřížky kolem dopovaného iontu mění jeho energetické hladiny. Různých vlnových délek laserového záření v aktivním médiu je dosaženo dopováním různých materiálů stejným iontem.

Holmium laser

Příkladem pevnolátkového laseru je kvantovýgenerátor, ve kterém holmium nahrazuje atom základní látky krystalové mřížky. Ho: YAG je jedním z nejlepších materiálů generace. Princip činnosti holmiového laseru spočívá v tom, že yttrium-hliníkový granát je dopován holmiovými ionty, opticky čerpán zábleskovou lampou a vyzařuje na vlnové délce 2097 nm v infračervené oblasti, která je dobře absorbována tkáněmi. Tento laser se používá k operacím kloubů, při stomatologickém ošetření, k odpařování rakovinných buněk, ledvinových a žlučníkových kamenů.

Polovodičový kvantový generátor

Kvantové vrtné lasery jsou levné, dovoltehromadná výroba a snadné měřítko. Princip činnosti polovodičového laseru je založen na použití pn-přechodové diody, která produkuje světlo o specifické vlnové délce rekombinací nosiče při kladném předpětí, podobně jako LED. LED diody vyzařují spontánně, zatímco laserové diody vyzařují nuceně. Aby byla splněna podmínka inverze populace, musí provozní proud překročit prahovou hodnotu. Aktivní prostředí v polovodičové diodě má podobu spojovací oblasti dvou dvourozměrných vrstev.

Princip fungování tohoto typu laseru je takový, žepro udržení vibrací není potřeba žádné vnější zrcátko. K tomuto účelu stačí odrazivost vytvořená indexem lomu vrstev a vnitřní odraz aktivního prostředí. Koncové plochy diod jsou čipované, což zajišťuje rovnoběžnost odrazných ploch.

Sloučenina tvořená polovodičovými materiály stejného typu se nazývá homojunkce a ta, která vznikne spojením dvou různých, se nazývá heteropřechod.

Polovodiče typu p a n s vysokou hustotou nosiče tvoří pn přechod s velmi tenkou (≈1 μm) ochuzovací vrstvou.

Plynový laser

Princip činnosti a použití tohoto laserutypu umožňuje vytvářet zařízení téměř libovolného výkonu (od miliwattů po megawatty) a vlnových délek (od UV po IR) a umožňuje pracovat v pulzním i kontinuálním režimu. Podle povahy aktivních médií se rozlišují tři typy plynových kvantových generátorů, a to atomové, iontové a molekulární.

Většina plynových laserů je pumpovanáelektrický výboj. Elektrony ve výbojce jsou urychlovány elektrickým polem mezi elektrodami. Srážejí se s atomy, ionty nebo molekulami aktivního média a vyvolávají přechod na vyšší energetické hladiny, aby se dosáhlo stavu populační inverze a stimulované emise.

Molekulární laser

Princip činnosti laseru je založen na tom, že vNa rozdíl od izolovaných atomů a iontů mají molekuly v atomových a iontových kvantových generátorech široká energetická pásma diskrétních energetických hladin. V tomto případě má každá úroveň elektronické energie velký počet vibračních úrovní a ty zase několik rotačních.

Energie mezi elektronickou energiíúrovně je v UV a viditelné oblasti spektra, zatímco mezi vibračně-rotačními úrovněmi - ve vzdálené a blízké infračervené oblasti. Většina molekulárních kvantových generátorů tedy pracuje ve vzdálených nebo blízkých infračervených oblastech.

Excimerové lasery

Excimery jsou molekuly jako napřArF, KrF, XeCl, které mají oddělený základní stav a jsou stabilní na první úrovni. Princip laseru je následující. Počet molekul v základním stavu je zpravidla malý, proto není možné přímé čerpání ze základního stavu. Molekuly se tvoří v prvním excitovaném elektronickém stavu spojením vysokoenergetických halogenidů s inertními plyny. Populační inverze lze snadno dosáhnout, protože počet molekul na základní linii je příliš malý ve srovnání s excitovanou. Princip činnosti laseru ve zkratce spočívá v přechodu z vázaného excitovaného elektronického stavu do disociativního základního stavu. Populace v základním stavu vždy zůstává na nízké úrovni, protože molekuly v tomto bodě disociují na atomy.

Zařízení a princip činnosti laserů spočívá v tom, že výbojová trubice je naplněna směsí halogenidu (F₂) a plyn vzácných zemin (Ar). Elektrony v něm disociují a ionizují molekuly halogenidu a vytvářejí záporně nabité ionty. Ar kladné ionty⁺ a negativní F^- reagovat a produkovat ArF molekuly jako prvníexcitovaný vázaný stav s jejich následným přechodem do odpudivého základního stavu a generováním koherentního záření. K čerpání aktivního média na bázi barviv lze použít excimerový laser, o jehož principu činnosti a aplikaci se nyní bavíme.

Kapalný laser

Ve srovnání s pevnými látkami, kapalinamijsou homogennější a mají vyšší hustotu aktivních atomů než plyny. Navíc nejsou náročné na výrobu, umožňují snadný odvod tepla a lze je snadno vyměnit. Principem fungování laseru je použití organických barviv jako aktivního média, jako je DCM (4-dikyanomethylen-2-methyl-6-p-dimethylaminonostiryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben atd. rozpuštěný ve vhodném rozpouštědle. Roztok molekul barviva je excitován zářením, jehož vlnová délka má dobrý absorpční koeficient. Principem fungování laseru je ve zkratce generování na delší vlnové délce, nazývané fluorescence. Rozdíl mezi absorbovanou energií a emitovanými fotony je využíván neradiačními energetickými přechody a zahřívá systém.

Širší fluorescenční pásmo kapalinykvantové generátory mají unikátní vlastnost – ladění vlnové délky. Princip činnosti a použití tohoto typu laseru jako laditelného a koherentního zdroje světla nabývá na významu ve spektroskopii, holografii a biomedicínských aplikacích.

V poslední době se pro separaci izotopů začaly používat kvantové generátory barviv. V tomto případě laser selektivně excituje jeden z nich, což jej přiměje k chemické reakci.