Pirmais lāzera darbības princips, kura fizikabalstījās uz Plankas radiācijas likumu, kuru teorētiski pamatoja Einšteins 1917. gadā. Viņš aprakstīja absorbciju, spontānu un stimulētu elektromagnētisko starojumu, izmantojot varbūtības koeficientus (Einšteina koeficientus).
Pionieri
Pirmais demonstrāciju sniedza Teodors Maimansrubīna lāzera darbības princips, kas balstīts uz optisko sūknēšanu, izmantojot sintētisku rubīna zibspuldzi, kas rada pulsējošu koherentu starojumu ar viļņa garumu 694 nm.
Irānas zinātnieki Džavans un Benets 1960. gadā izveidoja pirmo gāzes kvantu ģeneratoru, izmantojot He un Ne gāzu maisījumu proporcijā 1:10.
1962. gadā R.N.Hols demonstrēja pirmo gallija arsenīda (GaAs) diodes lāzeru, kas izstaro pie 850 nm. Vēlāk tajā pašā gadā Niks Goloņaks izstrādāja pirmo pusvadītāju redzamās gaismas kvantu ģeneratoru.
Lāzeru ierīce un darbības princips
Katra lāzera sistēma sastāv no aktīvāsvide starp optiski paralēlu un ļoti atstarojošu spoguļu pāri, no kuriem viens ir daļēji caurspīdīgs, un enerģijas avots tā sūknēšanai. Pastiprināšanas vide var būt cieta viela, šķidrums vai gāze, kurai piemīt īpašība pastiprināt gaismas viļņa amplitūdu, kas iet caur to, stimulējot emisiju ar elektrisko vai optisko sūknēšanu. Viela tiek novietota starp spoguļu pāri tā, lai tajos atspoguļotā gaisma katru reizi izietu caur to un, sasniegusi ievērojamu pastiprinājumu, iekļūst caur puscaurspīdīgu spoguli.
Divu līmeņu vide
Apskatīsim lāzera darbības principu ar aktīvo barotni, kura atomiem ir tikai divi enerģijas līmeņi: ierosināts E2 un pamatne E1... Ja atomus ar jebkuru sūknēšanas mehānismu (optisko, elektrisko izlādi, strāvas pārraidi vai elektronu bombardēšanu) uzbudina stāvoklis E2, tad dažās nanosekundēs viņi atgriezīsies galvenajā stāvoklī, izstarojot enerģijas fotonus hν = E2 - E1... Saskaņā ar Einšteina teoriju emisija rodasdivos dažādos veidos: vai nu to ierosina fotons, vai arī tas notiek spontāni. Pirmajā gadījumā rodas stimulēta emisija, bet otrajā - spontāna emisija. Termiskā līdzsvara apstākļos stimulētās emisijas varbūtība ir daudz mazāka nekā spontānai (1:1033), tāpēc lielākā daļa parasto gaismas avotu ir nesakarīgi, un lāzera uzstādīšana ir iespējama apstākļos, kas nav siltuma līdzsvars.
Pat ar ļoti spēcīgu sūknēšanu iedzīvotājidivu līmeņu sistēmas var padarīt vienādas. Tāpēc, lai panāktu populācijas inversiju ar optiskām vai citām sūknēšanas metodēm, ir nepieciešamas trīs vai četru līmeņu sistēmas.
Daudzlīmeņu sistēmas
Kāds ir trīs līmeņu lāzera darbības princips? Apstarošana ar intensīvu gaismas frekvenci ν02 sūknē lielu skaitu atomu no zemākā enerģijas līmeņa E0 uz augšējo E2... Netradiējoša atomu pāreja ar E2 līdz E1 nosaka populācijas inversiju starp E1 un E0, kas praksē ir iespējams tikai tad, kad atomi ilgu laiku atrodas metastabilā stāvoklī E1, un pāreja no E2 līdz E1 notiek ātri. Trīslīmeņu lāzera darbības princips ir izpildīt šos nosacījumus, kuru dēļ starp E0 un E1 tiek sasniegta populācijas inversija un fotoni tiek pastiprināti ar enerģiju E1-E0 izraisītais starojums. Plašāks E līmenis2 varētu palielināt viļņu garumu absorbcijas diapazonu efektīvākai sūknēšanai, kā rezultātā palielinās stimulētā emisija.
Trīs līmeņu sistēma prasa ļoti augstusūkņa jauda, jo zemākais ražošanā iesaistītais līmenis ir pamats. Šajā gadījumā, lai notiktu populācijas inversija, uz stāvokli E1 vajadzētu pārsūknēt vairāk nekā pusi no kopējā daudzumaatomu skaits. Tā ir izšķērdēta enerģija. Sūkņa jaudu var ievērojami samazināt, ja zemākas paaudzes līmenis nav pamata, kam nepieciešama vismaz četru līmeņu sistēma.
Atkarībā no aktīvās vielas veidalāzeri iedalās trīs galvenajās kategorijās, proti, cietie, šķidrie un gāzveida. Kopš 1958. gada, kad lāzeru pirmo reizi novēroja rubīna kristālā, zinātnieki un pētnieki katrā kategorijā ir pētījuši ļoti dažādus materiālus.
Cietvielu lāzers
Darbības princips ir balstīts uz aktīvas vides izmantošanu, kas veidojas, pievienojot pārejas metālu (Ti+3, Kr+3, V+2, Co+2, Ni+2, Fe+2utt.), retzemju joni (Ce+3, Pr+3, Nd+3, Pm+3, Sm+2, Eu+ 2, + 3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3utt.), un aktinīdi, piemēram, U+3... Jonu enerģijas līmenis ir atbildīgs tikai parpaaudze. Efektīvai lāzera veiktspējai ir būtiskas pamatmateriāla fizikālās īpašības, piemēram, siltuma vadītspēja un siltuma izplešanās. Režģa atomu izvietojums ap leģēto jonu maina tā enerģijas līmeni. Dažādi lāzera viļņu garumi aktīvajā vidē tiek iegūti, ar vienu un to pašu jonu dopējot dažādus materiālus.
Holmija lāzers
Cietvielu lāzera piemērs ir kvantsģenerators, kurā holmijs aizstāj kristāla režģa pamatvielas atomu. Ho: YAG ir viens no labākajiem paaudzes materiāliem. Holmija lāzera darbības princips ir tāds, ka itrija alumīnija granāts tiek leģēts ar holmija joniem, to optiski sūknē zibspuldze un izstaro pie 2097 nm viļņa garuma infrasarkanajā diapazonā, ko audi labi absorbē. Šo lāzeru izmanto operācijām ar locītavām, zobu ārstēšanā, vēža šūnu, nieru un žultsakmeņu iztvaikošanai.
Pusvadītāju kvantu ģenerators
Kvantu urbumu lāzeri ir lēti, ļaujmasveida ražošana un viegli mērogojama. Pusvadītāju lāzera darbības princips ir balstīts uz pn-krustojuma diode izmantošanu, kas rada noteikta viļņa garumu, rekombinējot nesēju pozitīvā slīpumā, līdzīgi kā gaismas diodes. Gaismas diodes izstaro spontāni, savukārt lāzera diodes izstaro piespiedu kārtā. Lai izpildītu populācijas inversijas nosacījumu, darba strāvai ir jāpārsniedz sliekšņa vērtība. Aktīvajai videi pusvadītāju diodē ir divu divdimensiju slāņu savienojošā reģiona forma.
Šāda veida lāzera darbības princips ir tāds, kavibrāciju uzturēšanai nav nepieciešams ārējais spogulis. Šim nolūkam pietiek ar atstarojamību, ko rada slāņu refrakcijas indekss un aktīvās vides iekšējā atstarošana. Diodes gala virsmas ir šķeldotas, kas nodrošina atstarojošo virsmu paralēli.
Savienojumu, ko veido viena tipa pusvadītāju materiāli, sauc par homosavienojumu, bet savienojumu, kas izveidots, savienojot divus dažādus, sauc par heterosavienojumu.
P un n tipa pusvadītāji ar lielu nesēja blīvumu veido pn savienojumu ar ļoti plānu (≈1 μm) noplicināšanas slāni.
Gāzes lāzers
Šī lāzera darbības princips un izmantošanatips ļauj jums izveidot gandrīz jebkuras jaudas (no milivatiem līdz megavatiem) un viļņu garuma (no UV līdz IR) ierīces un ļauj strādāt impulsa un nepārtrauktos režīmos. Pamatojoties uz aktīvās vides raksturu, izšķir trīs veidu gāzes kvantu ģeneratorus, proti, atomu, jonu un molekulārus.
Lielākā daļa gāzes lāzeru tiek sūknētielektriskā izlāde. Elektrodus izlādes caurulē paātrina elektriskais lauks starp elektrodiem. Viņi saduras ar aktīvās vides atomiem, joniem vai molekulām un izraisa pāreju uz augstāku enerģijas līmeni, lai sasniegtu iedzīvotāju inversijas stāvokli un stimulētu emisiju.
Molekulārais lāzers
Lāzera darbības princips ir balstīts uz faktu, ka, inAtšķirībā no izolētiem atomiem un joniem atomu un jonu kvantu ģeneratoros esošajām molekulām ir plašas diskrēta enerģijas līmeņa enerģijas joslas. Šajā gadījumā katram elektroniskajam enerģijas līmenim ir daudz vibrāciju līmeņu, un tiem savukārt ir vairāki rotācijas līmeņi.
Enerģija starp elektronisko enerģijulīmenis ir spektra UV un redzamajos reģionos, savukārt starp vibrācijas-rotācijas līmeņiem - tālākajos un tuvākajos infrasarkanajos reģionos. Tādējādi lielākā daļa molekulāro kvantu ģeneratoru darbojas tālu vai tuvu infrasarkanajiem reģioniem.
Eksimēra lāzeri
Eksimeri ir tādas molekulas kāArF, KrF, XeCl, kuriem ir atdalīts pamatstāvoklis un kuri ir stabili pirmajā līmenī. Lāzera princips ir šāds. Parasti molekulu skaits pamatstāvoklī ir mazs, tāpēc tieša sūknēšana no pamatstāvokļa nav iespējama. Molekulas tiek veidotas pirmajā ierosinātajā elektroniskajā stāvoklī, apvienojot augstas enerģijas halogenīdus ar inertām gāzēm. Populācijas inversija ir viegli sasniedzama, jo molekulu skaits bāzes līnijā ir pārāk mazs, salīdzinot ar ierosināto. Lāzera darbības princips īsumā sastāv no pārejas no saistītā ierosinātā elektroniskā stāvokļa uz disociatīvu pamatstāvokli. Iedzīvotāji pamatstāvoklī vienmēr paliek zemā līmenī, jo molekulas šajā brīdī disociējas atomos.
Lāzeru ierīce un darbības princips ir tāds, ka izlādes caurule ir piepildīta ar halogenīda (F2) un retzemju gāze (Ar). Tajā esošie elektroni disociē un jonizē halogenīdu molekulas un rada negatīvi lādētus jonus. Ar pozitīvie joni+ un negatīva F- pirmajā reaģē un ražo ArF molekulassatraukti saistītā stāvoklī ar to turpmāko pāreju uz atgrūžamo bāzes stāvokli un koherenta starojuma radīšanu. Eksimēra lāzeru, kura darbības principu un pielietojumu mēs tagad apsveram, var izmantot, lai sūknētu aktīvo barotni uz krāsvielu bāzes.
Šķidrais lāzers
Salīdzinot ar cietām vielām, šķidrumiemir viendabīgāki un tiem ir lielāks aktīvo atomu blīvums nekā gāzēm. Turklāt tos nav grūti izgatavot, tie ļauj viegli izkliedēt siltumu un tos var viegli nomainīt. Lāzera darbības princips ir izmantot organiskās krāsvielas kā aktīvo barotni, piemēram, DCM (4-dicianometilēn-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-pirāns), rodamīnu, stirilu, LDS, kumarīnu, stilbenu utt. izšķīdina piemērotā šķīdinātājā. Krāsu molekulu šķīdumu ierosina starojums, kura viļņa garumam ir labs absorbcijas koeficients. Īsāk sakot, lāzera darbības princips ir radīt lielāku viļņa garumu, ko sauc par fluorescenci. Atšķirību starp absorbēto enerģiju un izstarotajiem fotoniem izmanto neradiatīvas enerģijas pārejas, un tā silda sistēmu.
Plašāks šķidruma fluorescences joslas platumskvantu ģeneratoriem ir unikāla iezīme - viļņa garuma regulēšana. Darbības princips un šāda veida lāzera kā regulējama un saskaņota gaismas avota izmantošana kļūst arvien nozīmīgāka spektroskopijā, hologrāfijā un biomedicīnas lietojumos.
Nesen izotopu atdalīšanai sāka izmantot krāsu kvantu ģeneratorus. Šajā gadījumā lāzers selektīvi uzbudina vienu no tiem, mudinot to uzsākt ķīmisku reakciju.
