Pierwsza zasada działania lasera, której fizykazostał oparty na prawie promieniowania Plancka, teoretycznie potwierdzonym przez Einsteina w 1917 roku. Opisał absorpcję, spontaniczne i stymulowane promieniowanie elektromagnetyczne za pomocą współczynników prawdopodobieństwa (współczynników Einsteina).
Pionierzy
Theodore Maiman jako pierwszy zademonstrowałzasada działania lasera rubinowego, polegająca na pompowaniu optycznym za pomocą syntetycznej rubinowej lampy błyskowej, która wytwarzała pulsacyjne spójne promieniowanie o długości fali 694 nm.
W 1960 roku irańscy naukowcy Javan i Bennett stworzyli pierwszy gazowy generator kwantowy wykorzystujący mieszaninę gazów He i Ne w stosunku 1:10.
W 1962 R.N.Hall zademonstrował pierwszy laser diodowy z arsenku galu (GaAs) emitujący przy 850 nm. Później w tym samym roku Nick Golonyak opracował pierwszy półprzewodnikowy generator kwantowy światła widzialnego.
Urządzenie i zasada działania laserów
Każdy system laserowy składa się z aktywnegomedium umieszczone pomiędzy parą optycznie równoległych i wysoce refleksyjnych luster, z których jedno jest półprzezroczyste, oraz źródłem energii do jego pompowania. Medium wzmacniające może być ciałem stałym, cieczą lub gazem, które mają właściwość wzmacniania amplitudy przechodzącej przez nie fali świetlnej poprzez emisję wymuszoną z pompowaniem elektrycznym lub optycznym. Substancja jest umieszczona pomiędzy parą luster w taki sposób, że odbijane w nich światło za każdym razem przechodzi przez nie i po osiągnięciu znacznego wzmocnienia przenika przez półprzezroczyste zwierciadło.
Środowiska dwupoziomowe
Rozważmy zasadę działania lasera z ośrodkiem aktywnym, którego atomy mają tylko dwa poziomy energii: wzbudzony E2 i podstawa E1... Jeśli atomy są wzbudzane przez dowolny mechanizm pompujący (wyładowanie optyczne, wyładowanie elektryczne, transmisję prądu lub bombardowanie elektronami) do stanu E2, po kilku nanosekundach powrócą do pozycji głównej, emitując fotony o energii hν = E2 - E1... Zgodnie z teorią Einsteina powstaje emisjana dwa różne sposoby: albo jest indukowany przez foton, albo dzieje się spontanicznie. W pierwszym przypadku dochodzi do emisji wymuszonej, aw drugim do emisji spontanicznej. W równowadze termicznej prawdopodobieństwo emisji wymuszonej jest znacznie niższe niż spontanicznej (1:1033), dlatego większość zwykłych źródeł światła jest niespójna, a laserowanie jest możliwe w warunkach innych niż równowaga termiczna.
Nawet przy bardzo silnym pompowaniu populacjasystemy dwupoziomowe można zrównać tylko. Dlatego, aby osiągnąć inwersję populacji za pomocą optycznych lub innych metod pompowania, wymagane są systemy trzy- lub czteropoziomowe.
Systemy wielopoziomowe
Jaka jest zasada działania lasera trójpoziomowego? Napromienianie intensywnym światłem o częstotliwości ν02 pompuje dużą liczbę atomów z najniższego poziomu energetycznego E0 do górnego E2... Bezpromieniste przejście atomów z E2 palec u nogi1 ustawia inwersję populacji między E1 i E0, co w praktyce jest możliwe tylko wtedy, gdy atomy znajdują się w stanie metastabilnym przez długi czas E1, i przejście z E2 palec u nogi1 dzieje się szybko. Zasada działania lasera trójpoziomowego polega na spełnieniu tych warunków, dzięki czemu między E0 i E1 osiągana jest inwersja populacji i fotony są wzmacniane energią E1-MI0 promieniowanie indukowane. Szerszy poziom E2 może zwiększyć zakres absorpcji długości fal w celu wydajniejszego pompowania, co skutkuje wzrostem stymulowanej emisji.
System trójpoziomowy wymaga bardzo wysokiegomoc pompy, ponieważ niższy poziom związany z wytwarzaniem jest poziomem podstawowym. W tym przypadku, aby nastąpiła inwersja populacji, do stanu E1 należy przepompować ponad połowę całościliczba atomów. To jest zmarnowana energia. Moc pompy można znacznie zmniejszyć, jeśli niższy poziom generacji nie jest podstawowy, co wymaga co najmniej czterostopniowego układu.
W zależności od charakteru substancji czynnej,lasery dzielą się na trzy główne kategorie, a mianowicie stałe, ciekłe i gazowe. Od 1958 roku, kiedy po raz pierwszy zaobserwowano laserowanie w krysztale rubinu, naukowcy i badacze badali szeroką gamę materiałów w każdej kategorii.
Laser na ciele stałym
Zasada działania opiera się na wykorzystaniu ośrodka aktywnego, który powstaje przez dodanie metalu przejściowego (Ti+3, Cr+3, V+2, Co+2, Ni+2, Fe+2itp.), jony ziem rzadkich (Ce+3, Pr+3, NS+3, Pm+3, Sm+2, Eu+ 2, + 3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3itp.) i aktynowców, takich jak U+3... Poziomy energii jonów są odpowiedzialne tylko zaPokolenie. Właściwości fizyczne materiału podstawowego, takie jak przewodność cieplna i rozszerzalność cieplna, mają zasadnicze znaczenie dla wydajnej pracy lasera. Ułożenie atomów sieci wokół domieszkowanego jonu zmienia jego poziomy energetyczne. Różne długości fal laserowych w ośrodku aktywnym są osiągane przez domieszkowanie różnych materiałów tym samym jonem.
Laser holmowy
Przykładem lasera na ciele stałym jest kwantgenerator, w którym holm zastępuje atom podstawowej substancji sieci krystalicznej. Ho: YAG to jeden z najlepszych materiałów generacji. Zasada działania lasera holmowego polega na tym, że granat itrowo-aluminiowy jest domieszkowany jonami holmu, pompowany optycznie przez lampę błyskową i emitujący falę o długości 2097 nm w zakresie podczerwieni, która jest dobrze absorbowana przez tkanki. Laser ten służy do operacji na stawach, w leczeniu stomatologicznym, do odparowywania komórek rakowych, nerek i kamieni żółciowych.
Półprzewodnikowy generator kwantowy
Lasery ze studnią kwantową są niedrogie, pozwalająprodukcja masowa i łatwa do skalowania. Zasada działania lasera półprzewodnikowego opiera się na zastosowaniu diody pn-złączowej, która wytwarza światło o określonej długości fali poprzez rekombinację nośnika przy dodatnim polaryzacji, podobnie jak diody LED. Diody LED emitują spontanicznie, podczas gdy diody laserowe emitują w sposób wymuszony. Aby spełnić warunek inwersji populacji, prąd roboczy musi przekraczać wartość progową. Medium aktywne w diodzie półprzewodnikowej ma postać obszaru łączącego dwóch dwuwymiarowych warstw.
Zasada działania tego typu lasera jest taka, żedo utrzymania wibracji nie jest wymagane lusterko zewnętrzne. Do tego celu wystarcza współczynnik odbicia wytworzony przez współczynnik załamania warstw i wewnętrzne odbicie ośrodka aktywnego. Końcowe powierzchnie diod są wyszczerbione, co zapewnia, że powierzchnie odbijające są równoległe.
Związek utworzony z materiałów półprzewodnikowych tego samego typu nazywa się homozłączem, a związek utworzony przez połączenie dwóch różnych nazywa się heterozłączem.
Półprzewodniki typu p i n o dużej gęstości nośnika tworzą złącze pn z bardzo cienką (≈1 μm) warstwą zubożoną.
Laser gazowy
Zasada działania i użytkowania tego laseratyp pozwala na tworzenie urządzeń o niemal dowolnej mocy (od miliwatów do megawatów) i długości fali (od UV do IR) oraz umożliwia pracę w trybie pulsacyjnym i ciągłym. W oparciu o naturę ośrodków aktywnych rozróżnia się trzy typy gazowych generatorów kwantowych, a mianowicie atomowe, jonowe i molekularne.
Większość laserów gazowych jest pompowanawyładowanie elektryczne. Elektrony w rurze wyładowczej są przyspieszane przez pole elektryczne między elektrodami. Zderzają się z atomami, jonami lub cząsteczkami ośrodka aktywnego i indukują przejście na wyższe poziomy energii, aby osiągnąć stan inwersji populacji i stymulowanej emisji.
Laser molekularny
Zasada działania lasera opiera się na fakcie, że wW przeciwieństwie do izolowanych atomów i jonów, cząsteczki w atomowych i jonowych generatorach kwantowych mają szerokie pasma energii o dyskretnych poziomach energii. W tym przypadku każdy elektroniczny poziom energii ma dużą liczbę poziomów wibracyjnych, a te z kolei mają kilka poziomów rotacyjnych.
Energia między energią elektronicznąpoziomy znajdują się w obszarze UV i widzialnym widma, natomiast pomiędzy poziomami wibracyjno-rotacyjnymi - w obszarach dalekiej i bliskiej podczerwieni. Tak więc większość molekularnych generatorów kwantowych działa w obszarach dalekiej lub bliskiej podczerwieni.
Lasery ekscymerowe
Excimery to cząsteczki, takie jakArF, KrF, XeCl, które mają wydzielony stan podstawowy i są stabilne na pierwszym poziomie. Zasada działania lasera jest następująca. Z reguły liczba cząsteczek w stanie podstawowym jest niewielka, dlatego bezpośrednie pompowanie ze stanu podstawowego nie jest możliwe. Cząsteczki powstają w pierwszym wzbudzonym stanie elektronowym przez połączenie wysokoenergetycznych halogenków z gazami obojętnymi. Inwersję populacji można łatwo osiągnąć, ponieważ liczba cząsteczek na linii podstawowej jest zbyt mała w porównaniu do wzbudzonej. W skrócie zasada działania lasera polega na przejściu ze stanu elektronowego związanego wzbudzonego do stanu podstawowego dysocjacyjnego. Populacja w stanie podstawowym zawsze pozostaje na niskim poziomie, ponieważ cząsteczki w tym momencie dysocjują na atomy.
Urządzenie i zasada działania laserów polega na tym, że rura wyładowcza jest wypełniona mieszaniną halogenku (F2) oraz gaz ziem rzadkich (Ar). Znajdujące się w nim elektrony dysocjują i jonizują cząsteczki halogenku, tworząc jony naładowane ujemnie. Jony Ar-dodatnie+ i ujemne F- reagują i wytwarzają cząsteczki ArF w pierwszymwzbudzony stan związany z ich późniejszym przejściem do odpychającego stanu bazowego i generacją promieniowania koherentnego. Laser ekscymerowy, którego zasadę działania i zastosowanie rozważamy teraz, może być wykorzystany do pompowania czynnika aktywnego na bazie barwników.
Laser płynny
W porównaniu do ciał stałych, płynówsą bardziej jednorodne i mają większą gęstość atomów aktywnych niż gazy. Ponadto nie są trudne w produkcji, umożliwiają łatwe odprowadzanie ciepła i można je łatwo wymienić. Zasada działania lasera polega na wykorzystaniu jako ośrodka aktywnego barwników organicznych, takich jak DCM (4-dicyjanometyleno-2-metylo-6-p-dimetyloaminostyryl-4H-piran), rodamina, styryl, LDS, kumaryna, stilben itp. rozpuszczony w odpowiednim rozpuszczalniku. Roztwór cząsteczek barwnika jest wzbudzany promieniowaniem, którego długość fali ma dobry współczynnik absorpcji. Krótko mówiąc, zasada działania lasera polega na generowaniu fali o większej długości, zwanej fluorescencją. Różnica między energią pochłoniętą a wyemitowanymi fotonami jest wykorzystywana przez niepromieniste przejścia energii i nagrzewa układ.
Szersze pasmo fluorescencji cieczyGeneratory kwantowe mają unikalną cechę - strojenie długości fali. Zasada działania i wykorzystanie tego typu lasera jako przestrajalnego i spójnego źródła światła nabiera coraz większego znaczenia w spektroskopii, holografii i zastosowaniach biomedycznych.
Ostatnio do rozdzielania izotopów zaczęto stosować generatory kwantowe barwników. W tym przypadku laser selektywnie wzbudza jeden z nich, skłaniając go do wejścia w reakcję chemiczną.
