Fiziği olan bir lazerin ilk çalışma prensibiEinstein tarafından 1917'de teorik olarak doğrulanan Planck'ın radyasyon yasasına dayanıyordu. Olasılık katsayılarını (Einstein katsayıları) kullanarak absorpsiyon, kendiliğinden ve uyarılmış elektromanyetik radyasyonu tanımladı.
çığıraçıcı
Theodore Maiman ilk gösteren oldu694 nm dalga boyunda darbeli tutarlı radyasyon üreten sentetik bir yakut flaş lambası ile optik pompalamaya dayanan bir yakut lazerin çalışma prensibi.
1960 yılında İranlı bilim adamları Javan ve Bennett, 1:10 oranında He ve Ne gazlarının bir karışımını kullanarak ilk gaz kuantum jeneratörünü yarattılar.
1962'de R.N.Hall, 850 nm'de yayan ilk galyum arsenit (GaAs) diyot lazerini gösterdi. O yılın ilerleyen saatlerinde Nick Golonyak, ilk yarı iletken görünür ışık kuantum jeneratörünü geliştirdi.
Lazerlerin cihazı ve çalışma prensibi
Her lazer sistemi aktif birOptik olarak paralel ve biri yarı saydam olan bir çift yüksek yansıtıcı ayna arasına yerleştirilmiş bir ortam ve onu pompalamak için bir enerji kaynağı. Amplifikasyon ortamı, içinden geçen ışık dalgasının genliğini elektrik veya optik pompalama ile uyarılmış emisyon yoluyla yükseltme özelliğine sahip bir katı, sıvı veya gaz olabilir. Madde, bir çift ayna arasına, yansıyan ışığın her seferinde içinden geçeceği ve önemli bir büyütme elde ederek yarı saydam bir aynadan geçeceği şekilde yerleştirilir.
İki katmanlı ortamlar
Atomları sadece iki enerji seviyesine sahip olan aktif bir ortama sahip bir lazerin çalışma prensibini ele alalım: uyarılmış E2 ve E tabanı1... Atomlar herhangi bir pompalama mekanizması (optik, elektriksel deşarj, akım iletimi veya elektron bombardımanı) tarafından E durumuna uyarılırsa2, sonra birkaç nanosaniye sonra ana pozisyona dönerek hν = E enerji fotonları yayarlar.2 -E1... Einstein'ın teorisine göre, emisyon üretilir.iki farklı şekilde: ya bir foton tarafından indüklenir ya da kendiliğinden olur. İlk durumda, uyarılmış emisyon ve ikinci durumda, kendiliğinden emisyon gerçekleşir. Termal dengede, uyarılmış emisyon olasılığı kendiliğinden olandan çok daha düşüktür (1:1033); bu nedenle, çoğu sıradan ışık kaynağı tutarsızdır ve termal denge dışındaki koşullar altında lazer yapmak mümkündür.
Çok güçlü pompalama ile bile, nüfusiki seviyeli sistemler ancak eşit hale getirilebilir. Bu nedenle, optik veya diğer pompalama yöntemleriyle popülasyon ters çevrilmesini sağlamak için üç veya dört seviyeli sistemler gereklidir.
Çok seviyeli sistemler
Üç seviyeli bir lazerin çalışma prensibi nedir? ν frekanslı yoğun ışıkla ışınlama02 en düşük enerji seviyesinden çok sayıda atomu pompalar E0 üst E'ye2... E ile atomların radyasyonsuz geçişi2 ayak parmağı1 E arasındaki popülasyon inversiyonunu ayarlar1 ve E0, pratikte sadece atomlar uzun süre yarı kararlı bir durumda olduğunda mümkündür E1, ve E'den geçiş2 ayak parmağı1 çabuk olur. Üç seviyeli bir lazerin çalışma prensibi, E arasında olduğu için bu koşulları yerine getirmektir.0 ve E1 popülasyon ters çevrilmesi sağlanır ve fotonlar E enerjisi ile güçlendirilir1-E0 indüklenen radyasyon. Daha geniş seviye E2 daha verimli pompalama için dalga boylarının absorpsiyon aralığını artırabilir, bu da uyarılmış emisyonda bir artışa neden olabilir.
Üç katmanlı sistem çok yüksek birpompa gücü, çünkü üretimde yer alan alt seviye temeldir. Bu durumda popülasyon inversiyonunun gerçekleşebilmesi için E durumuna1 toplamın yarısından fazlası pompalanmalıdıratom sayısı. Bu boşa harcanan enerjidir. En az dört seviyeli bir sistem gerektiren alt üretim seviyesi temel değilse, pompa gücü önemli ölçüde azaltılabilir.
Etkin maddenin doğasına bağlı olarak,lazerler katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç ana kategoriye ayrılır. Bir yakut kristalinde lazerin ilk kez gözlemlendiği 1958 yılından bu yana, bilim adamları ve araştırmacılar her kategoride çok çeşitli materyaller üzerinde çalıştılar.
Katı hal lazeri
Çalışma prensibi, bir geçiş metali (Ti) ilave edilerek oluşturulan aktif bir ortamın kullanılmasına dayanmaktadır.+3, Kr+3, V+2, Ortak+2, Ni+2, Fe+2, vb.), nadir toprak iyonları (Ce+3, Pr+3, Nd+3, Öğleden Sonra+3, Sm+2, AB+ 2, + 3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3, vb.) ve U gibi aktinitler+3... İyonların enerji seviyeleri sadece şunlardan sorumludur:nesil. Termal iletkenlik ve termal genleşme gibi temel malzemenin fiziksel özellikleri, verimli lazer performansı için gereklidir. Kafesin atomlarının katkılı iyon etrafındaki düzeni, enerji seviyelerini değiştirir. Aktif ortamdaki farklı lazer dalga boyları, aynı iyonla farklı malzemelere katkı yapılarak elde edilir.
holmiyum lazer
Katı hal lazerine bir örnek, bir kuantumdur.holmiyumun kristal kafesin temel maddesinin bir atomunun yerini aldığı bir jeneratör. Ho:YAG en iyi nesil malzemelerden biridir. Bir holmiyum lazerin çalışma prensibi, itriyum alüminyum granatın holmiyum iyonları ile katkılanması, bir flaş lambası ile optik olarak pompalanması ve dokular tarafından iyi emilen kızılötesi aralıkta 2097 nm dalga boyunda yaymasıdır. Bu lazer eklem ameliyatlarında, diş tedavisinde, kanser hücrelerinin, böbrek ve safra taşlarının buharlaştırılmasında kullanılmaktadır.
Yarı iletken kuantum üreteci
Kuantum kuyu lazerleri ucuzdur,seri üretim ve ölçeklenmesi kolay. Bir yarı iletken lazerin çalışma prensibi, LED'lere benzer şekilde, taşıyıcıyı pozitif bir önyargıda yeniden birleştirerek belirli bir dalga boyunda ışık üreten bir pn-bağlantı diyotunun kullanımına dayanır. LED'ler kendiliğinden yayılırken lazer diyotlar zorla yayılır. Popülasyon ters çevirme koşulunu karşılamak için çalışma akımı eşik değerini aşmalıdır. Yarı iletken diyottaki aktif ortam, iki boyutlu iki katmanın bağlantı bölgesi formuna sahiptir.
Bu tip lazerin çalışma prensibi şu şekildedir:titreşimleri korumak için dış aynaya gerek yoktur. Katmanların kırılma indisinin yarattığı yansıtma ve aktif ortamın iç yansıması bu amaç için yeterlidir. Diyotların uç yüzeyleri yontularak yansıtıcı yüzeylerin paralel olmasını sağlar.
Aynı tip yarı iletken malzemelerin oluşturduğu bileşiğe homoeklem, iki farklı maddenin birleştirilmesiyle oluşturulan bileşiğe heteroeklem adı verilir.
Yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahip p ve n tipi yarı iletkenler, çok ince (≈1 μm) bir tükenme katmanına sahip bir pn bağlantısı oluşturur.
gaz lazer
Bu lazerin çalışma prensibi ve kullanımıtype, hemen hemen her güçte (miliwatt'tan megawatt'a kadar) ve dalga boyunda (UV'den IR'ye) cihazlar oluşturmanıza ve darbeli ve sürekli modlarda çalışmanıza olanak tanır. Aktif ortamın doğasına bağlı olarak, atomik, iyonik ve moleküler olmak üzere üç tip gaz kuantum üreteci vardır.
Çoğu gaz lazeri pompalanırElektrik boşalması. Deşarj tüpündeki elektronlar, elektrotlar arasındaki elektrik alanı tarafından hızlandırılır. Aktif ortamın atomları, iyonları veya molekülleri ile çarpışırlar ve popülasyon inversiyonu ve uyarılmış emisyon durumunu elde etmek için daha yüksek enerji seviyelerine geçişi indüklerler.
moleküler lazer
Lazerin çalışma prensibi şu gerçeğe dayanmaktadır:İzole atomların ve iyonların aksine, atomik ve iyonik kuantum jeneratörlerindeki moleküller, ayrık enerji seviyelerinde geniş enerji bantlarına sahiptir. Bu durumda, her elektronik enerji seviyesinin çok sayıda titreşim seviyesi vardır ve bunların sırayla birkaç dönme seviyesi vardır.
Elektronik enerji arasındaki enerjiseviyeler, spektrumun UV ve görünür bölgelerindeyken, titreşimsel-dönme seviyeleri arasında - uzak ve yakın kızılötesi bölgelerde. Bu nedenle, moleküler kuantum jeneratörlerinin çoğu uzak veya yakın kızılötesi bölgelerde çalışır.
Excimer lazerler
Excimers gibi moleküllerdirAyrı bir temel duruma sahip olan ve birinci seviyede kararlı olan ArF, KrF, XeCl. Lazerin prensibi aşağıdaki gibidir. Kural olarak, temel haldeki moleküllerin sayısı azdır; bu nedenle, temel halden doğrudan pompalama mümkün değildir. Moleküller, yüksek enerjili halojenürleri inert gazlarla birleştirerek ilk uyarılmış elektronik durumda oluşturulur. Popülasyon tersine çevrilmesi, başlangıçtaki moleküllerin sayısı, uyarılmış olana kıyasla çok küçük olduğu için kolayca elde edilir. Kısacası, bir lazerin çalışma prensibi, bağlı bir uyarılmış elektronik durumdan ayrışmalı bir temel duruma geçişten oluşur. Temel durumdaki popülasyon her zaman düşük bir seviyede kalır, çünkü bu noktada moleküller atomlara ayrışır.
Lazerlerin cihazı ve çalışma prensibi, deşarj tüpünün bir halojenür (F) karışımı ile doldurulmasıdır.2) ve nadir toprak gazı (Ar). İçindeki elektronlar, halojenür moleküllerini ayrıştırır ve iyonize eder ve negatif yüklü iyonlar oluşturur. Ar pozitif iyonlar+ ve negatif F- reaksiyona girer ve ilk olarak ArF molekülleri üretir.uyarılmış bağlı durum, daha sonra itici bir temel duruma geçişleri ve uyumlu radyasyon üretimi. Çalışma prensibini ve uygulamasını şimdi düşündüğümüz bir excimer lazer, boyalara dayalı aktif bir ortamı pompalamak için kullanılabilir.
sıvı lazer
Katılara, sıvılara kıyaslagazlardan daha homojendir ve aktif atomların yoğunluğu daha yüksektir. Ayrıca, üretimi zor değildir, kolay ısı dağılımına izin verir ve kolayca değiştirilebilir. Lazer işleminin prensibi, DCM (4-disyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben vb. gibi organik boyaları aktif bir ortam olarak kullanmaktır. uygun bir çözücü içinde çözülmüştür. Bir boya molekülü çözeltisi, dalga boyu iyi bir absorpsiyon katsayısına sahip olan radyasyon tarafından uyarılır. Kısaca bir lazerin çalışma prensibi, floresan adı verilen daha uzun bir dalga boyunda üretmektir. Soğurulan enerji ile yayılan fotonlar arasındaki fark, ışınımsal olmayan enerji geçişlerinden yararlanılır ve sistemi ısıtır.
Sıvının daha geniş floresan bant genişliğikuantum jeneratörlerinin benzersiz bir özelliği vardır - dalga boyu ayarlama. Ayarlanabilir ve uyumlu bir ışık kaynağı olarak bu tip lazerin çalışma prensibi ve kullanımı, spektroskopi, holografi ve biyomedikal uygulamalarda giderek daha önemli hale gelmektedir.
Son zamanlarda, izotop ayrımı için boya kuantum jeneratörleri kullanılmaya başlandı. Bu durumda, lazer bunlardan birini seçici olarak uyararak kimyasal bir reaksiyona girmesini sağlar.
