Princíp laserové akcie: vlastnosti laserového žiarenia

Prvý princíp pôsobenia laseru, ktorý je založený na fyzike Planckova radiačného zákona teoreticky Einstein v roku 1917 bola oprávnená. Opísal absorpcie, spontánny a stimulovanej elektromagnetické žiarenie pomocou pravdepodobnosti koeficienty (Einstein koeficient).

priekopníkmi

Teodor Meyman bol prvý demonštrovať princíp pôsobenia rubínovo laseru, na základe optického čerpacieho použitie blesku lampy syntetický rubín, generuje koherentné žiarenie s vlnovou dĺžkou 694 nm.

V roku 1960, iránski vedci jávsky a Bennett vytvoril prvú lasery plynu pomocou zmesou He a NE plynov v pomere 1:10.

V roku 1962, R. N. Hall predstavuje prvý diódový laser vyrobený z arzenid gália (GaAs), emitujúca pri vlnovej dĺžke 850 nm. Neskôr toho istého roku, Nick Golonyak vyvinula prvý polovodičový kvantový generátor viditeľného svetla.

Zariadenie a princíp laserov

Každý laserový systém obsahuje aktívne médium opticky umiestnený medzi dvojicou paralelných a vysoko odrážajúce zrkadlá, z ktorých jeden je priesvitný, a zdroj energie pre čerpanie ju. Pretože zosilnenie médium môže pôsobiť ako pevné látky, kvapaliny alebo plynu, ktoré majú schopnosť zosilniť amplitúdu svetelné vlny prechádzajúce skrz neho interne s elektrickým alebo optického čerpacieho žiarenia. Látka je umiestnená medzi párom zrkadiel tak, že svetlo odrazené na ne zakaždým, keď ním prechádza, a ktoré dosiahli významné zvýšenie, preniká do Polopriepustné zrkadlo.

duplex prostredie

Predpokladajme princípe laserové akcia s aktívnym médiu, ktorého atómy majú iba dve úrovne energie: E radi, E ₂ a základňa _1. Ak atómy prostredníctvom akéhokoľvek čerpacieho mechanizmu (optický, elektrický výboj prúdu alebo priepustnosť bombardovanie elektróny) sú excitovanom do stavu E _2, v niekoľkých nanosekúnd sa vráti do základnej polohy, vyžarujúce energiu fotónov hν = E ₂ - E _1. Podľa Einsteinovej teórie, emisie sa vyrába dvoma rôznymi spôsobmi: buď je indukovaná fotónu, alebo sa vyskytuje spontánne. V prvom prípade, stimulovanej emisie nastane a druhý - spontánne. V teplotnej rovnováhe, pravdepodobnosť stimulovanej emisie je oveľa nižšia, než je spontánna (01:10 ^33), tak, že väčšina konvenčných nekoherentné svetelné zdroje, a vyžarovať laserový lúč je možné v iných ako tepelnej rovnováhy podmienok.

Aj s veľmi silným systémov čerpacie populácie úrovni môžu byť rovné iba. Z tohto dôvodu, aby sa dosiahlo inverzie populácie alebo iné metódy optického čerpacieho vyžaduje systém troch alebo štyri úrovne.

multi-level systém

Aký je princíp lasera trojstupňového? Ožarovanie intenzívneho svetla kmitočtu ν ₀₂ čerpadla do veľkého počtu atómov od najnižšej energetickej hladine E ₀ a E ₂ zvršku. Bez žiarenie prechod s atómami, E ₂ až E ₁ zavádza populačnej inverzie medzi E ₁ a E _0, čo v praxi je možné len vtedy, keď sú atómy dlho v metastabilné stave E _1, a prechod z E ₁ až E ₂ dochádza rýchlo. Princíp fungovania lasera v troch úrovniach je v týchto podmienkach, tak, že medzi E ₀ a E _1, inverzia populácie je dosiahnuté a je zosilnený fotónovej energie E ₁ -E ₀ stimulovanej emisie. Širší úroveň E ₂ môže zvýšiť rozsah absorpcie vlnových dĺžok efektívnejšie čerpadlo, čo vedie k rastu stimulovanej emisie.

Trojstupňový systém vyžaduje veľmi vysoký čerpací výkon, keďže na nižšej úrovni, sú zapojené v generácii, je to základňa. V tomto prípade, aby sa inverzného došlo k stavu E _1, ktorá má byť čerpaná viac ako polovica z celkového počtu atómov. V tomto prípade, energia je zbytočný. Napájacie čerpadlo môže byť výrazne znížená, ak spodná vyžarovať laserový lúč úroveň nie je základňa, čo vyžaduje aspoň systém štyri úrovne.

V závislosti od charakteru účinnej látky, lasery sú rozdelené do troch základných skupín, a to pevné látky, kvapaliny a plynu. Od roku 1958, kedy bol prvý generácie pozorovať v ruby kryštálu, vedci a výskumníci študovali širokú škálu materiálov v každej kategórii.

solid-state laser

Prevádzka je založený na použití účinné média, ktorý je tvorený pridaním izolačná kryštálová mriežka prechodného kovu (Ti ^3, Cr ^3, V ^{+ 2,} Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} a tak ďalej. D.) , ióny vzácnych zemín (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.), a aktinidov, ako je U ^+3. Energetické hladiny iónov zodpovedá len za generáciu. Fyzikálne vlastnosti základného materiálu, ako je napríklad tepelnej vodivosti a tepelnej rozťažnosti sú pre účinnú prevádzku lasera dôležité. Umiestnenie mriežka atómov okolo dotovaného iónmi mení svoje energetické hladiny. Rôzne dĺžky generovanie vĺn v aktívnej prostredí sa dosiahne tým, že dopuje rôznych materiálov v rovnakom iónu.

holmium laser

Príkladom polovodičového lasera je kvantový generátor, vyznačujúci sa tým, holmium atóm nahradí základný materiál z kryštálovej mriežky. Ho: YAG je jeden z najlepších vyžarovať laserový lúč materiálov. Pracovný princíp Holmium lasera je, že YAG dopované ióny holmium, optického napumpovania bleskovú lampou a emitujúca pri vlnovej dĺžke 2097 nm v infračervenej oblasti je dobre absorbovaná tkanív. Pomocou tohto lasera pre operácie na kĺby, ošetrenie zubov, k odparovaniu rakovinové bunky, obličkové a žlčové kamene.

Polovodičové kvantovej generátor

Kvantových lasery sú lacné, umožňujú hromadnú výrobu a sú ľahko rozšíriteľné. Princíp fungovania polovodičového lasera na základe použitia pn diódy križovatky, ktorá produkuje svetlo o určitej vlnovej dĺžke, ktoré rekombinácie nosiče na kladné predpätie, ako LED. LED vyžarujú spontánne a laserové diódy - neodolateľne. Na splnenie stav inverzia populácie, prevádzkový prúd by mal prekročiť prah. Aktívne médium v polovodičovej diódy má pohľad na pripojovacie oblasti dvojrozmerných vrstiev.

Princíp fungovania tohto typu lasera je, že pre zachovanie oscilácie je potrebné žiadne externé zrkadlo. Reflexné schopnosť, vytvorený vzhľadom k indexu lomu vrstvy a vnútorné odraz aktívneho prostredia, je dostatočná pre tento účel. Koncové povrchy štiepi diódy, ktoré umožnia paralelné odrazových povrchov.

Zlúčenina tvorená polovodičovom materiálu rovnakého typu sa nazýva homojunction, ako je stanovené pomocou pripojenia dvoch rôznych - hetero prechodov.

Polovodiče o p a n typu s vysokou hustotou nosičov tvorí p-n-spojenie s veľmi tenkou (≈1 mm) ochudobneného vrstvy.

plynový laser

Princíp prevádzky a použitie tohto typu lasera umožňuje vytvoriť zariadenie prakticky akejkoľvek kapacity (z miliwattov megawattov) a vlnových dĺžok (od ultrafialovej oblasti do infračervené) a môže pracovať v pulzných a režimoch. na povahe účinnej látky na basi, existujú tri typy plynových laserov, a to atómové, iónové a molekulárnej.

Väčšina plynové lasery čerpaná elektrickým výbojom. Elektróny v výbojky sú urýchľované elektrickým poľom medzi elektródami. Sa zrazí s atómov, iónov alebo molekúl aktívneho médiá a indukovať prechod na vyššiu energetickej hladiny, aby sa dosiahlo stavu populačnej inverzie a stimulovanej emisie.

molekulárnym laserom

Princíp laserovej akcie je založený na skutočnosti, že na rozdiel od izolovaných atómov a iónov v atómových a iónových lasery molekuly majú široké energetické pásy diskrétnych energetických hladín. Okrem toho, každá úroveň energie elektrónov má veľký počet vibračných hladín, a tie zasa - niekoľko rotačné.

Energia medzi energetickými hladinami elektrónov je v UV a viditeľnej oblasti spektra, pričom medzi vibračných-rotačné úrovniach - vo vzdialených a blízkej infračervenej oblasti. Tak, väčšina z molekulárnych lasery pracujúce vo vzdialenej alebo blízkej infračervenej oblasti.

excimerový laser

Excimers sú také molekuly, ako je ARS KRF, XeCl, ktoré sú rozdelené stabilné základné stav a prvú úroveň. Princíp činnosti lasera ďalšie. Typicky je číslo v základnom stave molekúl je malá, takže priame čerpanie zo základného stavu nie je možné. Molekuly vznikajú v prvom excitovanom stave elektronického zlúčeniny, ktorá má vysokú energiou halidy s inertnými plynmi. Populácia inverzie je ľahko dosiahnuť, pretože počet molekúl na základnej úrovni, je príliš nízka v porovnaní s vzrušenie. Princíp laserové akcie, stručne povedané, je na prechode z viazaného excitovaného elektronickej stavu do základného stavu disociatívne. Populácia základného stavu je vždy na nízkej úrovni, pretože v tomto bode sa molekula disociujú na atómy.

Princíp zariadenia a lasery spočíva v tom, že je vypúšťací trubica je naplnená zmesou halogenidu (F ₂₎ a vzácneho plynu (Ar). Elektróny v nej oddeliť a ionizáciu molekuly halogenidové a vytvárať záporné ióny. Kladné ióny Ar ⁺ a negatívne F ^- reagovať a vytvárať ARF molekúl v prvom excitovanom stave spojeného s následným prechodom do základného stavu odpudzovanie a generovanie koherentného žiarenia. Excimerový laser, princíp akcie a ktorého použitie sa teraz zvažuje, by mohli byť použité pre čerpanie aktívneho prostredia farbivá.

kvapalina laser

V porovnaní so tuhé látky, kvapaliny, sú viac homogénne a majú vyššiu hustotu aktívnych atómov, v porovnaní s plynmi. Okrem toho, že nie je ťažké vyrobiť, umožňujú ľahké odvádzanie tepla a možno ich ľahko vymeniť. Princíp pôsobenia lasera sa používa ako médiá pre zosilnenie organického farbivá, ako je napríklad DCM (4-dikyanomethylenová-2-metyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyrán), rhodamin, styryl, LDS, kumarín, stilbény, a podobne. D ., sa rozpustí vo vhodnom rozpúšťadle. Roztok molekúl farbiva je budený žiarenia, ktorého vlnová dĺžka má dobré absorpčné koeficient. Princíp laserové akcie, stručne povedané, je vytvárať na dlhšie vlnové dĺžky, nazýva fluorescencie. Rozdiel medzi energie absorbovanej a emitované fotóny použité nonradiative energetických prechodov a ohrieva systém.

Širšie pásmo fluorescencie kvapalnej lasery má jedinečnú vlastnosť - vlnová dĺžka ladenie. Princíp prevádzky a využívanie tohto typu ako laditeľné lasera a koherentné svetelný zdroj, sa stáva čoraz dôležitejšou vo spektroskopiu, holografie, a biomedicínske aplikácie.

V poslednej dobe, lasery sa používajú na farbenie pre separáciu izotopov. V tomto prípade je laser selektívnu excitáciu jedného z nich, čo prinútilo spustiť chemickú reakciu.