Принцип дії лазера: особливості лазерного випромінювання

Першим принцип дії лазера, фізика якого грунтувалася на законі випромінювання Планка, теоретично обгрунтував Ейнштейн в 1917 році. Він описав поглинання, спонтанне і вимушене електромагнітне випромінювання за допомогою імовірнісних коефіцієнтів (коефіцієнти Ейнштейна).

першопрохідці

Теодор Мейман був першим, хто продемонстрував принцип дії рубінового лазера, заснований на оптичної накачуванні за допомогою лампи-спалахи синтетичного рубіна, яка провадила імпульсна когерентне випромінювання з довжиною хвилі 694 нм.

У 1960 р іранські вчені Джаван і Беннетт створили перший газовий квантовий генератор з використанням суміші газів He і Ne в співвідношенні 1:10.

У 1962 році Р. Н. Холл продемонстрував перший діодний лазер з арсеніду галію (GaAs), що випромінює на довжині хвилі 850 нм. Пізніше в тому ж році Нік Голоняк розробив перший напівпровідниковий квантовий генератор видимого світла.

Пристрій і принцип дії лазерів

Кожна лазерна система складається з активної середовища, вміщеній між парою оптично паралельних і високоотражающіх дзеркал, одне з яких напівпрозоре, і джерела енергії для її накачування. Як середовище посилення може виступати тверде тіло, рідина або газ, які мають властивість посилювати амплітуду світлової хвилі, що проходить через нього, вимушеним випромінюванням з електричної або оптичним накачуванням. Речовина поміщається між парою дзеркал таким чином, що світло, що відбивається в них, кожен раз проходить через нього і, досягнувши значного посилення, проникає крізь напівпрозоре дзеркало.

Відео: Лазери

дворівневі середовища

Розглянемо принцип дії лазера з активним середовищем, атоми якої мають тільки два рівня енергії: збуджений E₂ і базовий Е₁. Якщо атоми за допомогою будь-якого механізму накачування (оптичного, електричного розряду, пропускання струму або бомбардування електронами) збуджуються до стану E₂, то через кілька наносекунд вони повернуться в основне положення, випромінюючи фотони енергії h&nu- = E₂ - E₁. Відповідно до теорії Ейнштейна, емісія проводиться двома різними способами: або вона активується фотоном, або це відбувається спонтанно. У першому випадку має місце вимушене випромінювання, а в другому - спонтанне. при тепловомурівновазі ймовірність вимушеного випромінювання значно нижче, ніж спонтанного (1:10³³), Тому більшість звичайних джерел світла некогерентного, а лазерна генерація можлива в умовах, відмінних від теплового рівноваги.

Навіть при дуже сильної накачуванні населеність дворівневих систем можна лише зробити рівний. Тому для досягнення інверсної населеності оптичним або іншим способом накачування потрібні трьох- або чотирьохрівневі системи.

багаторівневі системи

Який принцип дії трирівневого лазера? Опромінення інтенсивним світлом частоти &nu-₀₂ накачує велика кількість атомів з найнижчого рівня енергії E₀ до верхнього Е₂. Безвипромінювальної перехід атомів з E₂ до E₁ встановлює інверсію населеності між E₁ і E₀, що на практиці можливо тільки, коли атоми тривалий час знаходяться в метастабільних станів E_1, і перехід від Е₂ до Е₁ відбувається швидко. Принцип дії трирівневого лазера полягає в виконанні цих умов, завдяки чому між E₀ і E₁ досягається інверсія населеності і відбувається посилення фотонів енергією Е₁-Е₀ індукованого випромінювання. Більш широкий рівень E₂ міг би збільшити діапазон поглинання довжин хвиль для більш ефективної накачування, наслідком чого є зростання вимушеного випромінювання.

Трирівнева система вимагає дуже високої потужності накачування, так як нижній рівень, задіяний в генерації, є базовим. У цьому випадку для того, щоб відбулася інверсія населеності, до стану E₁ має бути накачані більше половини від загального числа атомів. При цьому енергія витрачається даремно. Потужність накачування можна значно зменшити, якщо нижній рівень генерації НЕ буде базовим, що вимагає, по крайней мере, чотирирівневої системи.

Залежно від природи активної речовини, лазери підрозділяються на три основні категорії, а саме, твердий, рідкий і газовий. З 1958 року, коли вперше спостерігалася генерація в кристалі рубіна, вчені і дослідники вивчили широкий спектр матеріалів в кожній категорії.

твердотільний лазер

Принцип дії заснований на використанні активного середовища, яка утворюється шляхом додавання в ізолюючу кристалічну решітку металу перехідною групи (Ti⁺³, Cr⁺³, V⁺², з⁺², Ni⁺², Fe⁺², і т. д.), рідкоземельних іонів (Ce⁺³, Pr⁺³, Nd⁺³, Pm⁺³, Sm⁺², Eu^{+2, + 3}, Tb⁺³, Dy⁺³, Ho⁺³, Er⁺³, Yb⁺³, і ін.), і актиноїдів, подібних U⁺³. енергетичні рівні іонів відповідають тільки за генерацію. Фізичні властивості базового матеріалу, такі як теплопровідність і теплове розширення, мають важливе значення для ефективної роботи лазера. Розташування атомів решітки навколо легованого іона змінює її енергетичні рівні. Різні довжини хвиль генерації в активному середовищі досягаються шляхом легування різних матеріалів одним і тим же іоном.

гольміевий лазер

Прикладом твердотільного лазера є квантовий генератор, в якому Гольмій замінює атом базового речовини кристалічної решітки. Ho: YAG є одним з кращих генераційних матеріалів. Принцип дії гольмієвого лазера полягає в тому, що алюмоітрієвому гранат легується іонами гольмію, оптично накачується лампою-спалахом і випромінює на довжині хвилі 2097 нм в ІК-діапазоні, добре поглинає тканинами. Використовується цей лазер для операцій на суглобах, в лікуванні зубів, для випаровування ракових клітин, ниркових і жовчних каменів.

Напівпровідниковий квантовий генератор

Лазери на квантових ямах недорогі, дозволяють масове виробництво і легко масштабуються. Принцип дії напівпровідникового лазера заснований на використанні діода з p-n-переходом, який виробляє світло певної довжини хвилі шляхом рекомбінації носія при позитивному зсуві, подібно светодиодам. LED випромінюють спонтанно, а лазерні діоди - вимушено. Щоб виконати умову інверсії заселеності, робочий струм повинен перевищувати порогове значення. Активне середовище в напівпровідниковому діоді має вигляд сполучної області двох двовимірних шарів.

Принцип дії лазера даного типу такий, що для підтримки коливань ніякого зовнішнього дзеркала не потрібно. Відображає здатність, створювана завдяки показником заломлення шарів і внутрішньому віддзеркаленню активного середовища, для цієї мети достатня. Торцеві поверхні діодів сколюються, що забезпечує паралельність поверхонь, що відбивають.

З`єднання, утворене напівпровідниковими матеріалами одного типу, називається гомопереходом, а створене з`єднанням двох різних - гетеропереходів.

Напівпровідники р і n типу з високою щільністю носіїв утворюють р-n-перехід з дуже тонким (&asymp-1 мкм) збідненим шаром.

газовий лазер

Принцип дії і використання лазера цього типу дозволяє створювати пристрої практично будь-якої потужності (від мілівата до мегавата) і довжин хвиль (від УФ до ГИК) і дозволяє працювати в імпульсному і безперервному режимах. Виходячи з природи активних середовищ, розрізняють три типи газових квантових генераторів, а саме атомні, іонні, і молекулярні.

Відео: Приймач лазерного випромінювання

Більшість газових лазерів накачуються електричним розрядом. Електрони в розрядної трубці прискорюються електричним полем між електродами. Вони стикаються з атомами, іонами або молекулами активного середовища і індукують перехід на більш високі енергетичні рівні для досягнення стану населення інверсії і вимушеного випромінювання.

молекулярний лазер

Принцип дії лазера заснований на тому, що, на відміну від ізольованих атомів і іонів, в атомних і іонних квантових генераторах молекули володіють широкими енергетичними зонами дискретних енергетичних рівнів. При цьому кожен електронний енергетичний рівень має велике число коливальних рівнів, а ті, в свою чергу, - кілька обертальних.

Енергія між електронними енергетичними рівнями знаходиться в УФ і видимій областях спектра, в той час як між колебательно-обертальними рівнями - в далекій і ближній ІЧ областях. Таким чином, більшість молекулярних квантових генераторів працює в далекій або ближній ІЧ областях.

ексимерні лазери

Ексімер є такі молекули як ArF, KrF, XeCl, які мають розділене основний стан і стабільні на першому рівні. Принцип дії лазера наступний. Як правило, в основному стані число молекул мало, тому пряма накачування з основного стану є неможливою. Молекули утворюються в першому збудженому електронному стані шляхом з`єднання володіють великою енергією галогенідів з інертними газами. Населеність інверсії легко досягається, так як число молекул на базовому рівні занадто мало, в порівнянні з порушеною. Принцип дії лазера, коротко кажучи, полягає в переході з пов`язаного порушеної електронного стану в дисоціативне основний стан. Населеність в основному стані завжди залишається на низькому рівні, тому що молекули в цій точці диссоциируют на атоми.

Пристрій і принцип дії лазерів полягає в тому, що розрядну трубку наповнюють сумішшю галогенідусрібла (F₂) І редкоземельного газу (Ar). Електрони в ній диссоциируют і іонізують молекули галогеніду і створюють негативно заряджені іони. Позитивні іони Ar⁺ і негативні F^- реагують і виробляють молекули ArF в першому збудженому зв`язаному стані з подальшим їх переходом в відразливе базове стан і генерацією когерентного випромінювання. Ексимерний лазер, принцип дії і застосування якого ми зараз розглядаємо, може застосовуватися для накачування активного середовища на барвниках.

рідинний лазер

У порівнянні з твердими речовинами, рідини більш однорідні, і володіють більшою щільністю активних атомів, в порівнянні з газами. На додаток до цього, вони не складні у виробництві, дозволяють просто відводити тепло і можуть бути легко замінені. Принцип дії лазера полягає в використанні в якості активного середовища органічних барвників, таких як DCM (4-діціанометілен-2-метил-6-p- диметиламіностирил-4Н-піран), родаміну, стираючи, LDS, кумарину, стильбену, і т. Д ., розчинених в належному розчиннику. Розчин молекул барвника збуджується випромінюванням, довжина хвилі якого володіє хорошим коефіцієнтом поглинання. Принцип дії лазера, коротко кажучи, полягає в генерації на більшій довжині хвилі, званої флуоресценцией. Різниця між поглинутою енергією і випромінюваними фотонами використовується безизлучательним енергетичними переходами і нагріває систему.

Більш широка смуга флуоресценції рідинних квантових генераторів володіє унікальною особливістю - перебудовою довжини хвилі. Принцип дії і використання лазера цього типу як настроюється і когерентного джерела світла, набуває все більшого значення в спектроскопії, голографії, і в біомедичних додатках.

Нещодавно квантові генератори на барвниках стали використовуватися для розділення ізотопів. В цьому випадку лазер вибірково збуджує один з них, спонукаючи вступити в хімічну реакцію.