Prinsip tindakan laser: ciri-ciri sinaran laser

Prinsip pertama tindakan laser, yang berdasarkan fizik undang-undang radiasi Planck, dalam teori, Einstein pada tahun 1917 adalah wajar. Beliau menyifatkan penyerapan, spontan dan dirangsang sinaran elektromagnet menggunakan pekali kebarangkalian (Einstein pekali).

perintis

Teodor Meyman adalah yang pertama untuk menunjukkan prinsip tindakan laser ruby, berdasarkan pam optik menggunakan ruby sintetik lampu flash, menjana sinaran koheren dengan panjang gelombang 694 nm.

Pada tahun 1960, ahli-ahli sains Iran Javan dan Bennett menciptakan laser gas pertama menggunakan campuran gas Dia dan Ne dalam nisbah 1:10.

Pada tahun 1962, R. N. Hall membuat pertama laser diod diperbuat daripada galium arsenida (GaAs), mengeluarkan pada panjang gelombang 850 nm. Kemudian pada tahun yang sama, Nick Golonyak dibangunkan penjana semikonduktor kuantum pertama cahaya yang boleh dilihat.

Peranti dan prinsip laser

Setiap sistem laser termasuk medium aktif optik diletakkan di antara sepasang cermin selari dan sangat mencerminkan, satu daripadanya adalah lut, dan sumber kuasa untuk mengepam. Sebagai medium keuntungan boleh bertindak sebagai pepejal, cecair atau gas, yang mempunyai keupayaan untuk menguatkan amplitud gelombang cahaya melalui secara dalaman dengan sinaran pam elektrik atau optik. bahan diletakkan di antara sepasang cermin supaya cahaya dapat dilihat pada mereka setiap kali melaluinya dan, setelah mencapai peningkatan yang ketara, menembusi cermin separuh.

persekitaran duplex

Mempertimbangkan prinsip tindakan laser dengan medium yang aktif yang atom hanya mempunyai dua tahap tenaga: E teruja E ₂ dan asas _1. Jika atom melalui mana-mana mekanisme mengepam (optik, pelepasan semasa elektrik atau pemindahan elektron pengeboman) teruja kepada keadaan E _2, dalam nanosaat beberapa mereka kembali ke kedudukan asas, terpancar foton tenaga hν = E ₂ - E _1. Menurut teori Einstein, pelepasan dihasilkan dalam dua cara yang berbeza: sama ada ia disebabkan oleh foton, atau ia berlaku secara spontan. Dalam kes terdahulu, pelepasan dirangsang berlaku dan kedua - spontan. Pada keseimbangan terma, kebarangkalian pelepasan dirangsang adalah jauh lebih rendah daripada spontan (1:10 ^33), supaya kebanyakan konvensional sumber cahaya tidak keruan, dan Pelaseran mungkin dalam keadaan selain keseimbangan terma.

Walaupun dengan sistem pengepaman penduduk-tahap yang sangat kuat hanya boleh dibuat sama. Oleh itu, untuk mencapai penyongsangan penduduk atau lain-lain kaedah mengepam optik memerlukan sistem tiga atau empat peringkat.

sistem multi-level

Apakah prinsip laser tiga peringkat? Penyinaran cahaya yang kuat frekuensi ν ₀₂ pam sehingga sebilangan besar atom dari tahap tenaga rendah E ₀ dan E ₂ dari atas. peralihan Radiationless dengan atom E ₂ E ₁ menetapkan penyongsangan penduduk di antara E ₁ dan E _0, yang dalam amalan hanya boleh dilakukan apabila atom adalah masa yang lama dalam metastabil negeri E _1, dan peralihan dari E ₁ E ₂ berlaku dengan pantas. Prinsip operasi laser tiga penjuru ini adalah dalam keadaan ini, agar di antara E ₀ dan E _1, penyongsangan penduduk dicapai dan dikuatkan tenaga foton E ₁ -E ₀ pelepasan dirangsang. Lebih luas tahap E ₂ boleh meningkatkan pelbagai penyerapan panjang gelombang untuk mengepam dengan lebih cekap, menyebabkan pertumbuhan pelepasan dirangsang.

Tiga peringkat sistem memerlukan kuasa mengepam sangat tinggi kerana tahap yang lebih rendah, yang terlibat dalam penjanaan, ia adalah asas. Dalam kes ini, untuk penduduk penyongsangan berlaku ke negeri ini E ₁ dipam lebih separuh daripada jumlah bilangan atom. Dalam kes ini, tenaga yang sia-sia. Kuasa pam boleh dikurangkan jika tahap Pelaseran yang lebih rendah tidak asas, yang memerlukan sekurang-kurangnya satu sistem empat peringkat.

Bergantung kepada jenis bahan aktif, laser dikelaskan kepada tiga kategori asas, iaitu pepejal, cecair dan gas. Sejak tahun 1958, apabila generasi pertama diperhatikan dalam kristal ruby, ahli-ahli sains dan penyelidik telah belajar pelbagai jenis bahan-bahan dalam setiap kategori.

laser keadaan pepejal

operasi ini adalah berdasarkan kepada penggunaan medium aktif yang dibentuk dengan menambah penebat logam kristal peralihan kekisi (Ti ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^2, Ni ^2, Fe ^2, dan sebagainya. D.) , ion nadir bumi (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.), dan aktinida seperti U ^3. Paras tenaga ion bertanggungjawab hanya untuk generasi. sifat-sifat fizikal bahan asas, seperti kekonduksian terma dan pengembangan haba adalah penting untuk operasi yang cekap laser. Lokasi kekisi atom sekitar ion yang didopkan mengubah tahap tenaga. panjang yang berbeza generasi gelombang dalam medium aktif dicapai dengan doping pelbagai bahan dalam ion yang sama.

laser holmium

Contoh laser keadaan pepejal adalah penjana kuantum, mana holmium atom menggantikan bahan asas kekisi kristal. Ho: YAG adalah salah satu bahan Pelaseran terbaik. Prinsip operasi laser holmium adalah bahawa garnet yttrium aluminium terdop dengan ion holmium, optik dipam oleh lampu flash dan mengeluarkan pada panjang gelombang 2097 nm dalam julat inframerah mudah diserap oleh tisu-tisu. Gunakan laser ini untuk operasi pada bahagian sendi, rawatan pergigian, untuk menguapkan sel-sel kanser, buah pinggang dan batu karang.

Seseorang pengeluar semikonduktor kuantum

laser juga kuantum adalah murah, membolehkan pengeluaran besar-besaran dan mudah berskala. Prinsip operasi laser semikonduktor berdasarkan penggunaan simpang pn-diode, yang menghasilkan cahaya panjang gelombang tertentu oleh penggabungan semula pengangkut di kecenderungan yang positif, seperti LED. LED memancarkan secara spontan dan diod laser - kompulsif. Untuk memenuhi penyongsangan keadaan penduduk, operasi semasa boleh melebihi ambang. Sederhana aktif dalam diod semikonduktor mempunyai pemandangan kawasan sambungan lapisan dua dimensi.

Prinsip operasi jenis ini laser adalah bahawa untuk mengekalkan ayunan tiada cermin luaran yang diperlukan. Keupayaan reflektif, diwujudkan kerana kepada indeks biasan lapisan dan pantulan sederhana aktif, adalah mencukupi untuk tujuan ini. Permukaan akhir bersatu diod yang menyediakan permukaan mencerminkan selari.

The sebatian yang terbentuk oleh bahan semikonduktor jenis yang sama dipanggil Homosimpang, seperti yang ditubuhkan dengan menyambungkan dua yang berbeza - Heterojunction.

Semiconductors p dan n jenis dengan ketumpatan yang tinggi pembawa membentuk p-n-simpang dengan sangat nipis (≈1 mm) lapisan yang telah habis.

laser gas

Prinsip operasi dan penggunaan jenis laser membolehkan untuk mewujudkan peranti hampir apa-apa sifat (dari milliwatts untuk megawatt) dan panjang gelombang (dari ultraviolet untuk inframerah) dan boleh beroperasi dalam mod berdenyut dan berterusan. Berdasarkan kepada jenis media yang aktif, terdapat tiga jenis laser gas, iaitu atom, ion dan molekul.

Paling laser gas dipam oleh pelepasan elektrik. Elektron dalam tiub pelepasan dipecut oleh medan elektrik antara elektrod. Mereka berlanggar dengan atom, ion atau molekul sederhana aktif dan mendorong peralihan ke tahap tenaga yang lebih tinggi untuk mencapai keadaan penyongsangan penduduk dan pelepasan dirangsang.

laser molekul

Prinsip tindakan laser adalah berdasarkan kepada fakta bahawa, tidak seperti atom terpencil dan ion dalam laser atom dan ion molekul mempunyai band tenaga yang luas tahap tenaga diskret. Selain itu, setiap tahap tenaga elektron mempunyai sebilangan besar tahap getaran, dan mereka pula - beberapa putaran.

Tenaga antara tahap tenaga elektron adalah dalam UV dan boleh dilihat kawasan spektrum, manakala antara tahap getaran-putaran - di kawasan jauh dan dekat inframerah. Oleh itu, sebahagian besar daripada laser molekul bekerja di kawasan-kawasan yang jauh atau dekat inframerah.

laser excimer

Excimers adalah molekul seperti ARF, KRF, XeCl, yang dibahagikan keadaan tanah yang stabil dan peringkat pertama. Prinsip operasi laser yang akan datang. Biasanya, jumlah dalam keadaan asas molekul adalah kecil, jadi pam terus dari keadaan tanah tidak mungkin. Molekul terbentuk dalam keadaan elektronik teruja pertama oleh sebatian yang mempunyai halida tenaga yang tinggi dengan gas lengai. Penduduk penyongsangan dicapai dengan mudah kerana bilangan molekul pada tahap yang asas adalah terlalu rendah, berbanding dengan teruja. Prinsip tindakan laser, pendek, adalah untuk beralih dari keadaan elektronik teruja terikat kepada yg memisahkan tanah negeri. Penduduk negeri tanah adalah sentiasa pada tahap yang rendah, kerana pada ketika ini molekul bercerai menjadi atom.

Radas dan laser prinsip terdiri dalam yang tiub pelepasan dipenuhi dengan campuran halide (F ₂₎ dan gas yang jarang berlaku (Ar). Elektron dalam ia memisahkan dan mengion molekul halide dan mewujudkan ion negatif. ion positif Ar ⁺ dan negatif F ^- bertindak balas dan menghasilkan molekul Arf dalam keadaan teruja pertama yang dikaitkan dengan peralihan yang kemudian kepada repelling negeri asas dan generasi sinaran koheren. laser excimer, prinsip tindakan dan penggunaan yang kami kini mempertimbangkan, boleh digunakan untuk mengepam medium aktif pewarna.

laser cecair

Berbanding dengan pepejal, cecair adalah lebih homogen dan mempunyai ketumpatan yang lebih tinggi daripada atom aktif, berbanding dengan gas. Di samping itu, mereka tidak sukar untuk menghasilkan, membolehkan pelesapan haba mudah dan boleh dengan mudah diganti. Prinsip tindakan laser digunakan sebagai medium keuntungan pewarna organik, seperti DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, dan sebagainya. D ., larut dalam pelarut yang sesuai. Penyelesaian molekul pewarna teruja oleh radiasi yang panjang gelombang mempunyai pekali penyerapan yang baik. Prinsip tindakan laser, dalam jangka pendek, adalah untuk menjana pada panjang gelombang yang lebih panjang, yang dipanggil pendarfluor. Perbezaan antara tenaga yang diserap dan foton yang dipancarkan digunakan peralihan tenaga nonradiative dan memanaskan sistem.

Lebih luas band pendarfluor laser cecair mempunyai ciri unik - tuning gelombang. Prinsip operasi dan penggunaan jenis ini sebagai laser merdu dan sumber cahaya yang masuk akal, menjadi semakin penting dalam spektroskopi, Holografi, dan dalam aplikasi bioperubatan.

Baru-baru ini, laser telah digunakan untuk pewarna untuk pemisahan isotop. Dalam kes ini, laser terpilih membangkitkan salah seorang daripada mereka, yang menyebabkan memulakan reaksi kimia.