Princippet om laser action: træk af laserstråling

Det første princip om virkningen af laser, som er baseret på fysik af Plancks stråling lov, i teorien, Einstein i 1917 var berettiget. Han beskrev absorption, spontan og stimuleret elektromagnetisk stråling ved anvendelse af sandsynligheden koefficienter (Einstein koefficienter).

trailblazers

Teodor Meyman var den første til at vise princippet om handling af en rubinlaser, baseret på den optiske pumpning med blitz lampe syntetisk rubin, frembringer den kohærente stråling med en bølgelængde på 694 nm.

I 1960 iranske videnskabsmænd Javan og Bennett skabte den første gas lasere med blandinger af han og Ne gasser i forholdet 1:10.

I 1962, R. N. Hall løber et første diodelaser fremstillet af galliumarsenid (GaAs), der udsender ved en bølgelængde på 850 nm. Senere samme år, Nick Golonyak udviklede den første halvleder kvante-generator af synligt lys.

Indretningen og princippet om lasere

Hver laser system indbefatter et aktivt medium optisk placeret mellem et par parallelle og stærkt reflekterende spejle, hvoraf den ene er gennemsigtig, og en strømkilde til at pumpe den. Som det forstærkende medium kan fungere som et fast stof, væske eller gas, som har evnen til at forstærke amplituden af lysbølgen passerer gennem den indvendigt med elektrisk eller optisk pumpestråling. Stoffet er placeret mellem et par spejle, således at lyset reflekteres på dem hver gang passerer igennem den og havde nået en betydelig stigning, trænger halvspejlet.

duplex miljø

Overveje princippet om laservirkning med et aktivt medium, hvis atomer har kun to energiniveauer: E ophidset E ₂ og base _1. Hvis atomerne via enhver pumpemekanisme (optisk, elektrisk afladningsstrøm eller transmittans elektronbombardement) exciteres til en tilstand _E2, i et par nanosekunder de vender tilbage til grundstillingen, udstrålende energi fotoner hv = _E2 - _E1. Ifølge Einsteins teori er udledningen produceres på to forskellige måder: enten den er fremkaldt af en foton, eller det sker spontant. I det første tilfælde, stimuleret emission finder sted, og den anden - spontan. Ved termisk ligevægt, sandsynligheden for stimuleret emission er meget lavere end den spontane (1:10 ^33), således at de fleste konventionelle usammenhængende lyskilder, og lasing mulig i andre end termisk ligevægt betingelser.

Selv med en meget stærk pumpning befolkning niveau systemer kan kun foretages lige. Derfor, for at opnå populationsinversionen eller anden optisk pumpning metode kræver et tre- eller fire-niveau-system.

system med flere niveauer

Hvad er princippet om de tre-niveau laser? Bestrålingen af kraftigt lys med frekvensen ν ₀₂ pumper op et stort antal atomer fra den laveste energiniveau E ₀ og _E2 af overdelen. Strålingsfri overgang med atomer _E2 til E ₁ etablerer en populationsinversion mellem E ₁ og E _0, hvilket i praksis kun er mulig, når atomerne er lang tid i en metastabil tilstand _E1, og overgangen fra _E1 til _E2 sker hurtigt. Princippet om en tre-niveau laser drift er under disse betingelser, således at der mellem E ₀ og E _{1 er} populationsinversionen nået, og forstærkes fotonenergi E ₁ -E ₀ stimuleret emission. Bredere niveau E ₂ kunne øge optagelsen bølgelængdeområde til mere effektivt at pumpe, hvilket resulterer i væksten af den stimulerede emission.

Tre-niveau-system kræver en meget høj pumpeeffekt da det lavere niveau, er involveret i genereringen, det er en base. I dette tilfælde, med henblik på at populationsinversionen forekom til staten _E1 skal pumpes mere end halvdelen af det totale antal atomer. I dette tilfælde er den energi til spilde. Pumpeeffekten kan reduceres hvis den nederste laseraktive niveau er ikke basen, som kræver mindst et fire-niveau-system.

Afhængigt af beskaffenheden af det aktive stof, er laserne klassificeret i tre grundlæggende kategorier, nemlig fast, flydende og gas. Siden 1958, da den første generation blev observeret i en rubin krystal, videnskabsfolk og forskere har studeret en bred vifte af materialer i hver kategori.

solid-state laser

Operationen er baseret på anvendelsen af et aktivt medium, som er dannet ved tilsætning af en isolerende krystalgitter overgangsmetal (Ti ^{+ 3,} Cr ^{+ 3,} V ^{+ 2,} Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} og så videre. D.) , sjældne jordarters ioner (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.), og actiniderne såsom U ^3+. De energi niveauer af ionerne kun ansvarlig for den generation. Fysiske egenskaber af basismaterialet, såsom termisk ledningsevne og termisk ekspansion er vigtige for en effektiv drift af laseren. Placering gitter af atomer omkring en doteret ion ændrer sine energiniveauer. Forskellige længder af bølge generation i det aktive medium opnås ved dotering forskellige materialer i det samme ion.

Holmium laser

Et eksempel på en solid-state laser er en kvante generator, hvor holmium atom erstatter basismaterialet af krystalgitteret. Ho: YAG er en af de bedste laser-materialer. Princippet om holmium laser drift er, at yttriumaluminiumgarnet doteret med holmium ioner, optisk pumpede ved flash lampe og udsender ved en bølgelængde på 2097 nm i det infrarøde område absorberes godt af vævene. Brug denne laser til operationer på leddene, tandbehandling, at fordampe kræftceller, nyre og galdesten.

En halvleder quantum generator

Kvantebrønd lasere er billige, tillade masseproduktion og er let skalerbare. Funktionsprincippet for halvlederlaseren baseret på anvendelsen af pn-diodeovergang, som frembringer lys med en bestemt bølgelængde ved rekombination af bæreren på en positiv bias, ligesom lysdioder. LED udsender spontant og laserdioder - tvangsmæssigt. For at opfylde betingelsen populationsinversionen, bør det transporterende strøm overstiger en tærskelværdi. Det aktive medium i en halvleder diode har en visning af forbindelsesområdet af todimensionelle lag.

Princippet for anvendelsen af denne type laser er, at for at opretholde svingninger ingen ekstern spejl er påkrævet. Den reflekterende evne, skabt på grund af de refraktive indeks lag og intern refleksion af det aktive medium, er tilstrækkeligt til dette formål. Endefladerne spalter dioder, der giver parallelle reflekterende overflader.

Forbindelsen dannes af halvledermaterialet af samme type kaldes en homojunction, som er oprettet ved at forbinde to forskellige - heterojunction.

Halvledere af p og n-type med en høj tæthed af bærere danner en p-n-krydset med en meget tynd (≈1 mm) forarmet lag.

gas laser

Princippet om drift og brug af denne type laser gør det muligt at skabe enheder af praktisk talt enhver størrelse (fra milliwatt til megawatt) og bølgelængder (fra ultraviolet til infrarød) og kan operere i pulserede og kontinuerlige tilstande. Baseret på arten af den aktive medier, er der tre typer af gaslasere, nemlig atomare, ioniske og molekylære.

Fleste gaslasere pumpes ved elektrisk udladning. Elektronerne i udløbsrøret accelereres af det elektriske felt mellem elektroderne. De kolliderer med atomer, ioner eller molekyler af et aktivt medium og inducere overgang til højere energiniveauer for at opnå en tilstand af populationsinversion og stimuleret emission.

molekylær laser

Princippet om laservirkning er baseret på det faktum, at i modsætning til de isolerede atomer og ioner i atomare og ionlasere molekyler har brede energibånd af diskrete energiniveauer. Desuden hver elektronenergi niveau har et stort antal vibrationsniveauer, og dem på sin side - et par roterende.

Energien mellem elektron energiniveauer er i UV og synlige områder af spektret, medens der mellem de vibrationelle-roterende niveauer - i nær og infrarøde område. Derfor vil de fleste af de molekylære lasere arbejder i et fjernt eller nær-infrarøde område.

excimerlasere

Excimere er et sådant molekyle som ArF, KrF, XeCl, som er opdelt stabile grundtilstand og første niveau. Princippet om drift af laseren næste. Typisk er antallet i grundtilstanden af molekylerne er små, så den direkte pumpning fra grundtilstanden er ikke mulig. Molekylerne er dannet i den første exciterede elektronisk tilstand ved en forbindelse med en højenergi-halogenider med inerte gasser. Populationsinversionen opnås let, da antallet af molekyler på et grundlæggende niveau er for lavt i forhold til den exciterede. Princippet om laser handling, kort sagt, er at overgangen fra et bundet ophidset elektronisk tilstand til en grundtilstand dissociativ. Befolkningen i grundtilstand altid på et lavt niveau, fordi der på dette tidspunkt molekylet dissocierer i atomer.

Princippet Apparatet og lasere består i, at udløbsrøret fyldt med en blanding af halogenid (F ₂₎ og sjældne gas (Ar). Elektronerne i det dissocierer og ionisere halogenid molekyler og skabe negative ioner. Positive ioner Ar ⁺ og negative F ^- reagere og producere ARF molekyler i første exciterede tilstand er forbundet med den efterfølgende overgang til grundtilstanden frastødende og generering af kohærent stråling. Excimerlaser, princippet om handling og hvis anvendelse vi overvejer nu, kunne anvendes til pumpning af det aktive medie af farvestoffet.

flydende laser

Sammenlignet med faste stoffer, væsker er mere homogene og har en højere tæthed af aktive atomer i sammenligning med gasser. Ud over dette, er de ikke svære at producere, gøre det let varmeafledning og let kan udskiftes. Princippet om virkningen af laser bruges som et forstærkningsmedium af organisk farvestof, såsom DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, coumarin, stilben og lignende. D ., opløst i et passende opløsningsmiddel. En opløsning af farvestofmolekylerne exciteres ved stråling, hvis bølgelængde har en god absorptionskoefficient. Princippet om laservirkning, kort sagt, er at generere ved en længere bølgelængde, kaldet fluorescens. Forskellen mellem energien absorberes og udsendte fotoner anvendes ikke-strålingsbaseret energiomlægningen og opvarmer systemet.

Bredere bånd fluorescens-flydende lasere har en unik funktion - bølgelængde tuning. Princippet om drift og brug af denne type som en justerbar laser og den sammenhængende lyskilde, bliver stadig vigtigere i spektroskopi, holografi, og i biomedicinske anvendelser.

For nylig er lasere blevet anvendt til farvning for isotopseparation. I dette tilfælde laseren selektivt ophidse en af dem, hvilket fik starte en kemisk reaktion.