Zasada działania lasera: cechy promieniowania laserowego

Pierwsza zasada działania lasera, która jest oparta na fizyce prawa promieniowania Plancka w teorii Einsteina w 1917 roku było uzasadnione. Opisał wchłanianie, spontaniczna i stymulowane za pomocą promieniowania elektromagnetycznego, współczynnik prawdopodobieństwa (Einsteina współczynników).

Trailblazers

Teodor Meyman jako pierwsze wykazują zasadę działania lasera, rubin, opartego na pompowanie optyczne używając lampy błyskowej rubin syntetyczny, generuje spójnego promieniowania o długości fali 694 nm.

W 1960 irańscy naukowcy jawajski i Bennett stworzył pierwsze lasery gazowe za pomocą mieszaniny gazów on i Ne w stosunku 1:10.

1962, R. N. Hall sprawia pierwszy laser diodowy wykonany z arsenku galu (GaAs), emitując przy długości fali 850 nm. Jeszcze w tym samym roku, Nick Golonyak opracował pierwszy półprzewodnikowy generator kwantowy światła widzialnego.

Urządzenie i zasada laserów

Każdy system laserowy zawiera czynnik aktywny optycznie umieszczony między parą równoległych i bardzo odbijających zwierciadeł, z których jedna jest przezroczysta, a źródłem zasilania dla pompowania. Jako nośnik może służyć jako wzmocnienie w postaci stałej, ciekłej lub gazowej, które mają zdolność do wzmacniania amplitudy fali światła przechodzącego przez nią wewnątrz promieniowaniem pompowania elektrycznej lub optycznej. Substancja jest umieszczony pomiędzy parą lusterek tak, że światło odbite w nich każdorazowo przechodzi przez niego i po osiągnięciu znacznego wzrostu wnika jednostronne lustro.

środowisko duplex

Rozważyć zasadę działania lasera z aktywnego czynnika, którego atomy mają tylko dwa poziomy energii: E podniecony E ₂ i podstawa _1. Jeśli atomy poprzez dowolny mechanizm pompujący (optyczny, elektryczny prąd rozładowania lub transmitancji bombardowanie elektronami) jest pobudzony do stanu _E2, w ciągu kilku nanosekund wracają do położenia podstawowego, promieniujących fotony hν = _E2 – _E1. Według teorii Einsteina, emisja jest wytwarzany na dwa sposoby: albo są wywoływane przez fotony lub występuje spontanicznie. W pierwszym przypadku występuje emisja wymuszona a drugi – spontaniczne. W stanie równowagi cieplnej, prawdopodobieństwo stymulowanej emisji jest znacznie mniejsza niż spontaniczne (1:10 ^{33) tak,} że większość konwencjonalnych źródeł światła niespójne i laserowego jest możliwe w warunkach innych niż w stanie równowagi termicznej.

Nawet przy bardzo silnym systemów pompowania populacja szczebla mogą być wykonane tylko równe. Dlatego, aby uzyskać odwrócenie populacji lub innej metody pompującego wymaga systemu optycznego trzy lub cztery poziomu.

System wielopoziomowy

Jaka jest zasada działania lasera trójpoziomowego? Napromieniowanie intensywnym światłem częstotliwości ν ₀₂ pompuje się z wielkiej liczby atomów, od najniższego poziomu energii _E0 i _E2 cholewki. Bezpromienistych przejście z atomami _E2 E ₁ ustanawia inwersji populacji między _E1 i E _0, co w praktyce jest to możliwe tylko wtedy, gdy te atomy są przez długi czas w metastabilny stan E _{1 i} przejście z _E1 do _E2 przebiega szybko. Zasada działania lasera trójpoziomowego, w tych warunkach, tak że między _E0 i _E1, inwersja populacji uzyskuje się i amplifikuje ENERGY fotonów E ₁ -P ₀ emisją wymuszoną. Szersze poziom _E2 może zwiększyć zakres długości fali absorpcji skuteczniej pompy, co prowadzi do wzrostu emisji wymuszonej.

Trójpoziomowego układ wymaga bardzo dużej mocy pompowania, ponieważ na niższym poziomie, są zaangażowane w produkcji, to jest podstawą. W tym przypadku, w celu inwersji obsadzeń doszło do stanu _E1 jest pompowana więcej niż połowa całkowitej liczby atomów. W tym przypadku energia jest marnowana. Moc pompy może zostać znacznie zredukowana, jeżeli niższy poziom promieniowania laserowego jest baza, co wymaga co najmniej czterech systemu poziomu.

W zależności od charakteru substancji czynnej, lasery dzieli się na trzy podstawowe kategorie, a mianowicie stałych, ciekłych i gazowych. Od 1958 roku, gdy pierwsza generacja zaobserwowano w krysztale rubinowym, naukowcy i badacze badali szeroką gamę materiałów w każdej kategorii.

laser półprzewodnikowy

Zasada działania opiera się na wykorzystaniu aktywnego czynnika, który jest utworzony przez dodanie izolacyjnego krystaliczną metali przejściowych ^{(Ti + 3, Cr + 3, V} + 2, Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} i tak dalej. D.) , jony pierwiastków ziem rzadkich (Ce ^{+ 3 + 3 Pr,} Nd ^{+3, +3 Pm,} Sm ^{+ 2,} Eu ^{+ 2 + 3,} Tb ^{+3, +3 Dy,} Ho ^{+ 3,} Er ^{+ 3,} Yb ^{+ 3} i in.) i aktynowców, takie jak u ^+3. Poziomy energetyczne jonów odpowiedzialnych tylko dla pokolenia. Fizyczne właściwości materiału podstawowego, takie jak przewodność cieplna lub rozszerzalności cieplnej są istotne dla skutecznego działania lasera. Lokalizacja kratownica atomów wokół domieszkowanego jonami zmienia swoje poziomy energetyczne. Różne długości fali energii w aktywnym nośniku uzyskuje się przez domieszkowanie różne materiały w taki sam jonowy.

Holmium laser

Przykład lasera półprzewodnikowego jest kwantowy generator, przy czym holm atom zastępuje materiał bazowy z siatki krystalicznej. Ho: YAG jest jednym z najlepszych materiałów rezonatora. Zasada działania lasera holmu, że granat itrowo-glinowy domieszkowane jonami holm optycznie pompowany lampy błyskowej i emisją przy długości fali 2097 nm, w zakresie podczerwieni, jest dobrze absorbowane przez tkanki. Za pomocą tej laser do operacji stawów, leczenie dentystyczne, w celu odparowania komórek nowotworowych, nerek i kamica żółciowa.

Generator półprzewodników kwantowa

Kwantowe oraz lasery są niedrogie, umożliwiają produkcję masową i są łatwo skalowalne. Zasada działania lasera półprzewodnikowego opartej na wykorzystaniu złącza pn-dioda, która wytwarza światło o określonej długości fali przez rekombinacji przewoźnika w pozytywnym uprzedzeń, jak diody LED. LED emitują spontanicznie i diody laserowe – kompulsywnie. Aby spełnić inwersję populacji stan obecny operacyjny powinien przekroczyć próg. Aktywna średniej diody półprzewodnikowego widok obszaru połączenia warstw dwuwymiarowych.

Zasada działania tego typu lasera jest to, że aby utrzymać oscylacji jest wymagane żadne zewnętrzne lusterko. Odblaskowa zdolność, utworzony ze względu na współczynnik załamania warstwy i wewnętrznego odbicia aktywnego nośnika jest wystarczająca do tego celu. Powierzchnie końcowe rozszczepiać diody, która zapewnia równoległe powierzchnie odbijające.

Związek utworzony z materiału półprzewodnikowego takiego samego typu nazywa się homozłącze, ustanowiony poprzez połączenie dwóch różnych – heterozłącze.

Półprzewodniki p oraz typu n o wysokiej gęstości nośniki w postaci p-n-skrzyżowanie z bardzo cienka (≈1 mm) zubożonej warstwy.

laser gazowy

Zasada działania i wykorzystania tego typu lasera sprawia, że możliwe jest stworzenie urządzeń o praktycznie dowolnej pojemności (od miliwatów do megawatów) i długościach fal (od ultrafioletu do podczerwieni) i może pracować w trybach impulsowych i ciągłych. W oparciu o charakterze aktywnego nośnika, istnieją trzy rodzaje lasery gazowe, a mianowicie atomowych, jonowe i cząsteczkowe.

Większość lasery gazu pompowanego przez wyładowanie elektryczne. Elektrony w rurze wyładowczej są przyspieszane w polu elektrycznym między elektrodami. Zderzają atomy, jony lub cząsteczki aktywnego czynnika i spowodować przejście do wyższego poziomu energii, aby osiągnąć stan inwersji obsadzeń i emisji wymuszonej.

laser molekularny

Zasada działania lasera w oparciu o fakt, że w przeciwieństwie do pojedynczych atomów i jonów w atomów i jonów laserów posiadają szerokie pasma cząsteczki energii dyskretnych poziomów energetycznych. Ponadto, każdy poziom energii elektronów ma wiele poziomów drgań, a te z kolei – kilka obrotowej.

Energię pomiędzy poziomów energetycznych elektronów w obszarach UV i widzialnego widma, a pomiędzy poziomami drgań obracającą – w bliskich i dalekich obszarów podczerwieni. Tak więc, większość laserów molekularnych pracy w odległych lub bliskiej podczerwieni regionów.

lasery ekscymerowe

Ekscymery są takie cząsteczki, jak ARF, KrF, XeCl, które są podzielone stan stabilnego podłoża, a pierwszy poziom. Zasada działania lasera następnego. Typowo, liczba stanu podstawowego cząsteczek jest mały i dlatego bezpośrednie pompowania ze stanu podłoża nie jest możliwe. Cząsteczki tworzą w pierwszym stanie wzbudzonym elektroniczną związkiem wykazującym wysokie halogenki energii z gazów obojętnych. Inwersja populacja osiąga się łatwo, ponieważ liczba cząsteczek na poziomie podstawowym jest zbyt niska, w porównaniu z podekscytowany. Zasada działania lasera, w skrócie, jest przejście ze stanu wzbudzonego związany elektronicznej na dysocjacyjne państwa gruntowych. Populacja stanu podstawowego jest zawsze na niskim poziomie, ponieważ w tym momencie cząsteczka dysocjuje na atomy.

Zasada urządzenia i lasery polega na tym, że rura wylotowa jest wypełniona mieszaniną halogenków (F ₂₎ i gaz szlachetny (Ar). Elektrony w nim dysocjacji i jonizacji molekuł halogenków i tworzą jony ujemne. Jony dodatnie i ujemne Ar ⁺ F ^– reagować i tworzyć ARF cząsteczek w pierwszym stanie wzbudzonym związany z późniejszym przejściu do odpychania stanu podstawowego i tworzenia spójnego promieniowania. Excimerowego laser, zasada działania i zastosowanie które rozważają obecnie, może być stosowany do pompowania ośrodka czynnego barwnika.

ciecz laser

W porównaniu z substancjami stałymi, cieczami są bardziej jednorodne i mają większą gęstość aktywnego węgla, w stosunku do gazu. Poza tym, nie są one trudne do wykonania, pozwalają na łatwe odprowadzanie ciepła i można je łatwo wymienić. Zasada działania lasera jest stosowany jako czynnik wzmocnienia barwnika organicznego, takiego jak DCM (4-dicyjanometylenową-2-metylo-6-p-dimethylaminostyryl-4H-piran), rodamina, styrylową, LDS, kumaryna, stilben, itp d. . rozpuszczony w odpowiednim rozpuszczalniku. Roztwór cząsteczek barwnika wzbudzeniu promieniowaniem o długości fali, który ma dobry współczynnik absorpcji. Zasada działania lasera, w skrócie, jest generowanie w dłuższej fali, zwanej fluorescencji. Różnica pomiędzy energii pochłoniętej i emitowanych fotonów stosowane niepromienistej przemiany energii i ogrzewa systemu.

Ciekłe pasmo szersze fluorescencji laserów ma unikalną cechę – długość fali strojenia. Zasada działania i wykorzystania tego rodzaju jak przestrajalnego lasera oraz źródła światła spójnego, staje się coraz ważniejsza w spektroskopii, holografii, w zastosowaniach biomedycznych.

Ostatnio lasery wykorzystywane do barwienia separacji izotopowej. W tym przypadku, laser selektywnie pobudzają jednego z nich, co skłoniło rozpocząć reakcję chemiczną.