Princip laserové akce: vlastnosti laserového záření

První princip působení laseru, který je založený na fyzice Planckova radiačního zákona teoreticky Einstein v roce 1917 byla oprávněná. Popsal absorpce, spontánní a stimulované elektromagnetické záření pomocí pravděpodobnosti koeficienty (Einstein koeficient).

průkopníky

Teodor Meyman byl první demonstrovat princip působení rubínově laseru, na základě optického čerpacího použití blesku lampy syntetický rubín, generuje koherentního záření s vlnovou délkou 694 nm.

V roce 1960, íránští vědci jávský a Bennett vytvořil první lasery plynu pomocí směsí He a NE plynů v poměru 1:10.

V roce 1962, R. N. Hall představuje první diodový laser vyrobený z arsenid galia (GaAs), emitující při vlnové délce 850 nm. Později téhož roku, Nick Golonyak vyvinula první polovodičový kvantový generátor viditelného světla.

Zařízení a princip laserů

Každý laserový systém obsahuje aktivní médium opticky umístěný mezi dvojicí paralelních a vysoce odrážející zrcadla, z nichž jeden je průsvitný, a zdroj energie pro čerpání ji. Protože zesílení médium může působit jako pevné látky, kapaliny nebo plynu, které mají schopnost zesílit amplitudu světelné vlny procházející skrz něj interně s elektrickým nebo optického čerpacího záření. Látka je umístěna mezi párem zrcadel tak, že světlo odražené na ně pokaždé, když jím prochází, a které dosáhly významné zvýšení, proniká do Polopropustné zrcadlo.

duplex prostředí

Předpokládejme principu laserové akce s aktivním médiu, jehož atomy mají pouze dvě úrovně energie: E rádi, E ₂ a základna _1. Pokud atomy prostřednictvím jakéhokoliv čerpacího mechanismu (optický, elektrický výboj proudu nebo propustnost bombardování elektrony) jsou excitovány do stavu E _2, v několika nanosekund se vrátí do základní polohy, vyzařující energii fotonů hν = E ₂ - E _1. Podle Einsteinovy teorie, emise se vyrábí dvěma různými způsoby: buď je indukována fotonem, nebo se vyskytuje spontánně. V prvním případě, stimulované emise nastane a druhý - spontánní. V teplotní rovnováze, pravděpodobnost stimulované emise je mnohem nižší, než je spontánní (01:10 ^33), tak, že většina konvenčních nekoherentní světelné zdroje, a vyzařovat laserový paprsek je možné v jiných než tepelné rovnováhy podmínek.

I s velmi silným systémů čerpací populace úrovni mohou být rovné pouze. Z tohoto důvodu, aby se dosáhlo inverze populace nebo jiné metody optického čerpacího vyžaduje systém tří nebo čtyři úrovně.

multi-level systém

Jaký je princip laseru třístupňového? Ozařování intenzivního světla kmitočtu ν ₀₂ čerpadla do velkého počtu atomů od nejnižší energetické hladině E ₀ a E ₂ svršku. Bez záření přechod s atomy, E ₂ až E ₁ zavádí populační inverze mezi E ₁ a E _0, což v praxi je možné pouze tehdy, když jsou atomy dlouho v metastabilní stavu E _1, a přechod z E ₁ až E ₂ dochází rychle. Princip fungování laseru ve třech úrovních je v těchto podmínkách, tak, že mezi E ₀ a E _1, inverze populace je dosaženo a je zesílen fotonové energie E ₁ -E ₀ stimulované emise. Širší úroveň E ₂ může zvýšit rozsah absorpce vlnových délek efektivněji čerpadlo, což vede k růstu stimulované emise.

Třístupňový systém vyžaduje velmi vysoký čerpací výkon, jelikož na nižší úrovni, jsou zapojeny v generaci, je to základna. V tomto případě, aby se inverzního došlo ke stavu E _1, která má být čerpána více než polovina z celkového počtu atomů. V tomto případě, energie je zbytečný. Napájecí čerpadlo může být výrazně snížena, pokud spodní vyzařovat laserový paprsek úroveň není základna, což vyžaduje alespoň systém čtyři úrovně.

V závislosti na povaze účinné látky, lasery jsou rozděleny do tří základních skupin, a to pevné látky, kapaliny a plynu. Od roku 1958, kdy byl první generace pozorovat v ruby krystalu, vědci a výzkumníci studovali širokou škálu materiálů v každé kategorii.

solid-state laser

Provoz je založen na použití účinné média, který je tvořen přidáním izolační krystalová mřížka přechodného kovu (Ti ^3, Cr ^3, V ^{+ 2,} Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} a tak dále. D.) , ionty vzácných zemin (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 aktinidů, jako je U ^+3. Energetické hladiny iontů odpovídá pouze za generaci. Fyzikální vlastnosti základního materiálu, jako je například tepelné vodivosti a tepelné roztažnosti jsou pro účinný provoz laseru důležité. Umístění mřížka atomů kolem dotovaného ionty mění své energetické hladiny. Různé délky generování vln v aktivní prostředí se dosáhne tím, že dopuje různých materiálů ve stejném iontu.

holmium laser

Příkladem polovodičového laseru je kvantový generátor, vyznačující se tím, holmium atom nahradí základní materiál z krystalové mřížky. Ho: YAG je jeden z nejlepších vyzařovat laserový paprsek materiálů. Pracovní princip Holmium laseru je, že YAG dopované ionty holmium, opticky čerpanou bleskovou lampou a emitující při vlnové délce 2097 nm v infračervené oblasti je dobře absorbována tkání. Pomocí tohoto laseru pro operace na klouby, ošetření zubů, k odpařování rakovinné buňky, ledvinové a žlučové kameny.

Polovodičové kvantové generátor

Kvantových lasery jsou levné, umožňují hromadnou výrobu a jsou snadno rozšiřitelné. Princip fungování polovodičového laseru na základě použití pn diody křižovatky, která produkuje světlo o určité vlnové délce, které rekombinace nosiče na kladné předpětí, jako LED. LED vyzařují spontánně a laserové diody - neodolatelně. Ke splnění stav inverze populace, provozní proud by měl překročit práh. Aktivní médium v polovodičové diody má pohled na připojovací oblasti dvojrozměrných vrstev.

Princip fungování tohoto typu laseru je, že pro zachování oscilace je zapotřebí žádné externí zrcadlo. Reflexní schopnost, vytvořený vzhledem k indexu lomu vrstvy a vnitřní odraz aktivního prostředí, je dostatečná pro tento účel. Koncové povrchy štěpí diody, které umožní paralelní odrazných povrchů.

Sloučenina tvořená polovodičovém materiálu stejného typu se nazývá homojunction, jak je stanoveno pomocí připojení dvou různých - heteropřechod.

Polovodiče o p a n typu s vysokou hustotou nosičů tvoří p-n-spojení s velmi tenkou (≈1 mm) ochuzeného vrstvy.

plynový laser

Princip provozu a použití tohoto typu laseru umožňuje vytvořit zařízení prakticky jakékoliv kapacity (z miliwattů megawattů) a vlnových délek (od ultrafialové oblasti do infračervené) a může pracovat v pulzních a režimech. na povaze účinné látky na basi, existují tři typy plynových laserů, a to atomové, iontové a molekulární.

Většina plynové lasery čerpána elektrickým výbojem. Elektrony v výbojky jsou urychlovány elektrickým polem mezi elektrodami. Se srazí s atomů, iontů nebo molekul aktivního média a indukovat přechod na vyšší energetické hladiny, aby se dosáhlo stavu populační inverze a stimulované emise.

molekul za použití laseru

Princip laserové akce je založen na skutečnosti, že na rozdíl od izolovaných atomů a iontů v atomových a iontových lasery molekuly mají široké energetické pásy diskrétních energetických hladin. Kromě toho, každá úroveň energie elektronů má velký počet vibračních hladin, a ty zase - několik rotační.

Energie mezi energetickými hladinami elektronů je v UV a viditelné oblasti spektra, přičemž mezi vibračních-rotační úrovních - ve vzdálených a blízké infračervené oblasti. Tak, většina z molekulárních lasery pracující ve vzdálené nebo blízké infračervené oblasti.

excimerový laser

Excimers jsou takové molekuly, jak je ARS KRF, XeCl, které jsou rozděleny stabilní základní stav a první úroveň. Princip činnosti laseru další. Typicky je číslo v základním stavu molekul je malá, takže přímé čerpání ze základního stavu není možné. Molekuly vznikají v prvním excitovaném stavu elektronického sloučeniny, která má vysokou energií halogenidy s inertními plyny. Populace inverze je snadno dosáhnout, protože počet molekul na základní úrovni, je příliš nízká ve srovnání s vzrušení. Princip laserové akce, stručně řečeno, je na přechodu z vázaného excitovaného elektronické stavu do základního stavu disociativní. Populace základního stavu je vždy na nízké úrovni, protože v tomto bodě se molekula disociují na atomy.

Princip zařízení a lasery spočívá v tom, že je vypouštěcí trubice je naplněna směsí halogenidu (F ₂₎ a vzácného plynu (Ar). Elektrony v ní oddělit a ionizaci molekuly halogenidové a vytvářet záporné ionty. Kladné ionty Ar ⁺ a negativní F ^- reagovat a vytvářet ARF molekul v prvním excitovaném stavu spojeného s následným přechodem do základního stavu odpuzování a generování koherentního záření. Excimerový laser, princip akce a jehož použití se nyní zvažuje, by mohly být použity pro čerpání aktivního prostředí barviva.

kapalina laser

Ve srovnání se tuhé látky, kapaliny, jsou více homogenní a mají vyšší hustotu aktivních atomů, ve srovnání s plyny. Kromě toho, že není obtížné vyrobit, umožňují snadné odvádění tepla a lze je snadno vyměnit. Princip působení laseru se používá jako média pro zesílení organického barviva, jako je například DCM (4-dikyanomethylenová-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben, a podobně. D ., se rozpustí ve vhodném rozpouštědle. Roztok molekul barviva je buzen záření, jehož vlnová délka má dobré absorpční koeficient. Princip laserové akce, stručně řečeno, je vytvářet na delší vlnové délky, nazývá fluorescence. Rozdíl mezi energie absorbované a emitované fotony použity nonradiative energetických přechodů a ohřívá systém.

Širší pásmo fluorescence kapalné lasery má jedinečnou vlastnost - vlnová délka ladění. Princip provozu a využívání tohoto typu jako laditelné laseru a koherentní světelný zdroj, se stává stále důležitější ve spektroskopii, holografie, a biomedicínské aplikace.

V poslední době, lasery se používají k barvení pro separaci izotopů. V tomto případě je laser selektivní excitaci jednoho z nich, což přimělo spustit chemickou reakci.