Periaate laserin toiminnan: piirteitä lasersäteilyn

Ensimmäinen periaate toiminnan laserin, joka perustuu fysiikkaan Planckin säteilyn lakia, teoriassa, Einstein 1917 oli perusteltu. Hän kuvaili imeytymistä, spontaani ja stimuloitiin sähkömagneettisen säteilyn avulla todennäköisyys kertoimien (Einstein kertoimet).

edelläkävijöitä

Teodor Meyman oli ensimmäinen osoittaa toiminnan periaate rubiini laser, joka perustuu optiseen pumppaus käyttäen flash-lamppu synteettinen rubiini, muodostaa yhtenäinen säteily, jonka aallonpituus on 694 nm.

Vuonna 1960 Iranin tiedemiehet Jaavan ja Bennett loi ensimmäisen kaasulaserit seoksilla Hän ja Ne kaasuja suhteessa 01:10.

1962, R. N. Hall tekee ensimmäinen diodi laser tehty galliumarsenidi (GaAs), jotka emittoivat aallonpituudella 850 nm. Myöhemmin samana vuonna, Nick Golonyak kehitti ensimmäisen puolijohde kvantti generaattori näkyvän valon.

Laitteen ja periaatteen laserit

Kunkin laserin järjestelmä sisältää aktiivisen väliaineen optisesti välissä parin yhdensuuntaisia ja erittäin heijastava peilit, joista yksi on läpikuultava, ja virtalähde pumppaamalla. Vahvistuksena väliaine voi toimia kiinteänä aineena, neste tai kaasu, joka on kyky täydentää amplitudi valon aallon kulkee sisäisesti sähkö- tai optisen pumppauksen säteilyä. Aine on sijoitettu peilien pari, niin että valo heijastuu niitä joka kerta kulkee sen läpi, ja joka on saavuttanut merkittävää kasvua, tunkeutuu puoli peili.

duplex ympäristö

Harkita sitä, että laser toimia aktiivisen väliaineen joiden atomeilla on vain kaksi energian tasoilla: E innoissaan E ₂ ja alustan _1. Jos atomien kautta tahansa pumppausmekanismin (optinen, sähköinen purkaus nykyinen tai läpäisevyys elektronipommittamalla) viritetään tilaan E _2, muutaman nanosekunnin he palaavat perusasentoon, säteilevä energia fotonit hν = E ₂ - E _1. Mukaan Einsteinin, päästöjen tuotetaan kahdella eri tavalla: joko se indusoidaan fotoni, tai se tapahtuu spontaanisti. Ensin mainitussa tapauksessa, stimuloitu emissio tapahtuu, ja toinen - spontaani. On termisessä tasapainossa, todennäköisyys emissiota on paljon pienempi kuin spontaani (1:10 ^33), niin että useimmat perinteiset epäjohdonmukainen valonlähteet, ja laserointia on mahdollista muissa kuin terminen tasapaino.

Vaikka erittäin vahva pumppaus väestötason järjestelmät voidaan tehdä vain yhtä suuri. Näin ollen, jotta saavutetaan populaatioinversio tai muu optinen pumppaus menetelmä vaatii kolmen tai neljän tason järjestelmä.

monitasoinen järjestelmä

Mikä on periaate kolmitasoinen laser? Säteilytys voimakasta valoa taajuuden ν ₀₂ pumppaa suuri määrä atomeja alimmasta energiatason E ₀ ja E ₂ ylemmän. Radiationless siirtyminen atomien kanssa, E ₂ E ₁ luodaan populaatioinversio välillä E ₁ ja E _0, joka on käytännössä mahdollista vain silloin, kun atomit ovat pitkään metastabiilissa tilassa E _1, ja siirtyminen E ₁ E ₂ tapahtuu nopeasti. Toimintaperiaatteen kolmen tason laser on näissä olosuhteissa niin, että välillä E ₀ ja E _1, populaation inversio saavutetaan ja monistetaan fotonin energia E _{1-E 0} stimuloidun emission. Laajempi taso E ₂ voisi lisätä imeytymistä aallonpituusalueella tehokkaammin pumpata, jolloin kasvua stimuloidun emission.

Kolmitasoinen järjestelmä vaatii erittäin suuri pumppausteho koska alemmalla tasolla, osallistuvat sukupolvi, se on emäs. Tässä tapauksessa, jotta populaatioinversio tapahtui tilaan E ₁ voidaan pumpata yli puoli, että atomien kokonaismäärä. Tällöin energiaa menee hukkaan. Pumpun teho voidaan vähentää huomattavasti, jos alempi laserointia taso ei ole emästä, joka vaatii vähintään neljän tason järjestelmä.

Luonteesta riippuen aktiivisen aineen, laserit luokitellaan kolmeen pääryhmään, nimittäin kiinteä, neste ja kaasu. Vuodesta 1958, kun ensimmäisen sukupolven havaittiin rubiini kristallin, tiedemiehet ja tutkijat ovat tutkineet monenlaisia materiaaleja kussakin luokassa.

kidelaser

Toiminta perustuu käyttöön aktiivisen väliaineen, joka on muodostettu lisäämällä eristävästä kidehilan siirtymämetalli (Ti ^+3, Kr ^+3, V ^+2, Co ^+2, Ni ^+2, Fe ^{+ 2,} ja niin edelleen. D.) , harvinaisten maametallien ioneja (Ce ^+3, Pr ^+3, Nd ^{+ 3,} Pm ^+3, Sm ^+2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^{+3: n,} Dy ^{+ 3,} Ho ^{+ 3,} Er ^+3, Yb ⁺³ , et ai.), ja aktinidien, kuten U ^+3. Energiatasoja ionien vastaa ainoastaan sukupolvi. Fysikaaliset ominaisuudet perusmateriaalin, kuten lämmönjohtavuus ja lämpölaajeneminen ovat tärkeitä tehokkaalle toiminnalle laserin. Sijainti hila-atomien ympärillä seostettu ioni muuttaa sen energian tasoilla. Eripituiset aalto sukupolven aktiivinen väliaine saavutetaan seostamalla eri materiaaleja samassa ioni.

holmium laser

Esimerkki kidelaser on kvantti generaattori, jossa holmium atomi korvataan perusmateriaalin kidehilan. Ho: YAG on yksi parhaista laserointiaallonpi- materiaaleja. Toimintaperiaate on holmium laser on, että yttrium alumiini granaatti seostettu holmium ionien, pumpataan optisesti flash-lamppu ja lähettää aallonpituudella 2097 nm infrapuna-alueella imeytyy hyvin kudoksiin. Käytä tätä laser operaatioita nivelet, hammashoito, höyrystää syöpäsoluja, munuaisten ja sappikivet.

Puolijohde kvantti generaattori

Kvantti hyvin laserit ovat edullisia, mahdollistaa massatuotannon ja ovat helposti skaalattavissa. Toimintaperiaate puolijohdelaserin perustuu käyttöön pn-diodi risteykseen, joka tuottaa valoa tietyn aallonpituuden rekombinaatiolla kantaja positiivisella bias, kuten LED. LED päästää spontaanisti ja laserdiodit - pakonomaisesti. Täyttää ehdon populaatioinversio toimintavirta olisi ylitettävä kynnys. Aktiivinen väliaine on puolijohde diodi on näkymä yhteyden alueen kaksiulotteinen kerrosta.

Toimintaperiaate tämän tyyppinen laser on, että pitää värähtelyjä mitään ulkoista peili ei tarvita. Heijastava kyky, on luotu, koska taitekertoimen kerrokset ja sisäinen heijastus aktiivisen väliaineen, on tähän tarkoitukseen riittävä. Päätypinnat pilkkovat diodit, joka tarjoaa samansuuntaisia heijastavia pintoja.

Muodostaman yhdisteen puolijohde samaa tyyppiä kutsutaan homojunction, joka on perustettu, joka yhdistää kaksi eri - heterojunction.

Puolijohteet p ja n-tyypin, jolla on korkea tiheys harjoittajien muodostavat p-n-liitoksen erittäin ohuella (≈1 mm) köyhdytettyä kerros.

kaasulaser

Periaate toiminta ja käyttö Tämän tyyppisen laserin avulla on mahdollista luoda laitteisiin lähes kaikki kapasiteetin (kohteesta milliwatista megawattia) ja aallonpituuksilla (ultravioletti infrapuna) ja voivat toimia pulssi- ja jatkuva-tilat. Luonteen perusteella aktiivisen median, on olemassa kolme eri kaasulaserien, eli atomi, ionisia ja molekyyli-.

Useimmat kaasulaserit pumpataan sähköinen purkaus. Elektronit poistoputki kiihdytetään sähkökentän elektrodien välillä. Ne törmäävät atomia, ionien tai molekyylien aktiivisen väliaineen ja aiheuttaa siirtymisen korkeamman energian tasoilla tilan saavuttamiseksi populaatioinversio ja emissiota.

molekyyli- laser

Periaate laser toiminta perustuu siihen, että, toisin kuin eristetty atomien ja ionien atomi- ja ioni laserit molekyyleillä on laaja energiavyöt erillisiä energian tasoilla. Lisäksi jokainen elektronin energia taso on suuri määrä värähtelytasoja, ja ne puolestaan - muutaman rotaatio.

Välinen energia elektronien energiatasot on UV ja näkyvä spektrin alue, kun taas välissä värähtelyjen-pyörivän tason - kaukana ja lähellä infrapuna-alueilla. Siten suurin osa molekyyli laserit toimivat kaukainen tai lähi-infrapuna-alueilla.

eksimeerilaserit

Excimers ovat kuten molekyyli ArF, KrF, XeCI, jotka on jaettu vakaa perustilan ja ensimmäisen tason. Toimintaperiaate laserin seuraavaksi. Tyypillisesti numero perustilassa molekyylien on pieni, joten suora pumppaaminen perustilan ei ole mahdollista. Molekyylit, jotka on muodostettu ensimmäinen innoissaan elektronisen tilassa yhdiste, jolla on suuri energia halogenidit inertin kaasun kanssa. Väestöstä inversio saavutetaan helposti, koska molekyylien lukumäärä perustasolla on liian alhainen, verrattuna innoissaan. Periaate laser toiminnan, lyhyesti sanottuna, on siirtyminen sidottua innoissaan sähköisen tilasta perustilaan dissosiatiivinen. Väestöstä perustilan on aina alhaalla-tasolla, koska tässä vaiheessa molekyylin hajoavat atomia.

Laite ja laserit periaate on se, että poistoputki on täytetty seoksella, jossa halogenidi (F ₂₎ ja jalokaasua (Ar). Elektronit se erottaa ja ionisoivat halidi molekyylien ja luoda negatiivisia ioneja. Positiivisia ioneja Ar ⁺ ja negatiivinen F ^- reagoivat ja tuottavat ArF molekyylien ensimmäisen viritetyn tilan, joka liittyy sen jälkeen siirtymisen perustilassa hylkivä ja johdonmukaiset säteilyä. Eksimeerilaserilla, toiminnan periaate ja joiden käyttö Nyt arvioitavana, voitaisiin käyttää pumppaamiseen aktiivisen väliaineen väriaineen.

neste laser

Verrattuna kiinteitä aineita, nesteitä ovat homogeenisia ja tiheys on suurempi aktiivisen atomia, verrattuna kaasuja. Tämän lisäksi, ne eivät ole vaikea valmistaa, mahdollistaa helpon lämmöntuotto ja voidaan helposti vaihtaa. Toiminnan periaate laserin käytetään vahvistuksen väliaineessa orgaanisen väriaineen, kuten DCM: ssä (4-disyanometyleeni-2-metyyli-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyraani), rodamiini, styryyli, LDS, kumariinin, stilbeeni, ja vastaavat. D ., liuotettuna sopivaan liuottimeen. Liuosta, jossa väriaineen molekyylien viritetään säteilyn, jonka aallonpituus on hyvä absorptiokerroin. Periaate laser toiminnan, lyhyesti sanottuna, on tuottaa pidemmällä aallonpituudella, jota kutsutaan fluoresenssi. Ero energia absorboituu ja pääsee fotoneja käytetään säteilemättömän energian siirtymiä ja lämmittää järjestelmä.

Laajakaistaista fluoresenssi neste lasereita on ainutlaatuinen ominaisuus, - aallonpituuden viritys. Toimintaperiaate ja käyttää tätä tyyppiä on viritettävä laser ja koherentin valon lähde, on yhä tärkeämpää spektroskopiassa, holografia, ja biolääketieteen sovelluksissa.

Äskettäin lasereita on käytetty väriaine isotooppierotuslaitos. Tällöin laser valikoivasti kiihottaa yksi heistä, kehotukset aloittaa kemiallinen reaktio.