Pirmąjį lazerio principą, kurio fizika buvo pagrįsta Planko spinduliuotės dėsniu, Einšteinas teoriškai pagrindė 1917 m. Jis aprašė absorbciją, spontanišką ir stimuliuojamą elektromagnetinę spinduliuotę naudodamas tikimybių koeficientus (Einšteino koeficientus).
Pionieriai
Theodoras Meimanas pirmasis pademonstravo rubino lazerio, pagrįsto optiniu sintetinio rubino pumpavimu su blykstės lempa, veikimo principą, kuris sukuria impulsinę koherentinę 694 nm bangos ilgio spinduliuotę.
1960 m. Irano mokslininkai Javanas ir Bennettas sukūrė pirmąjį dujų kvantinį generatorių, naudodami He ir Ne dujų mišinį santykiu 1:10.
1962 m. RN Hall pademonstravo pirmąjį galio arsenido (GaAs) diodinį lazerį, spinduliuojantį 850 nm bangos ilgiu. Vėliau tais pačiais metais Nickas Golonyakas sukūrė pirmąjį puslaidininkinį matomos šviesos kvantinį generatorių.
Lazerių dizainas ir veikimo principas
Kiekvieną lazerinę sistemą sudaro aktyvioji terpėtarp poros optiškai lygiagrečių ir labai atspindinčių veidrodžių, iš kurių vienas yra permatomas, ir energijos š altinio jo siurbimui. Stiprinimo terpė gali būti kieta, skysta arba dujinė medžiaga, kuri turi savybę sustiprinti pro ją praeinančios šviesos bangos amplitudę stimuliuojama spinduliuote elektriniu arba optiniu siurbimu. Medžiaga dedama tarp poros veidrodžių taip, kad juose atsispindinti šviesa kaskart prasiskverbtų pro ją ir, pasiekusi reikšmingą stiprinimą, prasiskverbtų per permatomą veidrodį.
Dviejų pakopų aplinkos
Panagrinėkime lazerio veikimo principą su aktyvia terpe, kurios atomai turi tik du energijos lygius: sužadintą E2 ir bazinį E1 . Jei atomai sužadinami iki būsenos E2 bet kokiu siurbimo mechanizmu (optiniu, elektros išlydžiu, srovės perdavimu ar elektronų bombardavimu), tai po kelių nanosekundžių jie grįš į pagrindinę padėtį, išskirdami fotonus. energijos hν=E 2 - E1. Remiantis Einšteino teorija, emisija sukuriama dviem skirtingais būdais: arba ją sukelia fotonas, arba ji įvyksta savaime. Pirmuoju atveju vyksta stimuliuojama emisija, o antruoju – spontaniška. Esant terminei pusiausvyrai, stimuliuojamos spinduliuotės tikimybė yra daug mažesnė nei spontaniškos spinduliuotės (1:1033), todėl dauguma įprastų šviesos š altinių yra nenuoseklūs, o lazerio generavimas yra įmanomas ir kitomis sąlygomis nei šiluminės. pusiausvyra.
Net su labai stipriusiurbiant, dviejų lygių sistemų populiacija gali būti tik lygi. Todėl norint pasiekti populiacijos inversiją optiniais ar kitais siurbimo metodais, reikalingos trijų ar keturių lygių sistemos.
Kelių lygių sistemos
Koks yra trijų lygių lazerio principas? Švitinimas intensyvia ν02 dažnio šviesa pumpuoja daug atomų nuo žemiausio energijos lygio E0 iki aukščiausio energijos lygio E 2. Nespinduliuojantis atomų perėjimas iš E2 į E1 sukuria populiacijos inversiją tarp E1 ir E 0 , o tai praktiškai įmanoma tik tada, kai atomai ilgą laiką yra metastabilioje būsenoje E1, ir perėjimas iš E2į E 1 vyksta greitai. Trijų lygių lazerio veikimo principas yra įvykdyti šias sąlygas, dėl kurių tarp E0 ir E1 pasiekiama populiacijos inversija ir fotonai. yra sustiprinami energijos E 1-E0 sukeltos emisijos. Didesnis E2 lygis gali padidinti bangos ilgio sugerties diapazoną, kad būtų efektyvesnis siurbimas, todėl padidėtų stimuliuojama emisija.
Trijų lygių sistemai reikalinga labai didelė siurblio galia, nes žemesnis generavimo lygis yra pagrindinis. Šiuo atveju, kad įvyktų populiacijos inversija, daugiau nei pusė viso atomų skaičiaus turi būti pumpuojama į būseną E1. Taip eikvojama energija. Siurbimo galia gali būti didelėsumažinkite, jei žemesnės kartos lygis nėra pagrindinis, tam reikia bent keturių lygių sistemos.
Priklausomai nuo veikliosios medžiagos pobūdžio, lazeriai skirstomi į tris pagrindines kategorijas: kietuosius, skystuosius ir dujinius. Nuo 1958 m., kai lazeravimas pirmą kartą buvo pastebėtas rubino kristale, mokslininkai ir tyrinėtojai ištyrė daugybę įvairių medžiagų kiekvienoje kategorijoje.
Kietojo kūno lazeris
Veikimo principas pagrįstas aktyviosios terpės naudojimu, kuri susidaro į izoliacinę kristalinę gardelę pridedant pereinamosios grupės metalą (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 ir kt.), retųjų žemių jonai (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 ir kt.) ir aktinidai, tokie kaip U+3. Jonų energijos lygis yra atsakingas tik už generavimą. Pagrindinės medžiagos fizinės savybės, tokios kaip šilumos laidumas ir šiluminis plėtimasis, yra būtinos efektyviam lazerio veikimui. Grotelių atomų išsidėstymas aplink legiruotą joną keičia jo energijos lygį. Skirtingi generavimo bangos ilgiai aktyviojoje terpėje pasiekiami sumaišius skirtingas medžiagas tais pačiais jonais.
Holmio lazeris
Kietojo kūno lazerio pavyzdys yra kvantinis generatorius, kuriame holmis pakeičia kristalinės gardelės pagrindinės medžiagos atomą. Ho:YAG yra viena geriausių kartos medžiagų. Holmio lazerio veikimo principas – itrio aliuminio granatas yra legiruotas holmio jonais, optiškai pumpuojamas blykstės lempos ir spinduliuoja 2097 nm bangos ilgiu IR diapazone, kurį gerai sugeria audiniai. Šis lazeris naudojamas sąnarių operacijoms, dantų gydymui, vėžinėms ląstelėms, inkstų ir tulžies akmenims išgarinti.
Puslaidininkinis kvantinis generatorius
Kvantinių šulinių lazeriai yra nebrangūs, masiškai gaminami ir lengvai keičiami. Puslaidininkinio lazerio veikimo principas pagrįstas p-n sandūros diodo naudojimu, kuris nešiklio rekombinacijos būdu sukuria tam tikro bangos ilgio šviesą esant teigiamam poslinkiui, panašiai kaip šviesos diodai. LED spinduliuoja spontaniškai, o lazeriniai diodai – priverstinai. Kad būtų įvykdyta populiacijos inversijos sąlyga, darbinė srovė turi viršyti slenkstinę vertę. Puslaidininkinio diodo aktyvioji terpė yra dviejų dvimačių sluoksnių jungiamosios srities forma.
Šio tipo lazerių veikimo principas yra toks, kad svyravimams palaikyti nereikia išorinio veidrodžio. Tam pakanka sluoksnių lūžio rodiklio ir vidinio aktyviosios terpės atspindžio sukuriamo atspindžio. Diodų galiniai paviršiai yra susmulkinti, o tai užtikrina, kad atspindintys paviršiai būtų lygiagretūs.
Ryšys, sudarytas iš to paties tipo puslaidininkinių medžiagų, vadinamas homosandūriu, o ryšys, sukurtas sujungus dvi skirtingas, vadinamasheterojunkcija.
P ir n tipo puslaidininkiai su dideliu nešiklio tankiu sudaro p-n sandūrą su labai plonu (≈1 µm) išsekimo sluoksniu.
Dujinis lazeris
Šio tipo lazerio veikimo principas ir naudojimas leidžia sukurti beveik bet kokios galios (nuo milivatų iki megavatų) ir bangos ilgio (nuo UV iki IR) įrenginius ir leidžia dirbti impulsiniu ir nuolatiniu režimu. Atsižvelgiant į aktyviosios terpės pobūdį, yra trijų tipų dujų kvantiniai generatoriai, būtent atominiai, joniniai ir molekuliniai.
Dauguma dujų lazerių yra pumpuojami naudojant elektros iškrovą. Elektronus išlydžio vamzdyje pagreitina tarp elektrodų esantis elektrinis laukas. Jie susiduria su aktyviosios terpės atomais, jonais ar molekulėmis ir sukelia perėjimą prie aukštesnio energijos lygio, kad būtų pasiekta populiacijos inversijos ir stimuliuojamos emisijos būsena.
Molekulinis lazeris
Lazerio veikimo principas pagrįstas tuo, kad, skirtingai nei izoliuoti atomai ir jonai, molekulės atominiuose ir jonų kvantiniuose generatoriuose turi plačias atskirų energijos lygių energijos juostas. Be to, kiekvienas elektroninis energijos lygis turi daug vibracijos lygių, o tie, savo ruožtu, turi kelis sukimosi lygius.
Energija tarp elektroninės energijos lygių yra UV ir matomose spektro srityse, o tarp vibracinių-sukimosi lygių - tolimajame ir artimame IRsrityse. Taigi dauguma molekulinių kvantinių generatorių veikia tolimuose arba artimuose infraraudonųjų spindulių regionuose.
Eksimeriniai lazeriai
Eksimerai yra molekulės, tokios kaip ArF, KrF, XeCl, kurios turi atskirtą pagrindinę būseną ir yra stabilios pirmajame lygyje. Lazerio veikimo principas yra toks. Paprastai pagrindinės būsenos molekulių skaičius yra mažas, todėl tiesioginis siurbimas iš pagrindinės būsenos neįmanomas. Molekulės susidaro pirmojoje sužadintoje elektroninėje būsenoje, derinant didelės energijos halogenidus su inertinėmis dujomis. Inversijos populiacija yra lengvai pasiekiama, nes molekulių skaičius baziniame lygyje yra per mažas, palyginti su sužadintu. Trumpai tariant, lazerio veikimo principas yra perėjimas iš susietos sužadintos elektroninės būsenos į disociacinę pagrindinę būseną. Pradinės būsenos populiacija visada išlieka žema, nes molekulės šiuo metu išsiskiria į atomus.
Lazerių įtaisas ir veikimo principas yra toks, kad išlydžio vamzdis užpildytas halogenido (F2) ir retųjų žemių dujų (Ar) mišiniu. Jame esantys elektronai disocijuoja ir jonizuoja halogenidų molekules ir sukuria neigiamo krūvio jonus. Teigiami jonai Ar+ ir neigiami F- reaguoja ir sukuria ArF molekules pirmoje sužadintoje būsenoje, o vėliau pereina į atstumiančią bazinę būseną ir generuoja koherentinė spinduliuotė. Siurbti galima naudoti eksimerinį lazerį, kurio veikimo ir taikymo principą dabar svarstomeaktyvioji terpė ant dažų.
Skystas lazeris
Palyginti su kietomis medžiagomis, skysčiai yra homogeniškesni ir turi didesnį aktyvių atomų tankį nei dujos. Be to, juos lengva gaminti, jie lengvai išsklaido šilumą ir gali būti lengvai keičiami. Lazerio veikimo principas – kaip aktyvią terpę naudoti organinius dažus, tokius kaip DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piranas), rodaminas, stirilas, LDS, kumarinas, stilbenas ir kt. …, ištirpintas tinkamame tirpiklyje. Dažų molekulių tirpalas sužadinamas spinduliuote, kurios bangos ilgis turi gerą sugerties koeficientą. Trumpai tariant, lazerio veikimo principas yra generuoti ilgesnį bangos ilgį, vadinamą fluorescencija. Skirtumas tarp sugertos energijos ir išspinduliuotų fotonų panaudojamas neradiaciniams energijos perėjimams ir įkaitina sistemą.
Platesnė skystųjų kvantinių generatorių fluorescencinė juosta turi unikalią savybę – bangos ilgio derinimą. Šio tipo lazerio, kaip derinamo ir koherentinio šviesos š altinio, veikimo principas ir naudojimas tampa vis svarbesnis spektroskopijos, holografijos ir biomedicinos taikymuose.
Pastaruoju metu izotopų atskyrimui buvo naudojami dažų kvantiniai generatoriai. Tokiu atveju lazeris selektyviai sužadina vieną iš jų, paskatindamas juos pradėti cheminę reakciją.
