Ang prinsipyo ng laser action: mga tampok ng laser radiation

Ang unang alituntunin ng paggawa ng laser, na kung saan ay batay sa physics ng radiation batas ni Planck, sa teorya, Einstein noong 1917 ay nabigyang-katarungan. Inilarawan niya ang pagsipsip, spontaneous at stimulated electromagnetic radiation gamit posibilidad coefficients (Einstein coefficients).

trailblazers

Teodor Meyman ay ang unang upang ipakita ang mga prinsipyo ng pagkilos ng isang ruby laser, batay sa optical pumping ng paggamit ng isang flash lampara synthetic ruby, ay bumubuo ng magkaugnay na radiation na may isang haba ng daluyong ng 694 nm.

Noong 1960, Iranian siyentipiko Javan, at si Bennett nilikha ang unang lasers gas gamit mixtures ng Siya at Ne gases sa isang ratio ng 1:10.

Sa 1962, R. N. Hall ay gumagawa ng isang unang diode laser gawa sa galyum arsenide (GaAs), na nagpapalabas sa isang wavelength ng 850 nm. Mamaya parehong taon na iyon, Nick Golonyak binuo ang unang semiconductor quantum generator ng nakikitang liwanag.

Ang aparato at ang mga prinsipyo ng lasers

Ang bawat laser sistema ay nagsasama ng isang aktibong medium optically nakalagay sa pagitan ng isang pares ng parallel at lubos na sumasalamin sa salamin, isa rito ay translucent, at isang pinagmulan ng kapangyarihan para sa pumping nito. Bilang ang pakinabang daluyan ay maaaring kumilos bilang isang solid, liquid o gas, na kung saan ay may kakayahan upang palakasin ang malawak ng light wave pagpasa sa pamamagitan nito panloob na may mga de-koryenteng o optical pumping radiation. Ang sangkap ay nakalagay sa pagitan ng isang pares ng salamin sa gayon na ang liwanag na nakalarawan sa mga ito sa bawat oras na pumasa sa pamamagitan nito at, pagkakaroon ng naabot ng isang makabuluhang pagtaas, penetrates ang kalahating mirror.

duplex kapaligiran

Isaalang-alang ang prinsipyo ng laser aksyon na may isang aktibong daluyan na kung saan ang mga atom ay mayroon lamang dalawang mga antas ng enerhiya: E excited E ₂ at base _1. Kung ang mga atom sa pamamagitan ng anumang pumping mekanismo (optical, electric discharge kasalukuyan o transmittance elektron panganganyon) ay nasasabik na isang estado E _2, sa loob ng ilang nanoseconds sila ay bumalik sa pangunahing posisyon, radiate ng enerhiya photons hν = E ₂ - E _1. Ayon sa Einstein teorya, ang paglabas ay ginawa sa dalawang magkaibang mga paraan: alinman ito ay sapilitan sa pamamagitan ng isang photon, o ito ay nangyayari spontaneously. Sa dating kaso, stimulated emission ay nangyayari at ang pangalawang - spontaneous. Sa thermal punto ng balanse, ang posibilidad ng stimulated paglabas ay mas mababa kaysa sa spontaneous (1:10 ^33), kaya na ang karamihan sa maginoo incoherent light pinagkukunan, at lasing ay posible sa ang mga kondisyon maliban sa thermal punto ng balanse.

Kahit na may isang napaka-malakas na pumping populasyon sa antas ng sistema ay maaari lamang na ginawa pantay. Samakatuwid, upang makamit ang populasyon pagbabaligtad o iba pang mga optical pumping pamamaraan ay nangangailangan ng isang tatlo o apat na antas ng system.

multi-level na sistema

Ano ang prinsipyo ng tatlong-antas ng laser? Ang pag-iilaw ng matinding liwanag ng frequency ν ₀₂ sapatos na pangbabae up ng isang malaking bilang ng mga atoms mula sa pinakamababang antas ng enerhiya E ₀ at E ₂ ng itaas. Radiationless transition na may mga atoms E ₂ hanggang E ₁ nagtatatag ng isang populasyon pagbabaligtad pagitan E ₁ at E _0, na sa pagsasanay ay posible lamang kapag ang mga atom ay isang mahabang oras sa isang metastable estado E _1, at ang paglipat mula E ₁ hanggang E ₂ nangyayari mabilis. Ang operating prinsipyo ng isang tatlong-antas ng laser ay nasa mga kondisyon, kaya na sa pagitan ng E ₀ at E _1, ang populasyon pagbabaligtad ay nakamit at ay amplified poton enerhiya E ₁ -E ₀ stimulated emission. Mas malawak na antas ng E ₂ ay maaaring dagdagan ang pagsipsip wavelength hanay upang mas mahusay pump, na nagreresulta sa ang paglago ng stimulated emission.

Tatlong-level na sistema ay nangangailangan ng isang mataas na pumping power dahil ang mas mababang antas, ay kasangkot sa henerasyon, ito ay isang base. Sa kasong ito, upang populasyon pagbabaligtad naganap sa estado E ₁ na pumped higit sa kalahati ng kabuuang bilang ng mga atomo. Sa kasong ito, ang enerhiya ay nasayang. Ang pump power maaaring maging lubhang nabawasan kung ang mas mababang mga lasing na antas ay hindi ang base, na kung saan ay nangangailangan ng hindi bababa sa isang apat na antas ng system.

Depende sa uri ng mga aktibong sangkap, ang lasers ay inuri sa tatlong pangunahing mga kategorya, namely solid, liquid at gas. Since 1958, kapag ang unang henerasyon na-obserbahan sa isang ruby kristal, mga siyentipiko at mga mananaliksik-aral ng isang malawak na hanay ng mga materyales sa bawat kategorya.

solid-estado laser

Ang operasyon ay batay sa ang paggamit ng isang aktibong daluyan na kung saan ay nabuo sa pamamagitan ng pagdaragdag ng isang insulating kristal sala-sala transition metal (Ti ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^+2, Ni ^+2, Fe ^2, at iba pa. D.) , bihirang lupa ions (Ce ^3, Kaw ^3, Nd ^3, Pm ^3, Sm ^2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^3, Dy ^3, Ho ^{+3 Er 3,} Yb ³ , et al.), at ang actinides tulad ng U ^+3. Ang mga antas ng enerhiya ng mga ions responsable lamang para sa mga henerasyon. Pisikal na katangian ng ang batayang materyal, tulad ng thermal kondaktibiti at thermal expansion ay mahalaga sa mahusay na operasyon ng laser. Lokasyon lattice ng mga atoms sa paligid ng isang doped ion pagbabago nito enerhiya na antas. Iba't ibang mga haba ng alon na henerasyon sa aktibong daluyan ay nakakamit sa pamamagitan ng doping iba't-ibang mga materyales sa parehong ion.

holmium laser

Ang isang halimbawa ng isang laser solid-estado ay isang quantum generator, kung saan holmium atom ay papalitan ang batayang materyal ng kristal sala-sala. Ho: YAG ay isa sa mga pinakamahusay na lasing na materyal. Ang operating prinsipyo ng holmium laser ay na yttrium aluminyo garnet doped sa holmium ions, optically pumped sa pamamagitan flash lampara at emits sa isang wavelength ng 2097 nm sa infrared saklaw ay mahusay na hinihigop ng tisiyu. Gamitin ang laser para sa mga pagpapatakbo sa joints, dental treatment, upang gawing usok cell kanser, bato at gallstones.

Ang isang semiconductor quantum generator

Quantum well lasers ay murang, payagan mass produksyon at ay madaling scalable. Ang operating prinsipyo ng ang semiconductor laser batay sa paggamit ng pn-diode kantong, na gumagawa ng liwanag ng isang tiyak na wavelength ng recombination ng carrier sa isang positibong bias, tulad ng LEDs. LED naglalabas spontaneously at laser diodes - compulsively. Upang matupad ang kundisyon populasyon pagbabaligtad, sa operating kasalukuyang ay dapat lumampas sa isang threshold. Ang aktibong medium sa isang semikondaktor diode ay may isang view ng koneksyon sa lugar ng dalawang-dimensional na mga layer.

Ang prinsipyo ng operasyon ng ganitong uri ng laser ay na upang mapanatili ang oscillations walang panlabas mirror ay kinakailangan. Ang mapanimdim kakayahan, na nilikha dahil sa repraktibo index layer at panloob na salamin ng aktibong medium, ay sapat na para sa hangaring ito. Ang pagtatapos ibabaw kakapit diodes na nagbibigay ng parallel na sumasalamin sa ibabaw.

Ang tambalang nabuo sa pamamagitan ng semiconductor materyal ng parehong uri ay tinatawag na isang homojunction, pati na itinatag sa pamamagitan ng pagkonekta ng dalawang magkaibang - heterojunction.

Semiconductors ng p at n-type na may isang mataas density ng mga carrier bumuo ng isang p-n-kantong may isang napaka-manipis (≈1 mm) ubos na layer.

gas laser

Ang prinsipyo ng operasyon at paggamit ng ganitong uri ng laser ginagawang posible upang lumikha ng mga aparato ng kahit anong kapasidad (mula milliwatts upang megawatts) at wavelength (mula sa ultraviolet sa infrared) at maaaring gumana sa pulsed at tuloy-tuloy na mode. Batay sa mga likas na katangian ng aktibong media, mayroong tatlong mga uri ng mga lasers gas, lalo atomic, ionic at molekular.

Karamihan sa mga lasers gas pumped sa pamamagitan ng electric discharge. Ang mga electron sa discharge tube ay pinabilis na sa pamamagitan ng electric patlang sa pagitan ng mga electrodes. Sila ay sumalungat sa atoms, ions o molecules ng isang aktibong medium at ibuyo ang paglipat sa mas mataas na mga antas ng enerhiya upang makamit ang isang estado ng populasyon pagbabaligtad at stimulated paglabas.

molecular laser

Ang prinsipyo ng laser pagkilos ay batay sa ang katunayan na, hindi tulad ng nakahiwalay atoms at ions sa atomic at lasers ion molecule nagtataglay ng malawak na enerhiya banda ng discrete enerhiya na antas. Sa karagdagan, ang bawat antas ng enerhiya elektron ay may isang malaking bilang ng mga vibrational antas, at mga siya namang - ng ilang paikot.

Ang enerhiya sa pagitan ng mga antas elektron enerhiya ay nasa UV at nakikitang rehiyon ng spectrum, habang sa pagitan ng mga vibrational-paikot na antas - sa malayo at malapit sa infrared rehiyon. Kaya, ang karamihan sa mga molekular lasers nagtatrabaho sa isang malayong o malapit-infrared rehiyon.

excimer lasers

Excimers ay tulad Molekyul bilang ArF, KrF, XeCl, na kung saan ay nahahati matatag na estado lupa at ang unang antas. Ang prinsipyo ng operasyon ng laser susunod. Karaniwan, ang numero sa lupa estado ng mga molecule ay maliit, kaya ang direktang pumping mula sa lupa ng estado ay hindi posible. Ang mga molecule nabuo sa unang excited electronic estado sa pamamagitan ng isang compound pagkakaroon ng isang mataas na enerhiya halides na may hindi gumagalaw gases. Ang populasyon pagbabaligtad nakamit madali dahil sa ang bilang ng mga molecules sa isang pangunahing antas ay masyadong mababa, kumpara sa excited. Ang prinsipyo ng laser action, sa maikling salita, ay upang i-transition mula sa isang nakatali excited electronic estado sa isang estado lupa naghihiwalay. Ang populasyon ng lupa ng estado ay palaging sa isang mababang antas, dahil sa puntong ito ang Molekyul maghiwalay sa atoms.

Ang patakaran ng pamahalaan at lasers prinsipyo ay binubuo sa paraang pinayagan ng discharge tube ay puno na may isang halo ng halide (F ₂₎ at bihirang gas (Ar). Ang mga electron sa loob nito maghiwalay at ionize ang halide molecule at lumikha ng mga negatibong ions. Positibong ions Ar ⁺ at negatibong F ^- reaksyon at makagawa ArF molecule sa unang nabigla estado na kaugnay sa mga kasunod na paglipat sa repelling base ng estado at henerasyon ng mga magkaugnay na radiation. Excimer laser, ang prinsipyo ng pagkilos at ang paggamit ng mga na kung saan isinasaalang-alang natin, ay maaaring gamitin para sa pumping ng mga aktibong daluyan ng dye.

liquid laser

Kumpara sa solids, likido ay mas homogenous at magkaroon ng isang mas mataas na density ng mga aktibong mga atom, sa paghahambing sa mga gas. Sa karagdagan sa mga ito, ang mga ito ay hindi mahirap upang makabuo ng, payagan madali init pagwawaldas at maaaring madaling pinalitan. Ang prinsipyo ng pagkilos ng laser ay ginagamit bilang isang daluyan makakuha ng organic tinain, tulad ng DCM (4-dicyanomethylene-2-metil-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, at iba pa. D ., dissolved sa isang naaangkop na solvent. Ang isang solusyon ng tinain molecule ay nasasabik sa pamamagitan ng radiation na ang wavelength ay may isang mahusay na pagsipsip koepisyent. Ang prinsipyo ng laser action, sa maikling salita, ay upang bumuo sa isang mas mahabang wavelength, na tinatawag na pag-ilaw. Ang pagkakaiba sa pagitan ng enerhiya hinihigop at emitted photons na ginamit nonradiative transition enerhiya at heats sistema.

Mas malawak na band-ilaw liquid lasers ay may natatanging tampok - wavelength tuning. Ang prinsipyo ng operasyon at paggamit ng ganitong uri bilang mahimig laser at ang maliwanag na ilaw source, ay nagiging unting mahalaga sa spectroscopy, holograpya, at sa biomedical aplikasyon.

Kamakailan lamang, lasers ay ginagamit upang tinain para isotope paghihiwalay. Sa kasong ito, ang laser pili excite isa sa mga ito, pagdikta simulan ang isang kemikal reaksyon.