Het principe van laserwerking: gebruik van laserstraling

Het eerste principe van de werking van de laser, die is gebaseerd op de fysica van straling Wet van Planck, in theorie, Einstein in 1917 gerechtvaardigd was. Hij beschreef de absorptie spontane als de gestimuleerde elektromagnetische straling via waarschijnlijkheid coëfficiënten (Einstein coëfficiënten).

trailblazers

Teodor Meyman als eerste het werkingsprincipe tonen van een robijnlaser, betrokken op het optisch pompen met behulp van een flitslamp synthetische robijn, genereert de coherente straling met een golflengte van 694 nm.

In 1960, de Iraanse wetenschappers Javan en Bennett creëerde de eerste gas lasers met behulp van mengsels van He en Ne gassen in een verhouding van 1:10.

In 1962, R. N. Hall met een eerste diodelaser van galliumarsenide (GaAs), die uitzendt bij een golflengte van 850 nm. Later dat jaar, Nick Golonyak ontwikkelde de eerste halfgeleider quantum generator van zichtbaar licht.

De inrichting en het beginsel van lasers

Elk lasersysteem omvat een optisch actief medium geplaatst tussen een paar evenwijdige en sterk reflecterende spiegels waarvan één doorzichtig, en een krachtbron voor te pompen. Aangezien het versterkingsmedium kan fungeren als een vaste stof, vloeistof of gas, die de mogelijkheid om de amplitude van de lichtgolf doorgaand intern elektrische of optische pompstraling amplificeren hebben. De stof wordt tussen een paar spiegels, zodat het licht dat deze telkens doorheen gaat en een significante toename hebben bereikt, penetreert de halve spiegel.

duplex milieu

Beschouw het principe van laserwerking met een actief medium, waarvan de atomen slechts twee energieniveaus: E opgewekt _E2 en basis _1. Als de atomen via een pompmechanisme (optische, elektrische ontladingsstroom of transmissie elektronen bombardement) worden geëxciteerd tot een toestand _E2, in enkele nanoseconden ze terugkeren naar de basispositie, stralingsenergie fotonen hv = _E2 - _E1. Volgens de theorie van Einstein, wordt de emissie in twee verschillende manieren: het wordt geïnduceerd door een foton, of spontaan. In het eerste geval gestimuleerde emissie optreedt en de tweede - spontane. Bij thermisch evenwicht, de kans gestimuleerde emissie is veel lager dan de spontane (1:10 ^33), zodat de meeste conventionele incoherente lichtbronnen en laserwerking in behalve thermische evenwichtsomstandigheden mogelijk.

Zelfs met een zeer sterke pompen populatie-niveau systemen kunnen alleen gelijk worden gemaakt. Daarom de populatie-inversie of andere optisch pompen Werkwijze bereiken vereist een drie- of vier-level systeem.

multi-level systeem

Wat is het principe van de drie-level laser? De bestraling van intens licht met frequentie ν ₀₂ pompt een groot aantal atomen van het laagste energieniveau E ₀ en _E2 van het bovendeel. Stralingloze overgang met de atomen E ₂ E _{1 bevat} een populatie-inversie tussen _E1 en E _0, hetgeen in de praktijk alleen mogelijk wanneer de atomen lang in een metastabiele toestand _E1, en de overgang van E ₁ E ₂ treedt snel op. Het werkingsprincipe van een drie-niveau laser onder deze omstandigheden, zodat tussen ₀ en E _E1, de populatie-inversie wordt verkregen en geamplificeerd foton energie E ₁ -E ₀ gestimuleerde emissie. Ruimer niveau _E2 kan de absorptie golflengte efficiënter pompen toenemen, wat resulteert in de groei van de gestimuleerde emissie.

Drie niveaus vereist een zeer hoog pompvermogen aangezien het lagere niveau, die betrokken zijn bij de vorming, is een base. In dit geval, teneinde bezettingsinversie viel de stand _E1 meer te verpompen dan de helft van het totale aantal atomen. In dit geval wordt de energie verspild. Het pompvermogen kan sterk worden verminderd als de onderste laserwerking niveau niet de basis, waarbij ten minste vier niveaus vereist.

Afhankelijk van de aard van de werkzame stof, worden de lasers ingedeeld in drie fundamentele categorieën, namelijk vast, vloeibaar en gas. Sinds 1958, toen de eerste generatie in een robijnkristal werd waargenomen, wetenschappers en onderzoekers hebben een breed scala van materialen in elke categorie bestudeerd.

halfgeleiderlaser

De werking berust op het gebruik van een actief medium dat wordt gevormd door toevoeging van een isolerend kristalrooster overgangsmetaal ^{(3 Ti,} Cr ^{+ 3,} V ^{+ 2,} Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} etc. D). , zeldzame aardionen ^{(3 Ce,} Pr ^{+ 3,} Nd ^{+ 3, 3 Pm,} Sm ^2, Eu ^{+ 2 + 3,} Tb ^{+ 3,} Dy ^{+ 3,} Ho ^{+3, +3 Er,} Yb ³ , et al.), en de actiniden zoals U ^3. De energieniveaus van de ionen alleen verantwoordelijk voor de generatie. Fysische eigenschappen van het basismateriaal, zoals thermische geleidbaarheid en thermische expansie zijn belangrijk voor de goede werking van de laser. Locatie rooster van atomen rond een gedoteerde ion verandert de energieniveaus. Verschillende lengten golfopwekking in het actieve medium worden bereikt door dotering verschillende materialen in dezelfde ionen.

holmium laser

Een voorbeeld van een solid-state laser een Quantumgeneratorinrichting, waarbij holmiumatoom vervangt het basismateriaal van het kristalrooster. Ho: YAG is een van de beste laserwerking materialen. Het werkingsprincipe van de holmiumlaser dat yttriumaluminiumgranaat gedoteerd met holmium ionen, optisch door flitslamp gepompt en emitteert bij een golflengte van 2097 nm in het infrarode gebied wordt goed geabsorbeerd door de weefsels. Gebruik deze laser voor operaties op de gewrichten, tandheelkundige behandeling, om kankercellen, nieren en galstenen verdampen.

Halfgeleider Quantumgeneratorinrichting

Quantum goed lasers zijn goedkoop, laat massaproductie en zijn gemakkelijk schaalbaar. Het werkingsprincipe van de halfgeleiderlaser gebaseerd op het gebruik van de pn-diodejunctie, die licht van een bepaalde golflengte produceert de recombinatie van de drager een positieve voorspanning, zoals LED's. LED uitstoten spontaan en laser diodes - dwangmatig. Om de conditie populatie-inversie te voldoen, moet de bedrijfsstroom een drempel overschrijden. Het actieve medium in een halfgeleiderdiode heeft uitzicht op het aansluitgebied van tweedimensionale lagen.

Het werkingsprincipe van een dergelijke laser oscillaties die geen externe spiegel nodig handhaven. De reflecterende vermogen, gemaakt vanwege de brekingsindex lagen en interne reflectie van het actieve medium, is voor dit doel voldoende. De eindoppervlakken splitsen diodes die parallelle reflectievlakken verschaft.

De verbinding gevormd door het halfgeleidermateriaal van hetzelfde type wordt een homojunctie, zoals vastgesteld door twee verschillende - hetero.

Halfgeleiders p- en n-type met een hoge dichtheid van dragers vormen een p-n-overgang met een zeer dunne (≈1 mm) uitgeputte laag.

gaslaser

Het werkingsprincipe en het gebruik van dit type laser maakt het mogelijk inrichtingen van vrijwel elke capaciteit (van milliwatt tot megawatt) en golflengtes te maken (van ultraviolet tot infrarood) en kan in gepulseerde en continue modus. Afhankelijk van de aard van de actieve media, zijn er drie soorten gas lasers, namelijk atomaire, moleculaire en ionische.

Meest gaslaser door elektrische ontlading gepompt. De elektronen in de ontladingsbuis worden versneld door het elektrische veld tussen de elektrodes. Ze botsen met atomen, ionen of moleculen van een actief medium en induceren overgang naar hogere energieniveaus tot een toestand van populatie-inversie en gestimuleerde emissie te bereiken.

moleculaire laser

Het principe van laserwerking is gebaseerd op het feit dat, anders dan het geïsoleerde atomen en ionen in atomaire en ionlaser moleculen bezitten brede energiebanden van discrete energieniveaus. Bovendien heeft elke elektronen energieniveau heeft een groot aantal vibratieniveaus, en die op zijn beurt - enkele rotatie.

De energie tussen het elektron energieniveaus in het UV en zichtbare gebieden van het spectrum, terwijl tussen de vibratie-rotatieniveaus - in het verre en nabije infrarood gebieden. Aldus meeste moleculaire lasers werken in een ver of nabij-infrarode gebieden.

excimeerlasers

Excimeren zodanig molecuul ArF, KrF, XeCl, die verdeeld stabiele grondtoestand en de eerste verdieping. Het werkingsprincipe van de laser volgende. Kenmerkend is het getal in de grondtoestand van de moleculen is klein, zodat het direct pompen van de grondtoestand is niet mogelijk. De moleculen gevormd in de eerste aangeslagen elektronische toestand door een verbinding met een hoge energie halogeniden met inerte gassen. De populatie-inversie wordt gemakkelijk verkregen omdat het aantal moleculen op basisniveau te laag ten opzichte van de aangeslagen. Het principe van laserwerking, kortom, is om de overgang van een gebonden elektronisch aangeslagen toestand naar een grondtoestand dissociatieve. De bevolking van de grondtoestand is altijd op een laag niveau, omdat op dit moment het molecuul dissociëren tot atomen.

Het principe apparatuur en lasers bestaat dat de ontladingsbuis is gevuld met een mengsel van halogenide _(F2) en edelgas (Ar). De elektronen daarin dissociëren en ioniseren van de moleculen en halogenide in negatieve ionen. Positieve ionen en negatieve Ar ⁺ F ^- reageren en produceren ArF moleculen in de eerste aangeslagen toestand behorende bij de daaropvolgende overgang naar de grondtoestand afstotende en het genereren van coherente straling. Excimeerlaser het werkingsprincipe en het gebruik waarvan we nu gezien kan worden gebruikt voor het pompen van het actieve medium van de kleurstof.

vloeibare laser

In vergelijking met vaste stoffen, vloeistoffen homogener en een hogere dichtheid van actieve atomen, ten opzichte van gassen. In aanvulling op deze, ze zijn niet moeilijk te produceren, maken een eenvoudige warmteafvoer en kan gemakkelijk worden vervangen. Het werkingsprincipe van de laser wordt gebruikt als een versterkingsmedium van organische kleurstof, zoals DCM (4-dicyaanmethyleen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, cumarine, stilbeen en dergelijke. D ., opgelost in een geschikt oplosmiddel. Een oplossing van de kleurstofmoleculen wordt geëxciteerd door middel van straling waarvan de golflengte een goede absorptiecoëfficiënt. Het principe van laserwerking, kortom te genereren bij een langere golflengte, genaamd fluorescentie. Het verschil tussen de energie geabsorbeerd en geëmitteerde fotonen gebruikt radiatieve energietransities en verwarmt het systeem.

Bredere band fluorescentie vloeibare lasers heeft een unieke eigenschap - golflengteafstemming. Het werkingsprincipe en het gebruik van dit type als een afstembare laser en de coherente lichtbron, wordt steeds belangrijker in spectroscopie, holografie en bij biomedische toepassingen.

Recenter zijn lasers gebruikt om verven voor isotopenscheiding. In dit geval wordt de laser selectief exciteren één van hen gevraagd start een chemische reactie.