Den första principen för lasern, vars fysik baserades på Plancks lag om strålning, underbyggdes teoretiskt av Einstein 1917. Han beskrev absorption, spontan och stimulerad elektromagnetisk strålning med hjälp av sannolikhetskoefficienter (Einstein-koefficienter).
Pionjärer
Theodor Meiman var den första som demonstrerade funktionsprincipen för en rubinlaser baserad på optisk pumpning av syntetisk rubin med en blixtlampa, som producerade pulsad koherent strålning med en våglängd på 694 nm.
1960 skapade de iranska forskarna Javan och Bennett den första gaskvantgeneratorn med en 1:10-blandning av He- och Ne-gaser.
1962 demonstrerade RN Hall den första galliumarsenid (GaAs) diodlasern som emitterade vid en våglängd av 850 nm. Senare samma år utvecklade Nick Golonyak den första kvantgeneratorn för synligt ljus för halvledare.
Design och funktionsprincip för lasrar
Varje lasersystem består av ett aktivt medium placeratmellan ett par optiskt parallella och högreflekterande speglar, varav en är genomskinlig, och en energikälla för dess pumpning. Förstärkningsmediet kan vara ett fast ämne, en vätska eller en gas, som har egenskapen att förstärka amplituden hos en ljusvåg som passerar genom den genom stimulerad emission med elektrisk eller optisk pumpning. Ett ämne placeras mellan ett par speglar på ett sådant sätt att ljuset som reflekteras i dem passerar genom det varje gång och, efter att ha uppnått en betydande förstärkning, penetrerar en genomskinlig spegel.
Tvåskiktsmiljöer
Låt oss betrakta principen för driften av en laser med ett aktivt medium, vars atomer bara har två energinivåer: exciterad E2 och grundläggande E1 . Om atomer exciteras till tillståndet E2 av någon pumpmekanism (optisk, elektrisk urladdning, strömöverföring eller elektronbombardement), kommer de efter några nanosekunder att återgå till markpositionen och sända ut fotoner av energi hν=E 2 - E1. Enligt Einsteins teori produceras emission på två olika sätt: antingen induceras det av en foton, eller så sker det spontant. I det första fallet sker stimulerad emission och i det andra spontan emission. Vid termisk jämvikt är sannolikheten för stimulerad emission mycket lägre än spontan emission (1:1033), så de flesta konventionella ljuskällor är inkoherenta, och lasergenerering är möjlig under andra förhållanden än termiska jämvikt.
Även med mycket starkpumpning, kan populationen av tvånivåsystem endast göras lika. Därför krävs tre- eller fyranivåsystem för att uppnå populationsinversion med optiska eller andra pumpmetoder.
Flernivåsystem
Vad är principen för trenivålasern? Bestrålning med intensivt ljus med frekvens ν02 pumpar ett stort antal atomer från den lägsta energinivån E0 till den högsta energinivån E 2. Den icke-strålande övergången av atomer från E2 till E1 etablerar en populationsinversion mellan E1 och E 0 , vilket i praktiken endast är möjligt när atomerna är i ett metastabilt tillstånd under lång tid E1, och övergången från E2till E 1 går snabbt. Funktionsprincipen för en trenivålaser är att uppfylla dessa villkor, på grund av vilka mellan E0 och E1 uppnås en populationsinversion och fotoner förstärks av energi E 1-E0 inducerad emission. En bredare nivå av E2 skulle kunna öka våglängdsabsorptionsintervallet för effektivare pumpning, vilket resulterar i en ökning av stimulerad emission.
Trenivåsystemet kräver en mycket hög pumpeffekt, eftersom den lägre nivån som är involverad i genereringen är basen. I detta fall måste mer än hälften av det totala antalet atomer pumpas till tillståndet E1 för att populationsinversionen ska inträffa. På så sätt slösas energi. Pumpkraften kan vara avsevärtminska om den lägre generationsnivån inte är basnivån, vilket kräver minst ett fyranivåsystem.
Beroende på den aktiva substansens karaktär delas lasrar in i tre huvudkategorier, nämligen fast, flytande och gas. Sedan 1958, när lasring först observerades i en rubinkristall, har forskare och forskare studerat en mängd olika material i varje kategori.
Solid State Laser
Funktionsprincipen är baserad på användningen av ett aktivt medium, som bildas genom att lägga till en övergångsgruppmetall till det isolerande kristallgittret (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, etc.), sällsynta jordartsmetalljoner (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, etc.), och aktinider som U+3. Jonernas energinivåer är bara ansvariga för genereringen. Basmaterialets fysikaliska egenskaper, såsom värmeledningsförmåga och termisk expansion, är väsentliga för effektiv laserdrift. Arrangemanget av gitteratomer runt en dopad jon förändrar dess energinivåer. Olika genereringsvåglängder i det aktiva mediet uppnås genom att dopa olika material med samma jon.
Holmium laser
Ett exempel på en halvledarlaser är en kvantgenerator, där holmium ersätter en atom av bassubstansen i kristallgittret. Ho:YAG är ett av de bästa generationsmaterialen. Funktionsprincipen för en holmiumlaser är att yttriumaluminiumgranat är dopad med holmiumjoner, optiskt pumpad av en blixtlampa och avger vid en våglängd på 2097 nm i IR-området, vilket absorberas väl av vävnader. Denna laser används för operationer på lederna, vid behandling av tänder, för avdunstning av cancerceller, njurar och gallsten.
Halvledarkvantgenerator
Kvantbrunnslasrar är billiga, massproducerbara och lätta skalbara. Funktionsprincipen för en halvledarlaser är baserad på användningen av en p-n-övergångsdiod, som producerar ljus av en viss våglängd genom bärvågsrekombination vid en positiv förspänning, liknande lysdioder. LED avger spontant, och laserdioder - tvingas. För att uppfylla populationsinversionsvillkoret måste driftströmmen överstiga tröskelvärdet. Det aktiva mediet i en halvledardiod har formen av ett förbindelseområde av två tvådimensionella lager.
Funktionsprincipen för denna typ av laser är sådan att ingen yttre spegel krävs för att upprätthålla svängningar. Den reflektionsförmåga som skapas av skiktens brytningsindex och det aktiva mediets inre reflektion är tillräcklig för detta ändamål. Diodernas ändytor är flisade, vilket säkerställer att de reflekterande ytorna är parallella.
En koppling som bildas av halvledarmaterial av samma typ kallas en homojunction, och en koppling som skapas av en koppling av två olika kallasheterojunction.
P- och n-typhalvledare med hög bärartäthet bildar en p-n-övergång med ett mycket tunt (≈1 µm) utarmningsskikt.
Gaslaser
Funktionsprincipen och användningen av den här typen av laser gör att du kan skapa enheter med nästan vilken effekt som helst (från milliwatt till megawatt) och våglängder (från UV till IR) och låter dig arbeta i pulsade och kontinuerliga lägen. Baserat på naturen hos aktiva medier finns det tre typer av gaskvantgeneratorer, nämligen atomära, joniska och molekylära.
De flesta gaslasrar pumpas med en elektrisk urladdning. Elektronerna i urladdningsröret accelereras av det elektriska fältet mellan elektroderna. De kolliderar med atomer, joner eller molekyler i det aktiva mediet och inducerar en övergång till högre energinivåer för att uppnå ett befolkningstillstånd av inversion och stimulerad emission.
Molecular Laser
En lasers funktionsprincip är baserad på det faktum att, till skillnad från isolerade atomer och joner, har molekyler i atom- och jonkvantgeneratorer breda energiband med diskreta energinivåer. Dessutom har varje elektronisk energinivå ett stort antal vibrationsnivåer, och de har i sin tur flera rotationsnivåer.
Energin mellan elektroniska energinivåer finns i UV och synliga områden av spektrumet, medan mellan vibrations-rotationsnivåerna - i fjärran och nära IRområden. Således fungerar de flesta molekylära kvantgeneratorer i de avlägsna eller nära infraröda områdena.
Excimerlasrar
Excimerer är molekyler som ArF, KrF, XeCl, som har ett separerat grundtillstånd och är stabila på den första nivån. Principen för laserns funktion är som följer. Som regel är antalet molekyler i grundtillståndet litet, så direkt pumpning från grundtillståndet är inte möjlig. Molekyler bildas i det första exciterade elektroniska tillståndet genom att kombinera högenergihalider med inerta gaser. Populationen av inversionen uppnås lätt, eftersom antalet molekyler på basnivån är för litet jämfört med den exciterade. Funktionsprincipen för en laser är kort sagt övergången från ett bundet exciterat elektroniskt tillstånd till ett dissociativt grundtillstånd. Populationen i grundtillståndet förblir alltid på en låg nivå, eftersom molekylerna vid denna tidpunkt dissocierar till atomer.
Anordningen och principen för lasrars funktion är att urladdningsröret är fyllt med en blandning av halogenid (F2) och sällsynt jordartsmetallgas (Ar). Elektronerna i den dissocierar och joniserar halogenidmolekyler och skapar negativt laddade joner. Positiva joner Ar+ och negativa F- reagerar och producerar ArF-molekyler i det första exciterade bundna tillståndet med deras efterföljande övergång till det repulsiva bastillståndet och generering av koherent strålning. Excimerlasern, principen för drift och tillämpning som vi nu överväger, kan användas för att pumpaaktivt medium på färgämnen.
Flytande laser
Jämfört med fasta ämnen är vätskor mer homogena och har en högre täthet av aktiva atomer än gaser. Utöver detta är de lätta att tillverka, möjliggör enkel värmeavledning och kan enkelt bytas ut. Laserns funktionsprincip är att använda organiska färgämnen som ett aktivt medium, såsom DCM (4-dicyanometylen-2-metyl-6-p-dimetylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben, etc. …, löst i ett lämpligt lösningsmedel. En lösning av färgämnesmolekyler exciteras av strålning vars våglängd har en bra absorptionskoefficient. Principen för laserns funktion är kort sagt att generera vid en längre våglängd, kallad fluorescens. Skillnaden mellan absorberad energi och emitterade fotoner används av icke-strålande energiövergångar och värmer upp systemet.
Det bredare fluorescensbandet för vätskekvantgeneratorer har en unik egenskap - våglängdsinställning. Funktionsprincipen och användningen av denna typ av laser som en avstämbar och koherent ljuskälla blir allt viktigare i spektroskopi, holografi och biomedicinska tillämpningar.
Nyligen har färgämneskvantgeneratorer använts för isotopseparation. I det här fallet exciterar lasern selektivt en av dem, vilket får dem att gå in i en kemisk reaktion.
