Pirmo lāzera principu, kura fizikas pamatā bija Planka starojuma likums, Einšteins teorētiski pamatoja 1917. gadā. Viņš aprakstīja absorbciju, spontānu un stimulētu elektromagnētisko starojumu, izmantojot varbūtības koeficientus (Einšteina koeficientus).
Pionieri
Teodors Meimans pirmais demonstrēja rubīna lāzera darbības principu, kura pamatā ir sintētiskā rubīna optiskā sūknēšana ar zibspuldzi, kas radīja impulsu koherentu starojumu ar viļņa garumu 694 nm.
1960. gadā Irānas zinātnieki Džavans un Benets izveidoja pirmo gāzes kvantu ģeneratoru, izmantojot He un Ne gāzu maisījumu attiecībā 1:10.
1962. gadā RN Hols demonstrēja pirmo gallija arsenīda (GaAs) diodes lāzeru, kas izstaro ar viļņa garumu 850 nm. Vēlāk tajā pašā gadā Niks Golonjaks izstrādāja pirmo pusvadītāju redzamās gaismas kvantu ģeneratoru.
Lāzeru dizains un darbības princips
Katra lāzera sistēma sastāv no ievietotas aktīvās videsstarp optiski paralēlu un ļoti atstarojošu spoguļu pāri, no kuriem viens ir caurspīdīgs, un enerģijas avotu tā sūknēšanai. Pastiprināšanas vide var būt cieta, šķidra vai gāze, kurai ir īpašība pastiprināt gaismas viļņa amplitūdu, kas iet caur to ar stimulētu emisiju ar elektrisku vai optisku sūknēšanu. Viela tiek novietota starp spoguļu pāriem tā, lai tajos atstarotā gaisma katru reizi izietu cauri un, sasniegusi ievērojamu pastiprinājumu, iekļūst caurspīdīgā spogulī.
Divu līmeņu vides
Apskatīsim lāzera darbības principu ar aktīvo vidi, kuras atomiem ir tikai divi enerģijas līmeņi: ierosinātais E2 un pamata E1 . Ja atomus ierosina stāvoklī E2 ar jebkuru sūknēšanas mehānismu (optisko, elektrisko izlādi, strāvas pārvadi vai elektronu bombardēšanu), tad pēc dažām nanosekundēm tie atgriezīsies zemes pozīcijā, izstarojot fotonus. enerģijas hν=E 2 - E1. Saskaņā ar Einšteina teoriju emisija tiek radīta divos dažādos veidos: vai nu to izraisa fotons, vai arī tā notiek spontāni. Pirmajā gadījumā notiek stimulēta emisija, bet otrajā - spontāna emisija. Termiskā līdzsvara apstākļos stimulētās emisijas iespējamība ir daudz mazāka nekā spontānas emisijas (1:1033), tāpēc lielākā daļa parasto gaismas avotu ir nesakarīgi, un lāzera ģenerēšana ir iespējama citos apstākļos, nevis termiski. līdzsvars.
Pat ar ļoti spēcīgusūknēšana, divu līmeņu sistēmu populāciju var padarīt tikai vienādu. Tāpēc ir nepieciešamas trīs vai četru līmeņu sistēmas, lai panāktu populācijas inversiju ar optiskām vai citām sūknēšanas metodēm.
Daudzlīmeņu sistēmas
Kāds ir trīs līmeņu lāzera darbības princips? Apstarošana ar intensīvu gaismas frekvenci ν02 sūknē lielu skaitu atomu no zemākā enerģijas līmeņa E0 līdz augstākajam enerģijas līmenim E 2. Neradiatīvā atomu pāreja no E2 uz E1 nosaka populācijas inversiju starp E1 un E 0 , kas praksē iespējams tikai tad, kad atomi ilgstoši atrodas metastabilā stāvoklī E1, un pāreja no E2uz E 1 iet ātri. Trīslīmeņu lāzera darbības princips ir izpildīt šos nosacījumus, kuru dēļ starp E0 un E1 tiek panākta populācijas inversija un fotoni. tiek pastiprināti ar enerģijas E 1-E0 izraisīto emisiju. Plašāks E2 līmenis varētu palielināt viļņa garuma absorbcijas diapazonu efektīvākai sūknēšanai, kā rezultātā palielinās stimulētā emisija.
Trīs līmeņu sistēmai ir nepieciešama ļoti liela sūkņa jauda, jo ģenerēšanā iesaistītais zemākais līmenis ir pamata līmenis. Šajā gadījumā, lai notiktu populācijas inversija, vairāk nekā puse no kopējā atomu skaita ir jāpārsūknē stāvoklī E1. To darot, tiek tērēta enerģija. Sūknēšanas jauda var būt ievērojamasamazināt, ja zemākais paaudzes līmenis nav pamata līmenis, kam nepieciešama vismaz četru līmeņu sistēma.
Atkarībā no aktīvās vielas īpašībām lāzeri tiek iedalīti trīs galvenajās kategorijās, proti, cietie, šķidrie un gāzveida lāzeri. Kopš 1958. gada, kad lāzerēšana pirmo reizi tika novērota rubīna kristālā, zinātnieki un pētnieki ir pētījuši dažādus materiālus katrā kategorijā.
Cietvielu lāzers
Darbības princips ir balstīts uz aktīvās vides izmantošanu, kas veidojas, pievienojot izolācijas kristāla režģim pārejas grupas metālu (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 utt.), retzemju joni (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 utt.), un aktinīdi, piemēram, U+3. Jonu enerģijas līmenis ir atbildīgs tikai par ģenerēšanu. Pamatmateriāla fizikālās īpašības, piemēram, siltumvadītspēja un siltuma izplešanās, ir būtiskas efektīvai lāzera darbībai. Režģa atomu izvietojums ap leģētu jonu maina tā enerģijas līmeni. Dažādi ģenerēšanas viļņu garumi aktīvajā vidē tiek sasniegti, dažādus materiālus leģējot ar vienu un to pašu jonu.
Holmija lāzers
Cietvielu lāzera piemērs ir kvantu ģenerators, kurā holmijs aizstāj kristāla režģa pamatvielas atomu. Ho:YAG ir viens no labākajiem paaudzes materiāliem. Holmija lāzera darbības princips ir tāds, ka itrija alumīnija granāts ir leģēts ar holmija joniem, optiski sūknēts ar zibspuldzes palīdzību un izstaro ar viļņa garumu 2097 nm IR diapazonā, ko labi absorbē audi. Šo lāzeru izmanto locītavu operācijām, zobu ārstēšanā, vēža šūnu, nieru un žultsakmeņu iztvaicēšanai.
Pusvadītāju kvantu ģenerators
Kvantu aku lāzeri ir lēti, masveidā ražojami un viegli mērogojami. Pusvadītāju lāzera darbības princips ir balstīts uz p-n savienojuma diodes izmantošanu, kas rada noteikta viļņa garuma gaismu ar nesēja rekombināciju pie pozitīvas novirzes, līdzīgi kā LED. LED izstaro spontāni, un lāzera diodes - piespiedu kārtā. Lai izpildītu populācijas inversijas nosacījumu, darba strāvai jāpārsniedz sliekšņa vērtība. Pusvadītāju diodes aktīvajai videi ir divu divdimensiju slāņu savienojošais apgabals.
Šā tipa lāzera darbības princips ir tāds, ka, lai uzturētu svārstības, nav nepieciešams ārējs spogulis. Šim nolūkam pietiek ar slāņu refrakcijas koeficienta un aktīvās vides iekšējās atstarošanas radīto atstarošanu. Diožu gala virsmas ir šķeldotas, kas nodrošina, ka atstarojošās virsmas ir paralēlas.
Savienojumu, ko veido viena veida pusvadītāju materiāli, sauc par homosavienojumu, un savienojumu, kas izveidots, savienojot divus dažādus, sauc.heterojunction.
P un n tipa pusvadītāji ar augstu nesēja blīvumu veido p-n savienojumu ar ļoti plānu (≈1 µm) noplicināšanas slāni.
Gāzes lāzers
Šāda veida lāzera darbības princips un izmantošana ļauj izveidot ierīces ar gandrīz jebkuru jaudu (no milivatiem līdz megavatiem) un viļņu garumiem (no UV līdz IR) un ļauj strādāt impulsa un nepārtrauktā režīmā. Pamatojoties uz aktīvās vides raksturu, ir trīs veidu gāzes kvantu ģeneratori, proti, atomu, jonu un molekulāri.
Lielākā daļa gāzes lāzeru tiek sūknēti ar elektrisko izlādi. Elektronus izlādes caurulē paātrina elektriskais lauks starp elektrodiem. Tie saduras ar aktīvās vides atomiem, joniem vai molekulām un izraisa pāreju uz augstāku enerģijas līmeni, lai sasniegtu populācijas inversijas stāvokli un stimulētu emisiju.
Molekulārais lāzers
Lāzera darbības princips ir balstīts uz faktu, ka atšķirībā no izolētiem atomiem un joniem molekulām atomu un jonu kvantu ģeneratoros ir plašas diskrētu enerģijas līmeņu enerģijas joslas. Turklāt katram elektroniskajam enerģijas līmenim ir liels skaits vibrāciju līmeņu, un tiem, savukārt, ir vairāki rotācijas līmeņi.
Enerģija starp elektronisko enerģijas līmeņiem atrodas UV un redzamajos spektra apgabalos, savukārt starp vibrācijas-rotācijas līmeņiem - tālajā un tuvajā IRteritorijas. Tādējādi lielākā daļa molekulāro kvantu ģeneratoru darbojas tālajos vai tuvajos infrasarkanajos reģionos.
Eksimērlāzeri
Eksimēri ir molekulas, piemēram, ArF, KrF, XeCl, kurām ir atdalīts pamatstāvoklis un kuras ir stabilas pirmajā līmenī. Lāzera darbības princips ir šāds. Parasti molekulu skaits pamatstāvoklī ir mazs, tāpēc tieša sūknēšana no pamatstāvokļa nav iespējama. Molekulas veidojas pirmajā ierosinātajā elektroniskajā stāvoklī, apvienojot augstas enerģijas halogenīdus ar inertām gāzēm. Inversijas populācija ir viegli sasniedzama, jo molekulu skaits bāzes līmenī ir pārāk mazs, salīdzinot ar ierosināto. Īsāk sakot, lāzera darbības princips ir pāreja no saistītā ierosinātā elektroniskā stāvokļa uz disociatīvu pamata stāvokli. Populācija pamatstāvoklī vienmēr paliek zemā līmenī, jo molekulas šajā brīdī sadalās atomos.
Lāzeru ierīce un darbības princips ir tāds, ka izlādes caurule ir piepildīta ar halogenīdu (F2) un retzemju gāzes (Ar) maisījumu. Tajā esošie elektroni disociē un jonizē halogenīdu molekulas un rada negatīvi lādētus jonus. Pozitīvie joni Ar+ un negatīvie F- reaģē un rada ArF molekulas pirmajā ierosinātajā saistītā stāvoklī ar sekojošu pāreju uz atgrūdošu bāzes stāvokli un veidojot koherents starojums. Sūknēšanai var izmantot eksimēru lāzeru, kura darbības principu un pielietojumu mēs tagad apsveramaktīvā barotne uz krāsvielām.
Šķidrais lāzers
Salīdzinot ar cietām vielām, šķidrumi ir viendabīgāki un tiem ir lielāks aktīvo atomu blīvums nekā gāzēm. Turklāt tos ir viegli izgatavot, tie nodrošina vieglu siltuma izkliedi un tos var viegli nomainīt. Lāzera darbības princips ir izmantot organiskās krāsvielas kā aktīvo vidi, piemēram, DCM (4-dicianometilēn-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-pirāns), rodamīnu, stirilu, LDS, kumarīnu, stilbēnu utt…, izšķīdināts atbilstošā šķīdinātājā. Krāsvielu molekulu šķīdumu ierosina starojums, kura viļņa garumam ir labs absorbcijas koeficients. Īsāk sakot, lāzera darbības princips ir ģenerēt ilgākā viļņa garumā, ko sauc par fluorescenci. Atšķirību starp absorbēto enerģiju un izstarotajiem fotoniem izmanto neradiatīvas enerģijas pārejas, un tā uzsilda sistēmu.
Plašākai šķidro kvantu ģeneratoru fluorescences joslai ir unikāla funkcija - viļņa garuma regulēšana. Darbības princips un šāda veida lāzera kā noskaņojama un koherenta gaismas avota izmantošana kļūst arvien svarīgāka spektroskopijā, hologrāfijā un biomedicīnas lietojumos.
Pēdējā laikā izotopu atdalīšanai tiek izmantoti krāsvielu kvantu ģeneratori. Šajā gadījumā lāzers selektīvi ierosina vienu no tiem, mudinot to iesaistīties ķīmiskā reakcijā.
