První princip laseru, jehož fyzikana základě zákona Planckova záření, teoreticky odůvodněného Einsteinem v roce 1917. Popisoval absorpční, spontánní a stimulované elektromagnetické záření pomocí koeficientů pravděpodobnosti (Einsteinovy koeficienty).
Теодор Мейман был первым, кто продемонстрировал princip činnosti ruby laseru založeného na optickém čerpání za použití zábleskové lampy syntetického ruby, která produkovala pulzní koherentní záření s vlnovou délkou 694 nm.
V roce 1960 vytvořili íránští vědci Javan a Bennett první generátor kvantového plynu pomocí směsi plynů He a Ne v poměru 1:10.
V roce 1962 R. N.Hall předvedl první diodový laser gallium arsenid (GaAs) emitující vlnovou délku 850 nm. Pozdnější ten rok, Nick Golonyak vyvinul první polovodičový kvantový generátor viditelného světla.
Каждая лазерная система состоит из активной médium umístěné mezi dvojicí opticky paralelních a vysoce reflexních zrcadel, z nichž jedno je průsvitné, a zdroj energie pro jeho čerpání. Zesilujícím médiem může být pevná látka, kapalina nebo plyn, které mají vlastnost zesílení amplitudy procházející světelné vlny, stimulované zářením elektrickým nebo optickým čerpáním. Látka je umístěna mezi dvojice zrcadel takovým způsobem, aby v nich světlo vždy odražené odráželo a po dosažení výrazného zesílení proniklo přes průsvitné zrcadlo.
Podívejme se na princip činnosti laseru s aktivním médiem, jehož atomy mají pouze dvě energetické úrovně: vzrušený E2 a základna E1... Pokud jsou atomy excitovány jakýmkoli čerpacím mechanismem (optický, elektrický výboj, přenos proudu nebo bombardování elektrony) do stavu E2, pak se za pár nanosekund vrátí do hlavní polohy a emitují fotony energie hν = E2 - E1... Podle Einsteinovy teorie je emise produkovánadvěma různými způsoby: buď je indukován fotonem, nebo se děje spontánně. V prvním případě dochází ke stimulované emisi a ve druhém ke spontánní emisi. V tepelné rovnováze je pravděpodobnost stimulované emise mnohem nižší než pravděpodobnost spontánní (1:1033); proto je většina běžných světelných zdrojů nekoherentní a lasing je možný za jiných podmínek, než je tepelná rovnováha.
I s velmi silným čerpáním populacedvoustupňové systémy lze vyrovnat. K dosažení inverze populace optickými nebo jinými metodami čerpání jsou proto vyžadovány tří- nebo čtyřúrovňové systémy.
Jaký je pracovní princip tříúrovňového laseru? Ozáření intenzivním světelným paprskem ν02 pumpuje velké množství atomů z nejnižší energetické úrovně E0 na horní E2... Nonraditive přechod atomů s E2 prst1 nastaví inverzi populace mezi E1 a E0, což je v praxi možné pouze tehdy, když jsou atomy v metastabilním stavu E1, a přechod od E2 prst1 se děje rychle. Princip činnosti tříúrovňového laseru je splnění těchto podmínek, díky nimž mezi E0 a E1 je dosaženo inverze populace a fotony jsou zesíleny energií E1-E0 indukované záření. Širší úroveň E2 by mohl zvýšit absorpční rozsah vlnových délek pro účinnější čerpání, což by vedlo ke zvýšení stimulované emise.
Třístupňový systém vyžaduje velmi vysokou úroveňvýkon čerpadla, protože nižší úroveň zapojená do výroby je základní. V tomto případě, aby došlo k inverzi populace, do stavu E1 více než polovina z celkového množství by měla být čerpánapočet atomů. To je zbytečná energie. Výkon čerpadla může být významně snížen, pokud nižší úroveň výroby není základní, což vyžaduje alespoň čtyřúrovňový systém.
V závislosti na povaze účinné látkylasery spadají do tří hlavních kategorií, a to pevné, kapalné a plynné. Od roku 1958, kdy byla poprvé pozorována pěna v rubínovém křišťálu, studovali vědci a výzkumníci v každé kategorii širokou škálu materiálů.
Princip činnosti je založen na použití aktivního média, které se vytvoří přidáním přechodného kovu (Ti+3, Cr+3, V+2Co+2, Ni+2, Fe+2atd.), ionty vzácných zemin (Ce+3, Pr+3, Nd+3, Pm+3, Cm+2, Eu+ 2, + 3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3atd.) a aktinidy jako U+3... Energetické úrovně iontů jsou zodpovědné pouze zagenerace. Fyzické vlastnosti základního materiálu, jako je tepelná vodivost a tepelná roztažnost, jsou nezbytné pro efektivní výkon laseru. Uspořádání atomů mřížky kolem dotovaného iontu mění její energetické hladiny. Různých vlnových délek v aktivním médiu se dosahuje dotováním různých materiálů stejným iontem.
Příkladem laseru v pevné fázi je kvantumgenerátor, ve kterém holmium nahrazuje atom základní látky krystalové mřížky. Ho: YAG je jedním z nejlepších materiálů generace. Princip činnosti holmiového laseru spočívá v tom, že hliníkový granát yttria je dopován holmiovými ionty, opticky čerpán zábleskovou lampou a emituje při vlnové délce 2097 nm v infračerveném rozsahu, který je dobře absorbován tkání. Tento laser se používá při operacích kloubů při zubním ošetření, odpařování rakovinných buněk, ledvin a žlučových kamenů.
Kvantové lasery jsou levné, dovoltehromadná výroba a snadné měřítko. Princip činnosti polovodičového laseru je založen na použití diody p-n-junction, která produkuje světlo specifické vlnové délky rekombinací nosiče při pozitivním zkreslení, podobně jako u LED. LED diody vyzařují spontánně, zatímco laserové diody vyzařují nuceně. Pro splnění podmínky inverze populace musí provozní proud překročit prahovou hodnotu. Aktivní médium v polovodičové diodě má formu spojovací oblasti dvou dvourozměrných vrstev.
Princip fungování tohoto typu laseru je takový, žepro udržení vibrací není nutné žádné vnější zrcátko. Pro tento účel postačuje odrazivost vytvořená indexem lomu vrstev a vnitřním odrazem aktivního média. Koncové povrchy diod jsou odštípnuté, což zajišťuje, že reflexní povrchy jsou rovnoběžné.
Sloučenina tvořená polovodičovými materiály stejného typu se nazývá homojunction a ta, která se vytvoří spojením dvou různých, se nazývá heterojunction.
Polovodiče typů p a n s vysokou nosnou hustotou tvoří pn spojení s velmi tenkou (≈1 μm) vyčerpávající vrstvou.
Princip fungování a použití tohoto laserutype vám umožňuje vytvářet zařízení téměř jakéhokoli výkonu (od milliwattů po megawatty) a vlnových délek (od UV po IR) a umožňuje vám pracovat v pulzním a kontinuálním režimu. Na základě povahy aktivního média se rozlišují tři typy plynových kvantových generátorů, jmenovitě atomové, iontové a molekulární.
Většina plynových laserů je čerpánaelektrický výboj. Elektrony ve výbojce jsou urychlovány elektrickým polem mezi elektrodami. Sráží se s atomy, ionty nebo molekulami aktivního média a indukují přechod na vyšší energetické hladiny, aby se dosáhlo stavu inverze populace a stimulované emise.
Princip laserového provozu je založen na skutečnosti, že vNa rozdíl od izolovaných atomů a iontů mají molekuly v atomových a iontových kvantových generátorech široká energetická pásma diskrétních energetických hladin. V tomto případě má každá úroveň elektronické energie velký počet vibračních úrovní a ty zase mají několik rotačních.
Energie mezi elektronickou energiíÚrovně jsou v UV a viditelných oblastech spektra, zatímco mezi vibračně-rotačními úrovněmi - ve vzdálených a blízkých infračervených oblastech. Většina molekulárních kvantových generátorů tedy pracuje ve vzdálených nebo blízkých infračervených oblastech.
Excimery jsou molekuly jako napřArF, KrF, XeCl, které mají oddělený základní stav a jsou stabilní na první úrovni. Princip laseru je následující. Počet molekul v základním stavu je zpravidla malý; přímé čerpání ze základního stavu proto není možné. Molekuly se tvoří v prvním excitovaném elektronovém stavu kombinací vysokoenergetických halogenidů s inertními plyny. Populační inverze je snadno dosažitelná, protože počet molekul na základní linii je ve srovnání s excitovanou příliš malý. Princip fungování laseru zkrátka spočívá v přechodu z vázaného excitovaného elektronického stavu do disociačního základního stavu. Populace v základním stavu vždy zůstává na nízké úrovni, protože molekuly v tomto bodě disociují na atomy.
Zařízení a princip činnosti laserů spočívá v tom, že výbojka je naplněna směsí halogenidů (F2) a plyn vzácných zemin (Ar). Elektrony v něm disociují a ionizují halogenidové molekuly a vytvářejí záporně nabité ionty. Ar kladné ionty+ a negativní F- reagovat a produkovat molekuly ArF v prvníexcitovaný vázaný stav s jejich následným přechodem do odpudivého základního stavu a generování koherentního záření. Excimerový laser, jehož princip provozu a aplikace nyní zvažujeme, lze použít k čerpání aktivního média na bázi barviv.
Ve srovnání s pevnými látkami, kapalinamijsou homogennější a mají vyšší hustotu aktivních atomů než plyny. Kromě toho není obtížné je vyrobit, umožňují snadný odvod tepla a lze je snadno vyměnit. Principem činnosti laseru je použití organických barviv jako aktivního média, jako je DCM (4-dikyanomethylen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, kumarin, stilben atd. , rozpuštěný ve vhodném rozpouštědle. Roztok molekul barviva je excitován zářením, jehož vlnová délka má dobrý absorpční koeficient. Principem laserového provozu je zkrátka generování na delší vlnové délce, která se nazývá fluorescence. Rozdíl mezi absorbovanou energií a emitovanými fotony je využíván neradiačními energetickými přechody a zahřívá systém.
Širší fluorescenční pás kapalinykvantové generátory mají jedinečnou vlastnost - ladění vlnové délky. Princip činnosti a použití tohoto typu laseru jako laditelného a koherentního zdroje světla získává stále větší význam ve spektroskopii, holografii a biomedicínských aplikacích.
V poslední době se pro separaci izotopů používají kvantové generátory barviv. V tomto případě laser selektivně excituje jeden z nich a přiměje jej, aby vstoupil do chemické reakce.
