Η πρώτη αρχή της δράσης λέιζερ, η φυσική της οποίαςβασίστηκε στον νόμο ακτινοβολίας του Planck, που τεκμηριώθηκε θεωρητικά από τον Αϊνστάιν το 1917. Περιέγραψε την απορρόφηση, την αυθόρμητη και διεγερμένη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας συντελεστές πιθανότητας (συντελεστές Einstein).
Ο Θεόδωρος Μάιμαν ήταν ο πρώτος που διαδήλωσεη αρχή της λειτουργίας ενός ρουμπινιού λέιζερ, που βασίζεται σε οπτική άντληση με μια συνθετική λάμπα ρουμπίνι, η οποία παρήγαγε παλμική συνεκτική ακτινοβολία με μήκος κύματος 694 nm.
Το 1960, οι Ιρανοί επιστήμονες Javan και Bennett δημιούργησαν την πρώτη γεννήτρια κβαντικών αερίων χρησιμοποιώντας ένα μείγμα αερίων He και Ne σε αναλογία 1:10.
Το 1962 ο R.N.Ο Hall παρουσίασε το πρώτο λέιζερ διόδων αρσενιδίου γαλλίου (GaAs), που εκπέμπει στα 850 nm. Αργότερα εκείνο το έτος, ο Nick Golonyak ανέπτυξε την πρώτη γεννήτρια κβαντικών ημιαγωγών για ορατό φως.
Κάθε σύστημα λέιζερ αποτελείται από ένα ενεργόένα μέσο τοποθετημένο μεταξύ ενός ζεύγους οπτικά παράλληλων και εξαιρετικά ανακλαστικών καθρεπτών, ένα εκ των οποίων είναι ημιδιαφανές, και μια πηγή ενέργειας για την άντλησή του. Το μέσο ενίσχυσης μπορεί να είναι ένα στερεό, υγρό ή αέριο, το οποίο έχει την ιδιότητα ενίσχυσης του πλάτους του κύματος φωτός που διέρχεται μέσω αυτού μέσω διεγερμένης εκπομπής με ηλεκτρική ή οπτική άντληση. Η ουσία τοποθετείται μεταξύ ενός ζεύγους καθρεφτών με τέτοιο τρόπο ώστε το φως που αντανακλάται σε αυτά να το περνά κάθε φορά και, έχοντας επιτύχει σημαντική ενίσχυση, διεισδύει μέσω ενός ημιδιαφανή καθρέφτη.
Ας εξετάσουμε την αρχή της λειτουργίας ενός λέιζερ με ένα ενεργό μέσο, τα άτομα του οποίου έχουν μόνο δύο επίπεδα ενέργειας: διεγερμένο E2 και βάση Ε1... Εάν τα άτομα διεγείρονται από οποιονδήποτε μηχανισμό άντλησης (οπτική, ηλεκτρική εκφόρτιση, μετάδοση ρεύματος ή βομβαρδισμό ηλεκτρονίων) στην κατάσταση E2, μετά από μερικά νανοδευτερόλεπτα θα επιστρέψουν στην κύρια θέση, εκπέμποντας φωτόνια ενέργειας hν = E2 - Ε1... Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, η εκπομπή παράγεταιμε δύο διαφορετικούς τρόπους: είτε προκαλείται από ένα φωτόνιο, είτε συμβαίνει αυθόρμητα. Στην πρώτη περίπτωση, προκύπτει διεγερμένη εκπομπή, και στη δεύτερη, αυθόρμητη εκπομπή. Στη θερμική ισορροπία, η πιθανότητα διέγερσης εκπομπών είναι πολύ χαμηλότερη από αυτήν της αυθόρμητης (1:1033Επομένως, οι περισσότερες συνηθισμένες πηγές φωτός είναι ασυνεπείς, και το λέιζερ είναι δυνατό σε συνθήκες διαφορετικές από τη θερμική ισορροπία.
Ακόμη και με πολύ ισχυρή άντληση, ο πληθυσμόςσυστήματα δύο επιπέδων μπορούν να γίνουν ίσα. Επομένως, για να επιτευχθεί αναστροφή πληθυσμού με οπτικές ή άλλες μεθόδους άντλησης, απαιτούνται συστήματα τριών ή τεσσάρων επιπέδων.
Ποια είναι η αρχή της λειτουργίας ενός λέιζερ τριών επιπέδων; Ακτινοβολία με έντονο φως συχνότητας ν02 αντλεί μεγάλο αριθμό ατόμων από το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας Ε0 στο άνω Ε2... Μη ακτινοβολία μετάβαση ατόμων με Ε2 δάχτυλο του ποδιού1 ορίζει την αναστροφή του πληθυσμού μεταξύ Ε1 και Ε0, το οποίο στην πράξη είναι δυνατό μόνο όταν τα άτομα βρίσκονται σε κατάσταση μετάστασης για μεγάλο χρονικό διάστημα Ε1, και η μετάβαση από το Ε2 δάχτυλο του ποδιού1 συμβαίνει γρήγορα. Η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ τριών επιπέδων είναι η εκπλήρωση αυτών των προϋποθέσεων, λόγω των οποίων μεταξύ Ε0 και Ε1 επιτυγχάνεται αναστροφή πληθυσμού και τα φωτόνια ενισχύονται με ενέργεια Ε1-ΜΙ0 επαγόμενη ακτινοβολία. Ευρύτερο επίπεδο Ε2 θα μπορούσε να αυξήσει το εύρος απορρόφησης των μηκών κύματος για πιο αποτελεσματική άντληση, με αποτέλεσμα την αύξηση των διεγερμένων εκπομπών.
Το σύστημα τριών επιπέδων απαιτεί πολύ υψηλόισχύ αντλίας, δεδομένου ότι το χαμηλότερο επίπεδο που εμπλέκεται στην παραγωγή είναι το βασικό. Σε αυτήν την περίπτωση, προκειμένου να συμβεί η αναστροφή του πληθυσμού, στην κατάσταση Ε1 περισσότερο από το ήμισυ του συνόλου πρέπει να αντλείταιο αριθμός των ατόμων Αυτή είναι σπατάλη ενέργειας. Η ισχύς της αντλίας μπορεί να μειωθεί σημαντικά εάν το επίπεδο χαμηλότερης γενιάς δεν είναι βασικό, πράγμα που απαιτεί τουλάχιστον ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων.
Ανάλογα με τη φύση της δραστικής ουσίας,Τα λέιζερ εμπίπτουν σε τρεις κύριες κατηγορίες, δηλαδή στερεά, υγρά και αέρια. Από το 1958, όταν το lasing παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε έναν ρουμπίνι, επιστήμονες και ερευνητές έχουν μελετήσει μια μεγάλη ποικιλία υλικών σε κάθε κατηγορία.
Η αρχή της λειτουργίας βασίζεται στη χρήση ενός ενεργού μέσου, το οποίο σχηματίζεται με την προσθήκη ενός μετάλλου μετάβασης (Ti+3, Cr+3, V+2, Συν+2Νι+2, Fe+2, κλπ.), σπάνια ιόντα γης (Ce+3, Pr+3Νδ+3, Μετα μεσημβριας+3, Sm+2, ΕΕ+ 2, + 3, Tb+3Ντι+3Χο+3Ερ+3, Yb+3, κ.λπ.), και ακτινίδια όπως U+3... Τα ενεργειακά επίπεδα των ιόντων είναι υπεύθυνα μόνο γιαγενιά. Οι φυσικές ιδιότητες του βασικού υλικού, όπως η θερμική αγωγιμότητα και η θερμική διαστολή, είναι απαραίτητες για αποτελεσματική απόδοση λέιζερ. Η διάταξη των ατόμων πλέγματος γύρω από το ενισχυμένο ιόν αλλάζει τα επίπεδα ενέργειας. Διαφορετικά μήκη κύματος λέιζερ στο ενεργό μέσο επιτυγχάνονται με προσβολή διαφορετικών υλικών με το ίδιο ιόν.
Ένα παράδειγμα λέιζερ στερεάς κατάστασης είναι ένα κβαντικόμια γεννήτρια στην οποία το όλμιο αντικαθιστά ένα άτομο της βασικής ουσίας του κρυσταλλικού πλέγματος. Ho: Το YAG είναι ένα από τα καλύτερα υλικά παραγωγής. Η αρχή της λειτουργίας ενός λέιζερ holmium είναι ότι ο γρανάτης υττρίου αλουμινίου προσβάλλεται με ιόντα holmium, οπτικά αντλείται από μια λάμπα φλας και εκπέμπει σε μήκος κύματος 2097 nm στην περιοχή υπερύθρων, η οποία απορροφάται καλά από τους ιστούς. Αυτό το λέιζερ χρησιμοποιείται για χειρουργικές επεμβάσεις στις αρθρώσεις, στην οδοντιατρική θεραπεία, για την εξάτμιση καρκινικών κυττάρων, νεφρών και χολόλιθων.
Τα λέιζερ κβαντικών φρεατίων είναι φθηνά, επιτρέψτεμαζική παραγωγή και εύκολη κλίμακα. Η αρχή της λειτουργίας ενός λέιζερ ημιαγωγών βασίζεται στη χρήση μιας διόδου σύνδεσης pn, η οποία παράγει φως συγκεκριμένου μήκους κύματος ανασυνδυάζοντας τον φορέα με θετική πόλωση, παρόμοια με τα LED. Τα LED εκπέμπουν αυθόρμητα, ενώ οι δίοδοι λέιζερ εκπέμπουν αναγκαστικά. Για να εκπληρωθεί ο όρος της αναστροφής του πληθυσμού, το ρεύμα λειτουργίας πρέπει να υπερβαίνει την τιμή κατωφλίου. Το ενεργό μέσο σε μια δίοδο ημιαγωγού έχει τη μορφή συνδετικής περιοχής δύο δισδιάστατων στρωμάτων.
Η αρχή λειτουργίας αυτού του τύπου λέιζερ είναι τέτοια πουΔεν απαιτείται εξωτερικός καθρέφτης για τη διατήρηση κραδασμών. Η ανακλαστικότητα που δημιουργείται από τον δείκτη διάθλασης των στρωμάτων και την εσωτερική ανάκλαση του ενεργού μέσου είναι επαρκής για το σκοπό αυτό. Οι ακραίες επιφάνειες των διόδων είναι πελεκημένες, διασφαλίζοντας ότι οι ανακλαστικές επιφάνειες είναι παράλληλες.
Μια ένωση που σχηματίζεται από υλικά ημιαγωγών του ίδιου τύπου ονομάζεται homojunction και μία που δημιουργείται με σύνδεση δύο διαφορετικών ονομάζεται heterojunction.
Οι ημιαγωγοί των τύπων p και n με υψηλή πυκνότητα φορέα σχηματίζουν έναν σύνδεσμο pn με ένα πολύ λεπτό (≈1 μm) στρώμα εξάντλησης.
Η αρχή της λειτουργίας και η χρήση αυτού του λέιζερΟ τύπος σάς επιτρέπει να δημιουργείτε συσκευές σχεδόν οποιασδήποτε ισχύος (από milliwatts έως megawatts) και μήκους κύματος (από UV έως IR) και σας επιτρέπει να εργάζεστε σε παλμικούς και συνεχείς τρόπους. Με βάση τη φύση των ενεργών μέσων, διακρίνονται τρεις τύποι κβαντικών γεννητριών αερίων, δηλαδή ατομικοί, ιοντικοί και μοριακοί.
Τα περισσότερα λέιζερ αερίου αντλούνταιηλεκτρική εκκένωση. Τα ηλεκτρόνια στο σωλήνα εκφόρτισης επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων. Συγκρούονται με άτομα, ιόντα ή μόρια του ενεργού μέσου και προκαλούν μετάβαση σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας για την επίτευξη της κατάστασης της αναστροφής του πληθυσμού και της διεγερμένης εκπομπής.
Η αρχή της λειτουργίας του λέιζερ βασίζεται στο γεγονός ότι, στοΣε αντίθεση με τα απομονωμένα άτομα και τα ιόντα, τα μόρια στις ατομικές και ιοντικές κβαντικές γεννήτριες έχουν ευρείες ενεργειακές ζώνες διακριτών ενεργειακών επιπέδων. Σε αυτήν την περίπτωση, κάθε ηλεκτρονικό επίπεδο ενέργειας έχει μεγάλο αριθμό δονητικών επιπέδων και αυτά, με τη σειρά τους, έχουν αρκετά περιστροφικά επίπεδα.
Ενέργεια μεταξύ ηλεκτρονικής ενέργειαςΤα επίπεδα βρίσκονται στην υπεριώδη ακτινοβολία και στις ορατές περιοχές του φάσματος, ενώ μεταξύ των επιπέδων δόνησης-περιστροφής - στις ακραίες και πλησίον υπέρυθρες περιοχές Έτσι, οι περισσότερες μοριακές γεννήτριες κβαντικών λειτουργούν στις απομακρυσμένες ή κοντά στις υπέρυθρες περιοχές.
Τα διεγέρτες είναι μόρια όπωςArF, KrF, XeCl, τα οποία έχουν χωριστή κατάσταση εδάφους και είναι σταθερά στο πρώτο επίπεδο. Η αρχή του λέιζερ έχει ως εξής. Κατά κανόνα, ο αριθμός των μορίων στην κατάσταση του εδάφους είναι μικρός, επομένως δεν είναι δυνατή η άμεση άντληση από την κατάσταση του εδάφους. Τα μόρια σχηματίζονται σε μια πρώτη διεγερμένη ηλεκτρονική κατάσταση συνδυάζοντας αλογονίδια υψηλής ενέργειας με αδρανή αέρια. Η αναστροφή του πληθυσμού επιτυγχάνεται εύκολα επειδή ο αριθμός των μορίων στη γραμμή βάσης είναι πολύ μικρός σε σύγκριση με τον διεγερμένο. Η αρχή της λειτουργίας ενός λέιζερ, εν συντομία, συνίσταται στη μετάβαση από μια δεσμευμένη ηλεκτρονική κατάσταση διέγερσης σε μια κατάσταση αποσύνδεσης. Ο πληθυσμός στην κατάσταση του εδάφους παραμένει πάντα σε χαμηλό επίπεδο, επειδή μόρια σε αυτό το σημείο αποσυνδέονται σε άτομα.
Η διάταξη και η αρχή λειτουργίας των λέιζερ είναι ότι ο σωλήνας εκκένωσης γεμίζει με ένα μείγμα αλογονιδίου (F2) και το αέριο σπάνιων γαιών (Ar). Τα ηλεκτρόνια σε αυτό διαχωρίζονται και ιοντίζουν τα μόρια αλογονιδίου και δημιουργούν αρνητικά φορτισμένα ιόντα. Είναι θετικά ιόντα+ και αρνητικό F- αντιδρά και παράγει μόρια ArF στο πρώτοδιεγερμένη δεσμευμένη κατάσταση με την επακόλουθη μετάβαση σε απωστική κατάσταση βάσης και παραγωγή συνεκτικής ακτινοβολίας. Ένα λέιζερ excimer, η αρχή λειτουργίας και εφαρμογής του οποίου εξετάζουμε τώρα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άντληση ενός ενεργού μέσου με βάση βαφές.
Σε σύγκριση με στερεά, υγράείναι πιο ομοιογενή και έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ενεργών ατόμων από τα αέρια. Επιπλέον, δεν είναι δύσκολο να κατασκευαστούν, επιτρέπουν εύκολη απαγωγή θερμότητας και μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν. Η αρχή της λειτουργίας λέιζερ είναι η χρήση οργανικών χρωστικών ως δραστικό μέσο, όπως DCM (4-δικυανομεθυλενο-2-μεθυλο-6-ρ-διμεθυλαμινοστυρυλο-4Η-πυράνιο), ροδαμίνη, στυρύλιο, LDS, κουμαρίνη, στιλβένιο κ.λπ. , διαλυμένο σε κατάλληλο διαλύτη. Ένα διάλυμα μορίων βαφής διεγείρεται από ακτινοβολία της οποίας το μήκος κύματος έχει καλό συντελεστή απορρόφησης. Η αρχή της λειτουργίας ενός λέιζερ, εν συντομία, είναι η παραγωγή σε μεγαλύτερο μήκος κύματος, που ονομάζεται φθορισμός. Η διαφορά μεταξύ απορροφούμενης ενέργειας και εκπεμπόμενων φωτονίων αξιοποιείται από μεταβολές ενέργειας χωρίς ακτινοβολία και θερμαίνει το σύστημα.
Ευρύτερο εύρος ζώνης φθορισμού υγρούοι κβαντικές γεννήτριες έχουν ένα μοναδικό χαρακτηριστικό - συντονισμό μήκους κύματος. Η αρχή της λειτουργίας και η χρήση αυτού του τύπου λέιζερ ως συντονιζόμενης και συνεκτικής πηγής φωτός γίνεται όλο και πιο σημαντική σε φασματοσκοπία, ολογραφία και βιοϊατρικές εφαρμογές.
Πρόσφατα, οι κβαντικές γεννήτριες βαφής έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται για διαχωρισμό ισοτόπων. Σε αυτήν την περίπτωση, το λέιζερ διεγείρει επιλεκτικά ένα από αυτά, ωθώντας το να εισέλθει σε χημική αντίδραση.
