עקרון לייזר: תכונות של קרינת לייזר

העיקרון הראשון של הלייזר, שהפיזיקה שלומבוסס על חוק קרינת פלאנק, שאושרה באופן תיאורטי על ידי איינשטיין בשנת 1917. הוא תיאר את הקרינה, הקרינה האלקטרומגנטית הספונטנית והמגורה באמצעות מקדמי הסתברות (מקדמי אינשטיין).

חלוצים

תיאודור מיימן היה הראשון לראווהעקרון הפעולה של לייזר אודם המבוסס על שאיבה אופטית באמצעות מנורת הבזק של אודם סינטטי שהפיק קרינה קוהרנטית פועמת עם אורך גל של 694 ננומטר.

בשנת 1960 יצרו המדענים האיראנים ג'וון ובנט את מחולל קוונטיות הגז הראשון בעזרת תערובת של גזי He ו- Ne ביחס של 1:10.

בשנת 1962 ר 'נ.הול הדגים את לייזר הדיודה הראשון בגליום ארסן (GaAs) שפולט באורך גל של 850 ננומטר. בהמשך אותה שנה פיתח ניק גולוניאק את מחולל האור הקוונטי המוליכים למחצה הראשון.

התקן ועקרון הפעולה של לייזרים

כל מערכת לייזר מורכבת מאקטיבימדיום המוצב בין זוג מראות אופטיות מקבילות ומשקפות במיוחד, שאחת מהן שקופה, ומקור אנרגיה לשאיבתן. אמצעי ההגברה יכול להיות מוצק, נוזל או גז, שיש להם את המאפיין של הגברה של משרעת של גל אור העובר דרכו באמצעות פליטה מעוררת באמצעות שאיבה חשמלית או אופטית. החומר ממוקם בין זוג מראות באופן שהאור המוחזר בהם עובר דרכו בכל פעם, ואחרי שהשיג הגברה משמעותית, חודר דרך מראה שקופה.

סביבות דופלקס

הבה נבחן את עקרון פעולת הלייזר עם מדיום פעיל, שהאטומים שלו בעלי שתי רמות אנרגיה בלבד: E נרגש₂ ובסיסי E₁. אם אטומים המשתמשים במנגנון משאבה כלשהו (פריקה אופטית, פריקה חשמלית, העברת זרם או הפגזת אלקטרונים) נרגשים למצב E₂ואז לאחר מספר ננו-שניות הם יחזרו למצבם העיקרי ויפלטו פוטונים של אנרגיה hν = E₂ - ה₁. על פי התיאוריה של איינשטיין, הפליטה נוצרתבשתי דרכים שונות: או שהוא נוצר על ידי פוטון, או שזה קורה באופן ספונטני. במקרה הראשון פליטה מעוררת מתרחשת, ובשנייה - פליטה ספונטנית. בשיווי משקל תרמי, ההסתברות לפליטה מעוררת נמוכה בהרבה מספונטנית (1:10³³), לפיכך, מרבית מקורות האור המקובלים אינם עקביים, וייצור לייזר אפשרי בתנאים שאינם שיווי משקל תרמי.

אפילו עם שאיבה חזקה מאוד, האוכלוסייהמערכות דו-מפלסיות יכולות להיות שוות רק. לכן, כדי להשיג אוכלוסייה הפוכה בשיטות שאיבה אופטיות או אחרות, נדרשות מערכות שלוש או ארבע מפלסים.

מערכות שכבות

מהו עקרון הפעולה של לייזר בן שלוש דרגות? הקרנה עם אור עז בתדר -₀₂ שואב מספר גדול של אטומים מרמת האנרגיה הנמוכה ביותר E₀ עד E העליון₂. מעבר לא-הערכתי של אטומים עם E₂ ל- E₁ קובע היפוך אוכלוסין בין E₁ ו- E₀, מה שבפועל אפשרי רק כאשר האטומים במצב E גרוע במשך זמן רב_1, ומעבר מ- E₂ ל- E₁ הולך מהר. עיקרון הפעולה של לייזר בן שלוש דרגות הוא מילוי תנאים אלה שבזכותם בין E₀ ו- E₁ היפוך אוכלוסיה מושג ופוטונים מוגברים על ידי אנרגיה E₁-E₀ קרינה מושרה. רמה רחבה E₂ יכול להגדיל את טווח הספיגה של אורכי הגל לשאיבה יעילה יותר, וכתוצאה מכך עלייה בפליטה מעוררת.

מערכת תלת שכבתית דורשת מערכת גבוהה מאודכוח משאבה, מכיוון שהרמה התחתונה שמעורבת בדור היא הבסיס. במקרה זה, כדי להפוך את האוכלוסייה, למדינת ה '₁ צריך לשאוב יותר ממחצית מהסך הכלמספר האטומים. במקרה זה אנרגיה מבוזבזת. ניתן להפחית באופן משמעותי את כוח המשאבה אם רמת הדור התחתון אינה בסיסית, הדורשת לפחות מערכת בעלת ארבע מפלסים.

תלוי באופי החומר הפעיל,לייזרים מתחלקים לשלוש קטגוריות עיקריות, כלומר מוצק, נוזלי וגז. מאז שנת 1958, כאשר נצפה לראשונה דור גבישים אודם, חוקרים וחוקרים חקרו מגוון רחב של חומרים בכל קטגוריה.

לייזר מוצק

עקרון הפעולה מבוסס על שימוש במדיום פעיל, שנוצר על ידי הוספת מתכת מעבר (Ti⁺³, Cr⁺³,V⁺², שיתוף⁺², ני⁺², Fe⁺²וכו'), יוני אדמה נדירים (Ce⁺³, יחסי ציבור⁺³, Nd⁺³, אחר הצהריים⁺³, Sm⁺², אירופה^{+ 2, + 3}, טב⁺³, די⁺³, הו⁺³, אר⁺³, יב⁺³וכו'), ואקטינידים כמו U⁺³... רמות האנרגיה של יונים אחראיות רק עלדוֹר. התכונות הפיזיקליות של חומר הבסיס, כגון מוליכות תרמית והתפשטות תרמית, חיוניות לביצועי לייזר יעילים. סידור האטומים של הסריג סביב היון המסומם משנה את רמות האנרגיה שלו. אורכי גל שונים במדיום הפעיל מושגים על ידי סימום חומרים שונים באותו יון.

לייזר הולמיום

דוגמה ללייזר במצב מוצק הוא קוונטימחולל שבו הולמיום מחליף אטום של החומר הבסיסי של סריג הגביש. Ho: YAG הוא אחד מחומרי הדור הטובים ביותר. עקרון הפעולה של לייזר הולמיום הוא שנופך אלומיניום איטריום מסומם ביוני הולמיום, נשאב אופטית במנורת הבזק ופולט באורך גל של 2097 ננומטר בטווח האינפרא אדום, אשר נספג היטב ברקמות. לייזר זה משמש לניתוחים במפרקים, בטיפולי שיניים, לאידוי תאים סרטניים, כליות ואבני מרה.

מחולל קוונטי מוליכים למחצה

לייזרים באר קוונטים הם זולים, אפשרייצור המוני וקל להרחבה. עקרון הפעולה של לייזר מוליכים למחצה מבוסס על שימוש בדיודה של צומת pn המפיקה אור באורך גל מסוים על ידי שילוב מחדש של הנשא בהטיה חיובית, בדומה לנוריות LED. נוריות LED פולטות באופן ספונטני, בעוד דיודות לייזר פולטות בעוצמה. כדי לעמוד בתנאי היפוך האוכלוסייה, זרם ההפעלה חייב לחרוג מערך הסף. למדיום הפעיל בדיודה מוליכים למחצה יש צורה של אזור חיבור של שתי שכבות דו מימדיות.

עקרון הפעולה של סוג זה של לייזר הוא כזהאין צורך במראה חיצוני כדי לשמור על רעידות. השתקפות הנוצרת ממקדם השבירה של השכבות וההשתקפות הפנימית של המדיום הפעיל מספיקה לשם כך. משטחי הקצה של הדיודות משובצים, מה שמבטיח שהמשטחים הרפלקטיביים מקבילים.

תרכובת שנוצרת על ידי חומרים מוליכים למחצה מאותו סוג נקראת הומוג'נקציה, וזו שנוצרת על ידי חיבור שניים שונים נקראת הטרוצומת.

מוליכים למחצה מסוג p ו-n בעלי צפיפות נושאים גבוהה יוצרים צומת pn עם שכבת דלדול דקה מאוד (≈1 מיקרומטר).

לייזר גז

עקרון הפעולה והשימוש בלייזר זהסוג מאפשר לך ליצור מכשירים כמעט בכל הספק (ממיליוואט ועד מגוואט) ואורכי גל (מ-UV ועד IR) ומאפשר לך לעבוד במצבי פעימה ורציפים. בהתבסס על אופי המדיה הפעילה, נבדלים שלושה סוגים של מחוללי גז קוונטים, כלומר אטומי, יוני ומולקולרי.

רוב לייזר הגז נשאביםפריקה אלקטרונית. האלקטרונים בצינור הפריקה מואצים על ידי השדה החשמלי בין האלקטרודות. הם מתנגשים עם אטומים, יונים או מולקולות של המדיום הפעיל ומעוררים מעבר לרמות אנרגיה גבוהות יותר כדי להשיג את המצב של היפוך אוכלוסיה ופליטות מגורה.

לייזר מולקולרי

עקרון הפעולה של הלייזר מבוסס על העובדה שבשלא כמו אטומים ויונים מבודדים, למולקולות במחוללי קוונטים אטומיים ויונים יש פסי אנרגיה רחבים של רמות אנרגיה נפרדות. יתרה מכך, לכל רמת אנרגיה אלקטרונית יש מספר רב של רמות רטט, ולאלו, בתורן, יש כמה רמות סיבוביות.

אנרגיה בין אנרגיה אלקטרוניתהרמות נמצאות באזורי ה-UV והנראות של הספקטרום, בעוד שבין רמות רטט-סיבוביות - באזורי האינפרא אדום הרחוקים והקרובים. לפיכך, רוב מחוללי הקוונטים המולקולריים פועלים באזורי האינפרא אדום הרחוקים או הקרובים.

לייזר אקסימר

Excimers הם מולקולות כגוןArF, KrF, XeCl, שיש להם מצב קרקע מופרד והם יציבים ברמה הראשונה. העיקרון של הלייזר הוא כדלקמן. ככלל, מספר המולקולות במצב היסוד קטן, ולכן, שאיבה ישירה ממצב הקרקע אינה אפשרית. המולקולות נוצרות במצב אלקטרוני נרגש ראשון על ידי שילוב של הלידים עתירי אנרגיה עם גזים אינרטיים. היפוך אוכלוסייה מושג בקלות מכיוון שמספר המולקולות בקו הבסיס קטן מדי בהשוואה לזו הנרגשת. עקרון הפעולה של לייזר, בקיצור, מורכב ממעבר ממצב אלקטרוני נרגש למצב קרקע דיסוציאטיבי. האוכלוסייה במצב היסוד תמיד נשארת ברמה נמוכה, כי מולקולות בשלב זה מתפרקות לאטומים.

המכשיר ועיקרון הפעולה של לייזרים הוא שצינור הפריקה מלא בתערובת של הליד (F₂) וגז אדמה נדירה (Ar). האלקטרונים שבו מתנתקים ומייננים את מולקולות ההלידים ויוצרים יונים טעונים שליליים. יונים חיוביים⁺ ו-F שלילי^- מגיבים ומייצרים מולקולות ArF בראשוןמצב קשור נרגשים עם מעברם לאחר מכן למצב בסיס דוחה ויצירת קרינה קוהרנטית. לייזר אקסימר, שאת עקרון הפעולה והיישום שלו אנו שוקלים כעת, ניתן להשתמש לשאיבת מדיום פעיל המבוסס על צבעים.

לייזר נוזלי

בהשוואה למוצקים, נוזליםהם הומוגניים יותר ויש להם צפיפות גבוהה יותר של אטומים פעילים מאשר גזים. בנוסף, הם אינם קשים לייצור, מאפשרים פיזור חום קל וניתנים להחלפה בקלות. עקרון הפעולה של הלייזר הוא שימוש בצבעים אורגניים כמדיום פעיל, כגון DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostiryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, וכו', מומס בממס מתאים. תמיסה של מולקולות צבע נרגשת על ידי קרינה שלאורך הגל שלה יש מקדם בליעה טוב. העיקרון של לייזר, בקיצור, הוא ליצור באורך גל ארוך יותר, הנקרא פלואורסצנטי. ההבדל בין אנרגיה נספגת לפוטונים הנפלטים מנוצל על ידי מעברי אנרגיה לא קרינה ומחמם את המערכת.

רוחב פס פלואורסצנטי רחב יותר של נוזללמחוללי קוונטים יש תכונה ייחודית - כוונון אורך גל. עקרון הפעולה והשימוש בלייזר מסוג זה כמקור אור מתכוונן וקוהרנטי הופך חשוב יותר ויותר בספקטרוסקופיה, הולוגרפיה ויישומים ביו-רפואיים.

לאחרונה החלו להשתמש במחוללי צבע להפרדת איזוטופים. במקרה זה, הלייזר מעורר באופן סלקטיבי אחד מהם, מה שגורם לו להיכנס לתגובה כימית.