Pierwsza zasada działania lasera, której fizykazostał oparty na prawie promieniowania Plancka, teoretycznie potwierdzonym przez Einsteina w 1917 roku. Opisał absorpcję, spontaniczne i stymulowane promieniowanie elektromagnetyczne za pomocą współczynników prawdopodobieństwa (współczynników Einsteina).
Theodor Meiman jako pierwszy zademonstrowałzasada działania lasera rubinowego oparta na optycznym pompowaniu syntetycznego rubinu za pomocą lampy błyskowej, która wytwarza pulsacyjne spójne promieniowanie o długości fali 694 nm.
W 1960 roku irańscy naukowcy Javan i Bennett stworzyli pierwszy generator kwantowy gazu wykorzystujący mieszaninę gazów He i Ne w stosunku 1:10.
W 1962 r. R.N.Hall zademonstrował pierwszy laser diodowy z arsenku galu (GaAs) emitujący na długości fali 850 nm. Później w tym samym roku Nick Golonyak opracował pierwszy półprzewodnikowy generator kwantowy światła widzialnego.
Każdy system laserowy składa się z aktywnegomedium umieszczone pomiędzy parą optycznie równoległych i wysoce odblaskowych luster, z których jedno jest półprzezroczyste, oraz źródłem energii do jego pompowania. Medium wzmacniające może być ciałem stałym, cieczą lub gazem, które mają właściwość wzmacniania amplitudy przechodzącej przez nie fali świetlnej poprzez emisję wymuszoną z pompowaniem elektrycznym lub optycznym. Substancja jest umieszczona pomiędzy parą luster w taki sposób, że odbijane w nich światło za każdym razem przechodzi przez nie i po osiągnięciu znacznego wzmocnienia przenika przez półprzezroczyste zwierciadło.
Rozważmy zasadę działania lasera z ośrodkiem aktywnym, którego atomy mają tylko dwa poziomy energetyczne: wzbudzone E2 i podstawa E1. Jeśli atomy są wzbudzone do stanu E2, to za kilka nanosekund powrócą do swojej podstawowej pozycji, emitując fotony o energii hν = E2 - E1. Zgodnie z teorią Einsteina powstaje emisjana dwa różne sposoby: albo jest indukowany przez foton, albo dzieje się spontanicznie. W pierwszym przypadku następuje emisja wymuszona, aw drugim emisja spontaniczna. W stanie równowagi termicznej prawdopodobieństwo emisji wymuszonej jest znacznie niższe niż emisji spontanicznej (1:1033), więc większość konwencjonalnych źródeł światła jest niespójna, a laserowanie jest możliwe w warunkach innych niż równowaga termiczna.
Nawet przy bardzo silnym pompowaniu populacjasystemy dwupoziomowe można zrównać tylko. Dlatego do osiągnięcia inwersji populacji za pomocą optycznych lub innych metod pompowania wymagane są systemy trzy- lub czteropoziomowe.
Jaka jest zasada działania lasera trójpoziomowego? Napromienianie intensywnym światłem o częstotliwości ν02 pompuje dużą liczbę atomów z najniższego poziomu energetycznego E0 do góry E2. Przejście radiacyjne atomów z E2 palec u nogi1 ustawia inwersję populacji między E1 i E0, co w praktyce jest możliwe tylko wtedy, gdy atomy znajdują się w stanie metastabilnym E1, i przejście z E2 palec u nogi1 dzieje się szybko. Zasada działania lasera trójpoziomowego polega na spełnieniu tych warunków, dzięki czemu między E0 i E1 osiąga się inwersję populacji i fotony są wzmacniane przez energię E1-MI0 promieniowanie indukowane. Szerszy poziom E2 może zwiększyć zakres absorpcji długości fali w celu wydajniejszego pompowania, co skutkuje wzrostem stymulowanej emisji.
System trójpoziomowy wymaga bardzo wysokiegomoc pompy, ponieważ niższy poziom związany z wytwarzaniem jest poziomem podstawowym. W tym przypadku, aby nastąpiła inwersja populacji, aż do stanu E1 powinien być zawyżony ponad połowę całościliczba atomów. W ten sposób marnuje się energia. Moc pompy można znacznie zmniejszyć, jeśli niższy poziom wytwarzania nie jest poziomem podstawowym, co wymaga co najmniej czteropoziomowego systemu.
W zależności od charakteru substancji czynnej,Lasery dzielą się na trzy główne kategorie, a mianowicie stałe, płynne i gazowe. Od 1958 roku, kiedy po raz pierwszy zaobserwowano laserowanie w krysztale rubinu, naukowcy i badacze zbadali szeroką gamę materiałów w każdej kategorii.
Zasada działania opiera się na wykorzystaniu ośrodka aktywnego, który powstaje przez dodanie metalu z grupy przejściowej (Ti+3, Cr+3, V+2, Co+2, Ni+2, Fe+2itp.), jony ziem rzadkich (Ce+3, Pr+3, Nd+3, Pm+3, Sm+2, Eu+2,+3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3itp.) i aktynowców, takich jak U+3. Poziomy energetyczne jonów odpowiadają tylko zaPokolenie. Właściwości fizyczne materiału podstawowego, takie jak przewodność cieplna i rozszerzalność cieplna, mają zasadnicze znaczenie dla wydajnej pracy lasera. Ułożenie atomów sieci wokół domieszkowanego jonu zmienia jego poziomy energetyczne. Różne długości fal laserowych w ośrodku aktywnym są osiągane przez domieszkowanie różnych materiałów tym samym jonem.
Przykładem lasera na ciele stałym jest kwantgenerator, w którym holm zastępuje atom substancji podstawowej sieci krystalicznej. Ho:YAG to jeden z najlepszych materiałów generacji. Zasada działania lasera holmowego polega na tym, że granat itrowo-aluminiowy jest domieszkowany jonami holmu, pompowany optycznie przez lampę błyskową i emitujący falę o długości 2097 nm w zakresie IR, która jest dobrze absorbowana przez tkanki. Laser ten służy do operacji na stawach, w leczeniu zębów, do odparowywania komórek rakowych, nerek i kamieni żółciowych.
Lasery do studni kwantowych są niedrogie i pozwalająprodukcja masowa i łatwa do skalowania. Zasada działania lasera półprzewodnikowego opiera się na zastosowaniu diody złącza p-n, która wytwarza światło o określonej długości fali w wyniku rekombinacji nośnika przy dodatnim naprężeniu, podobnie jak diody LED. Diody LED emitują spontanicznie, a diody laserowe - wymuszone. Aby spełnić warunek inwersji populacji, prąd roboczy musi przekraczać wartość progową. Medium aktywne w diodzie półprzewodnikowej ma postać obszaru łączącego dwóch dwuwymiarowych warstw.
Zasada działania tego typu lasera jest taka, żedo utrzymania oscylacji nie jest wymagane lusterko zewnętrzne. Do tego celu wystarcza współczynnik odbicia wytworzony przez współczynnik załamania warstw i wewnętrzne odbicie ośrodka aktywnego. Końcowe powierzchnie diod są wyszczerbione, co zapewnia równoległość powierzchni odbijających.
Połączenie utworzone przez materiały półprzewodnikowe tego samego typu nazywane jest homozłączem, a utworzone przez połączenie dwóch różnych typów nazywane jest heterozłączem.
Półprzewodniki typu p i n o dużej gęstości nośnika tworzą złącze p-n z bardzo cienką (≈1 μm) warstwą zubożoną.
Zasada działania i użytkowania tego laseratyp pozwala na tworzenie urządzeń o niemal dowolnej mocy (od miliwatów do megawatów) i długości fali (od UV do IR) oraz umożliwia pracę w trybie pulsacyjnym i ciągłym. W oparciu o naturę ośrodków aktywnych istnieją trzy rodzaje gazowych generatorów kwantowych, a mianowicie atomowe, jonowe i molekularne.
Większość laserów gazowych jest pompowanawyładowanie elektryczne. Elektrony w rurze wyładowczej są przyspieszane przez pole elektryczne między elektrodami. Zderzają się z atomami, jonami lub cząsteczkami ośrodka aktywnego i indukują przejście na wyższe poziomy energetyczne, aby osiągnąć stan populacji inwersji i emisji wymuszonej.
Zasada działania lasera opiera się na fakcie, że ww przeciwieństwie do izolowanych atomów i jonów, cząsteczki w atomowych i jonowych generatorach kwantowych mają szerokie pasma energii o dyskretnych poziomach energii. Co więcej, każdy elektroniczny poziom energii ma dużą liczbę poziomów wibracyjnych, a te z kolei mają kilka poziomów rotacyjnych.
Energia między energią elektronicznąpoziomy znajdują się w UV i widzialnych obszarach widma, natomiast pomiędzy poziomami wibrująco-rotacyjnymi - w dalekiej i bliskiej podczerwieni. Tak więc większość molekularnych generatorów kwantowych działa w obszarach dalekiej lub bliskiej podczerwieni.
Excimery to cząsteczki takie jakArF, KrF, XeCl, które mają wydzielony stan podstawowy i są stabilne na pierwszym poziomie. Zasada działania lasera jest następująca. Z reguły ilość cząsteczek w stanie podstawowym jest niewielka, więc bezpośrednie pompowanie ze stanu podstawowego nie jest możliwe. Cząsteczki powstają w pierwszym wzbudzonym stanie elektronowym przez połączenie wysokoenergetycznych halogenków z gazami obojętnymi. Populacja inwersji jest łatwa do osiągnięcia, ponieważ liczba cząsteczek na poziomie podstawowym jest zbyt mała w porównaniu do wzbudzonej. Krótko mówiąc, zasada działania lasera polega na przejściu od związanego wzbudzonego stanu elektronowego do dysocjacyjnego stanu podstawowego. Populacja w stanie podstawowym zawsze pozostaje na niskim poziomie, ponieważ cząsteczki w tym momencie dysocjują na atomy.
Urządzenie i zasada działania laserów polega na tym, że rura wyładowcza jest wypełniona mieszaniną halogenków (F2) oraz gaz ziem rzadkich (Ar). Znajdujące się w nim elektrony dysocjują i jonizują cząsteczki halogenków, tworząc jony naładowane ujemnie. Dodatnie jony Ar+ i ujemne F- w pierwszej kolejności reagują i wytwarzają cząsteczki ArFwzbudzony stan związany z ich późniejszym przejściem do odpychającego stanu podstawowego i generacją promieniowania koherentnego. Laser ekscymerowy, którego zasadę działania i zastosowanie rozważamy teraz, może być użyty do pompowania aktywnego medium na barwniki.
W porównaniu do ciał stałych, płynówsą bardziej jednorodne i mają większą gęstość atomów aktywnych niż gazy. Poza tym są łatwe w produkcji, umożliwiają łatwe odprowadzanie ciepła i można je łatwo wymienić. Zasada działania lasera polega na wykorzystaniu jako ośrodka aktywnego barwników organicznych, takich jak DCM (4-dicyjanometyleno-2-metylo-6-p-dimetyloaminostyrylo-4H-piran), rodamina, styryl, LDS, kumaryna, stilben itp. …, rozpuszczony w odpowiednim rozpuszczalniku. Roztwór cząsteczek barwnika jest wzbudzany promieniowaniem, którego długość fali ma dobry współczynnik absorpcji. Krótko mówiąc, zasada działania lasera polega na generowaniu fali o większej długości, zwanej fluorescencją. Różnica pomiędzy energią pochłoniętą a wyemitowanymi fotonami jest wykorzystywana przez niepromieniste przejścia energii i nagrzewa układ.
Szersze pasmo fluorescencji cieczyGeneratory kwantowe mają unikalną cechę - dostrajanie długości fali. Zasada działania i wykorzystanie tego typu lasera jako przestrajalnego i spójnego źródła światła nabiera coraz większego znaczenia w spektroskopii, holografii i zastosowaniach biomedycznych.
Ostatnio do separacji izotopów zastosowano generatory kwantowe barwników. W tym przypadku laser selektywnie wzbudza jeden z nich, skłaniając go do wejścia w reakcję chemiczną.
