Primul principiu al acțiunii cu laser, a cărui fizicăs-a bazat pe legea radiației lui Planck, fundamentată teoretic de Einstein în 1917. El a descris absorbția, radiația electromagnetică spontană și stimulată folosind coeficienți de probabilitate (coeficienții lui Einstein).
Theodore Maiman a fost primul care a demonstratprincipiul de funcționare al unui laser rubin, bazat pe pomparea optică cu o lampă de rubin sintetic, care a produs o radiație coerentă pulsată cu o lungime de undă de 694 nm.
În 1960, oamenii de știință iranieni Javan și Bennett au creat primul generator cuantic de gaze folosind un amestec de gaze He și Ne într-un raport de 1:10.
În 1962 R.N.Hall a demonstrat primul laser cu diodă arsenidă de galiu (GaAs) care emite la 850 nm. Mai târziu în acel an, Nick Golonyak a dezvoltat primul generator cuantic semiconductor pentru lumină vizibilă.
Fiecare sistem laser constă dintr-un activun mediu plasat între o pereche de oglinzi optic paralele și foarte reflectorizante, dintre care una este semitransparentă și o sursă de energie pentru pompare. Mediul de amplificare poate fi un solid, lichid sau gazos, care are proprietatea de a amplifica amplitudinea undei luminoase care trece prin ea prin emisie stimulată cu pompare electrică sau optică. Substanța este plasată între o pereche de oglinzi în așa fel încât lumina reflectată în ele de fiecare dată trece prin ea și, după ce a obținut o amplificare semnificativă, pătrunde printr-o oglindă semitransparentă.
Să luăm în considerare principiul funcționării unui laser cu un mediu activ, ai cărui atomi au doar două niveluri de energie: E excitat2 iar baza E1... Dacă atomii sunt excitați de orice mecanism de pompare (descărcare optică, electrică, transmisie de curent sau bombardament de electroni) către starea E2, apoi în câteva nanosecunde vor reveni la poziția principală, emitând fotoni de energie hν = E2 - E1... Conform teoriei lui Einstein, emisia este produsăîn două moduri diferite: fie este indus de un foton, fie se întâmplă spontan. În primul caz, are loc emisia stimulată, iar în al doilea, emisia spontană. La echilibru termic, probabilitatea emisiei stimulate este mult mai mică decât cea spontană (1:1033); prin urmare, majoritatea surselor de lumină obișnuite sunt incoerente, iar lasarea este posibilă în alte condiții decât echilibrul termic.
Chiar și cu pompare foarte puternică, populațiasistemele pe două niveluri pot fi egalizate numai. Prin urmare, pentru a realiza inversarea populației prin metode optice sau alte metode de pompare, sunt necesare sisteme pe trei sau patru niveluri.
Care este principiul de funcționare al unui laser cu trei niveluri? Iradierea cu lumină intensă de frecvență ν02 pompează un număr mare de atomi de la cel mai scăzut nivel de energie E0 spre E superioară2... Tranziția neradiativă a atomilor cu E2 la E1 setează inversiunea populației între E1 și E0, ceea ce în practică este posibil doar atunci când atomii sunt într-o stare metastabilă pentru o lungă perioadă de timp E1, și tranziția de la E2 la E1 se întâmplă repede. Principiul de funcționare al unui laser cu trei niveluri este îndeplinirea acestor condiții, datorită cărora între E0 și E1 se realizează inversarea populației și fotonii sunt amplificați cu energia E1-E0 radiații induse. Nivel E mai larg2 ar putea crește intervalul de absorbție a lungimilor de undă pentru o pompare mai eficientă, rezultând o creștere a emisiilor stimulate.
Sistemul pe trei niveluri necesită un nivel foarte ridicatputerea pompei, deoarece nivelul inferior implicat în generare este cel de bază. În acest caz, pentru ca inversiunea populației să se producă, la starea E1 mai mult de jumătate din total ar trebui pompatnumărul de atomi. Aceasta este energie irosită. Puterea pompei poate fi redusă semnificativ dacă nivelul de generație inferior nu este de bază, ceea ce necesită cel puțin un sistem pe patru niveluri.
În funcție de natura substanței active,laserele se încadrează în trei categorii principale, și anume solid, lichid și gazos. Din 1958, când laserul a fost observat pentru prima dată într-un cristal de rubin, oamenii de știință și cercetătorii au studiat o mare varietate de materiale din fiecare categorie.
Principiul de funcționare se bazează pe utilizarea unui mediu activ, care se formează prin adăugarea unui metal de tranziție (Ti+3, Cr+3, V+2, Co+2, Ni+2, Fe+2, etc.), ioni de pământuri rare (Ce+3, Relatii cu publicul+3, Nd+3, Pm+3, Sm+2, Eu+ 2, + 3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3, etc.), și actinide precum U+3... Nivelurile de energie ale ionilor sunt responsabile numai pentrugeneraţie. Proprietățile fizice ale materialului de bază, cum ar fi conductivitatea termică și expansiunea termică, sunt esențiale pentru o performanță eficientă a laserului. Aranjamentul atomilor rețelei în jurul ionului dopat îi modifică nivelurile de energie. Diferite lungimi de undă de lasare în mediul activ se realizează prin doparea diferitelor materiale cu același ion.
Un exemplu de laser în stare solidă este un cuanticun generator în care holmiul înlocuiește un atom din substanța de bază a rețelei cristaline. Ho: YAG este unul dintre materialele de cea mai bună generație. Principiul de funcționare al unui laser de holmiu este că granatul de itriu și aluminiu este dopat cu ioni de holmiu, pompat optic de o lampă flash și emite la o lungime de undă de 2097 nm în domeniul infraroșu, care este bine absorbit de țesuturi. Acest laser este utilizat pentru operații pe articulații, în tratamentul dentar, pentru evaporarea celulelor canceroase, a rinichilor și a calculilor biliari.
Laserele cu puț cuantic sunt ieftine, permitețiproducție în masă și ușor de scalat. Principiul de funcționare al unui laser semiconductor se bazează pe utilizarea unei diode de joncțiune pn, care produce lumină cu o lungime de undă specifică prin recombinarea purtătorului la o polarizare pozitivă, similară cu LED-urile. LED-urile emit spontan, în timp ce diodele laser emit forțat. Pentru a îndeplini condiția de inversare a populației, curentul de funcționare trebuie să depășească valoarea pragului. Mediul activ dintr-o diodă semiconductoare are forma unei regiuni de conectare a două straturi bidimensionale.
Principiul de funcționare a acestui tip de laser este astfel încâtnu este necesară o oglindă exterioară pentru a menține vibrațiile. Reflectivitatea creată de indicele de refracție al straturilor și reflexia internă a mediului activ este suficientă în acest scop. Suprafețele finale ale diodelor sunt tăiate, ceea ce asigură că suprafețele reflectorizante sunt paralele.
Un compus format din materiale semiconductoare de același tip se numește oameni funcție, iar unul creat prin conectarea a două diferite se numește heterojuncție.
Semiconductorii de tipuri p și n cu o densitate mare a purtătorului formează o joncțiune pn cu un strat de subțire foarte subțire (± 1 μm).
Principiul de funcționare și utilizare a acestui lasertipul vă permite să creați dispozitive de aproape orice putere (de la milliwați la megawați) și lungimi de undă (de la UV la IR) și vă permite să lucrați în moduri pulsate și continue. Pe baza naturii mediilor active, se disting trei tipuri de generatoare cuantice de gaze, și anume atomice, ionice și moleculare.
Majoritatea laserelor pe gaz sunt pompatedescărcare electrică. Electronii din tubul de descărcare sunt accelerați de câmpul electric dintre electrozi. Acestea se ciocnesc cu atomi, ioni sau molecule ale mediului activ și induc o tranziție la niveluri mai ridicate de energie pentru a atinge starea de inversare a populației și emisie stimulată.
Principiul de funcționare al laserului se bazează pe faptul că, înSpre deosebire de atomii și ionii izolați, moleculele din generatoarele cuantice atomice și ionice au benzi largi de energie de niveluri discrete de energie. În acest caz, fiecare nivel electronic de energie are un număr mare de niveluri vibraționale, iar acestea, la rândul lor, au mai multe niveluri rotaționale.
Energie între energie electronicănivelurile se află în regiunile UV și vizibile ale spectrului, în timp ce între nivelurile vibraționale-rotaționale - în regiunile infraroșii îndepărtate și apropiate. Astfel, majoritatea generatoarelor cuantice moleculare funcționează în regiunile infraroșii îndepărtate sau apropiate.
Excimerii sunt molecule precumArF, KrF, XeCl, care au o stare de bază separată și sunt stabile la primul nivel. Principiul laserului este după cum urmează. De regulă, numărul de molecule în starea de bază este mic; prin urmare, pomparea directă din starea de bază nu este posibilă. Moleculele se formează într-o primă stare electronică excitată prin combinarea halogenurilor de mare energie cu gaze inerte. Inversia populației se realizează cu ușurință, deoarece numărul de molecule la nivelul de bază este prea mic în comparație cu cel excitat. Principiul funcționării unui laser, pe scurt, constă în trecerea de la o stare electronică excitată legată la o stare de bază disociativă. Populația din starea fundamentală rămâne întotdeauna la un nivel scăzut, deoarece moleculele din acest moment se disociază în atomi.
Dispozitivul și principiul de funcționare al laserelor este că tubul de refulare este umplut cu un amestec de o halogenură (F2) și gaz de pământuri rare (Ar). Electronii din el disociază și ionizează moleculele de halogenură și creează ioni încărcați negativ. Sunt ioni pozitivi+ și negativ F- reacționează și produc molecule de ArF în primastarea legată excitată cu tranziția lor ulterioară către o stare de bază respingătoare și generarea de radiații coerente. Un laser excimer, al cărui principiu de funcționare și aplicare pe care îl luăm în considerare acum, poate fi utilizat pentru a pompa un mediu activ pe bază de coloranți.
Comparativ cu solidele, lichidelesunt mai omogene și au o densitate mai mare de atomi activi decât gazele. În plus, acestea nu sunt dificil de fabricat, permit disiparea ușoară a căldurii și pot fi ușor înlocuite. Principiul funcționării cu laser este utilizarea coloranților organici ca mediu activ, cum ar fi DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamină, stiril, LDS, cumarină, stilbene etc. dizolvat într-un solvent adecvat. O soluție de molecule de colorant este excitată de radiații a căror lungime de undă are un bun coeficient de absorbție. Principiul de funcționare al unui laser, pe scurt, este de a genera la o lungime de undă mai mare, numită fluorescență. Diferența dintre energia absorbită și fotonii emiși este exploatată prin tranziții de energie neradiativă și încălzește sistemul.
Lățime de bandă de fluorescență mai mare a lichiduluigeneratoarele cuantice au o caracteristică unică - reglarea lungimii de undă. Principiul funcționării și utilizarea acestui tip de laser ca sursă de lumină reglabilă și coerentă devine din ce în ce mai importantă în spectroscopie, holografie și aplicații biomedicale.
Recent, generatoarele cuantice de coloranți au început să fie utilizate pentru separarea izotopilor. În acest caz, laserul excită selectiv unul dintre ele, determinându-l să intre într-o reacție chimică.
