Први принцип рада ласера, чија физикабио заснован на Планковом закону зрачења, који је теоријски поткрепио Ајнштајн 1917. године. Он је описао апсорпцију, спонтано и стимулисано електромагнетно зрачење користећи коефицијенте вероватноће (Ајнштајн коефицијенти).
Теодор Меиман је први демонстрираопринцип рада рубин ласера заснованог на оптичком пумпању синтетичког рубина са блиц лампом, која је производила пулсно кохерентно зрачење таласне дужине од 694 нм.
Године 1960. ирански научници Јаван и Бенет створили су први гасни квантни генератор користећи мешавину Хе и Не гасова у размери 1:10.
Године 1962. Р.Н.Хол је демонстрирао први галијум-арсенид (ГаАс) диодни ласер који емитује на таласној дужини од 850 нм. Касније те године, Ницк Голониак је развио први полупроводнички квантни генератор видљиве светлости.
Сваки ласерски систем се састоји од активногмедијум смештен између пара оптички паралелних и високо рефлектујућих огледала, од којих је једно провидно, и извор енергије за његово пумпање. Медијум за појачавање може бити чврста, течна или гасна, која има својство да појачава амплитуду светлосног таласа који пролази кроз њега стимулисаном емисијом електричним или оптичким пумпањем. Супстанца се поставља између пара огледала на такав начин да светлост која се рефлектује у њима сваки пут пролази кроз њу и, достижући значајно појачање, продире у полупровидно огледало.
Размотримо принцип рада ласера са активним медијумом чији атоми имају само два енергетска нивоа: побуђени Е2 и база Е1. Ако су атоми побуђени у стање Е2, онда ће се за неколико наносекунди вратити у свој основни положај, емитујући фотоне енергије хν = Е2 - Е1. Према Ајнштајновој теорији, емисија се производина два различита начина: или је изазвана фотоном, или се дешава спонтано. У првом случају долази до стимулисане емисије, ау другом до спонтане емисије. У топлотној равнотежи, вероватноћа стимулисане емисије је много мања од оне спонтане емисије (1:1033), тако да је већина конвенционалних извора светлости некохерентна, а ласерирање је могуће под условима другачијим од термичке равнотеже.
Чак и са веома јаким пумпањем, становништводвостепени системи могу бити само једнаки. Због тога су потребни системи на три или четири нивоа да би се постигла инверзија популације оптичким или другим методама пумпања.
Који је принцип рада тростепеног ласера? Озрачивање интензивном светлошћу фреквенције ν02 пумпа велики број атома са најнижег енергетског нивоа Е0 до врха Е2. Радијативни прелаз атома из Е2 ножни прст1 поставља инверзију популације између Е1 и Е0, што је у пракси могуће само када су атоми у метастабилном стању Е1, и прелазак са Е2 ножни прст1 се дешава брзо. Принцип рада тростепеног ласера је да испуни ове услове, због чега између Е0 и Е1 постиже се инверзија популације и фотони се појачавају енергијом Е1-Е0 индуковано зрачење. Шири ниво Е2 може повећати опсег апсорпције таласне дужине за ефикасније пумпање, што резултира повећањем стимулисане емисије.
Трослојни систем захтева веома високснага пумпе, пошто је нижи ниво укључен у производњу основни ниво. У овом случају, да би дошло до инверзије становништва, до стања Е1 треба надувати више од половине укупног износаброј атома. При томе се троши енергија. Снага пумпе може бити значајно смањена ако нижи ниво генерације није основни ниво, што захтева најмање четворостепени систем.
У зависности од природе активне супстанце,Ласери спадају у три главне категорије, а то су чврсти, течни и гасовити. Од 1958. године, када је ласерство први пут примећено у кристалу рубина, научници и истраживачи су проучавали широк спектар материјала у свакој категорији.
Принцип рада заснива се на употреби активног медијума, који се формира додавањем метала прелазне групе (Ти+3, Цр+3, В+2, Цо+2, Ни+2, Фе+2итд.), јони ретких земаља (Це+3, Пр+3, Нд+3, После подне+3, См+2, ЕУ+2,+3, Тб+3, Ди+3, Хо+3, Ер+3, Иб+3итд.), и актиниди попут У+3. Енергетски нивои јона су одговорни само загенерације. Физичка својства основног материјала, као што су топлотна проводљивост и топлотна експанзија, су од суштинског значаја за ефикасан рад ласера. Распоред атома решетке око допираног јона мења нивое његове енергије. Различите таласне дужине ласера у активном медију се постижу допирањем различитих материјала истим јоном.
Пример ласера у чврстом стању је квантнигенератор у коме холмијум замењује атом основне супстанце кристалне решетке. Хо:ИАГ је један од материјала најбоље генерације. Принцип рада холмијум ласера је да је итријум алуминијумски гранат допиран холмијум јонима, оптички пумпан блиц лампом и емитује на таласној дужини од 2097 нм у ИЦ опсегу, који добро апсорбују ткива. Овај ласер се користи за операције на зглобовима, у лечењу зуба, за испаравање ћелија рака, бубрега и жучних каменаца.
Ласери за квантне бунаре су јефтини и дозвољавајумасовна производња и лака за скалирање. Принцип рада полупроводничког ласера заснива се на коришћењу диоде п-н споја, која производи светлост одређене таласне дужине рекомбинацијом носиоца при позитивном преднапону, слично ЛЕД диодама. ЛЕД емитују спонтано, а ласерске диоде - присилно. Да би се испунио услов инверзије становништва, радна струја мора премашити граничну вредност. Активни медијум у полупроводничкој диоди има облик спојног региона два дводимензионална слоја.
Принцип рада овог типа ласера је такав даније потребно спољно огледало за одржавање осцилација. Рефлективност коју ствара индекс преламања слојева и унутрашња рефлексија активног медијума је довољна за ову сврху. Крајње површине диода су чиповане, што обезбеђује паралелност рефлектујућих површина.
Веза формирана од полупроводничких материјала истог типа назива се хомоспојница, а настала везом два различита типа назива се хетероспојница.
Полупроводници п и н типа са великом густином носиоца формирају п-н спој са веома танким (≈1 μм) деплеционим слојем.
Принцип рада и употребе овог ласератип вам омогућава да креирате уређаје готово било које снаге (од миливата до мегавата) и таласних дужина (од УВ до ИР) и омогућава вам да радите у импулсним и континуираним режимима. На основу природе активних медија, постоје три типа гасних квантних генератора, а то су атомски, јонски и молекуларни.
Већина гасних ласера се пумпаелектрично пражњење. Електрони у цеви за пражњење убрзавају се електричним пољем између електрода. Они се сударају са атомима, јонима или молекулима активног медијума и индукују прелазак на више енергетске нивое да би се постигло стање популације инверзије и стимулисане емисије.
Принцип рада ласера заснива се на чињеници да, уЗа разлику од изолованих атома и јона, молекули у атомским и јонским квантним генераторима имају широке енергетске опсеге дискретних енергетских нивоа. Штавише, сваки електронски енергетски ниво има велики број вибрационих нивоа, а они, заузврат, имају неколико ротационих.
Енергија између електронске енергијенивои су у УВ и видљивом делу спектра, док између вибрационо-ротационих нивоа - у далеком и блиском ИР региону. Дакле, већина молекуларних квантних генератора ради у далеким или блиским инфрацрвеним регионима.
Ексцимери су молекули као нпрАрФ, КрФ, КсеЦл, који имају одвојено основно стање и стабилни су на првом нивоу. Принцип рада ласера је следећи. По правилу, број молекула у основном стању је мали, па директно пумпање из основног стања није могуће. Молекули се формирају у првом побуђеном електронском стању комбиновањем високоенергетских халогенида са инертним гасовима. Популација инверзије се лако постиже, пошто је број молекула на базном нивоу премали у односу на побуђени. Принцип рада ласера, укратко, је прелазак из везаног побуђеног електронског стања у дисоцијативно основно стање. Популација у основном стању увек остаје на ниском нивоу, јер се молекули у овом тренутку раздвајају на атоме.
Уређај и принцип рада ласера је да се цев за пражњење напуни мешавином халида (Ф2) и гас ретких земаља (Ар). Електрони у њему дисоцирају и јонизују молекуле халида и стварају негативно наелектрисане јоне. Позитивни Ар јони+ и негативан Ф- реагују и производе АрФ молекуле у првомпобуђено везано стање са њиховим каснијим преласком у одбојно основно стање и стварањем кохерентног зрачења. Ексимер ласер, чији принцип рада и примене сада разматрамо, може се користити за пумпање активног медијума на бојама.
У поређењу са чврстим материјама, течностимасу хомогенији и имају већу густину активних атома од гасова. Поред тога, једноставни су за производњу, омогућавају лако одвођење топлоте и могу се лако заменити. Принцип рада ласера је да користи органске боје као активни медијум, као што су ДЦМ (4-дицијанометилен-2-метил-6-п-диметиламиностирил-4Х-пиран), родамин, стирил, ЛДС, кумарин, стилбен итд. ..., растворен у одговарајућем растварачу. Раствор молекула боје се побуђује зрачењем чија таласна дужина има добар коефицијент апсорпције. Принцип рада ласера, укратко, је да генерише на већој таласној дужини, која се назива флуоресценција. Разлика између апсорбоване енергије и емитованих фотона се користи за нерадијативне енергетске прелазе и загрева систем.
Шири опсег флуоресценције течностиквантни генератори имају јединствену особину - подешавање таласне дужине. Принцип рада и употреба овог типа ласера као подесивог и кохерентног извора светлости постаје све важнији у спектроскопији, холографији и биомедицинским применама.
Недавно су за одвајање изотопа коришћени квантни генератори боје. У овом случају, ласер селективно узбуђује једног од њих, подстичући их да уђу у хемијску реакцију.
