หลักการแรกของการกระทำด้วยเลเซอร์ ฟิสิกส์ซึ่งมีพื้นฐานมาจากกฎการแผ่รังสีของพลังค์ ซึ่งพิสูจน์ได้ในทางทฤษฎีโดยไอน์สไตน์ในปี ค.ศ. 1917 เขาอธิบายการดูดกลืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเองและกระตุ้นโดยใช้สัมประสิทธิ์ความน่าจะเป็น (สัมประสิทธิ์ของไอน์สไตน์)
Theodore Maiman เป็นคนแรกที่แสดงให้เห็นหลักการทำงานของเลเซอร์ทับทิม โดยอาศัยการสูบด้วยแสงด้วยหลอดแฟลชทับทิมสังเคราะห์ ซึ่งผลิตรังสีพัลซิ่งที่สอดคล้องกันโดยมีความยาวคลื่น 694 นาโนเมตร
ในปี 1960 นักวิทยาศาสตร์ชาวอิหร่าน Javan และ Bennett ได้สร้างเครื่องกำเนิดก๊าซควอนตัมเครื่องแรกโดยใช้ส่วนผสมของก๊าซ He และ Ne ในอัตราส่วน 1:10
ในปี พ.ศ. 2505 R.N.ฮอลล์แสดงเลเซอร์ไดโอดแกลเลียม อาร์เซไนด์ (GaAs) ตัวแรกที่เปล่งแสงที่ 850 นาโนเมตร ปลายปีนั้น Nick Golonyak ได้พัฒนาเครื่องกำเนิดควอนตัมเซมิคอนดักเตอร์เครื่องแรกสำหรับแสงที่มองเห็นได้
ระบบเลเซอร์แต่ละระบบประกอบด้วยแอคทีฟสื่อที่วางอยู่ระหว่างกระจกคู่ขนานและสะท้อนแสงสูง ซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นแบบกึ่งโปร่งใส และเป็นแหล่งพลังงานสำหรับการสูบฉีด ตัวกลางในการขยายสัญญาณอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือก๊าซ ซึ่งมีคุณสมบัติในการขยายแอมพลิจูดของคลื่นแสงที่ส่งผ่านโดยการกระตุ้นการปล่อยด้วยปั๊มไฟฟ้าหรือแบบออปติคัล สารนี้ถูกวางไว้ระหว่างกระจกเงาคู่หนึ่งในลักษณะที่แสงสะท้อนในตัวมันในแต่ละครั้งผ่านไป และเมื่อได้รับการขยายสัญญาณที่มีนัยสำคัญแล้ว ก็จะแทรกซึมผ่านกระจกกึ่งโปร่งแสง
ให้เราพิจารณาหลักการทำงานของเลเซอร์ที่มีตัวกลางแบบแอคทีฟ ซึ่งอะตอมที่มีพลังงานเพียงสองระดับเท่านั้น: ตื่นเต้น E2 และฐาน E1... หากอะตอมถูกกระตุ้นด้วยกลไกการสูบน้ำใดๆ (ออปติคัล การปล่อยไฟฟ้า การส่งกระแส หรือการทิ้งระเบิดอิเล็กตรอน) ไปยังสถานะ E2จากนั้นในเวลาไม่กี่นาโนวินาทีพวกเขาจะกลับสู่ตำแหน่งหลักโดยปล่อยโฟตอนของพลังงาน hν = E2 - อี1... ตามทฤษฎีของไอน์สไตน์ การปล่อยก๊าซถูกสร้างขึ้นในสองวิธีที่แตกต่างกัน: ไม่ว่าจะเกิดจากโฟตอนหรือเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ในกรณีแรก การปล่อยก๊าซกระตุ้นเกิดขึ้น และในกรณีที่สอง การปล่อยก๊าซที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ที่สมดุลทางความร้อน ความน่าจะเป็นของการปล่อยก๊าซกระตุ้นจะต่ำกว่าที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติมาก (1:10)33) ดังนั้น แหล่งกำเนิดแสงทั่วไปส่วนใหญ่จะไม่ต่อเนื่องกัน และการเกิด lasing สามารถทำได้ภายใต้สภาวะอื่นนอกเหนือจากสมดุลทางความร้อน
แม้จะมีการสูบน้ำอย่างแรง ประชากรระบบสองระดับเท่านั้นที่สามารถทำให้เท่าเทียมกัน ดังนั้น เพื่อให้เกิดการผกผันของประชากรโดยใช้วิธีการสูบน้ำแบบออปติคัลหรือแบบอื่น จึงจำเป็นต้องมีระบบสามหรือสี่ระดับ
หลักการทำงานของเลเซอร์สามระดับคืออะไร? การฉายรังสีด้วยแสงความถี่สูง ν02 ปั๊มอะตอมจำนวนมากจากระดับพลังงานต่ำสุด E0 ไปด้านบนE2... การเปลี่ยนผ่านของอะตอมด้วย E2 ถึง E1 ตั้งค่าการผกผันของประชากรระหว่าง E1 และอี0ซึ่งในทางปฏิบัติจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะ metastable เป็นเวลานาน E1, และการเปลี่ยนผ่านจาก E2 ถึง E1 เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว หลักการทำงานของเลเซอร์สามระดับคือการปฏิบัติตามเงื่อนไขเหล่านี้เนื่องจากระหว่าง E0 และอี1 การผกผันของประชากรทำได้สำเร็จและโฟตอนถูกขยายด้วยพลังงาน E1-E0 รังสีเหนี่ยวนำ ระดับที่กว้างขึ้นE2 สามารถเพิ่มช่วงการดูดซึมของความยาวคลื่นเพื่อการสูบน้ำที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่งผลให้มีการปล่อยก๊าซกระตุ้นเพิ่มขึ้น
ระบบสามระดับต้องการสูงมากกำลังของปั๊ม เนื่องจากระดับที่ต่ำกว่าที่เกี่ยวข้องกับการสร้างเป็นระดับพื้นฐาน ในกรณีนี้ เพื่อให้เกิดการผกผันของประชากรสู่สถานะ E1 ควรสูบมากกว่าครึ่งจำนวนอะตอม นี่คือการสูญเสียพลังงาน กำลังของปั๊มจะลดลงอย่างมากหากระดับการผลิตที่ต่ำกว่าไม่ใช่ระดับพื้นฐาน ซึ่งต้องใช้ระบบสี่ระดับเป็นอย่างน้อย
ขึ้นอยู่กับลักษณะของสารออกฤทธิ์เลเซอร์แบ่งออกเป็นสามประเภทหลักคือของแข็งของเหลวและก๊าซ ตั้งแต่ปีพ. ศ. 2501 เมื่อพบการเลืองครั้งแรกในผลึกทับทิม นักวิทยาศาสตร์และนักวิจัยได้ศึกษาวัสดุที่หลากหลายในแต่ละประเภท
หลักการทำงานขึ้นอยู่กับการใช้ตัวกลางที่ใช้งานอยู่ซึ่งเกิดขึ้นจากการเพิ่มโลหะทรานซิชัน (Ti3, Cr3, V2, Co2, นิ2, เฟ2, ฯลฯ ) ไอออนของธาตุหายาก (Ce3, ปร3, NS3, น3, Sm2, สหภาพยุโรป+ 2, + 3, Tb3, Dy3, โฮ3, เอ๋อ3, Yb3, ฯลฯ ) และแอคติไนด์เช่น U3... ระดับพลังงานของไอออนมีหน้าที่รับผิดชอบเท่านั้นรุ่น. คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุพื้นฐาน เช่น การนำความร้อนและการขยายตัวทางความร้อน มีความจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพของเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพ การจัดเรียงอะตอมของโครงตาข่ายรอบๆ ไอออนเจือปนจะเปลี่ยนระดับพลังงานของมัน ความยาวคลื่นที่ลากยาวต่างกันในตัวกลางที่ใช้งานทำได้โดยการเติมวัสดุที่แตกต่างกันด้วยไอออนเดียวกัน
ตัวอย่างของโซลิดสเตตเลเซอร์คือควอนตัมเครื่องกำเนิดที่โฮลเมียมแทนที่อะตอมของสารพื้นฐานของตาข่ายคริสตัล โฮ: YAG เป็นหนึ่งในวัสดุรุ่นที่ดีที่สุด หลักการทำงานของเลเซอร์โฮลเมียมคือโกเมนอะลูมิเนียมอิตเทรียมเจือด้วยไอออนของโฮลเมียม สูบด้วยแสงแฟลชและปล่อยที่ความยาวคลื่น 2097 นาโนเมตรในช่วงอินฟราเรด ซึ่งเนื้อเยื่อดูดซับได้ดี เลเซอร์นี้ใช้สำหรับการผ่าตัดข้อต่อ ในการรักษาทางทันตกรรม สำหรับการระเหยของเซลล์มะเร็ง ไต และนิ่วในถุงน้ำดี
เลเซอร์บ่อควอนตัมมีราคาไม่แพง อนุญาตการผลิตจำนวนมากและปรับขนาดได้ง่าย หลักการทำงานของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีพื้นฐานมาจากการใช้ไดโอดแบบจุดต่อจุด (pn-junction diode) ซึ่งให้แสงที่ความยาวคลื่นจำเพาะโดยการรวมตัวพาหะอีกครั้งที่ค่าไบแอสที่เป็นบวก คล้ายกับไฟ LED ไฟ LED เปล่งออกมาเองในขณะที่เลเซอร์ไดโอดเปล่งแสงอย่างแรง เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขการผกผันของประชากร กระแสไฟปฏิบัติการต้องเกินค่าเกณฑ์ สารออกฤทธิ์ในเซมิคอนดักเตอร์ไดโอดมีรูปแบบของพื้นที่เชื่อมต่อของสองชั้นสองมิติ
หลักการทำงานของเลเซอร์ชนิดนี้คือไม่จำเป็นต้องใช้กระจกมองข้างเพื่อรักษาการสั่นสะเทือน การสะท้อนแสงที่สร้างขึ้นโดยดัชนีการหักเหของแสงของชั้นและการสะท้อนภายในของตัวกลางที่ใช้งานอยู่นั้นเพียงพอสำหรับจุดประสงค์นี้ พื้นผิวปลายของไดโอดถูกบิ่น ซึ่งทำให้พื้นผิวสะท้อนแสงนั้นขนานกัน
สารประกอบที่เกิดจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่เป็นประเภทเดียวกันเรียกว่าโฮโมจังชัน และสารประกอบที่สร้างขึ้นโดยการเชื่อมต่อสององค์ประกอบที่แตกต่างกันเรียกว่าเฮเทอโรจังก์ชัน
เซมิคอนดักเตอร์ประเภท p และ n ที่มีความหนาแน่นของตัวพาสูงก่อให้เกิดจุดเชื่อมต่อ pn ที่มีชั้นพร่องบางมาก (≈1 µm)
หลักการทำงานและการใช้เลเซอร์นี้ประเภทช่วยให้คุณสร้างอุปกรณ์ที่มีกำลังเกือบทุกชนิด (ตั้งแต่มิลลิวัตต์ถึงเมกะวัตต์) และความยาวคลื่น (จาก UV ถึง IR) และช่วยให้คุณทำงานในโหมดพัลซิ่งและต่อเนื่อง ตามลักษณะของสื่อที่ใช้งาน เครื่องกำเนิดควอนตัมก๊าซสามประเภทมีความโดดเด่น ได้แก่ อะตอม ไอออนิก และโมเลกุล
เลเซอร์ก๊าซส่วนใหญ่ถูกปั๊มการปล่อยไฟฟ้า อิเล็กตรอนในท่อระบายจะถูกเร่งโดยสนามไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรด พวกมันชนกับอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลของตัวกลางที่แอคทีฟ และทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น เพื่อให้ได้สถานะของการผกผันของประชากรและการปล่อยก๊าซที่ถูกกระตุ้น
หลักการทำงานของเลเซอร์ขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าในโมเลกุลในเครื่องกำเนิดควอนตัมของอะตอมและไอออนิกต่างจากอะตอมและไอออนที่แยกออกมาต่างหากมีแถบพลังงานกว้างที่มีระดับพลังงานไม่ต่อเนื่อง ในกรณีนี้ ระดับพลังงานอิเล็กทรอนิกส์แต่ละระดับจะมีระดับการสั่นไหวจำนวนมาก และระดับนั้นก็มีหลายระดับที่หมุนได้
พลังงานระหว่างพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ระดับอยู่ในรังสี UV และบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม ขณะที่อยู่ระหว่างระดับการหมุนแบบสั่น - ในบริเวณอินฟราเรดไกลและใกล้ ดังนั้นเครื่องกำเนิดควอนตัมโมเลกุลส่วนใหญ่จึงทำงานในพื้นที่อินฟราเรดไกลหรือใกล้
Excimers เป็นโมเลกุลเช่นArF, KrF, XeCl ซึ่งมีสถานะพื้นแยกและมีความเสถียรในระดับแรก หลักการของเลเซอร์มีดังนี้ ตามกฎแล้วจำนวนโมเลกุลในสถานะพื้นดินมีขนาดเล็กดังนั้นจึงไม่สามารถสูบน้ำโดยตรงจากสถานะพื้นดินได้ โมเลกุลถูกสร้างขึ้นในสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่ตื่นเต้นครั้งแรกโดยการรวมเฮไลด์ที่มีพลังงานสูงเข้ากับก๊าซเฉื่อย การผกผันของประชากรทำได้โดยง่าย เนื่องจากจำนวนโมเลกุลที่การตรวจวัดพื้นฐานมีขนาดเล็กเกินไปเมื่อเทียบกับโมเลกุลที่ถูกกระตุ้น หลักการของการทำงานของเลเซอร์ในระยะสั้นประกอบด้วยการเปลี่ยนจากสถานะอิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกตื่นเต้นที่ถูกผูกไว้เป็นสถานะพื้นดินที่แยกจากกัน ประชากรในสถานะภาคพื้นดินยังคงอยู่ในระดับต่ำเสมอ เพราะ ณ จุดนี้โมเลกุลจะแยกตัวออกเป็นอะตอม
อุปกรณ์และหลักการทำงานของเลเซอร์คือท่อระบายจะเต็มไปด้วยส่วนผสมของเฮไลด์ (F2) และก๊าซแรร์เอิร์ธ (Ar) อิเล็กตรอนในนั้นแยกตัวและแตกตัวเป็นไอออนโมเลกุลเฮไลด์และสร้างไอออนที่มีประจุลบ อาร์ประจุบวก+ และลบ F- ทำปฏิกิริยาและผลิตโมเลกุล ArF ในครั้งแรกสถานะที่ถูกผูกไว้ตื่นเต้นกับการเปลี่ยนแปลงที่ตามมาของพวกเขาไปสู่สถานะฐานที่น่ารังเกียจและการสร้างรังสีที่สอดคล้องกัน เลเซอร์ excimer ซึ่งเป็นหลักการของการทำงานและการใช้งานที่เรากำลังพิจารณาอยู่นั้น สามารถใช้ในการปั๊มสารออกฤทธิ์ตามสีย้อม
เมื่อเทียบกับของแข็ง ของเหลวเป็นเนื้อเดียวกันมากกว่าและมีความหนาแน่นของอะตอมที่ใช้งานมากกว่าก๊าซ นอกจากนี้ยังผลิตได้ไม่ยาก ช่วยให้ระบายความร้อนได้ง่าย และเปลี่ยนได้ง่าย หลักการทำงานของเลเซอร์คือการใช้สีย้อมอินทรีย์เป็นสื่อที่ออกฤทธิ์ เช่น DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostiryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene เป็นต้น . ละลายในตัวทำละลายที่เหมาะสม สารละลายของโมเลกุลของสีย้อมถูกกระตุ้นด้วยรังสีที่ความยาวคลื่นมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนที่ดี หลักการของการทำงานของเลเซอร์ กล่าวโดยย่อคือ ทำให้เกิดความยาวคลื่นที่ยาวกว่า เรียกว่า ฟลูออเรสเซนซ์ ความแตกต่างระหว่างพลังงานที่ถูกดูดกลืนและโฟตอนที่ปล่อยออกมานั้นถูกใช้โดยการเปลี่ยนผ่านของพลังงานที่ไม่ผ่านการแผ่รังสีและทำให้ระบบร้อนขึ้น
แบนด์วิดธ์การเรืองแสงที่กว้างขึ้นของของเหลวเครื่องกำเนิดควอนตัมมีคุณสมบัติพิเศษ - การปรับความยาวคลื่น หลักการทำงานและการใช้เลเซอร์ชนิดนี้เป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับค่าได้และเชื่อมโยงกันกำลังมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในการใช้งานสเปกโทรสโกปี โฮโลแกรม และการใช้งานด้านชีวการแพทย์
เมื่อเร็ว ๆ นี้ เครื่องกำเนิดควอนตัมสีย้อมได้เริ่มใช้สำหรับการแยกไอโซโทป ในกรณีนี้ เลเซอร์เลือกกระตุ้นหนึ่งในนั้น กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมี
