Fiziği olan ilk lazer prensibi1917'de Einstein tarafından teorik olarak doğrulanan Planck radyasyon yasasına dayanarak. Olasılık katsayılarını (Einstein katsayıları) kullanarak emilimini, kendiliğinden ve uyarılmış elektromanyetik radyasyonu tanımladı.
İlk vitrin Theodore Meyman oldu694 nm dalga boyunda darbeli tutarlı radyasyon üreten sentetik bir yakutun flaş lambası kullanılarak optik pompalamaya dayanan bir yakut lazeri çalışma prensibi.
1960 yılında, İranlı bilim adamları Javan ve Bennett, He ve Ne gazlarının karışımını 1:10 oranında kullanarak ilk gaz kuantum jeneratörünü yarattılar.
1962’de R. N.Hall, 850 nm dalga boyunda yayan ilk galyum arsenit (GaAs) diyot lazerini gösterdi. O yıl daha sonra, Nick Golonyak ilk yarı iletken kuantum görünür ışık jeneratörünü geliştirdi.
Her lazer sistemi bir aktif oluşurbiri saydam olan bir çift optik olarak paralel ve son derece yansıtıcı ayna arasına yerleştirilmiş bir ortam ve onu pompalamak için bir enerji kaynağı. Amplifikasyon ortamı, elektrik veya optik pompalama ile radyasyonla uyarılan içinden geçen ışık dalgasının genliğini yükseltme özelliğine sahip katı, sıvı veya gaz olabilir. Bu madde, bir çift ayna arasına, kendilerine yansıyan ışığın her seferinde içinden geçeceği ve önemli bir büyütme elde ettiğinde yarı saydam bir aynadan gireceği şekilde yerleştirilir.
Bir lazerin, sadece iki enerji seviyesine sahip atomları olan aktif bir ortama sahip çalışma prensibini düşünelim: heyecanlı E2 ve temel E1. Herhangi bir pompa mekanizmasını kullanan atomlar (optik, elektriksel deşarj, akım iletimi veya elektron bombardımanı) E durumuna uyarılırsa2, sonra birkaç nanosaniye içinde ana konuma dönecekler ve hν = E enerjili fotonlar yayacaklar.2 - E1... Einstein'ın teorisine göre emisyon üretiliriki farklı yoldan: ya bir foton tarafından indüklenir ya da kendiliğinden gerçekleşir. İlk durumda, uyarılmış emisyon meydana gelir ve ikinci durumda kendiliğinden emisyon meydana gelir. Termal dengede, uyarılmış emisyon olasılığı, kendiliğinden olandan çok daha düşüktür (1:1033); bu nedenle, çoğu sıradan ışık kaynağı tutarsızdır ve termal denge dışındaki koşullar altında lazerleme mümkündür.
Çok güçlü pompalamayla bile nüfusiki seviyeli sistemler yalnızca eşit hale getirilebilir. Bu nedenle, optik veya diğer pompalama yöntemleriyle ters bir popülasyon elde etmek için, üç veya dört seviyeli sistemler gereklidir.
Üç seviyeli lazerin çalışma prensibi nedir? Ν frekansının yoğun ışığı ile ışınlama02 En düşük enerji seviyesi E'den çok sayıda atom pompalar0 yukarı E2... Atomların E ile ışınımsız geçişi2 ayak parmağı1 E arasındaki popülasyon dönüşümünü1 ve E0, pratikte ancak atomlar uzun süre yarı kararlı durumda olduğunda mümkündür E1, ve E'den geçiş2 ayak parmağı1 çabuk olur. Üç seviyeli bir lazerin çalışma prensibi, bu koşulları yerine getirmektir, çünkü E0 ve E1 popülasyon dönüşümü elde edilir ve fotonlar E enerjisi ile büyütülür1-E0 indüklenmiş radyasyon. Daha geniş E seviyesi2 daha verimli pompalama için dalga boylarının absorpsiyon aralığını artırabilir ve bu da uyarılmış emisyonda bir artışa neden olabilir.
Üç katmanlı sistem, çok yüksekpompa gücü, çünkü üretimde yer alan alt düzey temel düzeydir. Bu durumda, popülasyon dönüşümünün gerçekleşmesi için E durumuna1 toplamın yarısından fazlası pompalanmalıdıratomların sayısı. Bu boşa harcanan enerjidir. En az dört seviyeli bir sistem gerektiren düşük üretim seviyesi temel değilse pompa gücü önemli ölçüde azaltılabilir.
Etkin maddenin niteliğine bağlı olarak,lazerler katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç ana kategoriye ayrılır. 1958'den beri, lazerin ilk olarak bir yakut kristalinde görüldüğü zamandan beri, bilim adamları ve araştırmacılar her kategoride çok çeşitli materyaller üzerinde çalıştılar.
Çalışma prensibi, bir geçiş metali (Ti3, Cr3, V2, Co2, Ni2, Fe2, vb.), nadir toprak iyonları (Ce3, Pr3, Nd3, Pm3, Sm2, AB+ 2, + 3, Tb3, Dy3, Ho3, Er3, Yb3, vb.) ve U gibi aktinitler3... İyonların enerji seviyeleri yalnızca aşağıdakilerden sorumludur:nesil. Temel malzemenin termal iletkenlik ve termal genleşme gibi fiziksel özellikleri, verimli lazer performansı için çok önemlidir. Katkılı iyonun etrafındaki örgü atomlarının dizilimi, enerji seviyelerini değiştirir. Aktif ortamdaki farklı lazer dalga boyları, farklı materyallerin aynı iyon ile katkılanmasıyla elde edilir.
Katı hal lazerine bir örnek, bir kuantumdurholmiyumun kristal kafesinin temel maddesinin bir atomunun yerini aldığı jeneratör. Ho: YAG, en iyi nesil malzemelerden biridir. Bir holmiyum lazerin çalışma prensibi, itriyum alüminyum granatının holmiyum iyonları ile katkılanması, bir flaş lambası ile optik olarak pompalanması ve dokular tarafından iyi emilen kızılötesi aralıkta 2097 nm dalga boyunda yayılmasıdır. Bu lazer, eklemlerde, diş tedavisinde, kanser hücrelerinin, böbrek ve safra taşlarının buharlaşması için kullanılır.
Kuantum kuyu lazerleri ucuzdur.seri üretim ve ölçeklemesi kolay. Bir yarı iletken lazerin çalışma prensibi, taşıyıcıyı LED'lere benzer pozitif bir önyargı ile yeniden birleştirerek belirli bir dalga boyunda ışık üreten bir pn bağlantı diyotunun kullanımına dayanır. LED'ler kendiliğinden yayılırken, lazer diyotlar zorunlu olarak yayılır. Popülasyon ters çevirme koşulunu karşılamak için, çalışma akımı eşik değerini aşmalıdır. Bir yarı iletken diyottaki aktif ortam, iki iki boyutlu tabakalardan oluşan bir bağlantı bölgesi biçimine sahiptir.
Bu tip lazerin çalışma prensibi öyle kititreşimleri korumak için dış aynaya gerek yoktur. Katmanların kırılma indisinin yarattığı yansıma ve aktif ortamın iç yansıması bu amaç için yeterlidir. Diyotların uç yüzeyleri yontulmuştur, bu da yansıtıcı yüzeylerin paralel olmasını sağlar.
Aynı türden yarı iletken malzemelerden oluşan bir bileşiğe homojonksiyon denir ve iki farklı olanın birleştirilmesiyle oluşturulan bir bileşiğe ise heterojonksiyon denir.
Yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahip p ve n tipi yarı iletkenler, çok ince (≈1 μm) bir tükenme tabakası ile bir pn birleşimi oluşturur.
Bu lazerin çalışma ve kullanım prensibitype, hemen hemen her güçte (miliwatt'tan megawatt'a) ve dalga boylarında (UV'den IR'ye) cihazlar oluşturmanıza ve darbeli ve sürekli modlarda çalışmanıza olanak tanır. Aktif ortamın doğasına bağlı olarak, atomik, iyonik ve moleküler olmak üzere üç tür gaz kuantum üreteci ayırt edilir.
Çoğu gaz lazeri pompalanırElektrik boşalması. Deşarj tüpündeki elektronlar, elektrotlar arasındaki elektrik alanı tarafından hızlandırılır. Aktif ortamın atomları, iyonları veya molekülleri ile çarpışırlar ve nüfus dönüşümü ve uyarılmış emisyon durumuna ulaşmak için daha yüksek enerji seviyelerine geçişi indüklerler.
Lazer operasyonu prensibi, şu gerçeğe dayanmaktadır:İzole edilmiş atom ve iyonlardan farklı olarak, atomik ve iyonik kuantum üreteçlerindeki moleküller, ayrı enerji seviyelerinde geniş enerji bantlarına sahiptir. Bu durumda, her elektronik enerji seviyesinin çok sayıda titreşim seviyesi vardır ve bunların da birkaç dönüş seviyesi vardır.
Elektronik enerji arasındaki enerjiseviyeler, spektrumun UV ve görünür bölgelerindeyken, titreşimsel-dönme seviyeleri arasında - uzak ve yakın kızılötesi bölgelerdedir. Dolayısıyla, çoğu moleküler kuantum üreteci uzak veya yakın IR bölgelerinde çalışır.
Excimerler gibi moleküllerdirAyrılmış bir temel duruma sahip olan ve birinci seviyede kararlı olan ArF, KrF, XeCl. Lazerin prensibi aşağıdaki gibidir. Kural olarak, temel durumdaki molekül sayısı azdır; bu nedenle, temel durumdan doğrudan pompalama mümkün değildir. Moleküller, yüksek enerjili halojenürlerin inert gazlarla birleştirilmesiyle ilk uyarılmış elektronik durumda oluşturulur. Nüfus dönüşümü kolayca elde edilir çünkü başlangıçtaki molekül sayısı uyarılmış olana kıyasla çok küçüktür. Kısacası, bir lazerin çalışma prensibi, bağlı bir uyarılmış elektronik durumdan ayrıştırıcı bir temel duruma geçişten oluşur. Temel haldeki nüfus her zaman düşük bir seviyede kalır, çünkü bu noktada moleküller atomlara ayrışır.
Lazerlerin cihazı ve çalışma prensibi, boşaltma tüpünün bir halojenür (F2) ve nadir toprak gazı (Ar). İçindeki elektronlar halojenür moleküllerini ayrıştırır ve iyonize eder ve negatif yüklü iyonlar oluşturur. Ar pozitif iyonlar+ ve negatif F- ilk reaksiyonda ArF molekülleri üretirdaha sonra itici bir temel duruma geçişleri ve tutarlı radyasyon üretimi ile uyarılmış bağlı durum. Şu anda üzerinde düşündüğümüz çalışma ve uygulama prensibi olan bir excimer lazer, boyalara dayalı bir aktif ortamı pompalamak için kullanılabilir.
Katılara kıyasla, sıvılardaha homojendir ve gazlardan daha yüksek yoğunlukta aktif atomlara sahiptir. Buna ek olarak, üretimi zor değildir, kolay ısı dağılımına izin verir ve kolayca değiştirilebilir. Lazerin çalışma prensibi, DCM (4-disiyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben vb. Gibi organik boyaları aktif bir ortam olarak kullanmaktır. ., uygun bir çözücü içinde çözülür. Bir boya molekülü çözeltisi, dalga boyu iyi bir soğurma katsayısına sahip olan radyasyon tarafından uyarılır. Kısacası, lazer işleminin prensibi, floresan adı verilen daha uzun bir dalga boyunda üretmektir. Soğurulan enerji ile yayılan fotonlar arasındaki fark, ışınımsal olmayan enerji geçişleri tarafından kullanılır ve sistemi ısıtır.
Daha geniş floresan sıvı bandıkuantum jeneratörlerinin benzersiz bir özelliği vardır - dalga boyu ayarı. Spektroskopi, holografi ve biyomedikal uygulamalarda çalışma prensibi ve bu tip lazerin ayarlanabilir ve uyumlu bir ışık kaynağı olarak kullanılması giderek daha fazla önem kazanmaktadır.
Son zamanlarda, boya kuantum jeneratörleri izotop ayırma için kullanılmaktadır. Bu durumda, lazer bunlardan birini seçici olarak uyarır ve kimyasal bir reaksiyona girmesini ister.
