El principi d'acció del làser: característiques de radiació làser

es justificava el primer principi d'acció del làser, que es basa en la física de la llei de radiació de Planck, en teoria, Einstein el 1917. Va descriure l'absorció, espontània i estimulada de radiació electromagnètica utilitzant coeficients de probabilitat (coeficients d'Einstein).

pioners

Teodor Meyman va ser el primer a demostrar el principi de l'acció d'un làser de robí, basat en el bombament òptic utilitzant un robí sintètic llum de flaix, genera la radiació coherent amb una longitud d'ona de 694 nm.

El 1960, els científics iranians de Java i Bennett van crear els primers làsers de gas que utilitzen barreges d'He i Ne gasos en una proporció de 1:10.

El 1962, R. N. Corredor realitza una primera làser de díode feta de arsenur de gal·li (GaAs), que emet a una longitud d'ona de 850 nm. Més tard aquest mateix any, Nick Golonyak desenvolupar el primer generador quàntic semiconductor de llum visible.

El dispositiu i el principi dels làsers

Cada sistema làser inclou un mitjà actiu òpticament col·locat entre un parell de miralls paral·lels i altament reflectants, una de les quals és transparent, i una font d'energia per al bombament de la mateixa. A mesura que el mitjà de guany pot actuar com un sòlid, líquid o gas, que tenen la capacitat d'amplificar l'amplitud de l'ona de la llum que passa a través d'ell internament amb radiació de bombament òptic o elèctric. La substància es col·loca entre un parell de miralls de manera que la llum reflectida en elles cada vegada que passa a través d'ell i, havent aconseguit un augment significatiu, penetra en el mirall mig.

entorn de dúplex

Penseu el principi d'acció de làser amb un mitjà actiu els àtoms tenen només dos nivells d'energia: E excitat E ₂ i la base _1. Si els àtoms a través de qualsevol mecanisme de bombeig (, corrent de descàrrega elèctrica o transmitància bombardeig d'electrons òptica) són excitats a un estat E _2, en uns pocs nanosegons tornen a la posició bàsica, irradiant fotons d'energia hv = E ₂ - E _1. Segons la teoria d'Einstein, l'emissió es produeix de dues maneres diferents: o bé s'indueix per un fotó, o es produeix de forma espontània. En el primer cas, l'emissió estimulada es produeix i el segon - espontània. En equilibri tèrmic, la probabilitat de l'emissió estimulada és molt menor que l'espontània (1:10 ^33), de manera que la majoria de les fonts de llum incoherents convencionals, i l'acció làser és possible en les condicions diferents d'equilibri tèrmic.

Fins i tot amb una molt forta sistemes de bombament a nivell de població només es poden fer iguals. Per tant, per aconseguir la inversió de població o un altre mètode de bombament òptic requereix un sistema de tres o quatre nivells.

sistema multinivell

Quin és el principi del làser de tres nivells? La irradiació de la llum intensa de la freqüència ν ₀₂ bomba un gran nombre d'àtoms del més baix nivell d'energia E ₀ i E ₂ de la part superior. transició sense radiació amb els àtoms E ₂ a E ₁ estableix una inversió de població entre E ₁ i E _0, que a la pràctica només és possible quan els àtoms són d'un llarg temps en un estat metastable I _1, i la transició d'E ₁ a E ₂ es produeix ràpidament. El principi de funcionament d'un làser de tres nivells és en aquestes condicions, de manera que entre E ₀ i E _1, la inversió de població s'aconsegueix i s'amplifica l'energia fotònica I ₁ -E ₀ emissió estimulada. Wider nivell E ₂ podria augmentar el rang de longitud d'ona d'absorció per bombar de manera més eficient, el que resulta en el creixement de l'emissió estimulada.

Tres a nivell de sistema requereix una molt alta potència de bombament des del nivell inferior, estan involucrats en la generació, és una base. En aquest cas, per tal d'inversió de població produït a l'estat E ₁ a bombar més de la meitat del nombre total d'àtoms. En aquest cas, l'energia es malgasta. La potència de la bomba es pot reduir considerablement si el nivell d'emissió làser inferior no és la base, que requereix almenys un sistema de quatre nivells.

Depenent de la naturalesa de la substància activa, els làsers es classifiquen en tres categories bàsiques, és a dir, sòlid, líquid i gas. Des de 1958, quan es va observar la primera generació en un cristall de robí, científics i investigadors han estudiat una àmplia gamma de materials en cada categoria.

làser d'estat sòlid

El funcionament es basa en l'ús d'un mitjà actiu que està format per l'addició d'un metall de transició xarxa cristal·lina aïllant (Tu ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} i així successivament. D.) , ions de terres rares (Ce ^3, Pr ^3, Nd ^3, Pm ^3, Sm ^2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^3, Dy ^3, HO ^3, Er ^3, Yb ³ , et al.), i els actínids com ara U ^3. Els nivells d'energia de les ions responsables únicament per a la generació. Propietats físiques del material de base, com ara la conductivitat tèrmica i l'expansió tèrmica són importants per al funcionament eficaç del làser. Localització de gelosia dels àtoms al voltant d'un ió dopat canvia els seus nivells d'energia. Diferents longituds de generació d'ones en el medi actiu s'aconsegueixen mitjançant dopatge diversos materials en el mateix ió.

làser de holmi

Un exemple d'un làser d'estat sòlid és un generador quàntic, en què un àtom de holmi reemplaça el material de base de la xarxa cristal·lina. Ho: YAG és un dels millors materials làser. El principi de funcionament del làser de holmi és que el granat d'itri i alumini dopat amb ions de holmi, òpticament bombejat per llum de flash i emet a una longitud d'ona de 2097 nm en el rang infraroig és ben absorbida pels teixits. Utilitza aquest làser per a les operacions en les articulacions, el tractament dental, per vaporitzar les cèl·lules canceroses, renals i biliars.

Un generador quàntic semiconductor

làsers de pou quàntic són de baix cost, permet la producció en massa i són fàcilment escalable. El principi de funcionament de la làser semiconductor basat en l'ús de la unió pn-díode, que produeix llum d'una certa longitud d'ona per la recombinació del portador en un biaix positiu, com LEDs. LED emeten de forma espontània i díodes làser - compulsiva. Per complir amb la condició d'inversió de població, el corrent de funcionament ha de ser superior a un llindar. El medi actiu en un díode semiconductor té una vista de la zona de connexió de capes bidimensionals.

El principi de funcionament d'aquest tipus de làser és que per mantenir les oscil·lacions es requereix cap mirall extern. La capacitat de reflexió, creat a causa a l'índex de refracció de capes i la reflexió interna del medi actiu, és suficient per a aquest propòsit. Les superfícies extremes s'escindeixen díodes que proporciona superfícies de reflexió paral·leles.

El compost format pel material semiconductor del mateix tipus es diu una homojunció, segons el que estableix la connexió de dos diferents - heterounión.

Semiconductors de p i n tipus amb una alta densitat de portadors formen un p-n-encreuament amb un (≈1 mm) capa molt prima empobrit.

làser de gas

El principi de funcionament i l'ús d'aquest tipus de làser fa que sigui possible la creació de dispositius de pràcticament qualsevol capacitat (de mil·liwatts a megawatts) i longituds d'ona (des de l'ultraviolat a l'infraroig) i pot operar en les maneres premut i continu. Basat en la naturalesa dels mitjans de comunicació activa, hi ha tres tipus de làsers de gas, és a dir, atòmiques, iòniques i moleculars.

La majoria dels làsers de gas bombejat per descàrrega elèctrica. Els electrons en el tub de descàrrega són accelerats pel camp elèctric entre els elèctrodes. Xoquen amb àtoms, ions o molècules d'un mitjà actiu i indueixen transició a nivells d'energia més altes per aconseguir un estat d'inversió de població i l'emissió estimulada.

làser molecular

El principi d'acció del làser es basa en el fet que, a diferència dels àtoms aïllats i els ions en làsers atòmiques i d'ions molècules posseeixen bandes d'energia àmplies de nivells discrets d'energia. A més, cada nivell d'energia d'electrons té un gran nombre de nivells de vibració, i els que al seu torn - alguns de rotació.

L'energia entre els nivells d'energia d'electrons és en les regions UV i visible de l'espectre, mentre que entre els nivells de vibració-rotació - a les regions de llarg a prop d'infrarojos. Així, la majoria dels làsers moleculars de treball en una regió distant o de l'infraroig proper.

làser excimer

Els excímeros són molècula tal com ArF, KrF, XeCl, que es divideixen estat fonamental estable i el primer nivell. El principi de funcionament del làser següent. Típicament, el nombre en l'estat fonamental de les molècules és petit, de manera que el bombament directe des de l'estat fonamental no és possible. Les molècules formades en el primer estat electrònic excitat per un compost que té un alt halurs d'energia amb gasos inerts. La inversió de població s'aconsegueix fàcilment, ja que el nombre de molècules en un nivell bàsic és massa baixa, en comparació amb el excitat. El principi d'acció del làser, en resum, és la transició des d'un estat electrònic excitat unit a un dissociatiu estat fonamental. La població de l'estat fonamental és sempre en un nivell baix, perquè en aquest punt la molècula es dissocia en àtoms.

El principi aparell i el làser consisteix en que el tub de descàrrega s'omple amb una barreja d'halur (F ₂₎ i gas rar (Ar). Els electrons en què es dissocien i s'ionitzen les molècules d'halur i creen ions negatius. Els ions positius Ar ⁺ i F negatiu ^- reaccionar i produir molècules d'IRA en el primer estat excitat associat amb la transició posterior a la de repulsió estat base i generació de radiació coherent. làser excimer, el principi d'acció i l'ús dels quals estem considerant ara, podria ser utilitzat per al bombament del medi actiu del colorant.

làser líquid

En comparació amb els sòlids, els líquids són més homogenis i tenen una major densitat d'àtoms actius, en comparació amb gasos. A més d'això, no són difícils de produir, permetre una fàcil dissipació de calor i poden ser substituïts fàcilment. El principi d'acció del làser s'utilitza com un mitjà de guany de colorant orgànic, tal com DCM (4-dicianometilen-2-metil-6-p- dimetilaminoestiril-4H-pirà), rodamina, estirilo, LDS, cumarina, estilbè, i similars. D ., dissolt en un dissolvent apropiat. Una solució de les molècules de colorant és excitat per la radiació la longitud d'ona té un coeficient d'absorció bé. El principi d'acció del làser, en definitiva, és el de generar en una major longitud d'ona, anomenada fluorescència. La diferència entre l'energia absorbida i fotons emesos utilitza transicions d'energia no radiants i escalfa el sistema.

làsers líquids més ampli de fluorescència banda té una característica única - sintonització de longitud d'ona. El principi de funcionament i l'ús d'aquest tipus com un làser sintonitzable i la font de llum coherent, s'està convertint cada vegada més important en l'espectroscòpia, l'holografia, i en aplicacions biomèdiques.

Recentment, els làsers s'han utilitzat per tenyir per a la separació d'isòtops. En aquest cas, el làser excita selectivament un d'ells, el que va provocar iniciar una reacció química.