Die beginsel van laser aksie: eienskappe van laser bestraling

Die eerste beginsel van aksie van die laser, wat gebaseer is op die fisika van bestraling wet Planck se, in teorie, Einstein in 1917 geregverdig was. Hy beskryf die opname, spontane en gestimuleer elektromagnetiese straling met behulp van waarskynlikheid koëffisiënte (Einstein koëffisiënte).

baan brekers

Teodor Meyman was die eerste om die beginsel van aksie te demonstreer van 'n robyn laser, gebaseer op die optiese pomp met behulp van 'n flits lamp sintetiese robyn, genereer die samehangende bestraling met 'n golflengte van 694 nm.

In 1960, Iraanse wetenskaplikes Jawan en Bennett het die eerste gas lasers met behulp van mengsels van Hy en Ne gasse in 'n verhouding van 01:10.

In 1962, R. N. Hall maak 'n eerste diode laser gemaak van galliumarsenied (GaAs), afgee by 'n golflengte van 850 nm. Later daardie selfde jaar, Nick Golonyak ontwikkel die eerste halfgeleier kwantum kragopwekker van sigbare lig.

Die toestel en die beginsel van lasers

Elke laser stelsel sluit 'n aktiewe medium opties geplaas tussen 'n paar van parallel en hoogs weerspieël spieëls, waarvan een is deursigtig, en 'n kragbron vir die pomp dit. As die wins medium kan optree as 'n vaste stof, vloeistof of gas, wat die vermoë het om die amplitude van die liggolf wat daardeur loop intern met elektriese of optiese pomp bestraling versterk het. Die stof is geplaas tussen 'n paar van spieëls sodat die lig weerkaats op hulle elke keer gaan deur dit en het 'n beduidende toename bereik, dring die helfte spieël.

duplex omgewing

Dink aan die beginsel van laser aksie met 'n aktiewe medium wie se atome het net twee energievlakke: E opgewonde E ₂ en base _1. As die atome via enige pomp meganisme (optiese, elektriese ontlading huidige of oordraagbaarheid elektron bombardement) is opgewonde om 'n toestand E _2, in 'n paar nano sekondes hulle terug te keer na die basiese posisie, uitstraal energie fotone hν = E ₂ - E _1. Volgens Einstein se, is die vrystelling geproduseer in twee verskillende maniere: óf dit is veroorsaak deur 'n foton, of dit voorkom spontaan. In die eerste geval, gestimuleerde emissie plaasvind en die tweede - spontaan. Op termiese ewewig, die waarskynlikheid van gestimuleerde emissie is baie laer as die spontane (01:10 ^33), sodat die meeste konvensionele onsamehangende ligbronne, en lasing in die ander as termiese ewewig voorwaardes is moontlik.

Selfs met 'n baie sterk pomp bevolking-vlak stelsels kan net gelyk gemaak word. Daarom, om die bevolking inversie of ander optiese pomp metode bereik vereis 'n drie- of vier-vlak-stelsel.

multi-vlak stelsel

Wat is die beginsel van die drie-vlak laser? Die bestraling van intense lig van frekwensie ν ₀₂ pompe 'n groot aantal atome van die laagste energievlak E ₀ en E ₂ van die boonste. Radiationless oorgang met die atome E ₂ tot E ₁ stel 'n besettingsomkering tussen E ₁ en E _0, wat in die praktyk is slegs moontlik wanneer die atome is 'n lang tyd in 'n metastabiele toestand E _1, en die oorgang van E ₁ tot E ₂ kom vinnig. Die werksbeginsel van 'n drie-vlak laser is in hierdie omstandighede, sodat tussen E ₀ en E _1, die besettingsomkering bereik en word versterk foton energie E ₁ -E ₀ gestimuleerde emissie. Wyer vlak E ₂ kan die absorpsie golflengte reeks om meer doeltreffend te pomp te verhoog, wat lei tot die groei van die gestimuleerde emissie.

Drie-vlak stelsel vereis 'n baie hoë pomp krag sedert die laer vlak, betrokke is in die generasie, dit is 'n basis. In hierdie geval, ten einde besettingsomkering plaasgevind om die staat E ₁ meer te gepomp word as die helfte van die totale aantal atome. In hierdie geval, is die energie vermors. Die pomp krag kan grootliks verminder word indien die laer lasing is nie die basis, waarvan ten minste 'n vier-vlak-stelsel vereis.

Afhangende van die aard van die aktiewe stof, is die lasers geklassifiseer in drie basiese kategorieë, naamlik vaste stof, vloeistof en gas. Sedert 1958, toe die eerste generasie in 'n robyn kristal waargeneem, wetenskaplikes en navorsers het 'n wye verskeidenheid van materiale in elke kategorie bestudeer.

vastetoestand laser

Die operasie is gebaseer op die gebruik van 'n aktiewe medium wat gevorm word deur die byvoeging van 'n isolerende kristalrooster oorgangsmetaal (Ti ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^2, Ni ^2, Fe ^2, en so aan D..) , seldsame aarde ione (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.), en die aktiniede soos U ^3. Die energie vlakke van die ione wat verantwoordelik is net vir die opwekking. Fisiese eienskappe van die basis materiaal, soos termiese geleidingsvermoë en termiese uitsetting is belangrik om die doeltreffende werking van die laser. Plek rooster van atome rondom 'n gedoopte ioon verander sy energie vlakke. Verskillende lengtes van golf generasie in die aktiewe medium bereik word deur doping verskillende materiale in dieselfde ioon.

holmium laser

'N Voorbeeld van 'n vaste-toestand laser is 'n kwantum kragopwekker, waarin holmium atoom vervang die basismateriaal van die kristalrooster. Ho: YAG is een van die beste lasing materiaal. Die werksbeginsel van die holmium laser is dat yttrium aluminium granaat gedoteer met holmium ione, opties deur flits lamp gepomp en straal by 'n golflengte van 2097 Nm in die infrarooi-reeks is goed geabsorbeer deur die weefsel. Gebruik hierdie laser vir operasies op die gewrigte, tandheelkundige behandeling, om kankerselle, nier en galstene verdamp.

A halfgeleier kwantum kragopwekker

Quantum goed lasers is goedkoop, laat massaproduksie en is maklik skaal baar. Die werksbeginsel van die halfgeleier laser gebaseer op die gebruik van pn-diode aansluiting, wat die lig van 'n sekere golflengte produseer deur die rekombinasie van die draer by 'n positiewe vooroordeel, soos LEDs. LED uitstraal spontaan en laser diodes - kompulsief. Om die toestand besettingsomkering vervul, moet die bedryfstelsel huidige 'n drumpel oorskry. Die aktiewe medium in 'n halfgeleier diode het 'n uitsig oor die verband area van tweedimensionele lae.

Die beginsel van werking van hierdie tipe laser is dat om ossillasies geen eksterne spieël is nodig in stand te hou. Die reflektiewe vermoë, geskep as gevolg van die brekingsindeks lae en interne weerkaatsing van die aktiewe medium, is voldoende vir hierdie doel. Die einde oppervlaktes aanhang diodes wat parallel weerspieël oppervlaktes bied.

Die saamgestelde gevorm deur die halfgeleiermateriaal van dieselfde soort is bekend as 'n homojunction, soos deur die koppeling van twee verskillende - skeef.

Halfgeleiers van p en N tipe met 'n hoë digtheid van draers vorm 'n p-n-aansluiting met 'n baie dun (≈1 mm) uitgeput laag.

gas laser

Die beginsel van werking en gebruik van hierdie tipe van laser maak dit moontlik om toestelle van feitlik enige hoedanigheid (vanaf milliwatt tot megawatt) en golflengtes skep (van ultraviolet om infrarooi) en kan funksioneer in pulsed en deurlopende modes. Gebaseer op die aard van die aktiewe media, is daar drie tipes gas lasers, naamlik atoom, ioniese- en molekulêre.

Die meeste gas lasers deur elektriese ontlading gepomp. Die elektrone in die ontladingsbuis versnel deur die elektriese veld tussen die elektrodes. Hulle bots met atome, ione of molekules van 'n aktiewe medium en veroorsaak oorgang na hoër energievlakke na 'n toestand van besettingsomkering en gestimuleerde emissie te bereik.

molekulêre laser

Die beginsel van laser aksie is gebaseer op die feit dat, in teenstelling met die geïsoleerde atome en ione in atoom en ioon lasers molekules beskik breë energie bands van diskrete energievlakke. Daarbenewens het elke elektron energie vlak het 'n groot aantal van vibrasie vlakke, en diegene op sy beurt - 'n paar rotasie.

Die energie tussen die elektron energie vlakke is in die UV en sigbare dele van die spektrum, terwyl tussen die vibrasie-rotasie-vlakke - in die wat naby en ver infrarooi streke. Dus, die meeste van die molekulêre lasers werk in 'n verre of naby-infrarooi streke.

excimeerlasers

Excimers is so molekule as ARF, Krf, XeCl, wat verdeel stabiele grondtoestand en die eerste vlak. Die beginsel van werking van die laser volgende. Tipies, die aantal in die grondtoestand van die molekules is klein, so die direkte pomp uit die grondtoestand is nie moontlik nie. Die molekules wat gevorm word in die eerste opgewonde elektroniese staat deur 'n mengsel met 'n hoë energie haliede met inerte gasse. Die besettingsomkering is maklik bereik sedert die aantal molekules op 'n basiese vlak te laag is, in vergelyking met die opgewonde. Die beginsel van laser aksie, in kort, is om die oorgang van 'n gebonde opgewonde elektroniese staat om 'n grondtoestand dissosiatiewe. Die bevolking van die grondtoestand is altyd op 'n lae vlak, want op hierdie stadium die molekule distansieer in atome.

Die beginsel apparaat en lasers bestaan in die ontladingsbuis is gevul met 'n mengsel van halied (F ₂₎ en seldsame gas (Ar). Die elektrone in dit te distansieer en ioniseer die halied molekules en skep negatiewe ione. Positiewe ione Ar ⁺ en negatiewe F ^- reageer en produseer ARF molekules in die eerste opgewekte toestand wat verband hou met die daaropvolgende oorgang na die basis staat afstotende en geslag van samehangende bestraling. Excimer laser, die beginsel van aksie en die gebruik van wat ons nou oorweeg, kan gebruik word vir die pomp van die aktiewe medium van die kleurstof.

vloeistof laser

In vergelyking met vaste stowwe, vloeistowwe is meer homogeen en het 'n hoër digtheid van aktiewe atome, in vergelyking met gasse. Benewens hierdie, hulle is nie moeilik om te produseer, laat maklik warmteafvoer en kan maklik vervang word. Die beginsel van aksie van die laser word gebruik as 'n aanwins medium van organiese kleurstof, soos DCM (4-dicyanomethylene-2-metiel-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, cumarine, stilbene, en dies meer. D ., opgelos in 'n geskikte oplosmiddel. 'N Oplossing van die kleurstof molekules is opgewonde oor bestraling wie se golflengte het 'n goeie absorpsiekoëffisiënt. Die beginsel van laser aksie, in kort, is om op te wek by 'n langer golflengte, genoem fluoressensie. Die verskil tussen die energie geabsorbeer en vrygestel fotone gebruik nonradiative energie-oorgange en verhit die stelsel.

Breër groep fluoressensie vloeibare lasers het 'n unieke kenmerk - golflengte tuning. Die beginsel van werking en gebruik van hierdie tipe as 'n verstelbare laser en die samehangende ligbron, word toenemend belangrik in spektroskopie, holografie, en in biomediese aansoeke.

Onlangs het lasers gebruik om kleur vir isotoopskeiding. In hierdie geval, die laser selektief opgewonde een van hulle, waarna begin 'n chemiese reaksie.