Primul principiu al laserului, a cărui fizică se baza pe legea radiației lui Planck, a fost fundamentat teoretic de Einstein în 1917. El a descris absorbția, radiația electromagnetică spontană și stimulată folosind coeficienți de probabilitate (coeficienții Einstein).
Pioneers
Theodor Meiman a fost primul care a demonstrat principiul de funcționare a unui laser cu rubin bazat pe pomparea optică a rubinului sintetic cu o lampă blitz, care producea radiații coerente pulsate cu o lungime de undă de 694 nm.
În 1960, oamenii de știință iranieni Javan și Bennett au creat primul generator cuantic de gaz folosind un amestec 1:10 de gaze He și Ne.
În 1962, RN Hall a demonstrat prima diodă laser cu arseniură de galiu (GaAs) care emite la o lungime de undă de 850 nm. Mai târziu în acel an, Nick Golonyak a dezvoltat primul generator cuantic de lumină vizibilă cu semiconductor.
Proiectarea și principiul de funcționare a laserelor
Fiecare sistem laser este format dintr-un mediu activ plasatîntre o pereche de oglinzi optic paralele și foarte reflectorizante, dintre care una este translucidă, și o sursă de energie pentru pomparea acesteia. Mediul de amplificare poate fi un solid, lichid sau gazos, care are proprietatea de a amplifica amplitudinea unei unde luminoase care trece prin el prin emisie stimulată cu pompare electrică sau optică. O substanță este plasată între o pereche de oglinzi în așa fel încât lumina reflectată în acestea să treacă prin ea de fiecare dată și, după ce a ajuns la o amplificare semnificativă, să pătrundă într-o oglindă translucidă.
Medii cu două niveluri
Să luăm în considerare principiul de funcționare al unui laser cu un mediu activ, atomii căruia au doar două niveluri de energie: E excitat2 și E de bază1 . Dacă atomii sunt excitați la starea E2 prin orice mecanism de pompare (optic, descărcare electrică, transmisie de curent sau bombardament cu electroni), atunci după câteva nanosecunde vor reveni la poziția solului, emițând fotoni. de energie hν=E 2 - E1. Conform teoriei lui Einstein, emisia este produsă în două moduri diferite: fie este indusă de un foton, fie are loc spontan. În primul caz are loc emisia stimulată, iar în al doilea, emisia spontană. La echilibrul termic, probabilitatea de emisie stimulată este mult mai mică decât emisia spontană (1:1033), astfel încât majoritatea surselor de lumină convenționale sunt incoerente, iar generarea laserului este posibilă în alte condiții decât termice. echilibru.
Chiar cu foarte puternicpompare, populația sistemelor cu două niveluri poate fi egalată. Prin urmare, sunt necesare sisteme cu trei sau patru niveluri pentru a realiza inversarea populației prin metode optice sau alte metode de pompare.
Sisteme pe mai multe niveluri
Care este principiul laserului cu trei niveluri? Iradierea cu lumină intensă de frecvență ν02 pompează un număr mare de atomi de la cel mai scăzut nivel de energie E0 la cel mai în alt nivel de energie E 2. Tranziția neradiativă a atomilor de la E2 la E1 stabilește o inversare a populației între E1 și E 0 , care în practică este posibil doar atunci când atomii sunt într-o stare metastabilă mult timp E1, și trecerea de la E2la E 1 merge rapid. Principiul de funcționare al unui laser cu trei nivele este îndeplinirea acestor condiții, datorită cărora între E0 și E1 se realizează o inversare a populației și fotonii sunt amplificate de emisia indusă de energie E 1-E0. Un nivel mai larg de E2 ar putea crește intervalul de absorbție a lungimii de undă pentru o pompare mai eficientă, ceea ce duce la o creștere a emisiilor stimulate.
Sistemul cu trei nivele necesită o putere foarte mare a pompei, deoarece nivelul inferior implicat în generare este cel de bază. În acest caz, pentru ca inversarea populației să aibă loc, mai mult de jumătate din numărul total de atomi trebuie să fie pompați în starea E1. Procedând astfel, energia este irosită. Puterea de pompare poate fi semnificativăscade dacă nivelul de generație inferior nu este cel de bază, care necesită cel puțin un sistem cu patru niveluri.
În funcție de natura substanței active, laserele sunt împărțite în trei categorii principale, și anume, solide, lichide și gazoase. Din 1958, când laserul a fost observat pentru prima dată într-un cristal de rubin, oamenii de știință și cercetătorii au studiat o mare varietate de materiale din fiecare categorie.
Laser cu stare solidă
Principiul de funcționare se bazează pe utilizarea unui mediu activ, care se formează prin adăugarea unui grup de metal de tranziție la rețeaua cristalină izolatoare (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 etc.), ioni de pământuri rare (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 etc.) și actinide precum U+3. Nivelurile de energie ale ionilor sunt responsabile doar de generare. Proprietățile fizice ale materialului de bază, cum ar fi conductivitatea termică și dilatarea termică, sunt esențiale pentru funcționarea eficientă a laserului. Dispunerea atomilor reticulat în jurul unui ion dopat îi modifică nivelurile de energie. Se obțin lungimi de undă diferite de generare în mediul activ prin doparea diferitelor materiale cu același ion.
Laser Holmium
Un exemplu de laser cu stare solidă este un generator cuantic, în care holmiul înlocuiește un atom al substanței de bază a rețelei cristaline. Ho:YAG este unul dintre cele mai bune materiale de generație. Principiul de funcționare al unui laser cu holmiu este că granatul de ytriu-aluminiu este dopat cu ioni de holmiu, pompat optic de o lampă flash și emite la o lungime de undă de 2097 nm în domeniul IR, care este bine absorbit de țesuturi. Acest laser este folosit pentru operații la articulații, în tratamentul dinților, pentru evaporarea celulelor canceroase, a litiilor la rinichi și ai biliarii.
Generator cuantic cu semiconductor
Laserele cu puțuri cuantice sunt ieftine, producibile în masă și ușor scalabile. Principiul de funcționare al unui laser semiconductor se bazează pe utilizarea unei diode de joncțiune p-n, care produce lumină de o anumită lungime de undă prin recombinare a purtătorului la polarizare pozitivă, similar cu LED-urile. LED-urile emit spontan, iar diodele laser - forțate. Pentru a îndeplini condiția de inversare a populației, curentul de funcționare trebuie să depășească valoarea de prag. Mediul activ dintr-o diodă semiconductoare are forma unei regiuni de legătură din două straturi bidimensionale.
Principiul de funcționare al acestui tip de laser este de așa natură încât nu este necesară o oglindă externă pentru a menține oscilațiile. Reflexivitatea creată de indicele de refracție al straturilor și de reflexia internă a mediului activ este suficientă în acest scop. Suprafețele de capăt ale diodelor sunt ciobite, ceea ce asigură că suprafețele reflectorizante sunt paralele.
O conexiune formată din materiale semiconductoare de același tip se numește homouncție, iar o conexiune creată printr-o conexiune a două diferite se numeșteheterojoncție.
Semiconductori de tip P și n cu densitate mare de purtător formează o joncțiune p-n cu un strat de epuizare foarte subțire (≈1 µm).
Laser cu gaz
Principiul de funcționare și utilizarea acestui tip de laser vă permite să creați dispozitive de aproape orice putere (de la miliwați la megawați) și lungimi de undă (de la UV la IR) și vă permite să lucrați în moduri pulsate și continue. Pe baza naturii mediilor active, există trei tipuri de generatoare cuantice de gaz, și anume atomice, ionice și moleculare.
Majoritatea laserelor cu gaz sunt pompate cu o descărcare electrică. Electronii din tubul cu descărcare sunt accelerați de câmpul electric dintre electrozi. Ele se ciocnesc cu atomii, ionii sau moleculele mediului activ și induc o tranziție la niveluri de energie mai în alte pentru a obține o stare de inversare a populației și de emisie stimulată.
Laser molecular
Principiul de funcționare al unui laser se bazează pe faptul că, spre deosebire de atomii și ionii izolați, moleculele din generatoarele cuantice atomice și ionice au benzi de energie largi de niveluri de energie discrete. Mai mult, fiecare nivel de energie electronică are un număr mare de niveluri vibraționale, iar acestea, la rândul lor, au mai multe niveluri de rotație.
Energia dintre nivelurile de energie electronică se află în regiunile UV și vizibile ale spectrului, în timp ce între nivelurile vibrațional-rotaționale - în IR îndepărtat și apropiatzone. Astfel, majoritatea generatoarelor cuantice moleculare funcționează în regiunile infraroșii îndepărtate sau apropiate.
Laser cu excimer
Excimerii sunt molecule precum ArF, KrF, XeCl, care au o stare fundamentală separată și sunt stabile la primul nivel. Principiul de funcționare al laserului este următorul. De regulă, numărul de molecule în starea fundamentală este mic, astfel încât pomparea directă din starea fundamentală nu este posibilă. Moleculele se formează în prima stare electronică excitată prin combinarea halogenurilor de în altă energie cu gaze inerte. Populația inversării este ușor de realizat, deoarece numărul de molecule la nivelul bazei este prea mic în comparație cu cel excitat. Principiul de funcționare al unui laser, pe scurt, este trecerea de la o stare electronică excitată legată la o stare fundamentală disociativă. Populația în starea fundamentală rămâne întotdeauna la un nivel scăzut, deoarece moleculele în acest punct se disociază în atomi.
Dispozitivul și principiul de funcționare al laserelor este că tubul de descărcare este umplut cu un amestec de halogenură (F2) și gaz de pământuri rare (Ar). Electronii din acesta disociază și ionizează moleculele de halogenuri și creează ioni încărcați negativ. Ionii pozitivi Ar+ și negativi F- reacționează și produc molecule ArF în prima stare legată excitat, cu tranziția lor ulterioară la starea de bază respingătoare și generarea de radiatii coerente. Laserul excimer, al cărui principiu de funcționare și aplicare îl luăm acum în considerare, poate fi folosit pentru pomparemediu activ pe coloranți.
Laser lichid
În comparație cu solidele, lichidele sunt mai omogene și au o densitate mai mare de atomi activi decât gazele. În plus, sunt ușor de fabricat, permit o disipare ușoară a căldurii și pot fi înlocuite cu ușurință. Principiul de funcționare al laserului este utilizarea coloranților organici ca mediu activ, cum ar fi DCM (4-dicyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostyryl-4H-piran), rodamină, stiril, LDS, cumarină, stilben etc. …, dizolvat într-un solvent adecvat. O soluție de molecule de colorant este excitată de radiații a căror lungime de undă are un coeficient de absorbție bun. Principiul de funcționare al laserului, pe scurt, este acela de a genera la o lungime de undă mai mare, numită fluorescență. Diferența dintre energia absorbită și fotonii emiși este utilizată de tranzițiile de energie non-radiativă și încălzește sistemul.
Banda mai largă de fluorescență a generatoarelor cuantice lichide are o caracteristică unică - reglarea lungimii de undă. Principiul de funcționare și utilizarea acestui tip de laser ca sursă de lumină reglabilă și coerentă devin din ce în ce mai importante în spectroscopie, holografie și aplicații biomedicale.
Recent, generatoarele cuantice de colorant au fost folosite pentru separarea izotopilor. În acest caz, laserul excită selectiv pe unul dintre ei, determinându-i să intre într-o reacție chimică.
