Η αρχή της δράσης λέιζερ: τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας λέιζερ

Η πρώτη αρχή της δράσης του λέιζερ, η οποία βασίζεται στη φυσική του νόμου ακτινοβολίας του Planck, στη θεωρία, ο Αϊνστάιν το 1917 ήταν δικαιολογημένη. Περιέγραψε την απορρόφηση, αυθόρμητη και διεγέρθηκαν ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας συντελεστές πιθανότητας (συντελεστές Einstein).

πρωτοπόροι

Teodor Meyman ήταν η πρώτη για να αποδειχθεί η αρχή της δράσης ενός λέιζερ ρουμπίνι, με βάση την οπτική άντληση χρησιμοποιώντας μια λάμπα φλας συνθετικό ρουμπίνι, δημιουργεί τη συνεκτική ακτινοβολία με μήκος κύματος 694 nm.

Το 1960, Ιρανών επιστημόνων Ιάβας και Bennett δημιούργησε το πρώτο λέιζερ αερίου χρησιμοποιώντας μίγματα Αυτός και Ne αέρια σε αναλογία 1:10.

Το 1962, R. Ν Hall κάνει μία πρώτη λέιζερ διόδου είναι κατασκευασμένα από αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs), που εκπέμπει σε μήκος κύματος 850 nm. Αργότερα την ίδια χρονιά, ο Nick Golonyak ανέπτυξε το πρώτο ημιαγωγού κβαντική γεννήτρια του ορατού φωτός.

Η συσκευή και η αρχή του λέιζερ

Κάθε σύστημα laser περιλαμβάνει ένα ενεργό μέσο οπτικά τοποθετείται μεταξύ ενός ζεύγους παράλληλων και άκρως κάτοπτρα εκτροπής, ένα εκ των οποίων είναι ημιδιαφανές, και μια πηγή ενέργειας για την άντληση αυτό. Καθώς το μέσο κέρδος μπορεί να λειτουργήσει ως ένα στερεό, υγρό ή αέριο, τα οποία έχουν την ικανότητα να ενισχύουν το πλάτος του κύματος φωτός που διέρχεται μέσα από αυτό εσωτερικά με ηλεκτρική ή οπτική ακτινοβολία άντλησης. Η ουσία τοποθετείται μεταξύ ενός ζεύγους κατόπτρων έτσι ώστε το φως που ανακλάται σε αυτούς κάθε φορά περνά μέσα από αυτό και, έχοντας φτάσει μια σημαντική αύξηση, διαπερνά το μισό καθρέφτη.

διπλής όψης περιβάλλον

Εξετάστε την αρχή της δράσης λέιζερ με ένα ενεργό μέσο του οποίου τα άτομα έχουν μόνο δύο επίπεδα ενέργειας: E ενθουσιασμένος Ε ₂ και τη βάση _1. Εάν τα άτομα μέσω οποιουδήποτε μηχανισμού αντλήσεως (οπτική, ηλεκτρικό ρεύμα εκφόρτισης ή διαπερατότητας βομβαρδισμό ηλεκτρονίων) είναι διεγερμένη σε μια κατάσταση Ε _2, σε μερικά νανοδευτερόλεπτα επιστρέφουν στη βασική θέση, ακτινοβολεί ενέργεια φωτονίων hν = Ε ₂ - E _1. Σύμφωνα με την θεωρία του Einstein, η εκπομπή παράγεται με δύο διαφορετικούς τρόπους: είτε να επάγεται από ένα φωτόνιο ή συμβαίνει αυθόρμητα. Στην πρώτη περίπτωση, εξαναγκασμένης εκπομπής λαμβάνει χώρα και η δεύτερη - αυθόρμητη. Σε θερμική ισορροπία, η πιθανότητα εξαναγκασμένη εκπομπή είναι πολύ χαμηλότερη από την αυθόρμητη (1:10 ^33), έτσι ώστε οι περισσότερες συμβατικές ασυνάρτητη πηγές φωτός, και λέιζερ είναι δυνατόν υπό τις συνθήκες άλλες από θερμική ισορροπία.

Ακόμη και με πολύ ισχυρά συστήματα άντλησης πληθυσμού επιπέδων μπορεί να γίνει μόνο ίσα. Ως εκ τούτου, για να επιτευχθεί η αναστροφή πληθυσμού ή άλλη μέθοδο οπτικής αντλήσεως απαιτεί ένα σύστημα τριών ή τεσσάρων επιπέδων.

σύστημα πολλαπλών επιπέδων

Τι είναι η αρχή του λέιζερ τριών επιπέδων; Η ακτινοβόληση του έντονου φωτός της συχνότητας ν ₀₂ αντλίες μέχρι ένα μεγάλο αριθμό ατόμων από το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας E ₀ και Ε ₂ του άνω. Radiationless μετάβαση με τα άτομα E ₂ έως Ε ₁ καθιερώνει αντιστροφή πληθυσμού μεταξύ Ε ₁ και Ε _0, η οποία στην πράξη είναι δυνατή μόνο όταν τα άτομα είναι ένα μεγάλο χρονικό διάστημα σε μία μετασταθή κατάσταση Ε _1, και η μετάβαση από Ε ₁ έως E ₂ λαμβάνει χώρα ταχέως. Η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ τριών επιπέδων είναι σε αυτές τις συνθήκες, έτσι ώστε μεταξύ Ε ₀ και Ε _1, η αναστροφή πληθυσμού επιτυγχάνεται και ενισχύεται φωτονίων ενέργειας E ₁ -Ε ₀ εξαναγκασμένη εκπομπή. Ευρύτερη επίπεδο Ε ₂ θα μπορούσε να αυξήσει το εύρος μήκους κύματος απορρόφησης να αντλεί περισσότερο αποτελεσματικά, με αποτέλεσμα την αύξηση της εξαναγκασμένης εκπομπής.

Τρία-επίπεδο σύστημα απαιτεί μια πολύ υψηλή ισχύ άντλησης αφού το κατώτερο επίπεδο, εμπλέκονται στην παραγωγή, είναι μια βάση. Στην περίπτωση αυτή, προκειμένου να αναστροφή πληθυσμού σημειώθηκε στην κατάσταση Ε ₁ που πρόκειται να αντληθεί περισσότερο από το ήμισυ του συνολικού αριθμού των ατόμων. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια σπαταλιέται. Η ισχύς της αντλίας μπορεί να μειωθεί σημαντικά εάν το χαμηλότερο λέιζερ επίπεδο δεν είναι η βάση, η οποία απαιτεί τουλάχιστον ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων.

Ανάλογα με τη φύση της δραστικής ουσίας, τα λέιζερ ταξινομείται σε τρεις βασικές κατηγορίες, δηλαδή στερεά, υγρά και αέρια. Από το 1958, όταν η πρώτη γενιά παρατηρήθηκε σε ρουμπινί κρύσταλλο, επιστήμονες και ερευνητές έχουν μελετήσει ένα ευρύ φάσμα των υλικών σε κάθε κατηγορία.

στερεάς κατάστασης λέιζερ

Η λειτουργία βασίζεται στη χρήση ενός ενεργού μέσου η οποία σχηματίζεται με προσθήκη ενός μονωτικού μετάλλου μεταπτώσεως κρυστάλλου πλέγμα (Ti ^+3, Cr ^{+3, +2 V,} Co ^{+ 2,} Νί ^{+ 2,} Fe ^{+ 2,} και ούτω καθεξής. D.) , ιόντα σπανίων γαιών (Ce ^+3, Pr ^+3, Nd ^+3, Pm ^{+3, +2 Sm,} Ευ ^{+ 2, + 3,} Tb ^{+ 3,} Dy ^{+ 3,} Ηο ^{+ 3,} Er ^{+ 3,} Yb ⁺³ , et αϊ.), και οι ακτινίδες όπως U ^+3. Τα επίπεδα ενέργειας των ιόντων υπεύθυνη μόνο για την παραγωγή. Φυσικές ιδιότητες του υλικού βάσης, όπως η θερμική αγωγιμότητα και θερμική διαστολή είναι σημαντικά για την αποδοτική λειτουργία του λέιζερ. Τοποθεσία πλέγματος ατόμων γύρω από ένα ντοπαρισμένο ιόντων αλλάζει επίπεδα ενέργειάς της. Τα διαφορετικά μήκη των γενιάς κύματος στο ενεργό μέσο επιτευχθεί με ντοπάρισμα διάφορα υλικά στον ίδιο ιόν.

Holmium λέιζερ

Ένα παράδειγμα ενός λέιζερ στερεάς κατάστασης είναι ένα κβαντικό γεννήτρια, όπου άτομο όλμιο αντικαθιστά το υλικό βάσης του κρυσταλλικού πλέγματος. Ho: YAG είναι ένα από τα καλύτερα λέιζερ υλικά. Η αρχή λειτουργίας του λέιζερ όλμιο είναι ότι γρανάτης ύττριο πρόσμειξη αλουμινίου με όλμιο ιόντα, οπτικής άντλησης από λάμπα φλας και εκπέμπει σε μήκος κύματος 2097 nm στην υπέρυθρη περιοχή απορροφάται καλά από τους ιστούς. Χρησιμοποιήστε αυτό το λέιζερ για εργασίες στις αρθρώσεις, οδοντιατρική θεραπεία, να εξατμίζεται καρκινικά κύτταρα, τους νεφρούς και χολόλιθοι.

Μια γεννήτρια ημιαγωγών κβαντική

Η κβαντική λέιζερ και είναι φθηνά, επιτρέπει τη μαζική παραγωγή και είναι εύκολα επεκτάσιμη. Η αρχή λειτουργίας του λέιζερ ημιαγωγού που βασίζεται στη χρήση των pn-διόδου διασταύρωση, η οποία παράγει φως ενός ορισμένου μήκους κύματος από τον ανασυνδυασμό του φορέα σε μια θετική πόλωση, όπως LEDs. LED εκπέμπουν αυθόρμητα και διόδους λέιζερ - καταναγκαστικά. Για να εκπληρώσει την αντιστροφή πληθυσμού όρο, το ρεύμα λειτουργίας θα πρέπει να υπερβαίνει ένα όριο. Το δραστικό μέσο σε μια δίοδο ημιαγωγού έχει μια άποψη της περιοχής σύνδεσης των δύο διαστάσεων στρώματα.

Η αρχή της λειτουργίας αυτού του τύπου λέιζερ είναι ότι για να διατηρηθεί ταλαντώσεις δεν απαιτείται εξωτερική καθρέφτη. Το ανακλαστικό ικανότητα, δημιουργείται λόγω των δείκτη διάθλασης στρώματα και εσωτερική ανάκλαση του δραστικού μέσου, είναι επαρκής για το σκοπό αυτό. Οι ακραίες επιφάνειες διασπούν διόδους που παρέχει παράλληλες ανακλαστικές επιφάνειες.

Η ένωση που σχηματίζεται από το υλικό ημιαγωγού του ίδιου τύπου ονομάζεται homojunction, όπως ορίζεται από τη σύνδεση δύο διαφορετικών - heterojunction.

Ημιαγωγοί των ρ και η τύπου με υψηλή πυκνότητα των μεταφορέων σχηματίζουν ένα ρ-η-διασταύρωση με ένα πολύ λεπτό (≈1 mm) απεμπλουτισμένο στρώμα.

λέιζερ αερίου

Η αρχή της λειτουργίας και της χρήσης αυτού του τύπου laser καθιστά δυνατή τη δημιουργία συσκευών από σχεδόν οποιαδήποτε ιδιότητα (από milliwatts σε μεγαβάτ) και μήκη κύματος (από τις υπεριώδεις στο υπέρυθρο) και μπορεί να λειτουργήσει σε παλμική και συνεχή λειτουργία. Με βάση την φύση του δραστικού μέσων ενημέρωσης, υπάρχουν τρεις τύποι λέιζερ αερίου, δηλαδή ατομική, ιονικά και μοριακή.

Οι περισσότεροι λέιζερ αερίου αντλείται από ηλεκτρική εκκένωση. Τα ηλεκτρόνια στο σωλήνα εκκενώσεως επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων. Συγκρούονται με άτομα, ιόντα ή μόρια ενός δραστικού μέσου και επάγουν μετάβαση σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας για να επιτευχθεί μια κατάσταση αναστροφής πληθυσμού και διεγειρόμενη εκπομπή.

μοριακό λέιζερ

Η αρχή της δράσης λέιζερ βασίζεται στο γεγονός ότι, σε αντίθεση με τα απομονωμένα άτομα και ιόντα σε ατομικό και ιόντων λέιζερ μόρια διαθέτουν ευρεία ενεργειακές ζώνες των διακριτών επιπέδων ενέργειας. Επιπλέον, κάθε επίπεδο ενέργεια ηλεκτρονίων έχει ένα μεγάλο αριθμό των δονητικά επίπεδα, και εκείνοι με τη σειρά του - μερικά περιστροφής.

Η ενέργεια μεταξύ των επιπέδων ενέργειας των ηλεκτρονίων είναι στα UV και ορατές περιοχές του φάσματος, ενώ μεταξύ των δονητικά-περιστροφής επίπεδα - στο μακρινό και εγγύς υπέρυθρο περιοχές. Έτσι, οι περισσότερες από τις μοριακές λέιζερ που εργάζονται σε μια απομεμακρυσμένη ή εγγύς υπέρυθρο περιοχές.

λέιζερ excimer

Τα excimer είναι τέτοιο μόριο όπως ArF, KrF, XeCl, τα οποία χωρίζονται κατάσταση σταθερό έδαφος και το πρώτο επίπεδο. Η αρχή της λειτουργίας του λέιζερ επόμενης. Τυπικά, ο αριθμός στο θεμελιώδη κατάσταση των μορίων είναι μικρή, έτσι ώστε η άμεση άντληση από την κατάσταση του εδάφους δεν είναι δυνατή. Τα μόρια που σχηματίζονται στην πρώτη διεγερμένη ηλεκτρονικά κατάσταση από μία ένωση που έχει υψηλή ενεργειακή αλογονιδίων με αδρανή αέρια. Η αντιστροφή πληθυσμός επιτυγχάνεται εύκολα δεδομένου ότι ο αριθμός των μορίων σε ένα βασικό επίπεδο είναι πολύ χαμηλή, σε σύγκριση με το διεγερμένο. Η αρχή της δράσης λέιζερ, με λίγα λόγια, είναι η μετάβαση από ένα συνδεδεμένο ενθουσιασμένοι ηλεκτρονική κατάσταση σε μια κατάσταση του εδάφους διασπαστική. Ο πληθυσμός του κράτους στο έδαφος είναι πάντα σε χαμηλό επίπεδο, διότι στο σημείο αυτό το μόριο διασπώνται σε άτομα.

Η αρχή συσκευή και λέιζερ συνίσταται στο ότι ο σωλήνας εκκένωσης είναι γεμάτη με ένα μίγμα αλογονιδίου (F ₂₎ και ευγενές αέριο (Ar). Τα ηλεκτρόνια σε αυτό διίστανται και ιονίζουν τα μόρια αλογονίδιο και δημιουργούν αρνητικά ιόντα. Θετικά ιόντα Ar ⁺ και αρνητικό F ^- αντιδρούν και παράγουν ArF μόρια στην πρώτη διεγερμένη κατάσταση που σχετίζεται με την επακόλουθη μετάβαση στην κατάσταση βάσης απώθησης και παραγωγή συνεκτικής ακτινοβολίας. Excimer λέιζερ, η αρχή της δράσης και η χρήση των οποίων εξετάζουμε τώρα, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την άντληση του ενεργού μέσου της χρωστικής.

υγρό λέιζερ

Σε σύγκριση με τα στερεά, υγρά είναι περισσότερο ομοιογενή και έχουν μια υψηλότερη πυκνότητα ενεργών ατόμων, σε σύγκριση με αέρια. Εκτός από αυτό, δεν είναι δύσκολο να παραχθούν, επιτρέπουν την εύκολη απαγωγή θερμότητας και μπορεί εύκολα να αντικατασταθεί. Η αρχή της δράσης του λέιζερ χρησιμοποιείται ως μέσο κέρδος της οργανικής βαφής, όπως DCM (4-dicyanomethylene-2-μεθυλ-6-ρ- dimethylaminostyryl-4Η-πυράνιο), ροδαμίνη, στυρυλ, LDS, κουμαρίνη, στιλβένιο και τα παρόμοια. D ., διαλυμένο σε έναν κατάλληλο διαλύτη. Ένα διάλυμα των μορίων χρωστικής διεγείρεται με ακτινοβολία της οποίας το μήκος κύματος έχει μια καλή συντελεστή απορρόφησης. Η αρχή της δράσης λέιζερ, εν ολίγοις, είναι να δημιουργήσει σε ένα μεγαλύτερο μήκος κύματος, που ονομάζεται φθορισμός. Η διαφορά μεταξύ της ενέργειας που απορροφάται και εκπέμπεται φωτόνια χρησιμοποιούνται μη ακτινοβόλου ενέργειας μεταβάσεις και θερμαίνει το σύστημα.

Ευρύτερης φθορισμός μπάντα υγρό λέιζερ έχει ένα μοναδικό χαρακτηριστικό - μήκους κύματος συντονισμού. Η αρχή της λειτουργίας και της χρήσης αυτού του τύπου ως συντονίσιμα λέιζερ και τη συνεπή πηγή φωτός, γίνεται ολοένα και πιο σημαντική στην φασματοσκοπία, ολογραφία, και σε βιοϊατρικές εφαρμογές.

Πρόσφατα, έχουν λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί για τη βαφή για το διαχωρισμό ισοτόπων. Στην περίπτωση αυτή, το λέιζερ διεγείρουν επιλεκτικά μία από αυτές, με αποτέλεσμα να ξεκινήσει μια χημική αντίδραση.