Laserin ensimmäinen periaate, jonka fysiikka perustui Planckin säteilylakiin, perusti Einstein teoreettisesti vuonna 1917. Hän kuvasi absorptiota, spontaania ja stimuloitua sähkömagneettista säteilyä käyttämällä todennäköisyyskertoimia (Einstein-kertoimia).
Pioneerit
Theodor Meiman esitteli ensimmäisenä rubiinilaserin toimintaperiaatteen, joka perustuu synteettisen rubiinin optiseen pumppaukseen salamalampulla ja joka tuotti pulssillista koherenttia säteilyä aallonpituudella 694 nm.
Vuonna 1960 iranilaiset tiedemiehet Javan ja Bennett loivat ensimmäisen kaasukvanttigeneraattorin käyttämällä He- ja Ne-kaasujen seosta suhteessa 1:10.
Vuonna 1962 RN Hall esitteli ensimmäistä galliumarsenidi (GaAs) -diodilaseria, joka säteilee 850 nm:n aallonpituudella. Myöhemmin samana vuonna Nick Golonyak kehitti ensimmäisen puolijohteisen näkyvän valon kvanttigeneraattorin.
Lasereiden suunnittelu ja toimintaperiaate
Jokainen laserjärjestelmä koostuu sijoitetusta aktiivisesta väliaineestaparin optisesti yhdensuuntaisen ja voimakkaasti heijastavan peilin, joista yksi on läpikuultava, ja sen pumppaamiseen tarvittavan energialähteen välillä. Vahvistusväliaine voi olla kiinteä, nestemäinen tai kaasu, jolla on ominaisuus vahvistaa sen läpi kulkevan valoaallon amplitudia stimuloidulla emissiolla sähköisellä tai optisella pumppauksella. Aine asetetaan peiliparin väliin siten, että niistä heijastuva valo kulkee joka kerta sen läpi ja saavutettuaan merkittävän vahvistuksen tunkeutuu läpikuultavan peilin läpi.
Kaksitasoiset ympäristöt
Otetaan huomioon laserin toimintaperiaate aktiivisella väliaineella, jonka atomeilla on vain kaksi energiatasoa: viritetty E2 ja perus-E1 . Jos atomit viritetään tilaan E2 millä tahansa pumppausmekanismilla (optinen, sähköpurkaus, virransiirto tai elektronipommitus), ne palaavat muutaman nanosekunnin kuluttua maa-asentoon lähettäen fotoneja. energian hν=E 2 - E1. Einsteinin teorian mukaan emissio syntyy kahdella eri tavalla: joko fotonin indusoima tai spontaanisti. Ensimmäisessä tapauksessa tapahtuu stimuloitu emissio ja toisessa spontaani emissio. Termisessä tasapainossa stimuloidun emission todennäköisyys on paljon pienempi kuin spontaani emissio (1:1033), joten useimmat tavanomaiset valonlähteet ovat epäkoherentteja ja lasergenerointi on mahdollista muissa kuin lämpöolosuhteissa. tasapaino.
Jopa erittäin vahvallapumppaus, kaksitasoisten järjestelmien populaatio voidaan vain saada tasaiseksi. Siksi tarvitaan kolmi- tai nelitasoisia järjestelmiä populaation inversion saavuttamiseksi optisilla tai muilla pumppausmenetelmillä.
Monitasojärjestelmät
Mikä on kolmitasolaserin periaate? Säteilytys voimakkaalla taajuudella ν02 pumppaa suuren määrän atomeja alimm alta energiatasolta E0 korkeimmalle energiatasolle E 2. Atomien ei-säteilyllinen siirtyminen E2:sta E1 luo populaatioinversion E1 ja E välillä. 0 , mikä käytännössä on mahdollista vain, kun atomit ovat pitkään metastabiilissa tilassa E1, ja siirtyminen E2to E 1 menee nopeasti. Kolmitasoisen laserin toimintaperiaate on täyttää nämä ehdot, joiden ansiosta E0 ja E1 välillä saavutetaan populaatioinversio ja fotonit vahvistetaan energialla E 1-E0 indusoidulla emissiolla. Laajempi E2 voisi lisätä aallonpituuden absorptioaluetta tehokkaamman pumppauksen aikaansaamiseksi, mikä lisää stimuloitua emissiota.
Kolmitasoinen järjestelmä vaatii erittäin suuren pumpputehon, koska tuotannossa mukana oleva alempi taso on perus. Tässä tapauksessa, jotta populaatioinversio tapahtuisi, yli puolet atomien kokonaismäärästä on pumpattava tilaan E1. Tällöin energiaa menee hukkaan. Pumppausteho voi olla merkittävävähennä, jos alempi sukupolvi ei ole perustaso, mikä edellyttää vähintään nelitasoista järjestelmää.
Vaikuttavan aineen luonteesta riippuen laserit jaetaan kolmeen pääluokkaan, nimittäin kiinteään, nestemäiseen ja kaasuun. Vuodesta 1958 lähtien, jolloin laserointi havaittiin ensimmäisen kerran rubiinikiteessä, tiedemiehet ja tutkijat ovat tutkineet monenlaisia materiaaleja kussakin luokassa.
Solid State Laser
Toimintaperiaate perustuu aktiivisen väliaineen käyttöön, joka muodostuu lisäämällä siirtymäryhmämetallia eristävään kidehilaan (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 jne.), harvinaisten maametallien ionit (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 jne.) ja aktinidit, kuten U+3. Ionien energiatasot ovat vastuussa vain generoinnista. Pohjamateriaalin fysikaaliset ominaisuudet, kuten lämmönjohtavuus ja lämpölaajeneminen, ovat olennaisia tehokkaan lasertoiminnan kann alta. Hilaatomien sijoittuminen seostetun ionin ympärille muuttaa sen energiatasoja. Erilaiset generointiaallonpituudet aktiivisessa väliaineessa saavutetaan seostamalla erilaisia materiaaleja samalla ionilla.
Holmium laser
Esimerkki solid-state laserista on kvanttigeneraattori, jossa holmium korvaa atomin kidehilan perusaineesta. Ho:YAG on yksi parhaista sukupolven materiaaleista. Holmiumlaserin toimintaperiaate on, että yttrium-alumiinigranaatti seostetaan holmiumioneilla, pumpataan optisesti salamalampulla ja emittoi aallonpituudella 2097 nm IR-alueella, joka imeytyy hyvin kudoksiin. Tätä laseria käytetään nivelleikkauksiin, hampaiden hoitoon, syöpäsolujen, munuaisten ja sappikivien haihduttamiseen.
Puolijohdekvanttigeneraattori
Kvanttikaivolaserit ovat halpoja, massatuotettavia ja helposti skaalautuvia. Puolijohdelaserin toimintaperiaate perustuu p-n-liitosdiodin käyttöön, joka tuottaa tietyn aallonpituuden valoa kantoaallon rekombinaatiolla positiivisella biasilla, kuten LEDit. LED säteilee spontaanisti ja laserdiodit - pakotettuja. Populaatioinversion ehdon täyttämiseksi käyttövirran on ylitettävä kynnysarvo. Puolijohdediodin aktiivinen väliaine on kahden kaksiulotteisen kerroksen kytkentäalueen muotoinen.
Tämän tyyppisen laserin toimintaperiaate on sellainen, että värähtelyjen ylläpitämiseen ei tarvita ulkoista peiliä. Kerrosten taitekertoimen ja aktiivisen väliaineen sisäisen heijastuksen luoma heijastavuus on riittävä tähän tarkoitukseen. Diodien päätypinnat ovat lastuttuja, mikä varmistaa, että heijastavat pinnat ovat yhdensuuntaiset.
Samantyyppisten puolijohdemateriaalien muodostamaa yhteyttä kutsutaan homoliitokseksi ja kahden eri liitoksen muodostamaa yhteyttä kutsutaan ns.heteroliitos.
P- ja n-tyypin puolijohteet, joilla on suuri kantoa altotiheys, muodostavat p-n-liitoksen, jossa on erittäin ohut (≈1 µm) tyhjennyskerros.
Kaasulaser
Tämän tyyppisen laserin toimintaperiaate ja käyttö mahdollistavat lähes minkä tahansa tehon (milliwateista megawatteihin) ja aallonpituuksilla (UV:sta IR:hen) laitteiden luomisen ja mahdollistaa työskentelyn pulssi- ja jatkuvatoimisissa tiloissa. Aktiivisten väliaineiden luonteen perusteella kaasukvanttigeneraattoreita on kolmen tyyppisiä, nimittäin atomi-, ioni- ja molekyyligeneraattoreita.
Useimmat kaasulaserit pumpataan sähköpurkauksella. Purkausputken elektroneja kiihdyttää elektrodien välinen sähkökenttä. Ne törmäävät aktiivisen väliaineen atomien, ionien tai molekyylien kanssa ja indusoivat siirtymisen korkeammalle energiatasolle saavuttaakseen populaation käänteistilan ja stimuloidun emission.
Molecular Laser
Laserin toimintaperiaate perustuu siihen, että toisin kuin eristetyissä atomeissa ja ioneissa, atomi- ja ionikvanttigeneraattoreiden molekyyleillä on laajat energiakaistat, joilla on erillisiä energiatasoja. Lisäksi jokaisella elektronisella energiatasolla on suuri määrä värähtelytasoja, ja niillä puolestaan on useita kiertotasoja.
Elektronisten energiatasojen välinen energia on spektrin UV- ja näkyvällä alueella, kun taas värähtely-kiertotasojen välillä - kauko- ja lähi-IRalueilla. Siten useimmat molekyylikvanttigeneraattorit toimivat kauko- tai lähi-infrapuna-alueilla.
Excimer laserit
Eksimeerit ovat molekyylejä, kuten ArF, KrF, XeCl, joilla on erillinen perustila ja jotka ovat stabiileja ensimmäisellä tasolla. Laserin toimintaperiaate on seuraava. Perustilassa olevien molekyylien määrä on pääsääntöisesti pieni, joten suora pumppaus perustilasta ei ole mahdollista. Molekyylit muodostuvat ensimmäisessä viritetyssä elektronitilassa yhdistämällä korkeaenergiset halogenidit inertteihin kaasuihin. Inversion populaatio saavutetaan helposti, koska perustason molekyylien määrä on liian pieni virittyneeseen verrattuna. Laserin toimintaperiaate on lyhyesti sanottuna siirtyminen sidotusta viritetystä elektronitilasta dissosiatiiviseen perustilaan. Populaatio perustilassa pysyy aina alhaisella tasolla, koska molekyylit hajoavat tässä vaiheessa atomeiksi.
Lasereiden laite ja toimintaperiaate on, että purkausputki täytetään halogenidin (F2) ja harvinaisten maametallien (Ar) seoksella. Sen sisältämät elektronit hajottavat ja ionisoivat halogenidimolekyylejä ja muodostavat negatiivisesti varautuneita ioneja. Positiiviset ionit Ar+ ja negatiiviset F- reagoivat ja tuottavat ArF-molekyylejä ensimmäisessä viritetyssä sidottussa tilassa, minkä jälkeen ne siirtyvät hylkivään perustilaan ja muodostavat koherentti säteily. Excimer laseria, jonka toimintaperiaatetta ja sovellusta nyt harkitsemme, voidaan käyttää pumppaamiseenaktiivinen väliaine väriaineille.
Nestemäinen laser
Kiinteisiin aineisiin verrattuna nesteet ovat homogeenisempia ja niissä on suurempi aktiivisten atomien tiheys kuin kaasut. Lisäksi ne on helppo valmistaa, ne mahdollistavat helpon lämmön haihtumisen ja ovat helposti vaihdettavissa. Laserin toimintaperiaate on käyttää aktiivisena väliaineena orgaanisia väriaineita, kuten DCM (4-disyanometyleeni-2-metyyli-6-p-dimetyyliaminostyryyli-4H-pyraani), rodamiini, styryyli, LDS, kumariini, stilbeeni jne… liuotettuna sopivaan liuottimeen. Väriainemolekyylien liuos viritetään säteilyllä, jonka aallonpituudella on hyvä absorptiokerroin. Laserin toimintaperiaate lyhyesti sanottuna on tuottaa pidemmällä aallonpituudella, jota kutsutaan fluoresenssiksi. Absorboituneen energian ja emittoivien fotonien välistä eroa käytetään ei-säteilyn energiasiirtymissä ja se lämmittää järjestelmää.
Nestemäisten kvanttigeneraattoreiden laajemmalla fluoresenssialueella on ainutlaatuinen ominaisuus - aallonpituuden viritys. Tämän tyyppisen laserin toimintaperiaate ja käyttö viritettävänä ja koherenttina valonlähteenä ovat yhä tärkeämpiä spektroskopiassa, holografiassa ja biolääketieteen sovelluksissa.
Viime aikoina isotooppien erottamiseen on käytetty väriainekvanttigeneraattoreita. Tässä tapauksessa laser kiihottaa valikoivasti yhtä niistä ja saa ne osallistumaan kemialliseen reaktioon.
