Принцип дії лазера: особливості лазерного випромінювання

Принцип дії лазера: особливості лазерного випромінювання


Першим принцип дії лазера, фізика якого ґрунтувалася на законі випромінювання Планка, теоретично обґрунтував Ейнштейн в 1917 році. Він описав поглинання, спонтанне і вимушене електромагнітне випромінювання за допомогою ймовірнісних коефіцієнтів (коефіцієнти Ейнштейна).

Першопрохідці

Теодор Мейман був першим, хто продемонстрував принцип дії рубінового лазера, заснований на оптичній накачці за допомогою лампи-спалаху синтетичного рубіну, що виробляв імпульсне когерентне випромінювання з довжиною хвилі 694 нм.

У 1960 р. іранські вчені Джаван і Беннетт створили перший газовий квантовий генератор з використанням суміші газів He і Ne у співвідношенні 1:10.

У 1962 році Р. Н. Хол продемонстрував перший діодний лазер з арсеніда галію (GaAs), який випромінював на довжині хвилі 850 нм. Пізніше того ж року Нік Голоняк розробив перший напівпровідниковий квантовий генератор видимого світла.

Пристрій і принцип дії лазерів

Кожна лазерна система складається з активного середовища, поміщеного між парою оптично паралельних і високовідбивних дзеркал, одне з яких напівпрозоре, і джерела енергії для її накачування. Як середовище посилення може виступати тверде тіло, рідина або газ, які володіють властивістю посилювати амплітуду світлової хвилі, що проходить через нього, вимушеним випромінюванням з електричною або оптичною накачкою. Речовина поміщається між парою дзеркал таким чином, що світло, що відбивається в них, щоразу проходить через неї і, досягнувши значного посилення, проникає крізь напівпрозоре дзеркало.

Дворівневі середовища

Розглянемо принцип дії лазера з активним середовищем, атоми якого мають тільки два рівні енергії: збуджений E2 і базовий Ye1. Якщо атоми за допомогою будь-якого механізму накачування (оптичного, електричного розряду, пропускання струму або бомбардування електронами) збуджуються до стану E2, то через кілька наносекунд вони повернуться в основне положення, випромінюючи фотони енергії h^ = E2 - E1. Згідно теорії Ейнштейна, емісія проводиться двома різними способами: або вона індукується фотоном, або це відбувається спонтанно. У першому випадку має місце вимушене випромінювання, а в другому - спонтанне. При тепловій рівновазі ймовірність вимушеного випромінювання значно нижча, ніж спонтанного (1:1033), тому більшість звичайних джерел світла некогерентні, а лазерна генерація можлива в умовах, відмінних від теплової рівноваги.

Навіть при дуже сильному накачуванні населеність дворівневих систем можна лише зробити рівною. Тому для досягнення інверсної населеності оптичним чи іншим способом накачування потрібні три- або чотирирівневі системи.

Багаторівневі системи

Який принцип дії трирівневого лазера? Опромінення інтенсивним світлом частоти ^ 02 накачує велику кількість атомів з найнижчого рівня енергії E0 до верхнього Ye2. Безизлучательный переход атомов с E2 до E1 устанавливает инверсию населенности между E1 и E0, что на практике возможно только, когда атомы длительное время находятся в метастабильном состоянии E1, и переход от Ye2 до Ye1 происходит быстро. Принцип дії трирівневого лазера полягає у виконанні цих умов, завдяки чому між E0 і E1 досягається інверсія населеності і відбувається посилення фотонів енергією Ye1-Ye0 індукованого випромінювання. Більш широкий рівень E2 міг би збільшити діапазон поглинання довжин хвиль для більш ефективного накачування, наслідком чого є зростання вимушеного випромінювання.

Трирівнева система вимагає дуже високої потужності накачування, оскільки нижній рівень, задіяний у генерації, є базовим. У цьому випадку для того, щоб відбулася інверсія населеності, до стану E1 має бути накачано більше половини від загального числа атомів. При цьому енергія витрачається даремно. Потужність накачування можна значно зменшити, якщо нижній рівень генерації не буде базовим, що вимагає, принаймні, чотирирівневої системи.

Залежно від природи активної речовини, лазери підрозділюються на три основні категорії, а саме, твердий, рідкий і газовий. З 1958 року, коли вперше спостерігалася генерація в кристалі рубіну, вчені і дослідники вивчили широкий спектр матеріалів у кожній категорії.

Твердотільний лазер

Принцип дії заснований на використанні активного середовища, яке утворюється шляхом додавання в ізолюючу кристалічну решітку металу перехідної групи (Ti + 3, Cr + 3, V + 2, Со + 2, Ni + 2, Fe + 2, і т. д.), рідкоземельних іонів (Ce + 3, Pr + 3, N Енергетичні рівні іонів відповідають тільки за генерацію. Фізичні властивості базового матеріалу, такі як теплопровідність і теплове розширення, мають важливе значення для ефективної роботи лазера. Розташування атомів решітки навколо легованого іона змінює її енергетичні рівні. Різні довжини хвиль генерації в активному середовищі досягаються шляхом легування різних матеріалів одним і тим же іоном.

Гольмієвий лазер

Прикладом твердотельного лазера є квантовий генератор, в якому гольмій замінює атом базової речовини кристалічної решітки. Ho:YAG є одним з найкращих генераційних матеріалів. Принцип дії гольмієвого лазера полягає в тому, що алюмоїтрієвий гранат легується іонами гольмію, оптично накачується лампою-спалахом і випромінює на довжині хвилі 2097 нм в ІК-діапазоні, добре поглинається тканинами. Використовується цей лазер для операцій на суглобах, у лікуванні зубів, для випаровування ракових клітин, ниркових і жовчних каменів.

Напівпровідниковий квантовий генератор

Лазери на квантових ямах недороги, дозволяють масове виробництво і легко масштабуються. Принцип дії напівпровідникового лазера заснований на використанні діоду з p-n-переходом, який виробляє світло певної довжини хвилі шляхом рекомбінації носія при позитивному зміщенні, подібно світлодіодам. LED випромінюють спонтанно, а лазерні діоди - вимушено. Щоб виконати умову інверсії заселеності, робочий струм повинен перевищувати порогове значення. Активне середовище в напівпровідниковому діоді має вигляд сполучної області двох почесних шарів.

Принцип дії лазера даного типу такий, що для підтримки коливань ніякого зовнішнього дзеркала не потрібно. Віддзеркалює здатність, створювана завдяки показнику заломлення шарів і внутрішньому відображенню активного середовища, для цієї мети достатня. Торцеві поверхні діодів сколюються, що забезпечує паралельність відбиваючих поверхонь.

З "єднання, утворене напівпровідниковими матеріалами одного типу, називається гомопереходом, а створене сполукою двох різних - гетеропереходом.

Напівпровідники р і n типу з високою щільністю носіїв утворюють р-n-перехід з дуже тонким (≅1 мкм) збідненим шаром.

Газовий лазер

Принцип дії та використання лазера цього типу дозволяє створювати пристрої практично будь-якої потужності (від міліватта до мегавата) і довжин хвиль (від СФ до ВК) і дозволяє працювати в імпульсному і безперервному режимах. Виходячи з природи активних середовищ, розрізняють три типи газових квантових генераторів, а саме атомні, іонні, і молекулярні.

Більшість газових лазерів накачуються електричним розрядом. Електрони в розрядній трубці прискорюються електричним полем між електродами. Вони стикаються з атомами, іонами або молекулами активного середовища і індукують перехід на більш високі енергетичні рівні для досягнення стану населення інверсії і вимушеного випромінювання.

Молекулярний лазер

Принцип дії лазера заснований на тому, що, на відміну від ізольованих атомів і іонів, в атомних і іонних квантових генераторах молекули володіють широкими енергетичними зонами дискретних енергетичних рівнів. При цьому кожен електронний енергетичний рівень має велику кількість коливальних рівнів, а ті, в свою чергу, - кілька обертальних.

Енергія між електронними енергетичними рівнями знаходиться в СФ і видимій областях спектру, в той час як між коливально-обертальними рівнями - в дальній і ближній ІК областях. Таким чином, більшість молекулярних квантових генераторів працює в далекій або ближній ВК областях.

Ексімірні лазери

Ексімери представляють собою такі молекули як ArF, KrF, XeCl, які мають розділений основний стан і стабільні на першому рівні. Принцип дії лазера наступний. Як правило, в основному стані число молекул мало, тому пряма накачка з основного стану не представляється можливою. Молекули утворюються в першому збудженому електронному стані шляхом з'єднання галогенідних галогенідів з інертними газами. Населеність інверсії легко досягається, так як число молекул на базовому рівні занадто мало, порівняно з збудженим. Принцип дії лазера, коротко кажучи, складається в переході з пов'язаного порушеного електронного стану в дисоціативний основний стан. Населеність в основному стані завжди залишається на низькому рівні, тому що молекули в цій точці дисоціюють на атоми.

Пристрій і принцип дії лазерів полягає в тому, що розрядну трубку наповнюють сумішшю галогеніда (F2) і рідкоземельного газу (Ar). Електрони в ній дисоціюють і іонізують молекули галогеніда і створюють негативно заряджені іони. Позитивні іони Ar + і негативні F- реагують і виробляють молекули ArF в першому збудженому пов'язаному стані з подальшим їх переходом у відштовхуючий базовий стан і генерацією когерентного випромінювання. Ексімірний лазер, принцип дії і застосування якого ми зараз розглядаємо, може застосовуватися для накачування активного середовища на барвниках.

Рідинний лазер

У порівнянні з твердими речовинами, рідини більш однорідні, і володіють більшою щільністю активних атомів, порівняно з газами. На додаток до цього, вони не складні у виробництві, дозволяють просто відводити тепло і можуть бути легко замінені. Принцип дії лазера полягає у використанні в якості активного середовища органічних барвників, таких як DCM (4-диціанометилен-2-метил-6-p- диметиламиностирил-4Н-піран), родаміна, стирила, LDS, кумарина, стільбена, і т. д., розчинених в належній Розчин молекул барвника збуджується випромінюванням, довжина хвилі якого володіє хорошим коефіцієнтом поглинання. Принцип дії лазера, коротко кажучи, полягає в генерації на більшій довжині хвилі, званої флуоресценцією. Різниця між поглиненою енергією і випромінюваними фотонами використовується безизлучательными енергетичними переходами і нагріває систему.

Ширша смуга флуоресценції рідинних квантових генераторів має унікальну особливість - перебудову довжини хвилі. Принцип дії і використання лазера цього типу як налаштовуваного і когерентного джерела світла, набуває все більшого значення у спектроскопії, голографії, і в біомедичних додатках.

Нещодавно квантові генератори на барвниках стали використовуватися для поділу ізотопів. У цьому випадку лазер вибірково збуджує один з них, спонукаючи вступити в хімічну реакцію.