Die eerste beginsel van die laser, waarvan die fisika op Planck se wet van bestraling gebaseer was, is teoreties deur Einstein in 1917 gestaaf. Hy het absorpsie, spontane en gestimuleerde elektromagnetiese straling met behulp van waarskynlikheidskoëffisiënte (Einstein-koëffisiënte) beskryf.
Pioniers
Theodor Meiman was die eerste wat die werkingsbeginsel van 'n robyn-laser gedemonstreer het wat gebaseer is op optiese pomp van sintetiese robyn met 'n flitslamp, wat gepulseerde koherente straling met 'n golflengte van 694 nm produseer.
In 1960 het Iranse wetenskaplikes Javan en Bennett die eerste gas-kwantumgenerator geskep deur 'n 1:10-mengsel van He- en Ne-gasse te gebruik.
In 1962 het RN Hall die eerste galliumarsenied (GaAs)-diodelaser gedemonstreer wat teen 'n golflengte van 850 nm uitstraal. Later daardie jaar het Nick Golonyak die eerste halfgeleier sigbare lig kwantumgenerator ontwikkel.
Ontwerp en beginsel van werking van lasers
Elke laserstelsel bestaan uit 'n aktiewe medium wat geplaas istussen 'n paar opties parallelle en hoogs reflektiewe spieëls, waarvan een deurskynend is, en 'n energiebron vir die pomp daarvan. Die versterkingsmedium kan 'n vaste stof, vloeistof of gas wees, wat die eienskap het om die amplitude van 'n liggolf wat daardeur gaan te versterk deur gestimuleerde emissie met elektriese of optiese pomp. 'n Stof word so tussen 'n paar spieëls geplaas dat die lig wat daarin weerkaats word telkens daardeur gaan en, nadat dit 'n aansienlike versterking bereik het, 'n deurskynende spieël binnedring.
Tweevlakomgewings
Kom ons kyk na die werkingsbeginsel van 'n laser met 'n aktiewe medium, waarvan die atome net twee energievlakke het: opgewonde E2 en basiese E1 . As atome opgewek word na die toestand E2 deur enige pompmeganisme (optiese, elektriese ontlading, stroomoordrag of elektronbombardement), dan sal hulle na 'n paar nanosekondes terugkeer na die grondposisie en fotone uitstraal van energie hν=E 2 - E1. Volgens Einstein se teorie word emissie op twee verskillende maniere geproduseer: óf dit word deur 'n foton geïnduseer, óf dit gebeur spontaan. In die eerste geval vind gestimuleerde emissie plaas, en in die tweede, spontane emissie. By termiese ewewig is die waarskynlikheid van gestimuleerde emissie baie laer as spontane emissie (1:1033), dus is die meeste konvensionele ligbronne onsamehangend, en lasergenerering is moontlik in ander toestande as termiese ewewig.
Selfs met baie sterkpomp, kan die populasie van tweevlakstelsels net gelyk gemaak word. Daarom word drie- of viervlakstelsels vereis om populasie-inversie deur optiese of ander pompmetodes te bewerkstellig.
Veelvlakstelsels
Wat is die beginsel van die drie-vlak laser? Bestraling met intense lig van frekwensie ν02 pomp 'n groot aantal atome vanaf die laagste energievlak E0 na die hoogste energievlak E 2. Die nie-stralingsoorgang van atome van E2 na E1 vestig 'n bevolkingsomkering tussen E1 en E 0 , wat in die praktyk slegs moontlik is wanneer die atome vir 'n lang tyd in 'n metastabiele toestand is E1, en die oorgang vanaf E2na E 1 gaan vinnig. Die beginsel van werking van 'n drievlaklaser is om aan hierdie voorwaardes te voldoen, waardeur tussen E0 en E1 'n populasie-inversie bereik word en fotone word versterk deur energie E 1-E0 geïnduseerde emissie. 'n Wyer vlak van E2 kan die golflengte-absorpsiereeks verhoog vir meer doeltreffende pomp, wat lei tot 'n toename in gestimuleerde emissie.
Die drievlakstelsel vereis 'n baie hoë pompkrag, aangesien die laer vlak betrokke by opwekking die basis een is. In hierdie geval, om die populasie-inversie te laat plaasvind, moet meer as die helfte van die totale aantal atome na die toestand E1 gepomp word. Sodoende word energie vermors. Die pompkrag kan aansienlik weesverminder as die laer generasievlak nie die basis een is nie, wat ten minste 'n viervlakstelsel vereis.
Afhangende van die aard van die aktiewe stof, word lasers in drie hoofkategorieë verdeel, naamlik vastestof, vloeistof en gas. Sedert 1958, toe lasering die eerste keer in 'n robynkristal waargeneem is, het wetenskaplikes en navorsers 'n wye verskeidenheid materiale in elke kategorie bestudeer.
Solid State Laser
Die beginsel van werking is gebaseer op die gebruik van 'n aktiewe medium, wat gevorm word deur 'n oorgangsgroepmetaal by die isolerende kristalrooster te voeg (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, ens.), seldsame aardione (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, ens.), en aktiniede soos U+3. Die energievlakke van die ione is slegs verantwoordelik vir die opwekking. Die fisiese eienskappe van die basismateriaal, soos termiese geleidingsvermoë en termiese uitsetting, is noodsaaklik vir doeltreffende laserwerking. Die rangskikking van roosteratome om 'n gedoteerde ioon verander sy energievlakke. Verskillende golflengtes van generasie in die aktiewe medium word bereik deur verskillende materiale met dieselfde ioon te doteer.
Holmium laser
'n Voorbeeld van 'n vastestoflaser is 'n kwantumgenerator, waarin holmium 'n atoom van die basisstof van die kristalrooster vervang. Ho:YAG is een van die beste generasie materiale. Die beginsel van werking van 'n holmium laser is dat yttrium aluminium granaat gedoteer is met holmium ione, opties gepomp deur 'n flitslamp en uitstraal teen 'n golflengte van 2097 nm in die IR-reeks, wat goed deur weefsels geabsorbeer word. Hierdie laser word gebruik vir operasies aan die gewrigte, in die behandeling van tande, vir die verdamping van kankerselle, nier- en galstene.
Halfgeleier-kwantumgenerator
Kwantumputlasers is goedkoop, massavervaardigbaar en maklik skaalbaar. Die beginsel van werking van 'n halfgeleierlaser is gebaseer op die gebruik van 'n p-n-aansluitingsdiode, wat lig van 'n sekere golflengte produseer deur draerrekombinasie teen 'n positiewe voorspanning, soortgelyk aan LED's. LED uitstraal spontaan, en laserdiodes - gedwing. Om aan die populasie-inversievoorwaarde te voldoen, moet die bedryfsstroom die drempelwaarde oorskry. Die aktiewe medium in 'n halfgeleierdiode het die vorm van 'n verbindingsgebied van twee tweedimensionele lae.
Die beginsel van werking van hierdie tipe laser is sodanig dat geen buitespieël nodig is om ossillasies te handhaaf nie. Die reflektiwiteit wat geskep word deur die brekingsindeks van die lae en die interne refleksie van die aktiewe medium is voldoende vir hierdie doel. Die eindvlakke van die diodes is afgekap, wat verseker dat die reflektiewe oppervlaktes parallel is.
'n Verbinding wat deur halfgeleiermateriale van dieselfde tipe gevorm word, word 'n homoaansluiting genoem, en 'n verbinding wat geskep word deur 'n verbinding van twee verskillendes word genoemheteroaansluiting.
P- en n-tipe halfgeleiers met hoë draerdigtheid vorm 'n p-n-aansluiting met 'n baie dun (≈1 µm) uitputtingslaag.
Gaslaser
Die beginsel van werking en die gebruik van hierdie tipe laser stel jou in staat om toestelle van byna enige krag (van milliwatt tot megawatt) en golflengtes (van UV tot IR) te skep en laat jou toe om in gepulste en kontinue modusse te werk. Gebaseer op die aard van aktiewe media, is daar drie tipes gaskwantumopwekkers, naamlik atoom-, ioniese en molekulêre.
Die meeste gaslasers word met 'n elektriese ontlading gepomp. Die elektrone in die ontladingsbuis word deur die elektriese veld tussen die elektrodes versnel. Hulle bots met atome, ione of molekules van die aktiewe medium en veroorsaak 'n oorgang na hoër energievlakke om 'n bevolkingstoestand van inversie en gestimuleerde emissie te bereik.
Molekulêre Laser
Die werkingsbeginsel van 'n laser is gebaseer op die feit dat, anders as geïsoleerde atome en ione, molekules in atoom- en ioon-kwantumopwekkers wye energiebande van diskrete energievlakke het. Verder het elke elektroniese energievlak 'n groot aantal vibrasievlakke, en dié het op hul beurt verskeie rotasievlakke.
Die energie tussen elektroniese energievlakke is in die UV en sigbare streke van die spektrum, terwyl tussen die vibrasie-rotasievlakke - in die verre en nabye IRgebiede. Die meeste molekulêre kwantumgenerators werk dus in die verre of naby infrarooi streke.
Excimer lasers
Excimers is molekules soos ArF, KrF, XeCl, wat 'n geskeide grondtoestand het en stabiel is op die eerste vlak. Die beginsel van werking van die laser is soos volg. As 'n reël is die aantal molekules in die grondtoestand klein, dus is direkte pomp vanaf die grondtoestand nie moontlik nie. Molekules word in die eerste opgewonde elektroniese toestand gevorm deur hoë-energiehaliede met inerte gasse te kombineer. Die populasie van die inversie word maklik bereik, aangesien die aantal molekules op die basisvlak te klein is in vergelyking met die opgewonde een. Die werkingsbeginsel van 'n laser, in kort, is die oorgang van 'n gebonde opgewonde elektroniese toestand na 'n dissosiatiewe grondtoestand. Die bevolking in die grondtoestand bly altyd op 'n lae vlak, omdat die molekules op hierdie punt in atome dissosieer.
Die toestel en beginsel van werking van lasers is dat die ontladingsbuis gevul is met 'n mengsel van halied (F2) en seldsame aardgas (Ar). Die elektrone daarin dissosieer en ioniseer haliedmolekules en skep negatief gelaaide ione. Positiewe ione Ar+ en negatiewe F- reageer en produseer ArF-molekules in die eerste opgewekte gebonde toestand met hul daaropvolgende oorgang na die afstotende basistoestand en generering van koherente bestraling. Die excimer-laser, die beginsel van werking en toepassing waarvan ons nou oorweeg, kan gebruik word om te pompaktiewe medium op kleurstowwe.
Vloeibare laser
In vergelyking met vaste stowwe, is vloeistowwe meer homogeen en het 'n hoër digtheid van aktiewe atome as gasse. Boonop is dit maklik om te vervaardig, maak dit maklik om hitte af te voer en kan maklik vervang word. Die werkingsbeginsel van die laser is om organiese kleurstowwe as 'n aktiewe medium te gebruik, soos DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, kumarien, stilbeen, ens. …, opgelos in 'n geskikte oplosmiddel. 'n Oplossing van kleurstofmolekules word opgewek deur straling waarvan die golflengte 'n goeie absorpsiekoëffisiënt het. Die beginsel van werking van die laser, in kort, is om te genereer teen 'n langer golflengte, genoem fluoressensie. Die verskil tussen geabsorbeerde energie en uitgestraalde fotone word deur nie-stralingsenergie-oorgange gebruik en verhit die sisteem.
Die breër fluoressensieband van vloeibare kwantumopwekkers het 'n unieke kenmerk - golflengte-instelling. Die beginsel van werking en die gebruik van hierdie tipe laser as 'n instelbare en koherente ligbron word al hoe belangriker in spektroskopie, holografie en biomediese toepassings.
Onlangs is kleurstof-kwantumopwekkers vir isotoopskeiding gebruik. In hierdie geval prikkel die laser een van hulle selektief, wat hulle aanspoor om in 'n chemiese reaksie te tree.
