Nguyên tắc hoạt động của laser: đặc điểm của bức xạ laser

Nguyên tắc đầu tiên của hành động của laser, mà là dựa trên cơ sở vật lí của pháp luật bức xạ Planck, về mặt lý thuyết, Einstein vào năm 1917 là đúng đắn. Ông mô tả sự hấp thu, tự phát và kích thích bức xạ điện từ sử dụng hệ số xác suất (Einstein hệ số).

tiên phong

Teodor Meyman là người đầu tiên để chứng minh nguyên tắc hành động của một laser ruby, dựa trên việc bơm quang học bằng cách sử dụng đèn flash ruby tổng hợp, tạo ra các bức xạ chặt chẽ với bước sóng 694 nm.

Vào năm 1960, các nhà khoa học Iran giác Java và Bennett đã tạo ra laser khí đầu tiên sử dụng hỗn hợp của Ông và Né khí theo tỉ lệ 1:10.

Năm 1962, R. N. Hall làm cho một đầu laser diode làm từ gallium arsenide (GaAs), phát ra ở bước sóng 850 nm. Cuối năm đó, Nick Golonyak phát triển máy phát điện lượng tử bán dẫn đầu tiên của ánh sáng nhìn thấy được.

Các thiết bị và nguyên tắc của laser

Mỗi hệ thống tia laser bao gồm một phương tiện hoạt động quang học đặt giữa một cặp gương song song và phản chiếu cao, một trong số đó là mờ, và một nguồn năng lượng để bơm nó. Khi vừa đạt được có thể đóng vai trò như một chất rắn, lỏng hoặc khí, trong đó có khả năng khuếch đại biên độ của sóng ánh sáng đi qua nó trong nội bộ với bức xạ bơm điện hoặc quang học. Các chất được đặt giữa một cặp gương sao cho ánh sáng phản xạ vào họ mỗi lần đi qua nó và, sau khi đạt đến một sự gia tăng đáng kể, thấm sâu vào nửa gương.

môi trường duplex

Hãy xem xét các nguyên tắc hoạt động của laser với một phương tiện hoạt động mà các nguyên tử chỉ có hai mức năng lượng: E kích thích E ₂ và cơ sở _1. Nếu các nguyên tử thông qua bất kỳ cơ chế bơm (quang học, điện xả hiện tại hoặc truyền oanh tạc điện tử) rất vui mừng sang trạng thái E _2, trong một vài nano giây họ trở về vị trí cơ bản, tỏa ra các photon năng lượng hν = E ₂ - E _1. Theo lý thuyết của Einstein, khí thải được sản xuất theo hai cách khác nhau: hoặc là nó được gây ra bởi một photon, hoặc nó xảy ra một cách tự nhiên. Trong trường hợp thứ nhất, bức xạ cưỡng bức xảy ra và lần thứ hai - tự phát. Tại trạng thái cân bằng nhiệt, xác suất phát xạ cưỡng thấp hơn nhiều so với tự phát (1:10 ^33), vì vậy mà thông thường hầu hết các nguồn ánh sáng không mạch lạc, và phát laser là có thể trong các điều kiện khác hơn là trạng thái cân bằng nhiệt.

Ngay cả với một hệ thống bơm dân cấp rất mạnh chỉ có thể được thực hiện như nhau. Vì vậy, để đạt được đảo ngược dân số hoặc phương pháp bơm quang học khác đòi hỏi phải có một hệ thống ba hoặc bốn cấp.

hệ thống đa cấp

nguyên tắc laser ba cấp là gì? Các bức xạ của ánh sáng cường độ cao của tần số ν ₀₂ bơm lên một số lượng lớn các nguyên tử từ mức năng lượng thấp nhất E ₀ và E ₂ phía trên. chuyển Radiationless với các nguyên tử E ₂ E ₁ thiết lập một đảo ngược dân số giữa E ₁ và E _0, mà trong thực tế là chỉ có thể khi các nguyên tử là một thời gian dài trong một trạng thái siêu bền E _1, và sự chuyển đổi từ E ₁ E ₂ xảy ra nhanh chóng. Nguyên tắc hoạt động của một laser ba cấp cao nhất là trong những điều kiện này, do đó giữa E ₀ và E _1, đảo ngược dân số được thực hiện và được khuếch đại năng lượng photon E ₁ -E ₀ bức xạ cưỡng bức. mức độ rộng lớn hơn E ₂ có thể tăng phạm vi hấp thu bước sóng để bơm một cách hiệu quả hơn, dẫn đến sự tăng trưởng của bức xạ cưỡng bức.

Ba cấp hệ thống đòi hỏi một sức mạnh bơm rất cao kể từ mức thấp hơn, có liên quan đến các thế hệ, đó là một cơ sở. Trong trường hợp này, để đảo ngược dân số xảy ra với tình trạng E ₁ được bơm hơn một nửa trong tổng số nguyên tử. Trong trường hợp này, năng lượng bị lãng phí. Sức mạnh bơm có thể được giảm đi rất nhiều nếu mức laser thấp không phải là cơ sở, đòi hỏi ít nhất một hệ thống bốn cấp.

Tuỳ theo tính chất của hoạt chất, laser được phân thành ba loại cơ bản, cụ thể là rắn, lỏng và khí. Kể từ năm 1958, khi thế hệ đầu tiên được quan sát trong một tinh thể ruby, các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu một loạt các vật liệu trong mỗi loại.

tia laser trạng thái rắn

Các hoạt động dựa trên việc sử dụng một phương tiện hoạt động được hình thành bằng cách thêm một kim loại pha lê lưới chuyển cách điện (Ti ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^2, Ni ^2, Fe ^+2, và vân vân D..) , các ion đất hiếm (Ce ^3, Pr ^3, Nd ^3, Chiều ^3, Sm ^2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^3, Dy ^3, Hồ ^3, Er ^3, Yb ³ , et al.), và actinides như U ^3. Các mức năng lượng của các ion có trách nhiệm chỉ dành cho các thế hệ. tính chất vật lý của vật liệu cơ bản, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt và giãn nở nhiệt là quan trọng đối với hoạt động hiệu quả của laser. Vị trí mạng của các nguyên tử xung quanh một ion pha tạp thay đổi mức năng lượng của nó. độ dài khác nhau của thế hệ sóng trong môi trường hoạt động được thực hiện bằng doping vật liệu khác nhau trong cùng một loại ion.

Laser holmium

Một ví dụ về một laser trạng thái rắn là một máy phát điện lượng tử, trong đó nguyên tử holmium thay thế cơ sở vật chất của mạng tinh thể. Hồ: YAG là một trong những vật liệu laser tốt nhất. Nguyên tắc hoạt động của laser holmium là garnet yttri nhôm pha tạp với các ion holmium, bơm quang học bằng đèn flash và phát ra ở bước sóng 2097 nm trong vùng hồng ngoại cũng được hấp thụ bởi các mô. Sử dụng tia laser này cho các hoạt động trên các khớp, điều trị nha khoa, để làm bốc hơi các tế bào ung thư, thận và sỏi mật.

Một máy phát điện lượng tử bán dẫn

laser cũng Quantum là không tốn kém, cho phép sản xuất hàng loạt và có thể dễ dàng mở rộng. Nguyên tắc hoạt động của laser bán dẫn dựa trên việc sử dụng các lớp tiếp giáp pn-diode, trong đó sản xuất ánh sáng của một bước sóng nhất định bởi sự tái tổ hợp của người vận chuyển tại một sự thiên vị tích cực, giống như đèn LED. LED phát ra một cách tự nhiên và điốt laser - compulsively. Thực hiện đầy đủ các đảo mật độ trạng thái, các hoạt động hiện tại nên vượt quá một ngưỡng. Môi trường hoạt động trong một diode bán dẫn có một cái nhìn của khu vực kết nối các lớp hai chiều.

Nguyên tắc hoạt động của loại hình này của laser là để duy trì dao động không có gương bên ngoài là bắt buộc. Khả năng phản chiếu, tạo ra do để chiết suất lớp và phản xạ toàn phần của môi trường hoạt động, là đủ cho mục đích này. Các bề mặt cuối tách điốt cung cấp các bề mặt phản chiếu song song.

Hợp chất này được hình thành bởi các vật liệu bán dẫn cùng loại được gọi là một homojunction, như thành lập bằng cách kết nối hai khác nhau - dị.

Chất bán dẫn p và n loại với mật độ cao của các hãng thành một p-n-ngã ba với rất mỏng (≈1 mm) lớp cạn kiệt.

laser khí

Nguyên tắc hoạt động và sử dụng các loại tia laser làm cho nó có thể tạo ra các thiết bị của hầu như bất kỳ năng lực (từ milliwatt để MW) và bước sóng (từ tia cực tím tới hồng ngoại) và có thể hoạt động ở chế độ xung và liên tục. Dựa vào bản chất của các phương tiện truyền thông tích cực, có ba loại laser khí, cụ thể là nguyên tử, ion và phân tử.

Hầu hết laser khí bơm bằng cách phóng điện. Các electron trong ống xả được gia tốc bởi điện trường giữa các điện cực. Họ va chạm với các nguyên tử, các ion hoặc phân tử của một phương tiện hoạt động và gây chuyển đổi sang mức năng lượng cao hơn để đạt được một trạng thái đảo ngược dân số và xạ cưỡng bức.

Laser phân tử

Nguyên tắc hoạt động của laser được dựa trên thực tế là, không giống như các nguyên tử bị cô lập và các ion trong laser nguyên tử và ion phân tử có dải năng lượng rộng lớn của mức năng lượng rời rạc. Ngoài ra, mỗi mức năng lượng electron có một số lượng lớn các mức rung động, và những người lần lượt - một vài quay.

Năng lượng giữa các mức năng lượng electron là ở các vùng UV và có thể nhìn thấy của quang phổ, trong khi giữa các mức rung động-quay - trong vùng hồng ngoại xa và gần. Do đó, hầu hết các laser phân tử làm việc tại một vùng xa xôi hoặc cận hồng ngoại.

laser excimer

Excimers là phân tử như ARF, KRF, XeCl, được chia trạng thái cơ bản ổn định và mức độ đầu tiên. Nguyên tắc hoạt động của laser tới. Thông thường, số lượng trong trạng thái cơ bản của các phân tử nhỏ, vì vậy việc bơm trực tiếp từ trạng thái cơ bản là không thể. Các phân tử hình thành trong trạng thái điện tử vui mừng đầu tiên của một hợp chất có một halogenua năng lượng cao với khí trơ. Các đảo ngược dân số được thực hiện một cách dễ dàng vì số lượng các phân tử ở mức độ cơ bản là quá thấp so với các kích thích. Nguyên tắc hoạt động của laser, trong ngắn hạn, là để chuyển từ trạng thái điện tử bị kích thích ràng buộc với một tách rời trạng thái cơ bản. Dân số của trạng thái cơ bản luôn là ở mức thấp, vì vào thời điểm này các phân tử phân tách thành các nguyên tử.

Nguyên tắc bộ máy và laser bao gồm trong đó các ống xả được làm đầy với một hỗn hợp của halogen (F ₂₎ và khí hiếm (Ar). Các electron trong đó phân tách và ion hóa các phân tử halogen và tạo ion âm. ion dương Ar ⁺ và tiêu cực F ^- phản ứng và sản xuất các phân tử ARF trong trạng thái kích thích đầu tiên gắn liền với quá trình chuyển đổi tiếp theo với chất chống thấm nhà nước cơ sở và tạo ra các bức xạ chặt chẽ. Laser Excimer, nguyên tắc hành động và việc sử dụng mà chúng tôi hiện đang xem xét, có thể được sử dụng cho việc bơm của môi trường hoạt động của thuốc nhuộm.

Laser lỏng

So với các chất rắn, chất lỏng đồng đều hơn và có mật độ cao hơn của các nguyên tử hoạt động, so với các loại khí. Thêm vào đó, họ không khó khăn để sản xuất, cho phép tản nhiệt dễ dàng và có thể dễ dàng thay thế. Nguyên tắc hoạt động của laser được sử dụng như một phương tiện tăng của thuốc nhuộm hữu cơ, chẳng hạn như DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, và những thứ tương tự. D ., hòa tan trong một dung môi thích hợp. Một giải pháp của các phân tử thuốc nhuộm được kích thích bởi bức xạ có bước sóng có hệ số hấp thụ tốt. Nguyên tắc hoạt động của laser, trong ngắn hạn, là để tạo ra ở bước sóng dài hơn, được gọi là huỳnh quang. Sự khác biệt giữa năng lượng hấp thụ và phát ra photon sử dụng chuyển năng lượng không bức xạ và nóng hệ thống.

band huỳnh quang rộng hơn laser lỏng có một tính năng độc đáo - bước sóng điều chỉnh. Nguyên tắc hoạt động và sử dụng thuộc loại này như một laser du dương và các nguồn ánh sáng kết hợp, đang trở nên ngày càng quan trọng trong quang phổ, hologram, và trong các ứng dụng y sinh.

Gần đây, laser đã được sử dụng để nhuộm để tách đồng vị. Trong trường hợp này, laser chọn lọc kích thích một trong số họ, khiến bắt đầu một phản ứng hóa học.