Принципът на действие лазер: характеристики на лазерното лъчение

Първият принцип на действие на лазера, който се основава на физиката на радиация Закон на Планк, на теория, Айнщайн през 1917 година са били оправдани. Той описва абсорбцията, спонтанна и стимулирани електромагнитно лъчение с помощта на вероятностите коефициенти (Einstein коефициенти).

Трейлблейзърс

Теодор Meyman е първият, който демонстрира принципа на действие на рубин лазер, въз основа на оптично изпомпване с помощта на флаш лампа синтетичен рубин, генерира последователно лъчение с дължина на вълната 694 нм.

През 1960 г. иранските учени Яванови и Бенет създаден първите лазери газове със смеси от той и Ne газове в съотношение 1:10.

През 1962 г., R. Н. Hall прави първата диоден лазер , изработен от галиев арсенид (GaAs), излъчване при дължина на вълната 850 нм. По-късно същата година, Ник Golonyak разработи първия полупроводникови квантов генератор на видима светлина.

Устройството и принципа на лазери

Всяка лазерна система включва активна среда оптично поставя между двойка успоредни и силно отразяващи огледала, един от които е прозрачна, и източник на захранване за изпомпване. Като среда печалба може да действа като твърдо вещество, течност или газ, които имат способността да се разширят амплитудата на вълната светлина преминава през него вътрешно с електрическо или оптично изпомпване радиация. Веществото се поставя между двойка огледала, така че светлината, отразена в тях всеки път, когато минава през него и, след като са стигнали до значително увеличаване, прониква огледалото половина.

дуплекс среда

Разглеждане на принципа на действие лазер с активна среда, чиито атоми има само два енергийни нива: E възбуден Е ₂ и базови _1. Ако атомите чрез механизъм изпомпване (оптични, електрически разряд ток или пропускливост електронно бомбардиране) са възбудени до състояние E _2, в рамките на няколко наносекунди те се връщат в основно положение, излъчващи енергия фотони hν = E ₂ - Е _1. Според теорията на Айнщайн, емисиите се произвежда по два различни начина: или тя е предизвикана от един фотон, или това се случи спонтанно. В първия случай, стимулиран от емисиите настъпва, а вторият - спонтанно. При термично равновесие, вероятността за стимулирано излъчване е много по-ниска от спонтанно (1:10 ^33), така че повечето конвенционални несъгласувани светлинни източници, и активния елемент е възможно в условия, различни от топлинно равновесие.

Дори и с един много силен системи изпомпване на ниво население може да се направи само равни. Ето защо, за да се постигне инверсията на заселеност или друг метод на оптично изпомпване изисква система за три или четири ниво.

система на много нива

Какъв е принципът на лазерното три нива? Облъчването на интензивна светлина на честота ν ₀₂ помпи до голям брой атоми от най-ниското ниво на енергия Е ₀ и Е ₂ от горната част. Radiationless преход с атома Е ₂ до Е ₁ установява инверсия населението между Е ₁ и Е _0, което на практика е възможно само когато атомите са дълго време в метастабилната състояние E _1, и прехода от Е ₁ до Е ₂ настъпва бързо. Принципът на функциониране лазер на три нива, е в тези условия, така че между E ₀ и Е _1, инверсията на заселеност се постига и се усилва фотонна енергия E ₁ -Е ₀ стимулирана емисия. Разширена ниво _Е2 може да се увеличи обхвата на абсорбция дължина на вълната по-ефективно помпа, което води до растеж на стимулирано излъчване.

Три нива на системата изисква много висока помпена мощност, тъй като по-ниското ниво, които участват в производството, то е основа. В този случай, за да се инверсия популация се наблюдава до състояние Е ₁ да се изпомпва повече от половината от общия брой на атомите. В този случай, енергията се губи. Мощността на помпата може да бъде значително намалена, ако долната трайното ниво не е основата, която изисква най-малко система на четири нива.

В зависимост от природата на активното вещество, лазери са класифицирани в три основни категории, а именно твърдо вещество, течност и газ. От 1958 г., когато първото поколение се наблюдава в рубинен кристал, учени и изследователи са изучавали широка гама от материали от всяка категория.

твърд лазер

Операцията се основава на използването на активна среда, която се образува чрез добавяне на изолационната кристална решетка преходен метал (Ti ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^2, Ni ^{+ 2,} Fe ^2, и така нататък. Г.) , редкоземни йони (СЕ ^3, Pr ^3, Nd ^3, PM ^3, Sm ^2, еС ^{+ 2 + 3,} туберкулоза ^3, Dy ^3, Хо ^3, Er ^3, Yb ³ и др.), и актиниди като U ^3. Нивата на енергия на йоните отговорни само за генериране. Физични свойства на основния материал, като топлопроводимост и термично разширение са важни за ефективна работа на лазера. Местоположение решетка от атоми около легирани йон променя своите енергийни нива. Различните дължини на вълната поколение в активна среда се постигат чрез допинг различни материали по същия йон.

Holmium лазер

Пример за твърдо състояние лазер е квантов генератор, където холмий атом замества основния материал на кристалната решетка. Хо: YAG е един от най-добрите трайното материали. принципа на работа на лазера холмий е, че итрий алуминиев гранат легиран с холмий йони, оптично изпомпва чрез флаш лампа и излъчва при дължина на вълната 2097 пМ в инфрачервения диапазон се абсорбира добре от тъканите. Използвайте този лазерни операции на ставите, дентална лечение, за изпаряване на раковите клетки, бъбречни и жлъчни камъни.

А полупроводникови квантов генератор

Quantum и лазери са евтини, позволява масово производство и лесно приспособими. Принципа на работа на лазера полупроводниковата основава на използването на PN-диод възел, която произвежда светлина с определена дължина на вълната от рекомбинация на носителя при положително отклонение, като светодиоди. LED отделя спонтанно и лазерни диоди - принудително. За да изпълни инверсия състояние на населението, операционната ток трябва да надвишава определен праг. Активното средство в полупроводников диод има изглед на зоната на свързване на двуизмерни слоеве.

Принципът на работа на този тип лазер е, че за да се поддържа трептения не се изисква външно огледало. Отразяващият способността, създаден дължи на пречупване на индекса слоеве и вътрешно отражение на активното средство, е достатъчна за тази цел. крайни повърхности разцепват диоди, които осигурява успоредни отразяващи повърхности.

Съединението, образуван от полупроводников материал от същия тип се нарича homojunction, създаден чрез свързване на две различни - хетерогенен.

Полупроводници р и п тип с висока плътност на носители образуват р-п-възел с много тънка (≈1 mm) обеднен слой.

газ лазер

Принципът на работа и използването на този тип лазер дава възможност да се създадат устройства от почти всяка капацитет (от миливата до мегавата) и дължини на вълната (от ултравиолетовата до инфрачервени лъчи) и може да работи в импулсни и непрекъснати режими. Въз основа на естеството на активната среда, има три вида лазери газ, а именно атомни, йонни и молекулни.

Повечето газови лазери изпомпват от електрически разряд. Електроните в тръбата за освобождаване се ускоряват от електрическо поле между електродите. Те се сблъскват с атоми, йони или молекули на активна среда и индуцира преход към по-високи нива на енергия за постигане на състояние на инверсия на населението и стимулирано излъчване.

молекулна лазер

Принципът на лазерна действие се основава на факта, че за разлика от изолираните атоми и йони в атомни и йонни лазери молекули притежават широк енергийни ленти от отделни нива на енергия. В допълнение, всяко ниво електронна енергия има голям брой вибрационни нива, както и тези, които на свой ред - няколко въртене.

Енергията между нивата на електронна енергия е в UV и видимите области на спектъра, а между вибрационни-въртене нива - в далечния край и инфрачервени региони. По този начин, повечето от молекулярни лазери, работещи в далечна или близко инфрачервени региони.

ексимерен лазер

Excimers са такива молекула като ArF, KrF, XeCl, които са разпределени стабилен основно състояние и първо ниво. Принципът на работа на лазера следващия. Обикновено, броят на основното състояние на молекулите е малък, така че директно изпомпване от основното състояние не е възможно. Молекулите, оформени в първа възбуден електронно състояние чрез съединение, имащо висока енергийна халогениди с инертни газове. инверсията на заселеност се постига лесно, тъй като броят на молекулите на основно ниво е твърде ниско, в сравнение с развълнуван. Принципът на действие на лазер, накратко, е да се премине от една обвързана развълнуван електронно състояние на земята състояние дисоциативно а. Населението на основното състояние винаги е на ниско ниво, защото в този момент на молекулата дисоциира на атоми.

Принципът на апарати и лазери се състои в това тръбата за освобождаване се пълни със смес от халид (F ₂₎ и редки газ (Аг). Електроните в него се разпадат и йонизират халогенидът молекули и създават отрицателни йони. Положителните йони Ar ⁺ и отрицателен F ^- реагира и произвеждат ARF молекули в първото възбудено състояние, свързано с последващо преминаване към състояние база отблъскване и генериране на съгласуван радиация. Excimer лазер, на принципа на действие и използването на които сега се обмисля, може да се използва за изпомпване на активната среда на багрилото.

течност лазер

В сравнение с твърди вещества, течности са по-хомогенни и имат по-висока плътност на активни атоми, в сравнение с газове. В допълнение към това, те не са трудни за производство, позволяват лесно разсейване на топлината и може лесно да бъде заменен. Принципът на действие на лазера се използва като печалба среда на органична боя, като DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-р-dimethylaminostyryl-4Н-пиран), родамин, стирил, LDS, кумарин, стилбен, и други подобни. D ., разтворен в подходящ разтворител. Разтвор на молекулите на боядисване е възбуден от радиация, чиято дължина на вълната е добър коефициент на абсорбция. Принципът на действие лазер, накратко, е да се генерира при голяма дължина на вълната, наречен флуоресценция. Разликата между енергията се абсорбира и отделяни фотони използвани nonradiative енергийни преходи и нагрява на системата.

Широк обхват флуоресценция течни лазери има уникално качество - настройка на дължината на вълната. Принципът на работа и употреба на този вид като регулираща лазер и последователна източник на светлина, става все по-важно в спектроскопия, холографията, и по биомедицински приложения.

Наскоро лазери са използвани за боядисване за отделяне на изотопи. В този случай, лазерът избирателно вълнуват един от тях, което накара започнат химическа реакция.