Prinsip tindakan laser: fitur radiasi laser yang

Prinsip pertama dari tindakan laser, yang didasarkan pada fisika hukum radiasi Planck, dalam teori, Einstein pada tahun 1917 dibenarkan. Dia menggambarkan penyerapan, spontan dan terangsang radiasi elektromagnetik menggunakan koefisien probabilitas (Einstein koefisien).

Trailblazers

Teodor Meyman adalah yang pertama untuk menunjukkan prinsip tindakan laser ruby, berdasarkan pemompaan optik menggunakan lampu kilat ruby sintetis, menghasilkan radiasi koheren dengan panjang gelombang 694 nm.

Pada tahun 1960, para ilmuwan Iran Jawa dan Bennett menciptakan laser gas pertama menggunakan campuran Dia dan Ne gas dalam rasio 01:10.

Pada tahun 1962, R. N. Balai membuat pertama dioda laser terbuat dari gallium arsenide (GaAs), memancarkan pada panjang gelombang 850 nm. Kemudian pada tahun yang sama, Nick Golonyak dikembangkan generator semikonduktor kuantum pertama cahaya tampak.

Perangkat dan prinsip laser

Setiap sistem laser yang mencakup media aktif optik ditempatkan di antara sepasang cermin paralel dan sangat mencerminkan, salah satunya adalah tembus, dan sumber daya untuk memompa itu. Sebagai media gain dapat bertindak sebagai padat, cair atau gas, yang memiliki kemampuan untuk memperkuat amplitudo gelombang cahaya melewati secara internal dengan radiasi memompa listrik atau optik. substansi yang ditempatkan di antara sepasang cermin sehingga cahaya yang dipantulkan pada mereka setiap kali melewati itu dan, setelah mencapai peningkatan yang signifikan, menembus setengah cermin.

lingkungan duplex

Pertimbangkan prinsip tindakan laser dengan media aktif yang atom hanya memiliki dua tingkat energi: E bersemangat E ₂ dan basis _1. Jika atom-atom melalui mekanisme pemompaan (optik, listrik debit saat ini atau transmisi elektron pengeboman) sangat antusias untuk keadaan E _2, dalam beberapa nanodetik mereka kembali ke posisi dasar, memancarkan foton energi hν = E ₂ - E _1. Menurut teori Einstein, emisi yang dihasilkan dalam dua cara yang berbeda: baik itu disebabkan oleh foton, atau terjadi secara spontan. Dalam kasus yang pertama, emisi terstimulasi terjadi dan yang kedua - spontan. Pada keseimbangan termal, kemungkinan emisi terstimulasi jauh lebih rendah daripada spontan (1:10 ^33), sehingga sebagian besar sumber cahaya koheren konvensional, dan penguat mungkin dalam kondisi selain kesetimbangan termal.

Bahkan dengan sistem pemompaan tingkat populasi yang sangat kuat hanya dapat dibuat sama. Oleh karena itu, untuk mencapai inversi populasi atau metode pemompaan optik lainnya memerlukan sistem tiga atau empat tingkat.

Sistem multi-level

Apa prinsip dari laser tiga tingkat? Iradiasi cahaya intens frekuensi ν ₀₂ memompa sejumlah besar atom dari tingkat energi terendah E ₀ dan E ₂ dari atas. transisi radiationless dengan atom E ₂ E ₁ menetapkan inversi populasi antara E ₁ dan E _0, yang dalam prakteknya hanya mungkin bila atom-atom yang lama dalam keadaan E metastabil _1, dan transisi dari E ₁ E ₂ terjadi dengan cepat. Prinsip operasi laser tiga tingkat dalam kondisi ini, sehingga antara E ₀ dan E _1, inversi populasi dicapai dan diperkuat energi foton E ₁ -E ₀ dirangsang emisi. Lebih luas tingkat E ₂ bisa meningkatkan jangkauan penyerapan panjang gelombang untuk memompa lebih efisien, menghasilkan pertumbuhan emisi terstimulasi.

Tiga-tingkat sistem membutuhkan daya pompa yang sangat tinggi sejak tingkat yang lebih rendah, terlibat dalam generasi, itu adalah basis. Dalam hal ini, untuk inversi populasi terjadi untuk negara E ₁ harus dipompa lebih dari setengah dari jumlah total atom. Dalam hal ini, energi yang terbuang. Daya pompa dapat sangat dikurangi jika tingkat penguat rendah bukanlah dasar, yang membutuhkan setidaknya empat sistem-tingkat.

Tergantung pada sifat zat aktif, laser diklasifikasikan ke dalam tiga kategori dasar, yaitu padat, cair dan gas. Sejak 1958, ketika generasi pertama diamati dalam kristal ruby, ilmuwan dan peneliti telah mempelajari berbagai macam bahan dalam setiap kategori.

solid-state laser

Operasi ini didasarkan pada penggunaan media aktif yang dibentuk dengan menambahkan logam kristal kisi transisi isolasi (Ti ^3, Cr ^+3, V ^2, Co ^2, Ni ^2, Fe ^2, dan seterusnya. D.) , ion tanah jarang (Ce ^3, Pr ^3, Nd ^3, Pm ^3, Sm ^2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^3, Dy ^3, Ho ^3, Er ^3, Yb ³ , et al.), dan aktinida seperti U ^3. Tingkat energi ion bertanggung jawab hanya untuk generasi. Sifat-sifat fisik dari bahan dasar, seperti konduktivitas termal dan ekspansi termal yang penting untuk operasi yang efisien dari laser. Lokasi kisi atom sekitar ion didoping mengubah tingkat energi. panjang yang berbeda dari generasi gelombang di media aktif dicapai dengan doping berbagai bahan dalam ion yang sama.

Laser holmium

Contoh dari laser solid-state adalah generator kuantum, dimana atom holmium menggantikan bahan dasar dari kisi kristal. Ho: YAG adalah salah satu bahan penguat terbaik. Prinsip operasi laser holmium adalah bahwa yttrium aluminium garnet didoping dengan ion holmium, optik dipompa oleh lampu flash dan memancarkan pada panjang gelombang 2097 nm pada rentang inframerah diserap dengan baik oleh jaringan. Gunakan Laser ini untuk operasi pada sendi, perawatan gigi, untuk menguapkan sel-sel kanker, ginjal dan batu empedu.

Sebuah generator semikonduktor kuantum

laser juga kuantum yang murah, memungkinkan produksi massal dan mudah terukur. Prinsip operasi laser semikonduktor berdasarkan penggunaan pn-dioda, yang menghasilkan cahaya dari panjang gelombang tertentu oleh rekombinasi pembawa pada bias positif, seperti LED. LED memancarkan spontan dan laser dioda - kompulsif. Untuk memenuhi inversi populasi kondisi, saat operasi harus melebihi ambang. Media aktif dalam dioda semikonduktor memiliki pemandangan daerah sambungan dari lapisan dua dimensi.

Prinsip operasi dari jenis laser yang menjaga osilasi tidak ada cermin eksternal diperlukan. Kemampuan reflektif, diciptakan karena dengan indeks bias lapisan dan refleksi internal media aktif, cukup untuk tujuan ini. Permukaan akhir membelah dioda yang menyediakan permukaan mencerminkan paralel.

Senyawa yang dibentuk oleh bahan semikonduktor dari jenis yang sama disebut homojunction, seperti yang ditetapkan oleh menghubungkan dua yang berbeda - hetero.

Semikonduktor p dan jenis n dengan kepadatan tinggi operator membentuk p-n-junction dengan sangat tipis (≈1 mm) lapisan habis.

Laser gas

Prinsip operasi dan penggunaan jenis laser memungkinkan untuk membuat perangkat hampir kapasitas apa pun (dari miliwatt untuk megawatt) dan panjang gelombang (dari ultraviolet ke inframerah) dan dapat beroperasi dalam mode berdenyut dan berkesinambungan. Berdasarkan sifat media yang aktif, ada tiga jenis laser gas, yaitu atom, ion dan molekul.

Kebanyakan laser gas dipompa oleh debit listrik. Elektron dalam tabung debit dipercepat oleh medan listrik antara elektroda. Mereka bertabrakan dengan atom, ion atau molekul dari media aktif dan mendorong transisi ke tingkat energi yang lebih tinggi untuk mencapai keadaan inversi populasi dan emisi terstimulasi.

Laser molekul

Prinsip tindakan laser didasarkan pada kenyataan bahwa, tidak seperti atom terisolasi dan ion dalam atom dan ion laser molekul memiliki energi band luas tingkat energi diskrit. Selain itu, setiap tingkat energi elektron memiliki sejumlah besar tingkat getaran, dan mereka pada gilirannya - beberapa rotasi.

Energi antara tingkat energi elektron dalam UV dan terlihat daerah spektrum, sedangkan antara tingkat vibrasi-rotasi - di daerah inframerah jauh dan dekat. Dengan demikian, sebagian besar laser molekul bekerja di daerah yang jauh atau dekat-inframerah.

laser excimer

Excimers adalah molekul seperti ARF, KrF, XeCl, yang terbagi keadaan dasar yang stabil dan tingkat pertama. Prinsip operasi dari laser berikutnya. Biasanya, jumlah dalam keadaan dasar molekul kecil, sehingga memompa langsung dari keadaan dasar tidak mungkin. Molekul-molekul yang terbentuk dalam keadaan elektronik pertama gembira dengan senyawa yang memiliki halida energi tinggi dengan gas inert. Inversi populasi dicapai dengan mudah karena jumlah molekul pada tingkat dasar terlalu rendah, dibandingkan dengan bersemangat. Prinsip tindakan laser, singkatnya, adalah untuk transisi dari keadaan elektronik tereksitasi terikat dengan disosiatif keadaan dasar. Populasi keadaan dasar selalu pada tingkat yang rendah, karena pada titik ini molekul memisahkan menjadi atom.

Aparat dan laser prinsip terdiri dalam tabung discharge diisi dengan campuran halida (F ₂₎ dan gas langka (Ar). Elektron di dalamnya memisahkan dan mengionisasi molekul halida dan menciptakan ion negatif. ion positif Ar ⁺ dan negatif F ^- bereaksi dan menghasilkan molekul ARF dalam keadaan tereksitasi pertama terkait dengan transisi berikutnya ke memukul mundur dasar negara dan generasi radiasi koheren. excimer laser, prinsip tindakan dan penggunaan yang kita sekarang mempertimbangkan, bisa digunakan untuk memompa media aktif pewarna.

Laser cair

Dibandingkan dengan padatan, cairan lebih homogen dan memiliki kepadatan yang lebih tinggi dari atom aktif, dibandingkan dengan gas. Selain itu, mereka tidak sulit untuk memproduksi, memungkinkan disipasi panas yang mudah dan dapat dengan mudah diganti. Prinsip tindakan laser digunakan sebagai media keuntungan dari pewarna organik, seperti DCM (4-dicyanomethylene-2-metil-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, coumarin, stilbene, dan sejenisnya. D ., dilarutkan dalam pelarut yang sesuai. Sebuah solusi dari molekul pewarna gembira oleh radiasi yang panjang gelombang memiliki koefisien penyerapan yang baik. Prinsip tindakan laser, singkatnya, adalah untuk menghasilkan pada panjang gelombang yang lebih panjang, disebut fluoresensi. Perbedaan antara energi yang diserap dan foton yang dipancarkan digunakan transisi energi nonradiative dan memanaskan sistem.

Lebih luas Band fluoresensi laser cair memiliki fitur unik - panjang gelombang tuning. Prinsip operasi dan penggunaan jenis ini sebagai merdu laser dan sumber cahaya koheren, menjadi semakin penting dalam spektroskopi, holografi, dan dalam aplikasi biomedis.

Baru-baru ini, laser telah digunakan untuk mewarnai untuk pemisahan isotop. Dalam hal ini, laser selektif merangsang salah satu dari mereka, mendorong memulai reaksi kimia.