O principio de acción do láser: características da radiación láser

O primeiro principio da acción do láser, que está baseado en física da lei de radiación de Planck, en teoría, Einstein en 1917 era xustificada. Describiu a absorción, espontánea e estimulada de radiación electromagnética a través de coeficientes de probabilidade (coeficientes Einstein).

trailblazers

Teodor Meyman foi o primeiro en demostrar o principio de acción dun láser de rubí, con base no bombeo óptico usando unha lámpada de flash Rubio sintético, xera a radiación coherente cunha lonxitude de onda de 694 nm.

En 1960, os científicos iranianos Javan e Bennett creou os primeiros láseres de gas, utilizando mesturas de el e Ne gases nunha proporción de 1:10.

En 1962, N. R. Municipal fai un primeiro diodo láser feita de arsenieto de galio (GaAs), que emite a unha lonxitude de onda de 850 nm. Máis tarde, aquel mesmo ano, Nick Golonyak desenvolveu o primeiro xerador de semicondutores cuántica da luz visible.

O dispositivo eo principio de láseres

Cada sistema de láser inclúe un medio activo ópticamente colocado entre un par de espellos paralelos e altamente reflectantes, unha das cales é translúcida, e unha fonte de enerxía para achique. A medida que o medio de ganancia pode actuar como un sólido, líquido ou gas, que ten a capacidade de amplificar a amplitude da onda de luz que pasa a través del internamente con radiación de bombeo eléctrico ou óptico. A substancia é colocada entre un par de espellos para que a luz reflectida neles cada vez pasa a través dela e, tras atinxir un aumento significativo, penetra na metade espello.

ambiente duplex

Considero o principio de acción do láser cunha forma activa cuxo átomos de ter só dous niveis de enerxía: E animado ₂ ea base _1. Os átomos de vía calquera mecanismo de presión (óptico, corrente de descarga eléctrica ou transmitancia bombardeo electrónico) está animado dun estado e _2, en poucos nanosegundos eles retornaren para a posición de base, irradiando fotóns de enerxía hv = E ₂ - E _1. Segundo a teoría de Einstein, a emisión é producida de dous xeitos diferentes: ou ela é inducida por un fotón, ou que ocorre espontaneamente. No primeiro caso, emisión estimulada ocorre eo segundo - espontánea. No equilibrio térmico, a probabilidade de emisión estimulada é moito menor que a espontánea (1:10 ^33), de xeito que a maioría das fontes de luz incoherente convencionais, e de emisión de láser é posible nas outras de condicións de equilibrio térmico.

Mesmo cunha forte sistemas a nivel de poboación de bombeo só se pode facer igual. Polo tanto, para obter a inversión de poboación ou outro método de bombeo óptico require un sistema de tres ou catro niveis.

sistema multi-nivel

Cal é o principio do láser de tres niveis? A irradiación de luz intensa de frecuencia ν ₀₂ bombea-se un gran número de átomos do menor nivel de enerxía e ₀ e E ₂ da parte superior. transición radioactiva co átomos de _E2 para E ₁ establece unha inversión de poboación entre e ₁ e é _0, que, na práctica, só é posible cando os átomos están moito tempo nun estado metaestável de E _1, ea transición dende E ₁ a E ₂ ocorre rapidamente. O principio de funcionamento dun láser de tres niveis é nestas condicións, de xeito que entre e ₀ e E _1, a inversión de poboación é alcanzada e está amplificado enerxía dos fotóns e ₁ -E ₀ emisión estimulada. Máis amplo nivel _E2 podería aumentar a gama de lonxitude de onda de absorción para bombear de forma máis eficiente, o que resulta no crecemento da emisión estimulada.

Tres de nivel de sistema esixe unha moi alta potencia de bombeo desde o nivel máis baixo, están implicados na xeración, é unha base. Neste caso, a fin de inversión de poboación ocorreu ao Estado e ₁ a bombeado máis que a metade do número total de átomos. Neste caso, a enerxía é desperdiçada. A potencia da bomba pode ser moi reducido o nivel de emisión de láser inferior non é a base, o que require, polo menos, un sistema de catro niveis.

Dependendo da natureza da substancia activa, os láseres son clasificados en tres categorías básicas, en particular sólidos, líquidos e gases. Desde 1958, cando a primeira xeración foi observada nun cristal de Rubio, científicos e investigadores estudaron unha gran variedade de materiais en cada categoría.

láser de estado sólido

O funcionamento baséase na utilización dun medio activo, o cal está formado por adición dun metal de transición de cristal reticulado de illamento ^{(3 Ti,} Cr ^3, V ^2, Co ^{+ 2,} Ni ^{+ 2,} Fe ^2, e así por diante. D.) , os ións de terras raras (Ce ^{3, 3 Pr,} Nd ^{3, 3 pm,} SM, ^2, Eu ^{+ 2, + 3, 3 TB,} Dy ^3, Ho ^3, Er ^3, YB ³ , et ai.), e os actinídeos como L ^3. Os niveis de enerxía de ións responsables só para a xeración. As propiedades físicas do material de base, como a condutividade térmica e expansión térmica son importantes para o bo funcionamento do láser. Localización estrutura dos átomos en torno a un ión dopado cambia os seus niveis de enerxía. Distintas lonxitudes de xeración de ondas en forma activa son obtidos por varios materiais dopantes no mesmo ións.

láser de Holmium

Un exemplo dun láser de estado sólido é un xerador cuántica, en que o átomo de hólmio substitúe o material de base da rede cristalina. Ho: YAG é un dos mellores materiais de láser. O principio de funcionamento do láser de hólmio é que granada de itrio e aluminio dopado con ións de hólmio, bombeados ópticamente pola lámpada de flash e emite nunha lonxitude de onda de 2097 nm na gama de infravermellos é ben absorbido polos tecidos. Usar este láser para as operacións sobre as articulacións, o tratamento dental, para vaporizar células cancerosas, renal e cálculo biliar.

Un xerador semicondutor cuántico

láseres de pozo cuántico son baratos, permite a produción en masa e son facilmente escalabades. O principio de funcionamento do láser de semicondutores con base na utilización de unión pn-diodo, que produce luz de unha determinada lonxitude de onda por recombinación do transportista a unha polarización positiva, como LEDs. LED emiten espontaneamente e diodos de láser - compulsivamente. Para cumprir a inversión de poboación condición, a cadea de operación debe exceder un límite. A contorna activo dun díodo ten unha visión da área de conexión de capas bidimensionais.

O principio de funcionamento deste tipo de láser é que para manter as oscilacións non é necesario un espello externo. A capacidade reflectora, creado debido ao dice de refraco capas e reflexión interna da forma activa, é suficiente para este propósito. As superficies de extrema clivar diodos que ofrece superficies reflectantes paralelas.

O composto formado polo material semicondutor do mesmo tipo é chamado un homojunção, segundo establecido pola conexión de dúas diferentes - heterojuno.

Semicondutores de p e de tipo n, cunha elevada densidade de transportistas formar unha p-n-intersección cunha capa moi fina (≈1 mm) empobrecido.

láser de gas

O principio de funcionamento e utilización deste tipo de láser fai posible a creación de dispositivos de practicamente calquera capacidade de miliwatts (megawatts) para lonxitudes de onda (e do ultravioleta ao infravermello) e pode operar en modos pulsado e continuo. Con base na natureza dos medios activa, existen tres tipos de láseres de gas, é dicir, atómicas, iónicos e moleculares.

A maioría dos láseres de gas bombeado por descarga eléctrica. Os electróns no tubo de descarga son acelerados polo campo eléctrico entre os electrodos. Eles chocan con átomos, ións ou moléculas dun medio activo e inducir a transición para os niveis máis elevados de enerxía para acadar un estado de inversión de poboación e emisión estimulada.

láser de moléculas

O principio de acción de láser baséase no feito de que, a diferenza dos átomos illados e ións en láseres atómicas e ións moléculas posúen largas bandas de enerxía de niveis de enerxía discretos. Ademais, cada nivel de enerxía de electróns ten un gran número de niveis de vibración, e os que, á súa vez - algúns rotacional.

A enerxía entre os niveis de enerxía de electróns está nas rexións UV e visible do espectro, mentres que entre os niveis vibracional-rotacional - nas rexións lonxe e de preto de infravermellos. Así, a maioría dos láseres moleculares traballar nun ou rexións distantes do infravermello próximo.

excimer láser

Excímeros son como molécula de ARF, KrF, XeCl, os cales divídense estado fundamental estable é o primeiro nivel. O principio de funcionamento do láser seguinte. Tipicamente, o número no estado fundamental das moléculas é pequena, de xeito que a presión directa do estado do solo non é posible. As moléculas formadas no primeiro estado electrónico animado por un composto posuíndo unha elevada haloxenuros de enerxía con gases inertes. A inversión de poboación é conseguida facilmente xa que o número de moléculas a un nivel básico é moi baixo en comparación co animado. O principio de acción do láser, en suma, é a transición dun estado electrónico animado conectado a unha dissociativo estado fundamental. A poboación do estado fundamental é sempre a un nivel baixo, porque neste punto da molécula se dissociam en átomos.

O principio dispositivo e láseres consiste en que o tubo de descarga está chea cunha mestura de halogeneto (F ₂₎ e gas raro (aire). Os electróns que se dissociam e ionizam as moléculas de halogeneto e crear ións negativos. Os ións positivos Aire ⁺ F e negativo ^- reaccionar e producir moléculas Arf no primeiro estado animado asociada coa posterior transición para o estado de repulsión base e xeración de radiación coherente. excimer láser, o principio de acción e cuxa utilización estamos considerando agora, poderían ser usados para o bombeo do medio activo do colorante.

láser líquido

En comparación cos sólidos, líquidos son máis homoxénea e ter unha densidade maior de átomos activos, en comparación cos gases. Ademais, eles non son difíciles de producir, permitir a disipación de calor doado e pode ser facilmente substituído. O principio de acción do láser é usado como un medio de ganancia de colorante orgánico, como DCM D (4-dicyanomethylene-2-metil-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pirano), rodamina, estirilo, LDS, cumarina, estilbeno, e semellantes. ., disolto nun disolvente apropiado. Unha solución das moléculas de colorante é animado por radiación cuxa lonxitude de onda ten un bo coeficiente de absorción. O principio de acción do láser, en suma, é xerar en unha lonxitude de onda maior, chamado de fluorescencia. A diferenza entre a enerxía absorbida e fotóns emitidos utilizado transicións de enerxía non radioactivos e quenta o sistema.

Máis amplo de fluorescencia banda láseres líquidos ten unha característica única - axuste de lonxitude de onda. O principio de funcionamento e utilización deste tipo como un láser axustable ea fonte de luz coherente, se está facendo cada vez máis importante na espectroscopia, holografía, e en aplicacións biomédicas.

Recentemente, láseres foron utilizados para tinxe de separación isotópica. Neste caso, o láser excitación selectiva un deles, o que levou iniciar unha reacción química.