עקרון הפעולה של הלייזר: תכונות של קרינה לייזר

העיקרון הראשון של פעולה של הליזר, אשר מבוסס על הפיזיקה של חוק הקרינה של פלאנק, בתאוריה, איינשטיין בשנת 1917 היה מוצדק. הוא תיאר את הקליטה, ספונטני מגורה קרינה אלקטרומגנטית באמצעות מקדמי הסתברות (מקדמי איינשטיין).

טריילבלייזרס

תאודור Meyman היה הראשון להדגים את עיקרון הפעולה של ליזר אודם, מבוסס על השאיבה האופטית באמצעות אודם סינטטי מנורת פלאש, יוצר את הקרינה קוהרנטית עם אורך גל של 694 ננומטר.

בשנת 1960, מדענים איראניים ג'ואן בנט יצרו את לייזרי הגז הראשונים באמצעות תערובות של גזים הוא Ne על יחס של 1:10.

בשנת 1962, הול נ ר עושה הראשונה לייזר דיודה עשויים גליום ארסניד (GaAs), פולטת באורך גל של 850 ננומטר. מאוחר יותר באותה שנה, ניק Golonyak פיתחו מחולל הקוונטים המוליכים למחצה הראשון של האור הנראה.

המכשיר ואת העיקרון של לייזרים

מערכת ליזר כוללת מדיום פעיל להציב אופטי בין זוג מקביל מאוד משקף מראות, שאחד מהם הוא שקוף, ומקור כוח לשאיבה זה. כמדיום הרווח יכול לשמש מוצק, נוזל או גז, אשר יש את היכולת להגביר את המשרעת של גל האור עובר דרך זה באופן פנימי עם קרינת שאיבה חשמלית או אופטית. החומר מושם בין זוג מראות כך שהאור משתקף בהם בכל פעם שעובר דרכו, לאחר שהגיע עלייה משמעותית, חודרת במראה וחצי.

סביבת דופלקס

קחו למשל את עקרון הפעולה של הלייזר עם מדיום פעיל אטומים אשר יש רק שתי רמות אנרגיה: E נרגש E ₂ ובסיס _1. אם אטום באמצעות מנגנון כלשהו שאיבה (אופטית, נוכחי פריק חשמלי או ביורת אלקטרוני העברה) נרגשים מדינת E _2, בעוד כמה ננו שניות הם חוזרים למצב הבסיסי, הקרנת פוטונים באנרגיה hν = E ₂ - E _1. על פי התאוריה של איינשטיין, הפליטה מיוצרת בשתי דרכים שונות: או שהיא נגרמת על ידי פוטון, או שהיא מתרחשת באופן ספונטני. במקרה הראשון, פליטה מאולצת מתרחשת והשני - ספונטני. בשעת שיווי משקל תרמי, ההסתברות של פליטה מאולצת היא הרבה יותר נמוכה מאשר הספונטני (01:10 ^33), כך שרוב מקורות אור הרגילים קוהרנטי, ו lasing אפשרי בתנאים האחרים מאשר שיווי משקל תרמי.

אפילו עם מערכות ברמת אוכלוסיית שאיבה חזקות מאוד יכול רק להיות שווה. לכן, כדי להשיג את היפוך האוכלוסייה או שיטת שאיבה אופטית אחרת דורש מערכת של שלוש או ארבע קומות.

מערכת רב-שכבתית

מהו העיקרון של לייזר תלת ברמה? הקרנה של אור חזק של תדר ν ₀₂ משאבות מעלה מספר רב של אטומים מרמת האנרגיה הנמוכה ביותר E ₀ ו- E ₂ של העליון. מעבר Radiationless עם אטומי E ₂ ל E ₁ קובע היפוך אוכלוסייה בין E ₁ ו- E _0, בפועל אפשרי רק כאשר האטומים נמצאים זמן רב בבית E מדינת metastable _1, ומעבר E ₁ ל E ₂ מתרחש במהירות. עקרון הפעולה של לייזר תלת ברמה היא בתנאים אלה, כך בין E ₀ ו- E _1, היפוך אוכלוסייה מושגת והוא מוגבר פוטון אנרגיה E ₁ -E ₀ פליטה מאולצת. וידר ברמת E ₂ יכולה להגדיל את טווח קליטת הגל לשאוב בצורה יעילה יותר, וכתוצאה מכך הצמיחה של הפליטה המאולצת.

שלוש ברמת מערכת דורשת כוח שאיבה גבוה מאוד מאז במפלס התחתון, מעורבות ההדור, זהו בסיס. במקרה זה, כדי היפוך האוכלוסייה עלה על המדינה E ₁ להישאב יותר ממחצית המספר הכולל של האטומים. במקרה זה, את האנרגיה מבוזבזת. כוחה המשאבה ניתן להפחית באופן משמעותי אם רמת lasing התחתונה היא לא הבסיס, אשר דורש לפחות מערכת ארבע-רמה.

בהתאם לאופי של החומר הפעיל, הלייזרים מסווגים לשלוש קטגוריות בסיסיות, כלומר מוצק, נוזל וגז. מאז 1958, כאשר הדור הראשון נצפה גביש אודם, מדענים וחוקרים למדו מגוון רחב של חומרים בכל קטגוריה.

לייזר מצב מוצק

הניתוח מבוסס על השימוש במדיום פעיל אשר נוצרת על ידי הוספת מתכות מעבר הגבישי בידוד (טי ^3, Cr ^3, V ^2, Co ^2, Ni ^2, Fe ^2, וכן הלאה. ד) , יוני אדמה נדירים (Ce ^3, Pr ^3, Nd ^3, Pm ^3, Sm ^{2, האיחודהאירופאי 2, + 3,} Tb ^3, Dy ^3, הו ^3, אר ^3, Yb ³ , et al.), ואת אקטינידים כגון U ^3. רמות האנרגיה של היונים האחראים רק על הדור. תכונות פיסיקליות של חומר הבסיס, כגון מוליכות תרמית התפשטות תרמית חשובות לתפעול היעיל של הליזר. סריג מיקום של אטומים סביב יון מסומם משנה את רמות האנרגיה שלה. באורכים שונים של דור גל בתווך הפעיל מושגות על ידי סימום חומרים שונים באותו היון.

לייזר הולמיום

דוגמה לייזר מצב מוצק הוא מחולל הקוונטים, שבה אטום holmium מחליף את חומר הבסיס של הסריג הגבישי. הו: YAG הוא אחד החומרים lasing הטוב. עיקרון הפעולה של ליזר holmium הוא נופך איטריום אלומיניום מסומם עם יוני holmium, שאוב אופטי ידי מנורת פלאש פולט באורך גל של nm 2097 בטווח האינפרא האדום גם נספג על ידי הרקמות. השתמשו בלייזר זה לפעולות על המפרקים, טיפול שיניים, כדי לאדות תאי סרטן, כליות ואבני מרה.

גנרטור הקוונטים מוליכים למחצה

לייזרים היטב Quantum הם זולים, לאפשר ייצור המוני והם להרחבה בקלות. עקרון הפעולה של הלייזר מוליכים למחצה המבוססים על שימוש צומת PN-דיודה, המייצר אור באורך גל מסוים על ידי רקומבינציה של המוביל על הטיה חיובית, כמו נוריות. LED פולט באופן ספונטני דיודות לייזר - כפייתי. כדי למלא את היפוך האוכלוסייה התנאי, ההפעלה הנוכחית יעלה על סף. המדיום הפעיל דיודה מוליך למחצה נשקף נוף של אזור החיבור של שכבות דו-ממדיות.

עקרון הפעולה של סוג זה של לייזר היא לשמור על תנודות לא מראה חיצוני נדרש. היכולת הרעיונית, נוצר בשל מקדם שבירת השכבות וההתבוננות הפנימית של המדיום הפעיל, הוא מספיק למטרה זו. המשטחים סוף לבקע דיודות המספק משטחים משקפים מקבילים.

המתחם שנוצר על ידי החומר המוליך למחצה מאותו הסוג נקרא homojunction, כפי שנקבע על ידי חיבור שני שונה - heterojunction.

סמיקונדקטורס של p ו- n סוג עם צפיפות גבוהה של נשאים יוצרים צומת p-n-בשכבה מדולדל מאוד רזה (≈1 מ"מ).

לייזר גז

עיקרון פעולה ואת השימוש בסוג זה של ליזר מאפשר ליצור התקנים של כמעט כל קיבולת (מ milliwatts כדי מגוואט) באורכי גל (מ אולטרה סגול כדי אינפרא אדומות) והוא יכול לפעול מצבים הפעם ורציפים. בהתבסס על אופי התקשורת הפעילה, ישנם שלושה סוגים של לייזרי גז, כלומר אטומיים, יוניים ומולקולריים.

רוב לייזרי הגז שאובים על ידי פריקה חשמלית. האלקטרונים בצינור הפריק מואצים על ידי השדה החשמלי בין האלקטרודות. הם מתנגשים עם אטומים, יונים או מולקולות של מדיום פעיל לגרום מעבר לרמות אנרגיה גבוהות יותר כדי להגיע למצב של היפוך אוכלוסיית פליטה מאולצת.

ליזר מולקולרי

עיקרון הפעולה של ליזר מבוסס על העובדה, שבניגוד האטומים המבודדים יוני לייזרים אטומיים יון מולקולות להחזיק להקות אנרגיה רחבות של רמות אנרגיה בדידות. בנוסף, כל רמת אנרגית אלקטרון יש מספר גדול של רמות רטט, ואלה בתורם - כמה סיבוב.

האנרגיה בין רמות אנרגית האלקטרון היא באזורי UV ו הנראה של הספקטרום, ואילו בין רמות רטט-סיבוב - באזורים הרחוקים וקרוב אינפרא האדומים. לפיכך, רוב הלייזרים המולקולריים עובדים אזורים מרוחקים או האינפרה-אדום קרוב.

לייזרים excimer

Excimers הוא מולקולה כגון ארף, KRF, XeCl, אשר מחולקות מדינת קרקע יציבה ברמה הראשונה. עקרון הפעולה של הלייזר הבא. בדרך כלל, המספר במדינת הקרקע של המולקולות הוא קטן, ולכן השאיבה הישירה ממדינת הקרקע אינה אפשרית. המולקולות נוצרו במדינה האלקטרונית הנרגשת הראשונה על ידי תרכובת שיש הלידים אנרגיה גבוהים עם גזים אצילים. היפוך האוכלוסייה מושג בקלות הכיוון שמספר מולקולות ברמה בסיסית הוא נמוך מדי, לעומת נרגש. עיקרון הפעולה של ליזר, בקיצור, הוא מעבר ממצב אלקטרוני נרגש מאוגד דיסוציאטיביות מדינת קרקע. אוכלוסיית מדינת הקרקע היא תמיד ברמה נמוכה, כי בשלב זה המולקולה שהתפרקה אטומים.

עיקרון המנגנון ולייזרים מורכב כי הצינור הפריק מלא בתערובת של הליד (F ₂₎ וגז נדיר (Ar). האלקטרונים זה לנתק ו ליינן מולקולות הליד וליצור יונים שליליים. יונים חיוביים Ar ⁺ והשלילי F ^- להגיב וליצור מולקולות ארף במדינה מתרגשת הראשונה הקשורה למעבר לאחר הדיפת מדינת בסיס ההדור של קרינה קוהרנטית. לייזר Excimer, עקרון הפעולה ואת השימוש בהם שאנו שוקלים כעת, יוכל לשמש עבור שאיבת המדיום פעיל של צבע.

לייזר נוזלי

בהשוואה מוצקה, נוזלים הם יותר הומוגני יש צפיפות גבוהה יותר של אטומים פעילים, בהשוואת גזים. בנוסף לכך, הם לא קשים לייצר, לאפשר פיזור חום קל והוא יכול בקלות להיות מוחלף. עקרון הפעולה של הלייזר משמש כמדיום רווח של צבע אורגני, כגון DCM (4-dicyanomethylene-2-מתיל-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, וכדומה. D ., המומסים בממס מתאים. פתרון של מולקולות צבע הוא נרגש על ידי קרינה באורך גל אשר יש מקדם ספיגה טובה. עקרון הפעולה של הלייזר, בקיצור, היא ליצור בכל אורך גל ארוך יותר, הנקרא פלואורסצנטי. ההבדל בין האנרגיה נספגת ו פוטונים הנפלטים בשימוש מעברי אנרגית nonradiative ומחממים את המערכת.

רחבת קרינת להקת לייזרים נוזליים יש תכונה ייחודית - כוונון אורך גל. עקרון הפעולה ואת השימוש בסוג זה כמו לייזר מתכונן ואת מקור אור קוהרנטי, הופך חשוב יותר ויותר ספקטרוסקופיה, הולוגרפיה, וכן ביישומים ביו.

לאחרונה, לייזרים שימשו לצבוע להפרדת איזוטופים. במקרה זה, לייזר סלקטיבי להלהיב אחד מהם, מה שגרם להתחיל תגובה כימית.