Mae'r egwyddor o weithredu laser: Nodweddion o ymbelydredd laser

Egwyddor gyntaf o weithredu y laser, sy'n seiliedig ar ffiseg gyfraith ymbelydredd Planck, mewn theori, Einstein yn 1917 ei gyfiawnhau. Disgrifiodd y amsugno, digymell a symbylu ymbelydredd electromagnetig gan ddefnyddio cyfernodau tebygolrwydd (cyfernodau Einstein).

arloeswyr

Teodor Meyman oedd y cyntaf i ddangos yr egwyddor o weithredu o laser rhuddem, yn seiliedig ar y pwmpio optegol gan ddefnyddio rhuddem synthetig lamp fflach, yn cynhyrchu yr ymbelydredd gydlynol gyda thonfedd o 694 nm.

Ym 1960, creodd gwyddonwyr Iran Javan a Bennett y laserau nwy cyntaf gan ddefnyddio cymysgedd o nwyon Ef a Ne mewn cymhareb o 1:10.

Ym 1962, R. Hall N. gwneud cyntaf laser deuod gwneud o arsenide gallium (GaAs), allyrru ar donfedd o 850 nm. Yn ddiweddarach y flwyddyn honno, a ddatblygwyd Nick Golonyak y generadur cwantwm lled-ddargludyddion cyntaf o olau gweladwy.

Mae'r ddyfais a'r egwyddor o laserau

Mae pob system laser yn cynnwys cyfrwng gweithredol gosod optegol rhwng pâr o ddrychau gyfochrog a myfyrio hynod, ac un ohonynt yw dryloyw, ac yn ffynhonnell pŵer ar gyfer bwmpio. Gan y gall y cynnydd canolig yn gweithredu fel solid, hylif neu nwy, a oedd yn meddu ar y gallu i ymhelaethu ar y osgled y don golau pasio drwyddo fewnol gyda ymbelydredd pwmpio trydanol neu optegol. Mae'r sylwedd yn cael ei gosod rhwng pâr o ddrychau fel bod y golau a adlewyrchir arnynt bob tro yn mynd trwy ac, ar ôl cyrraedd cynnydd sylweddol, yn treiddio yr hanner drych.

amgylchedd dwplecs

Ystyriwch yr egwyddor o weithredu laser gyda chyfrwng gweithredol y mae eu atomau yn cael dim ond dau lefelau egni: E gyffrous E ₂ a sylfaen _1. Os bydd y atomau drwy unrhyw fecanwaith pwmpio (optegol, ar hyn o bryd rhyddhau trydan neu Trawsyriant electron bomio) yn gyffrous i gyflwr E _2, mewn ychydig o nanoseconds maent yn dychwelyd at y sefyllfa sylfaenol, pelydru ffotonau ynni hν = E ₂ - E _1. Yn ôl y ddamcaniaeth Einstein, mae'r allyriadau yn cael ei gynhyrchu mewn dwy ffordd wahanol: naill ai y caiff ei achosi gan ffoton, neu ei fod yn digwydd yn ddigymell. Yn yr achos cyntaf, allyriadau ysgogi digwydd a'r ail - digymell. Ar cydbwysedd thermol, y tebygolrwydd o allyriadau ysgogi yn llawer is na'r digymell (1:10 ^33), fel bod y rhan fwyaf ffynonellau golau annealladwy confensiynol, ac lasing yn bosibl yn yr amodau heblaw cydbwysedd thermol.

Gall hyd yn oed gyda systemau phoblogaeth-lefel pwmpio gryf iawn ond gwneud gyfartal. Felly, er mwyn cyflawni'r gwrthdroad poblogaeth neu ddull bwmpio optegol arall yn gofyn am system tri neu bedwar-lefel.

system aml-lefel

Beth yw egwyddor y laser tri-lefel? Arbelydru golau dwys o amlder ν ₀₂ pympiau i fyny nifer fawr o atomau o'r lefel egni isaf E ac E _{0 2} o'r uchaf. pontio Radiationless â'r atomau E ₂ i E ₁ yn sefydlu gwrthdroad poblogaeth rhwng E ₁ a E _0, sydd yn ymarferol ond yn bosibl pan fydd yr atomau yn amser hir mewn metastable cyflwr E _1, a'r pontio o E ₁ i E ₂ yn digwydd yn gyflym. Mae'r egwyddor gweithredol o laser tri-lefel yn yr amodau hyn, fel bod rhwng E ac E _{0 1,} mae'r gwrthdroad poblogaeth yn cael ei gyflawni a chaiff ei chwyddo egni ffoton E ₁ -E ₀ allyriadau symbylu. Gallai lefel Ehangach E ₂ cynyddu'r ystod tonfedd amsugno i bwmpio yn fwy effeithlon, gan arwain at dwf allyriadau ysgogi.

Tair lefel system yn gofyn am bŵer pwmpio uchel iawn ers yr lefel is, yn cymryd rhan yn y genhedlaeth, mae'n sylfaen. Yn yr achos hwn, er mwyn gwrthdroad poblogaeth yn digwydd i'r wladwriaeth E ₁ i gael ei bwmpio mwy na hanner cyfanswm nifer yr atomau. Yn yr achos hwn, yr egni yn cael ei wastraffu. Gall y pŵer pwmp yn cael ei ostwng yn sylweddol os nad yw lefel lasing isaf yn y sylfaen, sy'n ei gwneud yn ofynnol o leiaf system pedair lefel.

Gan ddibynnu ar natur y sylwedd gweithredol, laserau yn cael eu dosbarthu i dri chategori sylfaenol, sef solid, hylif a nwy. Ers 1958, pan sylwyd y genhedlaeth gyntaf mewn crisial rhuddem, gwyddonwyr ac ymchwilwyr wedi astudio ystod eang o ddeunyddiau ym mhob categori.

laser solet-wladwriaeth

Mae'r llawdriniaeth yn seiliedig ar y defnydd o gyfrwng gweithgar sy'n cael ei ffurfio drwy ychwanegu metel grisial dellt pontio inswleiddio (Ti ^{+ 3,} Cr ^{+ 3,} V ^2, Cyd ^+2, Ni ^+2, Fe ^+2, ac yn y blaen. D.) , ïonau daear prin (Ce ^{+ 3,} Pr ^+3, Nd ^+3, Pm ^+3, SM ^2, Ue ^{+ 2, 3 +,} TB ^+3, Dy ^{+ 3,} Ho ^{+ 3,} Er ^+3, YB ⁺³ , et al.), a'r actinides fel U ^+3. Mae lefelau egni o ïonau sy'n gyfrifol yn unig ar gyfer y genhedlaeth. priodweddau ffisegol y deunydd sylfaen, megis dargludedd thermol a ehangu thermol yn bwysig i weithrediad effeithlon yr laser. Lleoliad dellt o atomau o amgylch ïon doped newid ei lefelau egni. Mae gwahanol darnau o gynhyrchu tonnau yn y tymor canolig gweithredol yn cael eu cyflawni trwy cyffuriau deunyddiau amrywiol yn yr un ion.

laser holmiwm

Enghraifft o laser solet-wladwriaeth yn generadur cwantwm, yn yr hon atom holmiwm disodli'r deunydd gwaelod y ddellten grisial. Ho: YAG yw un o'r deunyddiau lasing gorau. Mae'r egwyddor gweithredol y laser holmiwm yw y garnet alwminiwm Ytriwm doped gyda ïonau holmiwm, pwmpio optegol gan lamp fflach ac yn gollwng ar donfedd o 2097 nm yn yr ystod is-goch yn cael ei amsugno yn dda gan y meinweoedd. Defnyddiwch laser hwn ar gyfer gweithrediadau ar y cymalau, triniaeth ddeintyddol, i vaporize celloedd canser, yr arennau a cherrig y bustl.

Mae generadur cwantwm lled-ddargludyddion

laserau yn dda cwantwm yn rhad, yn caniatáu cynhyrchu màs ac yn hawdd scalable. Yr egwyddor sy'n gweithredu o laser lled-ddargludydd yn seiliedig ar y defnydd o gyffordd PN-deuod, sy'n cynhyrchu golau â thonfedd benodol gan y ailgyfuno y cludwr yn duedd gadarnhaol, fel LEDs. LED allyrru ddigymell a deuodau laser - compulsively. Er mwyn cyflawni'r gwrthdroad poblogaeth cyflwr, dylai'r gyfredol gweithredu yn fwy na'r trothwy. Mae gan y cyfrwng weithgar mewn deuod lled-ddargludydd golwg yr ardal cysylltiad haenau dau ddimensiwn.

Mae'r egwyddor o weithredu o'r math hwn o laser yw bod er mwyn cynnal osgiliadau oes angen drych allanol. Mae'r gallu myfyriol, a grëwyd o ganlyniad i'r mynegai plygiant haenau a myfyrio mewnol y cyfrwng gweithredol, yn ddigonol ar gyfer y diben hwn. Mae'r arwynebau pen glynu deuodau sy'n darparu arwynebau sy'n adlewyrchu gyfochrog.

Gelwir y cyfansoddyn a ffurfiwyd gan y deunydd lled-ddargludyddion o'r un math yw homojunction, fel y sefydlwyd gan gysylltu dau wahanol - heterojunction.

Lled-ddargludyddion o p a n fath gyda dwysedd uchel o gludwyr yn ffurfio p-n-gyffordd gyda (≈1 mm) haen denau iawn disbyddu.

laser nwy

Mae'r egwyddor o weithredu a defnydd o'r math hwn o laser yn ei gwneud yn bosibl i greu dyfeisiau o bron unrhyw gapasiti (o milliwatts i megawat) a donfeddi (o uwchfioled i is-goch) a gellir gweithredu mewn dulliau pulsed a pharhaus. Yn seiliedig ar natur y cyfryngau gweithredol, mae tri math o laserau nwy, sef atomig, ļonig a moleciwlaidd.

laserau nwy Mae'r rhan fwyaf bwmpio drwy rhyddhau trydan. Mae'r electronau yn y tiwb rhyddhau yn cael eu cyflymu gan y maes trydanol rhwng yr electrodau. Maent yn gwrthdaro â'r atomau, moleciwlau ïonau neu o gyfrwng gweithgar a chymell newid i lefelau egni uwch i gyflawni cyflwr o gwrthdroad poblogaeth a allyriad ysgogi.

laser moleciwlaidd

Mae'r egwyddor o weithredu laser yn seiliedig ar y ffaith bod, yn wahanol i'r atomau a'r ïonau ynysig mewn laserau atomig a ïon moleciwlau meddu bandiau egni eang o lefelau egni arwahanol. Yn ogystal, mae gan bob lefel egni electronau nifer fawr o lefelau dirgrynol, a'r rhai yn eu tro - ychydig o cylchdro.

Mae'r ynni a rhwng y lefelau egni electron yn y UV ac yn weladwy ranbarthau'r sbectrwm, tra rhwng y lefelau dirgrynol-cylchdro - yn y rhanbarthau is-goch bell ac agos. Felly, mae'r rhan fwyaf o'r laserau moleciwlaidd gweithio mewn rhanbarthau pell neu'n agos-is-goch.

laserau excimer

Excimers yn gyfryw moleciwl fel ARF, KrF, XeCl, sy'n cael eu rhannu cyflwr isaf sefydlog ac y lefel gyntaf. Mae'r egwyddor o weithrediad y laser nesaf. Yn nodweddiadol, mae'r rhif yn y cyflwr isaf y moleciwlau yn fach, felly nid yw'r pwmpio uniongyrchol o'r cyflwr isaf yn bosibl. Mae'r moleciwlau a ffurfiwyd yn y cyflwr electronig gyffrous gyntaf gan cyfansoddyn gael halidau ynni uchel gyda nwyon anadweithiol. Mae'r gwrthdroad poblogaeth yn cael ei gyflawni yn hawdd gan fod y nifer o foleciwlau ar lefel sylfaenol yn rhy isel, o'i gymharu â'r gyffrous. Mae'r egwyddor o weithredu laser, yn fyr, yw pontio o gyflwr electronig gyffrous rhwym i dissociative cyflwr isaf. Mae poblogaeth y cyflwr isaf bob amser ar lefel isel, gan fod yn y fan hon y moleciwl datgysylltu i mewn i atomau.

Yr egwyddor cyfarpar a laserau cynnwys gan fod y tiwb rhyddhau ei lenwi gyda chymysgedd o halid (F ₂₎ a nwy prin (Ar). Mae'r electronau ynddo datgysylltu ac ionize y moleciwlau halide a chreu ïonau negatif. ïonau positif Ar ⁺ a F negyddol ^- ymateb a chynhyrchu moleciwlau ARF yn y cyflwr cynhyrfol cyntaf yn gysylltiedig â'r trawsnewid dilynol i'r repelling sylfaen wladwriaeth a chynhyrchu ymbelydredd cydlynol. laser Excimer, yr egwyddor o weithredu a defnyddio yr ydym yn awr yn ystyried, gellid ei ddefnyddio ar gyfer y pwmpio y cyfrwng gweithredol y llifyn.

laser hylif

O'i gymharu â solidau, hylifau yn fwy unffurf ac mae ganddynt ddwysedd uwch o atomau gweithredol, o'i gymharu â nwyon. Yn ogystal â hyn, nid ydynt yn anodd cynhyrchu, yn caniatáu dissipation gwres yn hawdd a gellir eu disodli yn hawdd. Mae'r egwyddor o weithredu y laser yn cael ei ddefnyddio fel ennill cyfrwng llifyn organig, megis DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-Pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, ac yn y blaen. D ., toddi mewn toddyddion priodol. Mae datrysiad o moleciwlau llifyn yn gyffrous gan ymbelydredd y mae eu tonfedd mae cyfernod amsugno da. Mae'r egwyddor o weithredu laser, yn fyr, yw cynhyrchu ar donfedd hirach, a elwir yn fflworoleuedd. Y gwahaniaeth rhwng yr egni ei amsugno ffotonau a allyrrir defnyddio trawsnewidiadau ynni nonradiative ac yn cynhesu'r system.

band Ehangach fflworoleuedd laserau hylif wedi nodwedd unigryw - donfedd tiwnio. Mae'r egwyddor o weithredu a defnyddio'r math hwn fel laser tunable a ffynhonnell golau gydlynol, yn dod yn fwyfwy pwysig mewn sbectrosgopeg, holograffeg, ac mewn ceisiadau biofeddygol.

Yn ddiweddar, laserau wedi cael eu defnyddio i liwio ar gyfer gwahanu isotop. Yn yr achos hwn, mae'r laser ddethol cyffroi un ohonynt, gan annog cychwyn adwaith cemegol.