A lézer első elvét, amelynek fizikája a Planck-féle sugárzási törvényen alapult, Einstein elméletileg alátámasztotta 1917-ben. Az abszorpciót, a spontán és stimulált elektromágneses sugárzást valószínűségi együtthatók (Einstein-együtthatók) segítségével írta le.
Úttörők
Theodor Meiman volt az első, aki bemutatta a szintetikus rubin vakulámpával történő optikai pumpálásán alapuló rubinlézer működési elvét, amely 694 nm hullámhosszú impulzusos koherens sugárzást produkált.
1960-ban Javan és Bennett iráni tudósok megalkották az első gázkvantumgenerátort He és Ne gázok 1:10 arányú keverékével.
1962-ben RN Hall bemutatta az első gallium-arzenid (GaAs) dióda lézert, amely 850 nm hullámhosszon bocsátott ki. Még abban az évben Nick Golonyak kifejlesztette az első félvezető látható fény kvantumgenerátort.
Lézerek kialakítása és működési elve
Minden lézerrendszer egy elhelyezett aktív közegből állegy pár optikailag párhuzamos és erősen tükröződő tükör között, amelyek közül az egyik áttetsző, és egy energiaforrás a pumpálásához. Az erősítő közeg lehet szilárd, folyékony vagy gáz, amelynek az a tulajdonsága, hogy elektromos vagy optikai pumpálással stimulált emisszióval felerősíti a rajta áthaladó fényhullám amplitúdóját. Egy anyagot úgy helyeznek el egy pár tükör közé, hogy a bennük visszaverődő fény minden alkalommal áthaladjon rajta, és miután jelentős erősödést ért el, áthatol egy áttetsző tükörön.
Kétszintű környezetek
Vegyük egy lézer működési elvét aktív közeggel, amelynek atomjainak csak két energiaszintje van: gerjesztett E2 és alap E1 . Ha az atomokat bármilyen pumpáló mechanizmussal (optikai, elektromos kisüléssel, áramátvitellel vagy elektronbombázással) E2 állapotba gerjesztjük, akkor néhány nanomásodperc múlva fotonokat bocsátanak ki alaphelyzetükbe. energia hν=E 2 - E1. Einstein elmélete szerint az emisszió kétféleképpen jön létre: vagy foton indukálja, vagy spontán módon történik. Az első esetben stimulált emisszió, a második esetben spontán emisszió történik. Termikus egyensúly esetén a stimulált emisszió valószínűsége sokkal kisebb, mint a spontán emisszió (1:1033), így a legtöbb hagyományos fényforrás inkoherens, és a lézergenerálás a termikustól eltérő körülmények között is lehetséges. egyensúly.
Még nagyon erősen isszivattyúzás, a kétszintű rendszerek populációja csak egyenlővé tehető. Ezért három- vagy négyszintű rendszerekre van szükség a populáció inverziójának eléréséhez optikai vagy más szivattyúzási módszerekkel.
Többszintű rendszerek
Mi a háromszintű lézer elve? A ν02 frekvenciájú intenzív fénnyel történő besugárzás nagyszámú atomot pumpál a legalacsonyabb E0 energiaszintről a legmagasabb E energiaszintre. 2. Az atomok nem sugárzó átmenete E2-ról E1-ra populációinverziót hoz létre E1 és E között. 0 , ami a gyakorlatban csak akkor lehetséges, ha az atomok hosszú ideig metastabil állapotban vannak E1, és átmenet az E2to E 1 gyorsan halad. A háromszintű lézer működési elve ezeknek a feltételeknek a teljesítése, aminek köszönhetően E0 és E1 között populációinverzió és fotonok jönnek létre. felerősítik az energia E 1-E0 indukált emisszió. Az E2 szélesebb szintje növelheti a hullámhossz-abszorpciós tartományt a hatékonyabb szivattyúzás érdekében, ami a stimulált emisszió növekedését eredményezheti.
A háromszintű rendszer nagyon nagy szivattyúteljesítményt igényel, mivel a termelésben részt vevő alsó szint az alap. Ebben az esetben a populációinverzió megtörténtéhez az összes atomszám több mint felét az E1 állapotba kell pumpálni. Ezáltal energia pazarol. A szivattyúzási teljesítmény jelentős lehetcsökkentse, ha az alsó generációs szint nem az alapszint, amihez legalább négyszintű rendszerre van szükség.
A hatóanyag jellegétől függően a lézereket három fő kategóriába sorolják: szilárd, folyékony és gáz. 1958 óta, amikor a lézerezést először rubinkristályban figyelték meg, a tudósok és kutatók az egyes kategóriákban sokféle anyagot tanulmányoztak.
Szilárdtest lézer
A működési elve aktív közeg használatán alapul, amelyet úgy alakítanak ki, hogy egy átmeneti csoport fémet adnak a szigetelő kristályrácshoz (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 stb.), ritkaföldfém-ionok (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 stb.), és aktinidák, például U+3. Az ionok energiaszintje csak a keletkezésért felelős. A hatékony lézerműködéshez elengedhetetlenek az alapanyag fizikai tulajdonságai, mint a hővezető képesség és a hőtágulás. Az adalékolt ion körüli rácsatomok elrendezése megváltoztatja annak energiaszintjét. Különböző hullámhosszú generálás érhető el az aktív közegben, ha különböző anyagokat adalékolnak ugyanazzal az ionnal.
Holmium lézer
A szilárdtestlézerre példa a kvantumgenerátor, amelyben a holmium helyettesíti a kristályrács alapanyagának egy atomját. A Ho:YAG az egyik legjobb generációs anyag. A holmium lézer működési elve, hogy az ittrium-alumínium gránátot holmiumionokkal adalékolják, villanólámpával optikailag pumpálják, és 2097 nm hullámhosszon bocsátanak ki az IR tartományban, amit a szövetek jól elnyelnek. Ezt a lézert ízületi műtétekhez, fogak kezeléséhez, rákos sejtek, vese- és epekő elpárologtatására használják.
Félvezető kvantumgenerátor
A kvantumkút lézerek olcsók, tömegesen gyárthatók és könnyen méretezhetők. A félvezető lézer működési elve p-n átmenet dióda alkalmazásán alapul, amely a LED-ekhez hasonlóan vivőrekombinációval, pozitív előfeszítéssel állít elő bizonyos hullámhosszú fényt. A LED spontán bocsát ki, a lézerdiódák pedig kényszerítettek. A populációinverziós feltétel teljesítéséhez az üzemi áramnak meg kell haladnia a küszöbértéket. A félvezető diódában lévő aktív közeg két kétdimenziós réteg összekötő tartománya.
Az ilyen típusú lézerek működési elve olyan, hogy nincs szükség külső tükörre a rezgések fenntartásához. A rétegek törésmutatója és az aktív közeg belső visszaverődése által létrehozott reflexiós képesség erre elegendő. A diódák végfelületei csiszoltak, ami biztosítja a fényvisszaverő felületek párhuzamosságát.
Az azonos típusú félvezető anyagokból kialakított kapcsolatot homojunkciónak, a két különböző összekapcsolásával létrejött kapcsolatot pedig ún.heterojunkció.
A nagy hordozósűrűségű P- és n-típusú félvezetők p-n átmenetet képeznek nagyon vékony (≈1 m) kimerítő réteggel.
Gázlézer
Az ilyen típusú lézerek működési elve és használata lehetővé teszi szinte bármilyen teljesítményű (milliwatttól megawattig) és hullámhosszú (UV-tól IR-ig) eszköz létrehozását, és lehetővé teszi az impulzusos és folyamatos üzemmódban történő munkát.. Az aktív közeg természetétől függően háromféle gázkvantumgenerátor létezik, nevezetesen atomi, ionos és molekuláris.
A legtöbb gázlézert elektromos kisüléssel szivattyúzzák. A kisülési csőben lévő elektronokat az elektródák közötti elektromos tér felgyorsítja. Összeütköznek az aktív közeg atomjaival, ionjaival vagy molekuláival, és magasabb energiaszintekre való átmenetet indukálnak, hogy elérjék az inverziós és stimulált emissziós populációs állapotot.
Molekuláris lézer
A lézer működési elve azon a tényen alapul, hogy az izolált atomoktól és ionoktól eltérően az atom- és ionkvantumgenerátorokban lévő molekulák széles, egymástól elkülönült energiaszintű energiasávokkal rendelkeznek. Ezenkívül minden egyes elektronikus energiaszintnek nagyszámú rezgésszintje van, és ezeknek viszont több forgási szintje van.
Az elektronikus energiaszintek közötti energia a spektrum UV és látható tartományában, míg a vibrációs-forgási szintek között - a távoli és közeli infravörösbenterületeken. Így a legtöbb molekuláris kvantumgenerátor a távoli vagy közeli infravörös tartományban működik.
Excimer lézerek
Az excimerek olyan molekulák, mint az ArF, KrF, XeCl, amelyek elkülönült alapállapottal rendelkeznek, és az első szinten stabilak. A lézer működési elve a következő. Az alapállapotban lévő molekulák száma általában kicsi, így az alapállapotból történő közvetlen pumpálás nem lehetséges. A molekulák az első gerjesztett elektronállapotban nagy energiájú halogenidek inert gázokkal való kombinálásával jönnek létre. Az inverzió populációja könnyen elérhető, mivel az alapszinten túl kicsi a molekulák száma a gerjesztetthez képest. A lézer működési elve röviden a kötött gerjesztett elektronállapotból a disszociatív alapállapotba való átmenet. Az alapállapotú populáció mindig alacsony szinten marad, mert a molekulák ezen a ponton atomokká disszociálnak.
A lézerek szerkezete és működési elve az, hogy a kisülési csövet halogenid (F2) és ritkaföldfém gáz (Ar) keverékével töltik meg. A benne lévő elektronok disszociálnak és ionizálnak halogenid molekulákat, és negatív töltésű ionokat hoznak létre. Az Ar+ pozitív ionok és a negatív F- reagálnak, és ArF molekulákat termelnek az első gerjesztett kötött állapotban, majd átlépnek a taszító alapállapotba, és koherens sugárzás. Az excimer lézer, amelynek működési elvét és alkalmazását most mérlegeljük, szivattyúzhatóaktív közeg festékeken.
Folyékony lézer
A szilárd anyagokhoz képest a folyadékok homogénebbek, és nagyobb az aktív atomok sűrűsége, mint a gázoké. Ezen túlmenően, könnyen gyárthatók, könnyű hőelvezetést tesznek lehetővé és könnyen cserélhetők. A lézer működési elve, hogy aktív közegként szerves színezékeket használnak, mint például DCM (4-dicianometilén-2-metil-6-p-dimetilaminosztiril-4H-pirán), rodamin, sztiril, LDS, kumarin, sztilbén stb. … megfelelő oldószerben feloldva. A festékmolekulák oldatát olyan sugárzás gerjeszti, amelynek hullámhossza jó abszorpciós együtthatóval rendelkezik. A lézer működési elve röviden az, hogy hosszabb hullámhosszon, úgynevezett fluoreszcencián generál. Az elnyelt energia és a kibocsátott fotonok közötti különbséget nem sugárzó energiaátmenetek használják fel, és felmelegítik a rendszert.
A folyékony kvantumgenerátorok szélesebb fluoreszcenciasávja egyedülálló tulajdonsággal rendelkezik – a hullámhossz hangolása. Az ilyen típusú lézerek működési elve és hangolható és koherens fényforrásként történő alkalmazása egyre fontosabbá válik a spektroszkópiában, a holográfiában és az orvosbiológiai alkalmazásokban.
A közelmúltban festékkvantumgenerátorokat használnak az izotópok szétválasztására. Ebben az esetben a lézer szelektíven gerjeszti az egyiket, és arra készteti őket, hogy kémiai reakcióba lépjenek.
