Il-prinċipju ta 'azzjoni bil-laser: karatteristiċi ta' radjazzjoni laser

L-ewwel prinċipju ta 'azzjoni tal-laser, li hija bbażata fuq il-fiżika tal-liġi radjazzjoni Planck, fit-teorija, Einstein fl-1917 kienet ġustifikata. Huwa ddeskriva l-assorbiment, spontanja u stimulata radjazzjoni elettromanjetika jużaw koeffiċjenti probabilità (Koeffiċjenti Einstein).

trailblazers

Teodor Meyman kienet l-ewwel biex juru l-prinċipju ta 'azzjoni ta' laser ruby, ibbażat fuq il-ippumpjar ottika bl-użu ruby sintetiċi lampa flash, jiġġenera l-radjazzjoni koerenti ma 'wavelength ta' 694 nm.

Fl-1960, xjentisti Iranjani Javan u Bennett ħolqu l-lasers gass ewwel jużaw taħlitiet ta 'gassijiet He u ne fi proporzjon ta' 1:10.

Fl-1962, R. N. Hall jagħmel l-ewwel laser diode magħmula minn gallju (GaAs), jarmu f'wavelength ta '850 nm. Aktar tard l-istess sena, Nick Golonyak żviluppat l-ewwel ġeneratur kwantum semikondutturi ta 'dawl viżibbli.

Il-mezz u l-prinċipju tal-lasers

Kull sistema tal-laser tinkludi mezz attiv ottikament jitqiegħed bejn par ta 'mirja paralleli u li jirriflettu ħafna, li waħda minnhom hija trasluċidi, u sors ta' enerġija għall-ippumpjar dan. Bħala l-mezz qligħ jista 'jaġixxi bħala solidu, likwidu jew gass, li għandhom il-ħila li jiġu amplifikati l-amplitudni tal-mewġa dawl li jgħaddi minn ġo fih internament bir-radjazzjoni ippumpjar elettriku jew ottiku. Is-sustanza titqiegħed bejn par ta 'mirja hekk li d-dawl rifless fil minnhom kull darba tgħaddi dan u, wara li jkunu laħqu żieda sinifikanti, jippenetra l-nofs mera.

ambjent duplex

Ikkunsidra l-prinċipju ta 'azzjoni bil-laser ma' mezz attiv li atomi jkollhom biss żewġ livelli ta 'enerġija: E eċċitati E ₂ u bażi _1. Jekk l-atomi permezz kwalunkwe mekkaniżmu ippumpjar (ottiċi, tnixxija kurrent elettriku jew trażmissjoni elettron bumbardament) eċċitati għal stat E _2, fi nanoseconds ftit huma jirritornaw lura għall-pożizzjoni bażika, radiating photons enerġija hν = M ₂ - _E-1. Skond it-teorija Einstein, l-emissjoni huwa prodott f'żewġ modi differenti: jew hija indotta minn fotoni, jew dan iseħħ spontanjament. Fl-ewwel każ, l-emissjoni stimulata iseħħ u t-tieni - spontanju. Fil ekwilibriju termali, il-probabbiltà ta 'emissjoni stimulata huwa ħafna inqas mill-spontanju (1:10 ^33), b'tali mod li l-aktar konvenzjonali sorsi tad-dawl inkoerenti, u lasing huwa possibbli fil-kondizzjonijiet minbarra ekwilibriju termali.

Anke ma 'sistemi qawwija ħafna ippumpjar popolazzjoni ta' livell jista 'jkun magħmul ugwali biss. Għalhekk, biex jintlaħaq l-inverżjoni tal-popolazzjoni jew metodu ieħor ottika ippumpjar teħtieġ sistema tliet jew erba 'livelli.

sistema fuq diversi livelli

X'inhu l-prinċipju tal-laser fuq tliet livelli? L-irradjazzjoni ta 'dawl qawwi ta' frekwenza ν ₀₂ pompi up numru kbir ta 'atomi mill-aktar livell baxx ta' enerġija E ₀ u E ₂ tal-wiċċ. tranżizzjoni Radiationless mal-atomi E ₂ sa E ₁ jistabbilixxi inverżjoni popolazzjoni bejn E ₁ u E _0, li fil-prattika huwa possibbli biss meta l-atomi huma żmien twil fi stat metastable E _1, u t-transizzjoni mill E ₁ sa E ₂ iseħħ malajr. Il prinċipju ta 'tħaddim ta' laser fuq tliet livelli Huwa f'dawn il-kundizzjonijiet, b'tali mod li bejn M ₀ u E _1, il-inverżjoni popolazzjoni jinkiseb u huwa amplifikat ₁ -M ₀ emissjoni stimulata enerġija foton E. livell usa M ₂ jista 'jżid ir medda ta' wavelength ta 'assorbiment biex tippompja aktar effiċjenti, li jirriżulta fit-tkabbir tal-emissjoni stimulata.

Tliet livell tas-sistema teħtieġ qawwa ippumpjar għolja ħafna peress li l-livell aktar baxx, huma involuti fil-ġenerazzjoni, huwa bażi. F'dan il-każ, sabiex inverżjoni popolazzjoni jkunu saru fl-istat E ₁ jiġi ppumpjat aktar minn nofs in-numru totali ta 'atomi. F'dan il-każ, l-enerġija tiġi moħlija. Il-qawwa pompa tista 'titnaqqas bil-kbir jekk il-livell lasing aktar baxx ma jkunx il-bażi, li teħtieġ mill-inqas sistema erba' livelli.

Skond in-natura tas-sustanza attiva, il-lasers huma kklassifikati fi tliet kategoriji bażiċi, jiġifieri solidi, likwidi u gass. Mill-1958, meta l-ewwel ġenerazzjoni kienet osservata fi kristall ruby, xjenzati u riċerkaturi studjaw firxa wiesgħa ta 'materjali f'kull kategorija.

lejżer fi stat solidu

L-operazzjoni hija bbażata fuq l-użu ta 'mezz attiv li hija ffurmata billi żżid iżolanti metall kristall tranżizzjoni kannizzata (Ti ^3, Cr ^3, V ^2, Ko ^2, Ni ^2, Fe ^2, u l-bqija. D.) , jonji art rari (KE ^3, Pr ^3, Nd ^3, Pm ^3, Sm ^2, uE ^{+ 2, + 3,} it-TB ^3, dy ^3, Ho ^3, Er ^3, YB ³ , et al.), u l-aktinidi bħal u ^3. Il-livelli ta 'enerġija tal -joni responsabbli biss għall-ġenerazzjoni. proprjetajiet fiżiċi tal-materjal tal-bażi, bħal konduttività termali u l-espansjoni termali huma importanti għall-operat effiċjenti tas-laser. kannizzata post ta 'atomi madwar jone ddożati bidliet livelli ta' enerġija tiegħu. tulijiet differenti ta 'ġenerazzjoni mewġa fil-medium attiv huma miksuba minn doping materjali varji fl-istess jone.

laser Holmium

Eżempju ta 'laser stat solidu hija ġeneratur quantum, fejn atomu Holmium jissostitwixxi l-materjal tal-bażi tal-kannizzata kristall. Ho: YAG huwa wieħed mill-materjali lasing aħjar. Il-prinċipju ta 'tħaddim ta' l-laser Holmium hija li granata aluminju ittriju ddożati bl-ijoni Holmium, ottikament ippumpjat minn fanal flash u temetti f'wavelength ta '2097 nm fil-firxa infra-aħmar huwa assorbit sew mill-tessuti. Uża din laser għal operazzjonijiet fuq il-ġogi, kura dentali, għall-vaporizzazzjoni ċelluli tal-kanċer, kliewi u ġebel fil-marrara.

A ġeneratur quantum semikondutturi

ukoll lasers Quantum huma rħas, jippermettu produzzjoni tal-massa u jkunu faċilment jistgħu jegħlbuhom magħhom. Il-prinċipju operattiv ta ' l-laser semikondutturi bbażata fuq l-użu ta' punt pn-dajowd, li tipproduċi dawl ta 'ċerta wavelength mill-rikombinazzjoni tat-trasportatur bi preġudizzju pożittiv, bħal LEDs. LED jarmu spontanjament u laser diodes - compulsively. Biex twettaq il-inverżjoni kundizzjoni popolazzjoni, il-operattiva attwali għandha jaqbżux limitu. Il-mezz attiv dajowd semikonduttur ikollu veduta taż-żona konnessjoni ta 'saffi ta' żewġ dimensjonijiet.

Il-prinċipju ta 'operazzjoni ta' dan it-tip ta 'laser li biex jinżamm oxxillazzjonijiet ebda mera esterna hija meħtieġa. Il-ħila jirriflettu, maħluqa minħabba l-indiċi refrattiv saffi u riflessjoni interna tal-medja attiva, huwa biżżejjed għal dan il-għan. L-uċuħ end jaqbdu dajowds li jipprovdi uċuħ li jirriflettu paralleli.

Il-kompost iffurmat mill-materjal semikonduttur ta 'l-istess tip tissejjaħ homojunction, kif stabbilit permezz tal-konnessjoni żewġ differenti - heterojunction.

Semikondutturi ta un p tip b'densità għolja ta 'trasportaturi jiffurmaw p n-junction ma' rqiq ħafna (≈1 mm) saff eżawrit.

laser gass

Il-prinċipju ta 'operazzjoni u l-użu ta' dan it-tip ta 'lejżer jagħmilha possibbli li jinħolqu mezzi ta' kważi kull kapaċità (minn milliwatts sa megawatt) u wavelengths (minn ultravjola sa infra-aħmar) u jistgħu joperaw fil-modi pulsazzjonijiet u kontinwi. Ibbażat fuq in-natura tal-midja attiva, hemm tliet tipi ta 'lejżers tal-gass, jiġifieri atomika, ijoniċi u molekulari.

lejżers tal-gass Ħafna ippumpjat minn kwittanza elettriku. L-elettroni fil-tubu kwittanza jiġu aċċellerati permezz tal-kamp elettriku bejn l-elettrodi. Huma jikkonfliġġu ma atomi, joni jew molekuli ta 'mezz attiv u jinduċi tranżizzjoni għal livelli ogħla ta' enerġija biex jinkiseb stat ta 'inverżjoni popolazzjoni u l-emissjoni stimulata.

laser molekulari

Il-prinċipju ta 'azzjoni bil-laser huwa bbażat fuq il-fatt li, kuntrarjament għall-atomi iżolati u jonji fis lejżers atomika u jone molekuli jkollu faxex wesgħin ta' livelli ta 'enerġija diskreti enerġija. Barra minn hekk, kull livell ta 'enerġija elettroni għandha numru kbir ta' livelli vibrational, u dawk imbagħad - rotazzjonali ftit.

L-enerġija bejn il-livelli ta 'enerġija elettron huwa fir-reġjuni UV u viżibbli ta' l-ispettru, filwaqt li bejn il-livelli vibrational-rotazzjonali - fir-reġjuni s'issa u qrib infrared. Għalhekk, ħafna mill-lasers molekulari li jaħdmu f'reġjun bogħod jew kważi infra-aħmar.

lejżers eċċimeri

Excimers huma tali molekula bħala ARF, KrF, XeCl, li huma maqsuma istat art stabbli u l-ewwel livell. Il-prinċipju ta 'operazzjoni tal-laser li jmiss. Tipikament, in-numru fl-istat art tal-molekuli huwa żgħir, sabiex il-ippumpjar dirett mill-istat art ma jkunx possibbli. Il-molekoli iffurmata fl-ewwel stat elettronika eċċitati minn kompost li jkollhom alidi enerġija għolja ma 'gassijiet inerti. Il inverżjoni popolazzjoni jinkiseb faċilment billi l-għadd ta 'molekuli fil-livell bażiku huwa baxx wisq, meta mqabbla mal-eċċitati. Il-prinċipju ta 'azzjoni bil-laser, fil-qosor, huwa li transizzjoni minn stat elettroniku eċċitati marbuta ma' dissociative stat art. Il-popolazzjoni ta 'l-istat art huwa dejjem f'livell baxx, għax f'dan il-punt il-molekula jiddisassoċja fis atomi.

Il-prinċipju apparat u lejżers jikkonsisti f'dak l-tubu kwittanza hija mimlija b'taħlita ta 'alid (F ₂₎ u l-gass rari (Ar). L-elettroni fiha tinfired u jonizzazzjoni-molekuli alid u joħolqu joni negattivi. joni pożittivi Ar ⁺ u F negattivi ^- jirreaġixxu u jipproduċu molekuli ARF fl-ewwel stat eċċitati assoċjati mat-tranżizzjoni wara t-repelling istat bażi u l-ġenerazzjoni ta 'radjazzjoni koerenti. laser excimer, il-prinċipju ta 'azzjoni u l-użu ta' li aħna issa qed jikkunsidraw, jistgħu jintużaw għall-ippumpjar tal-mezz attiv ta 'l-żebgħa.

laser likwidu

Meta mqabbla ma 'solidi, likwidi huma aktar omoġenji u għandhom densità ogħla ta' atomi attivi, meta mqabbla ma 'gassijiet. B'żieda ma 'dan, dawn mhumiex diffiċli biex jipproduċu, jippermettu dissipazzjoni tas-sħana faċli u tista' tkun faċilment mibdula. Il-prinċipju ta 'azzjoni tal-laser huwa użat bħala mezz qligħ ta' żebgħa organika, bħal DCM (4-dicyanomethylene-2-metil-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, kumarin, stilbene, u simili. D ., maħlul f'taħlita ta taħlita xierqa. Soluzzjoni tal-molekuli taż-żebgħa huwa eċċitati minn radjazzjoni li wavelength għandha koeffiċjent ta 'assorbiment tajba. Il-prinċipju ta 'azzjoni bil-laser, fil-qosor, huwa li tiġġenera f'wavelength itwal, imsejħa fluworexxenza. Id-differenza bejn l-enerġija assorbita u photons emessi użati tranżizzjonijiet enerġija nonradiative u qlub-sistema.

Usa faxxa fluworexxenti lasers likwidi għandha karatteristika unika - wavelength irfinar. Il-prinċipju ta 'operazzjoni u l-użu ta' dan it-tip bħala lejżer intonabbli u s-sors tad-dawl koerenti, qed isir dejjem aktar importanti fil ispettroskopija, holography, u fl-applikazzjonijiet bijomediċi.

Riċentement, lasers ġew użati biex tagħti kulur għal separazzjoni iżotopiku. F'dan il-każ, il-laser jintgħażel eżatt wieħed minnhom, li wassal lill jibdew reazzjoni kimika.