Първият принцип на лазера, чиято физика се основава на закона за излъчване на Планк, е теоретично обоснован от Айнщайн през 1917 г. Той описва поглъщане, спонтанно и стимулирано електромагнитно излъчване, използвайки вероятностни коефициенти (коефициенти на Айнщайн).
Pioneers
Теодор Мейман беше първият, който демонстрира принципа на действие на рубинен лазер, базиран на оптично изпомпване на синтетичен рубин с флаш лампа, която произвежда импулсно кохерентно лъчение с дължина на вълната 694 nm.
През 1960 г. иранските учени Джаван и Бенет създават първия газов квантов генератор, използвайки 1:10 смес от He и Ne газове.
През 1962 г. RN Hall демонстрира първия диоден лазер с галиев арсенид (GaAs), излъчващ при дължина на вълната от 850 nm. По-късно същата година Ник Голоняк разработи първия полупроводников квантов генератор на видима светлина.
Дизайн и принцип на действие на лазерите
Всяка лазерна система се състои от поставена активна средамежду двойка оптически успоредни и силно отразяващи огледала, едно от които е полупрозрачно, и източник на енергия за неговото изпомпване. Средата за усилване може да бъде твърда, течна или газова, която има свойството да усилва амплитудата на светлинна вълна, преминаваща през нея чрез стимулирано излъчване с електрическо или оптично изпомпване. Вещество се поставя между двойка огледала по такъв начин, че отразената в тях светлина да преминава през него всеки път и, достигайки значително усилване, прониква в полупрозрачно огледало.
Двустепенни среди
Нека разгледаме принципа на действие на лазер с активна среда, атомите на която имат само две енергийни нива: възбудено E2 и основно E1 . Ако атомите се възбуждат до състояние E2 чрез някакъв механизъм за изпомпване (оптичен, електрически разряд, предаване на ток или електронна бомбардировка), тогава след няколко наносекунди те ще се върнат в земна позиция, излъчвайки фотони на енергия hν=E 2 - E1. Според теорията на Айнщайн излъчването се произвежда по два различни начина: или се индуцира от фотон, или се случва спонтанно. В първия случай се осъществява стимулирано излъчване, а във втория - спонтанно излъчване. При топлинно равновесие вероятността от стимулирано излъчване е много по-ниска от спонтанната емисия (1:1033), така че повечето конвенционални източници на светлина са некохерентни и лазерното генериране е възможно в условия, различни от термични равновесие.
Дори и с много силниизпомпване, популацията на системите на две нива може да бъде изравнена само. Следователно, три- или четиристепенни системи са необходими за постигане на инверсия на населението чрез оптични или други методи на изпомпване.
Многостепенни системи
Какъв е принципът на тристепенния лазер? Облъчване с интензивна светлина с честота ν02 изпомпва голям брой атоми от най-ниското енергийно ниво E0 до най-високото енергийно ниво E 2. Нерадиационният преход на атомите от E2 към E1 установява инверсия на населението между E1 и E 0 , което на практика е възможно само когато атомите са в метастабилно състояние за дълго време E1, и преходът от E2до E 1 става бързо. Принципът на действие на тристепенния лазер е да изпълни тези условия, поради което между E0 и E1 се постига инверсия на популацията и фотоните се усилват от енергията E 1-E0 индуцирана емисия. По-широко ниво на E2 може да увеличи обхвата на поглъщане на дължината на вълната за по-ефективно изпомпване, което води до увеличаване на стимулираното излъчване.
Тристепенната система изисква много висока мощност на помпата, тъй като по-ниското ниво, участващо в генерирането, е основното. В този случай, за да се получи инверсия на населението, повече от половината от общия брой атоми трябва да бъде изпомпано до състояние E1. При това енергията се губи. Помпената мощност може да бъде значителнанамалете, ако по-ниското ниво на поколение не е основното, което изисква поне четиристепенна система.
В зависимост от естеството на активното вещество, лазерите са разделени на три основни категории, а именно твърди, течни и газови. От 1958 г., когато лазерното излъчване е наблюдавано за първи път в рубинен кристал, учени и изследователи са изследвали голямо разнообразие от материали във всяка категория.
Твърдотелен лазер
Принципът на действие се основава на използването на активна среда, която се образува чрез добавяне на метал от преходна група към изолационната кристална решетка (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 и др.), редкоземни йони (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 и др.), и актиниди като U+3. Енергийните нива на йоните са отговорни само за генерирането. Физичните свойства на основния материал, като топлопроводимост и термично разширение, са от съществено значение за ефективната работа на лазера. Подреждането на решетъчните атоми около легиран йон променя енергийните му нива. Различни дължини на вълните на генериране в активната среда се постигат чрез легиране на различни материали с един и същ йон.
Холмиев лазер
Пример за твърд лазер е квантов генератор, в който холмият замества атом от основното вещество на кристалната решетка. Ho:YAG е един от най-доброто поколение материали. Принципът на действие на холмиевия лазер е, че итриево-алуминиевият гранат е легиран с холмиеви йони, оптически изпомпван от флаш лампа и излъчва при дължина на вълната от 2097 nm в IR диапазона, който се абсорбира добре от тъканите. Този лазер се използва за операции на ставите, при лечение на зъби, за изпаряване на ракови клетки, бъбречни и жлъчни камъни.
Полупроводников квантов генератор
Лазерите с квантови ямки са евтини, масово произвеждани и лесно мащабируеми. Принципът на работа на полупроводниковия лазер се основава на използването на диод с p-n преход, който произвежда светлина с определена дължина на вълната чрез рекомбинация на носителя при положително отклонение, подобно на светодиодите. Светодиодите излъчват спонтанно, а лазерните диоди - принудително. За да се изпълни условието за инверсия на населението, работният ток трябва да надвишава праговата стойност. Активната среда в полупроводниковия диод има формата на свързваща област от два двуизмерни слоя.
Принципът на работа на този тип лазер е такъв, че не е необходимо външно огледало за поддържане на трептения. Отражателната способност, създадена от коефициента на пречупване на слоевете и вътрешното отражение на активната среда, е достатъчна за тази цел. Крайните повърхности на диодите са нарязани, което гарантира, че отразяващите повърхности са успоредни.
Връзка, образувана от полупроводникови материали от един и същи тип, се нарича хомопреход, а връзка, създадена от връзка на две различни, се наричахетеропревръзка.
P- и n-тип полупроводници с висока плътност на носещите носители образуват p-n преход с много тънък (≈1 µm) слой на изчерпване.
Газов лазер
Принципът на действие и използването на този тип лазер ви позволява да създавате устройства с почти всякаква мощност (от миливата до мегавата) и дължини на вълната (от UV до IR) и ви позволява да работите в импулсен и непрекъснат режим. Въз основа на естеството на активната среда има три вида газови квантови генератори, а именно атомни, йонни и молекулярни.
Повечето газови лазери се изпомпват с електрически разряд. Електроните в разрядната тръба се ускоряват от електрическото поле между електродите. Те се сблъскват с атоми, йони или молекули на активната среда и предизвикват преход към по-високи енергийни нива, за да се постигне състояние на популация на инверсия и стимулирана емисия.
Молекулярен лазер
Принципът на работа на лазера се основава на факта, че за разлика от изолираните атоми и йони, молекулите в атомните и йонните квантови генератори имат широки енергийни ленти от дискретни енергийни нива. Освен това всяко електронно енергийно ниво има голям брой вибрационни нива, а тези от своя страна имат няколко ротационни нива.
Енергията между електронните енергийни нива е в UV и видимите области на спектъра, докато между вибрационно-ротационните нива - в далечния и близкия IRобласти. По този начин повечето молекулярни квантови генератори работят в далечни или близки инфрачервени области.
Ексимерни лазери
Ексимерите са молекули като ArF, KrF, XeCl, които имат отделно основно състояние и са стабилни на първо ниво. Принципът на действие на лазера е както следва. По правило броят на молекулите в основно състояние е малък, така че директното изпомпване от основното състояние не е възможно. Молекулите се образуват в първото възбудено електронно състояние чрез комбиниране на високоенергийни халиди с инертни газове. Популацията на инверсията се постига лесно, тъй като броят на молекулите на базовото ниво е твърде малък в сравнение с възбуденото. Принципът на действие на лазера, накратко, е преходът от свързано възбудено електронно състояние към дисоциативно основно състояние. Популацията в основното състояние винаги остава на ниско ниво, защото молекулите в този момент се дисоциират на атоми.
Устройството и принципът на действие на лазерите е, че разрядната тръба е пълна със смес от халогенид (F2) и редкоземен газ (Ar). Електроните в него дисоциират и йонизират халогенидни молекули и създават отрицателно заредени йони. Положителните йони Ar+ и отрицателните F- реагират и произвеждат ArF молекули в първото възбудено свързано състояние с последващия им преход към отблъскващо основно състояние и генериране на кохерентно излъчване. Ексимерният лазер, чийто принцип на действие и приложение сега разглеждаме, може да се използва за изпомпванеактивна среда върху багрила.
Течен лазер
В сравнение с твърдите вещества, течностите са по-хомогенни и имат по-висока плътност на активните атоми от газовете. В допълнение към това, те са лесни за производство, позволяват лесно разсейване на топлината и могат лесно да бъдат заменени. Принципът на работа на лазера е да използва органични багрила като активна среда, като DCM (4-дицианометилен-2-метил-6-р-диметиламиностирил-4Н-пиран), родамин, стирил, LDS, кумарин, стилбен и др…, разтворен в подходящ разтворител. Разтвор на молекули на багрилото се възбужда от радиация, чиято дължина на вълната има добър коефициент на поглъщане. Принципът на действие на лазера, накратко, е да генерира по-дълга дължина на вълната, наречена флуоресценция. Разликата между погълнатата енергия и излъчените фотони се използва от нерадиационни енергийни преходи и загрява системата.
По-широката флуоресцентна лента на течните квантови генератори има уникална характеристика - настройка на дължината на вълната. Принципът на действие и използването на този тип лазер като регулируем и кохерентен източник на светлина става все по-важен в спектроскопията, холографията и биомедицинските приложения.
Напоследък квантовите генератори на багрила се използват за разделяне на изотопи. В този случай лазерът селективно възбужда един от тях, подтиквайки ги да влязат в химическа реакция.
