Физикасы Планктың сәуле шығару заңына негізделген лазердің бірінші принципін 1917 жылы Эйнштейн теориялық тұрғыдан негіздеді. Ол ықтималдық коэффициенттерін (Эйнштейн коэффициенттері) пайдалана отырып, жұтылу, өздігінен және ынталандырылған электромагниттік сәулеленуді сипаттады.
Пионерлер
Теодор Мейман 694 нм толқын ұзындығымен импульстік когерентті сәуле шығаратын флэш-шаммен синтетикалық рубинді оптикалық айдауға негізделген рубин лазерінің жұмыс істеу принципін бірінші болып көрсетті.
1960 жылы ирандық ғалымдар Джаван мен Беннет He және Ne газдарының 1:10 қоспасын пайдаланып бірінші газ кванттық генераторын жасады.
1962 жылы RN Холл 850 нм толқын ұзындығында сәуле шығаратын алғашқы галлий арсениді (GaAs) диодты лазерін көрсетті. Сол жылдың соңында Ник Голоняк бірінші жартылай өткізгіш көрінетін жарық кванттық генераторын жасады.
Лазерлердің конструкциясы мен жұмыс істеу принципі
Әр лазер жүйесі орналастырылған белсенді ортадан тұрадыбірі мөлдір болатын оптикалық параллель және жоғары шағылыстыратын жұп айна мен оны айдауға арналған энергия көзі арасында. Күшейткіш орта қатты, сұйық немесе газ болуы мүмкін, ол электрлік немесе оптикалық айдау арқылы ынталандырылған эмиссия арқылы өтетін жарық толқынының амплитудасын күшейту қасиетіне ие. Зат айна жұбының арасына оларда шағылысқан жарық әр жолы өтіп, айтарлықтай күшеюге жеткеннен кейін мөлдір айнаға өтетіндей етіп орналастырылған.
Екі деңгейлі орталар
Атомдары тек екі энергетикалық деңгейге ие белсенді ортасы бар лазердің жұмыс істеу принципін қарастырайық: қозған E2 және негізгі E1 . Егер атомдар кез келген айдау механизмі (оптикалық, электр разряды, ток беру немесе электронды бомбалау) арқылы E2 күйіне қозған болса, онда бірнеше наносекундтан кейін олар фотондарды шығаратын жер күйіне оралады. энергияның hν=E 2 - E1. Эйнштейннің теориясына сәйкес, сәуле шығару екі түрлі жолмен жасалады: не фотон арқылы индукцияланады, немесе ол өздігінен жүреді. Бірінші жағдайда ынталандырылған эмиссия, ал екіншісінде өздігінен шығарындылар орын алады. Жылулық тепе-теңдік жағдайында ынталандырылған сәуле шығару ықтималдығы өздігінен шығарылатын сәулелерден әлдеқайда төмен (1:1033), сондықтан әдеттегі жарық көздерінің көпшілігі когерент емес, ал лазерлік генерация термиялық емес жағдайларда мүмкін болады. тепе-теңдік.
Тіпті өте күштіайдау, екі деңгейлі жүйелердің популяциясын тек теңестіруге болады. Сондықтан оптикалық немесе басқа айдау әдістерімен популяция инверсиясына қол жеткізу үшін үш немесе төрт деңгейлі жүйелер қажет.
Көпдеңгейлі жүйелер
Үш деңгейлі лазердің принципі қандай? ν02 жиіліктегі қарқынды жарықпен сәулелену E0 ең төменгі энергия деңгейінен E ең жоғары энергия деңгейіне дейін көп атомдарды айдайды. 2. Атомдардың E2-дан E1-ға сәулесіз ауысуы E1 және E арасында популяциялық инверсияны белгілейді. 0 , бұл іс жүзінде атомдар ұзақ уақыт метатұрақты күйде болғанда ғана мүмкін болады E1, және E2 ауысуы- E 1 жылдам жүріп жатыр. Үш деңгейлі лазердің жұмыс істеу принципі осы шарттарды орындау болып табылады, соның арқасында E0 және E1 арасында популяциялық инверсияға қол жеткізіледі және фотондар энергиямен күшейтіледі E 1-E0 индукцияланған эмиссия. E2 кеңірек деңгейі сорғыны тиімдірек ету үшін толқын ұзындығының жұтылу диапазонын ұлғайтады, нәтижесінде ынталандырылған эмиссия көбейеді.
Үш деңгейлі жүйе өте жоғары сорғы қуатын қажет етеді, өйткені генерациялауға қатысатын төменгі деңгей негізгі болып табылады. Бұл жағдайда популяция инверсиясы болуы үшін атомдардың жалпы санының жартысынан көбі E1 күйіне айдалуы керек. Бұл жағдайда энергия босқа кетеді. Сорғы қуаты айтарлықтай болуы мүмкінтөменгі буын деңгейі кем дегенде төрт деңгейлі жүйені қажет ететін негізгі деңгей болмаса, төмендейді.
Белсенді заттың табиғатына байланысты лазерлер үш негізгі санатқа бөлінеді, атап айтқанда, қатты, сұйық және газ. 1958 жылдан бастап, рубин кристалында ласинг алғаш рет байқалған кезде, ғалымдар мен зерттеушілер әр санаттағы материалдардың алуан түрін зерттеді.
Қатты күйдегі лазер
Жұмыс принципі оқшаулағыш кристалдық торға өтпелі топ металын қосу арқылы түзілетін белсенді ортаны пайдалануға негізделген (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, т.б.), сирек жер иондары (Ce+3, Pr+3, Nd +3, PM+3, Sm+2, Еу +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Хо+3 , Er +3, Yb+3, т.б.) және U+3 сияқты актинидтер. Иондардың энергетикалық деңгейлері тек генерацияға жауап береді. Негізгі материалдың жылу өткізгіштік және жылу кеңеюі сияқты физикалық қасиеттері лазердің тиімді жұмысы үшін өте маңызды. Тор атомдарының легирленген ионның айналасында орналасуы оның энергетикалық деңгейлерін өзгертеді. Белсенді ортадағы генерацияның әртүрлі толқын ұзындығына әртүрлі материалдарды бірдей ионмен қоспалау арқылы қол жеткізіледі.
Голмий лазері
Қатты күйдегі лазердің мысалы - кванттық генератор, онда гольмий кристалдық тордың негізгі затының атомын ауыстырады. Ho:YAG - ең жақсы буын материалдарының бірі. Гольмий лазерінің жұмыс істеу принципі иттрий алюминий гранаты гольмий иондарымен легирленген, оптикалық шаммен айдалады және 2097 нм толқын ұзындығында ИҚ диапазонында сәуле шығарады, оны ұлпалар жақсы сіңіреді. Бұл лазер буындардағы операцияларда, тістерді емдеуде, рак клеткаларын, бүйрек пен өт тастарын булану үшін қолданылады.
Жартылай өткізгіш кванттық генератор
Кванттық ұңғыма лазерлері қымбат емес, жаппай өндіріледі және оңай масштабталады. Жартылай өткізгішті лазердің жұмыс істеу принципі жарық диодтарына ұқсас оң ығысу кезінде тасымалдаушы рекомбинация арқылы белгілі бір толқын ұзындығындағы жарықты тудыратын p-n өту диодын қолдануға негізделген. Жарықдиодты өздігінен шығарады, ал лазерлік диодтар - мәжбүрлі. Популяциялық инверсия шартын орындау үшін жұмыс тогы шекті мәннен асуы керек. Жартылай өткізгіш диодтағы белсенді орта екі өлшемді қабаттың қосылатын аймағының пішініне ие.
Бұл лазер түрінің жұмыс принципі тербелістерді сақтау үшін сыртқы айна қажет емес. Қабаттардың сыну көрсеткіші мен белсенді ортаның ішкі шағылысуымен жасалған шағылысу осы мақсат үшін жеткілікті. Диодтардың соңғы беттері қиыршықталған, бұл шағылысатын беттердің параллель болуын қамтамасыз етеді.
Бір типті жартылай өткізгіш материалдардан түзілген қосылыс гомотүйін деп, ал екі түрлі қосылыс арқылы жасалған қосылым деп аталады.гетеройысу.
Тасымалдаушы тығыздығы жоғары P- және n-типті жартылай өткізгіштер өте жұқа (≈1 мкм) сарқылу қабаты бар p-n түйісуін құрайды.
Газды лазер
Лазердің осы түрін пайдалану және пайдалану принципі кез келген дерлік қуаттағы (милливатттан мегаваттқа дейін) және толқын ұзындықтағы (УК-тен ИҚ-ға дейін) құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді және импульстік және үздіксіз режимдерде жұмыс істеуге мүмкіндік береді.. Белсенді ортаның табиғатына байланысты газ кванттық генераторларының атомдық, иондық және молекулалық үш түрі бар.
Газ лазерлерінің көпшілігі электр разрядымен айдалады. Разрядтық түтіктегі электрондар электродтар арасындағы электр өрісінің әсерінен үдетіледі. Олар белсенді ортаның атомдарымен, иондарымен немесе молекулаларымен соқтығысады және популяциялық инверсия мен ынталандырылған эмиссия күйіне жету үшін жоғары энергия деңгейлеріне өтуді тудырады.
Молекулалық лазер
Лазердің жұмыс істеу принципі оқшауланған атомдар мен иондардан айырмашылығы атомдық және иондық кванттық генераторлардағы молекулалардың дискретті энергия деңгейлерінің кең энергетикалық жолақтарына ие болуына негізделген. Оның үстіне әрбір электрондық қуат деңгейінде тербеліс деңгейлерінің көп саны бар, ал олардың өз кезегінде бірнеше айналу деңгейлері болады.
Электрондық энергия деңгейлері арасындағы энергия УК және спектрдің көрінетін аймақтарында, ал діріл-айналмалы деңгейлер арасында - алыс және жақын ИҚ-да болады.аймақтар. Осылайша, молекулалық кванттық генераторлардың көпшілігі алыс немесе жақын инфрақызыл аймақтарда жұмыс істейді.
Эксимер лазерлері
Эксимерлер - бұл бөлінген негізгі күйі бар және бірінші деңгейде тұрақты ArF, KrF, XeCl сияқты молекулалар. Лазердің жұмыс істеу принципі келесідей. Әдетте, негізгі күйдегі молекулалар саны аз, сондықтан негізгі күйден тікелей айдау мүмкін емес. Молекулалар бірінші қозған электрондық күйде жоғары энергиялы галогенидтерді инертті газдармен біріктіру арқылы түзіледі. Инверсия популяциясына оңай қол жеткізіледі, өйткені базалық деңгейдегі молекулалар саны қозғанмен салыстырғанда тым аз. Лазердің жұмыс істеу принципі, қысқаша айтқанда, байланыстырылған қозған электрондық күйден диссоциативті негізгі күйге көшу. Негізгі күйдегі популяция әрқашан төмен деңгейде қалады, өйткені бұл кезде молекулалар атомдарға диссоциацияланады.
Лазерлердің құрылғысы мен жұмыс істеу принципі разрядтық түтік галогенид (F2) және сирек жер газы (Ar) қоспасымен толтырылған. Ондағы электрондар галогенид молекулаларын диссоциациялайды және иондайды және теріс зарядты иондар жасайды. Ar++ және теріс F- иондары әрекеттеседі және бірінші қозған байланысқан күйде ArF молекулаларын түзеді, олардың кейіннен тебіс негізгі күйге өтуімен және когерентті сәулелену. Эксимер лазері, оның жұмыс істеу принципі және біз қазір қарастырып жатырмыз, сорғы үшін пайдаланылуы мүмкінбояғыштардағы белсенді орта.
Сұйық лазер
Қатты заттармен салыстырғанда сұйықтар біртекті және газдарға қарағанда белсенді атомдардың тығыздығы жоғары. Бұған қоса, оларды өндіру оңай, жылуды оңай таратуға мүмкіндік береді және оңай ауыстырылады. Лазердің жұмыс істеу принципі органикалық бояғыштарды белсенді орта ретінде пайдалану болып табылады, мысалы, DCM (4-дицианомитилен-2-метил-6-п-диметиламинотирил-4Н-пиран), родамин, стирил, LDS, кумарин, стилбен және т.б…, сәйкес еріткіште ерітілген. Бояғыш молекулаларының ерітіндісі толқын ұзындығы жақсы жұтылу коэффициентіне ие сәулеленумен қоздырады. Лазердің жұмыс істеу принципі, қысқаша айтқанда, флуоресценция деп аталатын ұзағырақ толқын ұзындығында генерациялау болып табылады. Жұтылған энергия мен шығарылатын фотондар арасындағы айырмашылық радиациялық емес энергия ауысуларында пайдаланылады және жүйені қыздырады.
Сұйық кванттық генераторлардың кеңірек флуоресценция диапазонының бірегей ерекшелігі бар - толқын ұзындығын реттеу. Лазердің осы түрін реттелетін және когерентті жарық көзі ретінде жұмыс істеу принципі мен пайдалану спектроскопияда, голографияда және биомедициналық қолданбаларда маңыздырақ болып келеді.
Жақында бояғыштардың кванттық генераторлары изотоптарды бөлу үшін қолданылды. Бұл жағдайда лазер олардың біреуін таңдамалы түрде қоздырып, оларды химиялық реакцияға түсуге шақырады.
