Lazer prensibi: lazer radyasyonun özellikleri

Fizik, Planck radyasyon yasasına dayanan lazer hareketinin ilk prensibi teorik olarak Einstein tarafından 1917'de doğrulandı. O, olasılık katsayılarının (Einstein'ın katsayıları) yardımı ile emilim, spontan ve uyarılmış elektromanyetik radyasyonu tarif etti.

çığıraçıcı

Theodore Meiman, 694 nm dalga boylu darbeli tutarlı radyasyon üreten sentetik yakutlu bir flaş lambası ile optik pompalamaya dayanan bir yakut lazerinin hareket ilkesini ilk kez gösteren kişi oldu.

1960'da İranlı bilim adamları Javan ve Bennett, ilk gaz kuantum jeneratörünü He ve Ne gazlarının bir karışımı ile 1:10 oranında oluşturdu.

1962'de, RN Hall, 850 nm'de yayılan ilk potansiyel galyum arsenür (GaAs) lazerini gösterdi. O yıl, Nick Golonyak, görünür ışığın ilk yarıiletken kuantum jeneratörünü geliştirdi.

Lazerlerin çalışma prensibi ve çalışma prensibi

Her lazer sistemi, bir tanesi yarı saydam olan, bir çift optik olarak paralel ve yüksek yansıtıcı ayna ile pompalanması için bir enerji kaynağı arasına yerleştirilen bir aktif ortamdan oluşur. Güçlendirme ortamı, elektriksel veya optik pompalama ile uyarılan emisyon ile kendisinden geçen bir ışık dalgasının amplitüdünü yükseltme özelliğine sahip olan katı, sıvı veya gaz olabilir. Madde bir çift aynanın arasına yerleştirilir ve bu sayede yansıyan ışık her defasında ışığın içinden geçer ve yarı saydam aynaya nüfuz eder.

İki seviyeli araçlar

Atomları sadece iki enerji seviyesine sahip aktif bir ortamı olan bir lazerin hareket prensibini düşünün: E ₂ ve E ₁ uyarıları. Eğer atomlar E ₂ durumuna herhangi bir pompalama mekanizması (optik, elektrik boşaltma, akım iletim veya elektron bombardımanı) yardımıyla herhangi bir devlet için heyecanlandıysa, birkaç nano saniye sonra zemin konumuna geri dönerler ve hν = E ₂ - E ₁ enerjisi fotonları yayarlar. Einstein'ın teorisine göre, emisyon iki farklı yolla üretilir: ya bir foton tarafından tetiklenir ya da kendiliğinden olur. İlk durumda uyarılmış emisyon gerçekleşir ve ikinci durumda - spontan emisyon gerçekleşir. Termal dengede, uyarılmış emisyon ihtimali spontan emisyontan (1:10 ³³ ) çok daha düşüktür, bu nedenle çoğu konvansiyonel ışık kaynağı tutarsızdır ve termal denge dışındaki koşullar altında lazer üretimi mümkündür.

Çok güçlü bir pompalama ile bile, iki seviyeli sistemlerin nüfusu ancak eşitlenebilir. Bu nedenle, ters çevrilmiş popülasyonu optik veya diğer pompalama yoluyla elde etmek için üç veya dört seviyeli sistemler gereklidir.

Çok Seviyeli Sistemler

Üç seviyeli bir lazerin etki etmesinin prensibi nedir? Frekans υ _02'nin yoğun ışığı ile ışınlama, en düşük enerji seviyesi E0'dan üst E2'ye kadar çok sayıda atom pompalar. E2'den E1'e atomların radyasyonsuz olmayan geçişi E1 ve E0 arasında bir popülasyon inversiyonu oluşturur, bu pratikte yalnızca atomlar uzun süre metastabil bir durumda iken mümkündür ve E2'den E1'e geçiş hızlı bir şekilde gerçekleşir. Üç seviyeli lazerin çalışma prensibi, bu şartları yerine getirmektir, böylece E0 ve E1 arasında nüfus tersine döndürülmesi sağlanır ve fotonlar _, indüklenen radyasyonun E1-E0 enerjisi tarafından yoğunlaştırılır. Daha geniş bir E ₂ seviyesi, daha etkili bir pompa için dalga boyundaki soğurma aralığını artırabilir ve bu da uyarılmış emisyonda bir artışa neden olabilir.

Üç seviyeli sistem çok yüksek pompalama gücüne ihtiyaç duyar, çünkü üretimdeki alt seviye temel seviyededir. Bu durumda, yer değiştirme gerçekleşmesi için, toplam atom sayısının yarısından fazlası E ₁ durumuna pompalanmalıdır. Böylece enerji harcanmaktadır. Daha düşük üretim seviyesi basit değilse, pompa gücü önemli ölçüde azaltılabilir, bu da en azından dört seviyeli bir sistem gerektirir.

Aktif maddenin doğasına bağlı olarak, lazerler katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç ana kategoriye ayrılırlar. 1958'den bu yana, yakut kristalinde ilk kez nesiller gözlemlendiğinde, bilim adamları ve araştırmacılar her kategoride geniş bir materyal yelpazesi üzerinde çalışmışlardır.

Katı hal lazeri

Çalışma prensibi, metalin yalıtım kristali kafesine bir geçiş grubu (Ti ⁺³ , Cr ⁺³ , V ⁺² , Co ⁺² , Ni ⁺² , Fe ⁺² , vb.) Eklenerek oluşan bir aktif maddenin kullanımına dayanır , Nadir toprak iyonları (Ce ⁺³ , Pr ⁺³ , Nd ⁺³ , Pm ⁺³ , Sm ⁺² , Eu ^{+ 2, +3} , Tb ⁺³ , Dy ⁺³ , Ho ⁺³ , Er ⁺³ , Yb ⁺³ , Etc) ve U ^{+ 3} gibi aktinitlerdir. İyonların enerji seviyeleri yalnızca üretim için sorumludur. Taban malzemesinin termal iletkenlik ve termal genleşme gibi fiziksel özellikleri, lazerin etkili bir şekilde çalışması için önemlidir. Örtülü iyon etrafındaki kafes atomlarının düzenlenmesi enerji seviyelerini değiştirir. Aktif ortamdaki farklı dalga boyları, aynı malzemeyle farklı maddelere doping uygulanarak elde edilir.

Holmiyum lazer

Bir katı hal lazer örneği, kristal kafesin taban maddesinin atomunun yerini holmiyumun aldığı bir kuantum jeneratörüdür. Ho: YAG en iyi nesil malzemelerden biridir. Holmiyum lazerinin prensibi, alüminyum itriyum granatına holmiyum iyonları takviyeli optik olarak bir flaş lambası ile pompalanır ve dokular tarafından iyi absorbe edilen IR bandında 2097 nm dalga boyunda yayılır. Bu lazer, eklemlerde, diş tedavisinde, kanser hücrelerinin, böbrek taşlarının ve safra yollarının buharlaşması için kullanılır.

Yarı iletken kuantum üreteci

Kuantum kuyulardaki lazerler ucuzdur, seri üretime izin verirler ve kolayca ölçeklenebilirler. Yarı iletken bir lazerin çalışma prensibi, taşıyıcıyı LED'ler gibi pozitif bir önyargı ile yeniden birleştirerek belirli bir dalga boyu ışığı üreten bir pn jonksiyonlu bir diyodun kullanımına dayanır. LED kendiliğinden yayar ve lazer diyotları zorlar. Nüfus ters çevirme koşulunu yerine getirmek için işletme akımı eşik değerini aşmalıdır. Bir yarı iletken diyoddaki aktif madde, iki iki boyutlu katmanın birleştirme bölgesi şeklindedir.

Bu tür lazerlerin çalışma prensibi, titreşimleri korumak için harici ayna gerekli değildir. Tabakaların kırılma indeksi ve aktif maddenin iç yansıması ile oluşturulan yansıtıcı güç bu amaç için yeterlidir. Diodların uç yüzeyleri yarılır ve yansıtıcı yüzeylerin paralel olmasını sağlar.

Aynı türe ait yarı iletken malzemelerden oluşan bir bileşime homojunction denir ve iki farklı kombinasyon ile oluşturulur - bir heterojonksiyon.

Yüksek taşıyıcı yoğunluğuna sahip p ve n tipi yarı iletkenler çok ince (~ 1 μm) tükenme tabakasına sahip bir pn jonksiyonunu oluştururlar.

Gaz lazerleri

Bu tür lazerin kullanımı ve kullanımı ilkesi neredeyse tüm güç (mW'dan megawatt'a kadar) ve dalga boylarında (UV'den kızılötesine) cihazlar üretmeyi mümkün kılar ve darbeli ve sürekli modlarda çalışmayı sağlar. Aktif ortamın niteliğine göre, atomik, iyonik ve moleküler olmak üzere üç tür gaz kuantum jeneratörü vardır.

Çoğu gaz lazeri bir elektrik boşalması ile pompalanır. Boşaltım borusundaki elektronlar, elektrotlar arasındaki bir elektrik alanı ile hızlandırılır. Aktif maddenin atomları, iyonları veya molekülleri ile çarpışırlar ve nüfuz etme durumu ve uyarılmış emisyon elde etmek için daha yüksek enerji seviyelerine geçiş yaparlar.

Moleküler lazer

Lazerin prensibi, atomik ve iyonik kuantum jeneratörlerinde, izole atomların ve iyonların aksine, moleküllerin ayrı enerji seviyelerinin geniş enerji bantlarına sahip olmalarına dayanmaktadır. Bu durumda, her bir elektronik enerji seviyesinin çok sayıda titreşim seviyesi vardır ve bu da bir şekilde döndürücüdür.

Elektron enerji seviyeleri arasındaki enerji, uzak ve yakın IR bölgelerinde - titreşim dönme seviyeleri arasında - UV ve spektrumun görünür bölgeleri içindedir. Böylece, çoğu molekül kuantum jeneratörü uzak veya yakın IR bölgelerinde çalışır.

Eksimer lazerler

Eksimerler, bölünmüş bir taban durumuna sahip olan ve birinci seviyede kararlı olan ArF, KrF, XeCl gibi moleküllerdir. Lazerin prensibi aşağıdaki gibidir. Kural olarak, taban durumundaki moleküllerin sayısı azdır, bu nedenle taban durumundan direkt pompalama mümkün değildir. Moleküller, yüksek enerjili halojenürleri atıl gazlarla birleştirerek ilk uyarılmış elektronik halde oluşturulur. Ters çevirme popülasyonuna kolayca ulaşılır, çünkü baz seviyedeki molekül sayısı heyecanlı moleküllere kıyasla çok küçüktür. Kısaca, lazer hareketinin prensibi, bağlanmış heyecanlı elektronik durumdan dissosiyatif zemin durumuna geçişten oluşur. Zemin durumunda nüfus her zaman düşük bir seviyede kalır, çünkü bu noktadaki moleküller atomlara ayrışırlar.

Lazerlerin çalışma prensibi ve cihazı, bir deşarj borusunun bir halid (F2) ve nadir toprak metali (Ar) karışımı ile doldurulmasıdır. İçindeki elektronlar halid moleküllerini ayırır ve iyonize eder ve negatif yüklü iyonlar yaratır. Pozitif iyonlar Ar ⁺ ve negatif F ^- , ilk uyarılmış bağlı halde ArF moleküllerini reaksiyona girerek üretirler ve ardından itici bir baz durumuna geçişi ve tutarlı radyasyon üretir. Eksimer lazer, çalışma prensibi ve şu an düşünülmekte olan uygulama, aktif maddeyi boyalara pompalamak için kullanılabilir.

Sıvı lazer

Katılara kıyasla, sıvılar daha homojen olup, gazlara kıyasla daha yüksek aktif atom yoğunluğuna sahiptir. Buna ek olarak, üretmek zor değil, basitçe ısıyı kaldırmaya ve kolayca değiştirilebilmelerine izin veriyorlar. Lazerin prensibi, aktif bir madde olarak DCM (4-disiyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben vb. Gibi organik boyaların kullanılmasıdır. ., Uygun bir çözücü içerisinde çözülür. Bir boya molekülü çözeltisi, dalga boyu iyi bir absorpsiyon katsayısına sahip radyasyon tarafından uyarılır. Kısaca, lazerin prensibi, flüoresan adı verilen daha uzun dalga boyu üretmektir. Emilen enerji ile yayılan fotonlar arasındaki fark radyasyonsuz enerji geçişleri ile kullanılır ve sistemi ısıtır.

Sıvı kuantum jeneratörlerinin daha geniş flüoresan bandı, eşsiz bir özelliğe sahiptir - dalga boyu ayarı. Bu tür bir lazerin ayarlanabilir ve tutarlı bir ışık kaynağı olarak çalışması ve kullanılması ilkesi, spektroskopi, holografi ve biyomedikal uygulamalarda gittikçe önem kazanmaktadır.

Son zamanlarda, izotopları ayırmak için kuantum boyası tabanlı jeneratörler kullanıldı. Bu durumda, lazer seçici olarak onları uyarır ve kimyasal reaksiyona girer.