Fizikasi Plankning nurlanish qonuniga asoslangan lazerning birinchi printsipi 1917-yilda Eynshteyn tomonidan nazariy jihatdan asoslab berilgan. U ehtimollik koeffitsientlari (Eynshteyn koeffitsientlari) yordamida yutilish, spontan va ogohlantiruvchi elektromagnit nurlanishni tasvirlab berdi.
Pionerlar
Teodor Meyman birinchi bo'lib 694 nm to'lqin uzunligi bilan impulsli kogerent nurlanishni yaratgan flesh-lampa bilan sintetik yoqutni optik nasosga asoslangan yoqut lazerining ishlash printsipini namoyish etdi.
1960 yilda eronlik olimlar Yavan va Bennet 1:10 nisbatda He va Ne gazlari aralashmasidan foydalangan holda birinchi gaz kvant generatorini yaratdilar.
1962 yilda RN Xoll 850 nm to'lqin uzunligida chiqaradigan birinchi galliy arsenid (GaAs) diodli lazerini namoyish etdi. O'sha yilning oxirida Nik Golonyak birinchi yarimo'tkazgichli ko'rinadigan yorug'lik kvant generatorini yaratdi.
Lazerlarning dizayni va ishlash printsipi
Har bir lazer tizimi joylashtirilgan faol vositadan iboratoptik jihatdan parallel va yuqori darajada aks ettiruvchi bir juft nometall o'rtasida, ulardan biri shaffof bo'lib, uni pompalash uchun energiya manbai. Kuchaytiruvchi vosita qattiq, suyuq yoki gaz bo'lishi mumkin, u elektr yoki optik nasos yordamida rag'batlantirilgan emissiya orqali o'tadigan yorug'lik to'lqinining amplitudasini kuchaytirish xususiyatiga ega. Bir juft oyna orasiga modda shunday joylashtirilganki, ularda aks ettirilgan yorug'lik har safar undan o'tadi va sezilarli kuchayib, shaffof oynaga kirib boradi.
Ikki bosqichli muhitlar
Atomlari faqat ikkita energiya darajasiga ega bo'lgan faol muhitga ega lazerning ishlash printsipini ko'rib chiqaylik: qo'zg'atilgan E2 va asosiy E1 . Agar atomlar E2 holatiga har qanday nasos mexanizmi (optik, elektr zaryadsizlanishi, oqim uzatish yoki elektron bombardimon qilish) bilan qo'zg'atilgan bo'lsa, u holda bir necha nanosekunddan keyin ular fotonlarni chiqaradigan holda tuproq holatiga qaytadilar. energiya hn=E 2 - E1. Eynshteyn nazariyasiga ko'ra, emissiya ikki xil yo'l bilan ishlab chiqariladi: yoki u foton tomonidan induktsiya qilinadi yoki u o'z-o'zidan sodir bo'ladi. Birinchi holda, stimulyatsiya qilingan emissiya, ikkinchisida esa o'z-o'zidan emissiya sodir bo'ladi. Issiqlik muvozanatida rag'batlantirilgan emissiya ehtimoli o'z-o'zidan paydo bo'ladigan emissiyaga qaraganda ancha past (1:1033), shuning uchun ko'pchilik an'anaviy yorug'lik manbalari bir-biriga mos kelmaydi va lazer hosil qilish termaldan boshqa sharoitlarda mumkin. muvozanat.
Hatto juda kuchlinasos, ikki darajali tizimlarning aholisi faqat tenglashtirilishi mumkin. Shuning uchun, optik yoki boshqa nasos usullari bilan populyatsiya inversiyasiga erishish uchun uch yoki to'rt darajali tizimlar talab qilinadi.
Ko'p bosqichli tizimlar
Uch darajali lazer printsipi nima? n02 chastotali shiddatli nurlanish juda ko'p atomlarni eng past energiya darajasidan E0 dan eng yuqori energiya darajasiga E pompalaydi. 2. Atomlarning E2 dan E1 ga nursiz o’tishi E1 va E o’rtasida populyatsiya inversiyasini o’rnatadi. 0 , bu amalda faqat atomlar uzoq vaqt metastabil holatda E1, va E2 dan oʻtishda mumkin boʻladi.dan E 1 gacha tez ketmoqda. Uch darajali lazerning ishlash printsipi ushbu shartlarni bajarishdir, buning natijasida E0 va E1 orasida populyatsiya inversiyasiga erishiladi va fotonlar energiya E 1-E0 induksiyalangan emissiya bilan kuchaytiriladi. E2 ning kengroq darajasi nasosni samaraliroq qilish uchun toʻlqin uzunligini yutish diapazonini oshirishi mumkin, bu esa stimulyatsiya qilingan emissiyaning oshishiga olib keladi.
Uch darajali tizim juda yuqori nasos quvvatini talab qiladi, chunki ishlab chiqarishda ishtirok etadigan pastki daraja asosiy hisoblanadi. Bunday holda, populyatsiya inversiyasi sodir bo'lishi uchun atomlarning umumiy sonining yarmidan ko'pi E1 holatiga pompalanishi kerak. Bunda energiya behuda sarflanadi. Nasos quvvati sezilarli darajada bo'lishi mumkinAgar quyi avlod darajasi asosiy boʻlmasa, buning uchun kamida toʻrt darajali tizim talab qilinadi.
Faol moddaning tabiatiga ko'ra lazerlar uchta asosiy toifaga bo'linadi, ya'ni qattiq, suyuq va gaz. 1958 yildan beri yoqut kristalida lasing birinchi marta kuzatilgandan beri olimlar va tadqiqotchilar har bir toifadagi turli xil materiallarni o'rganishdi.
Qattiq holatdagi lazer
Ishlash printsipi faol muhitdan foydalanishga asoslangan bo'lib, u izolyatsiyalovchi kristall panjaraga o'tish guruhi metallini qo'shish orqali hosil bo'ladi (Ti+3, Cr +3, V+2, S+2, Ni+2, Fe +2 va boshqalar), noyob yer ionlari (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 va boshqalar) va U+3 kabi aktinidlar. Ionlarning energiya darajalari faqat hosil bo'lish uchun javobgardir. Asosiy materialning issiqlik o'tkazuvchanligi va issiqlik kengayishi kabi fizik xususiyatlari lazerning samarali ishlashi uchun juda muhimdir. Doplangan ion atrofida panjara atomlarining joylashishi uning energiya darajasini o'zgartiradi. Faol muhitda turli to‘lqin uzunliklari hosil bo‘lishiga turli materiallarni bir xil ion bilan doping qilish orqali erishiladi.
Golmiy lazer
Qattiq holatdagi lazerga misol sifatida kvant generatorini keltirish mumkin, unda golmiy kristall panjaraning asosiy moddasi atomini almashtiradi. Ho: YAG eng yaxshi avlod materiallaridan biridir. Golmiy lazerining ishlash printsipi shundan iboratki, itriy alyuminiy granatasi golmiy ionlari bilan qo'shilgan bo'lib, flesh-lampa bilan optik ravishda pompalanadi va to'qimalar tomonidan yaxshi so'rilgan IQ diapazonida 2097 nm to'lqin uzunligida chiqaradi. Ushbu lazer bo'g'imlardagi operatsiyalarda, tishlarni davolashda, saraton hujayralari, buyraklar va o't pufagidagi toshlarni bug'lantirishda ishlatiladi.
Yarim o'tkazgich kvant generatori
Kvant quduq lazerlari arzon, ommaviy ishlab chiqariladi va osonlik bilan kengaytiriladi. Yarimo'tkazgichli lazerning ishlash printsipi p-n o'tish diodidan foydalanishga asoslangan bo'lib, u LEDlarga o'xshash ijobiy egilishda tashuvchining rekombinatsiyasi orqali ma'lum bir to'lqin uzunligidagi yorug'likni hosil qiladi. LED o'z-o'zidan chiqaradi va lazer diodlari - majburiy. Populyatsiya inversiyasi shartini bajarish uchun ish oqimi chegara qiymatidan oshib ketishi kerak. Yarimo'tkazgichli diyotdagi faol muhit ikki o'lchovli qatlamning birlashtiruvchi hududi ko'rinishiga ega.
Ushbu turdagi lazerning ishlash printsipi shundan iboratki, tebranishlarni ushlab turish uchun tashqi oyna kerak emas. Qatlamlarning sindirish ko'rsatkichi va faol muhitning ichki aks etishi bilan yaratilgan aks ettirish bu maqsad uchun etarli. Diyotlarning so'nggi yuzalarida chiplar bor, bu aks ettiruvchi yuzalarning parallel bo'lishini ta'minlaydi.
Bir xil turdagi yarimo'tkazgichli materiallardan hosil bo'lgan bog'lanish gomobirlashma, ikki xilning ulanishi natijasida hosil bo'lgan bog'lanish deyiladi.heterobirikma.
Tashuvchi zichligi yuqori boʻlgan P- va n-tipli yarimoʻtkazgichlar juda yupqa (≈1 mkm) kamayuvchi qatlamli p-n birikmasini hosil qiladi.
Gaz lazer
Ushbu turdagi lazerning ishlash printsipi va ulardan foydalanish deyarli har qanday quvvat (millivattdan megavattgacha) va to'lqin uzunlikdagi (UV dan IR gacha) qurilmalarni yaratishga imkon beradi va impulsli va uzluksiz rejimlarda ishlashga imkon beradi.. Faol muhitning tabiatiga ko'ra, gaz kvant generatorlarining uchta turi mavjud: atom, ion va molekulyar.
Koʻpchilik gaz lazerlari elektr zaryadi bilan pompalanadi. Chiqarish trubkasidagi elektronlar elektrodlar orasidagi elektr maydon tomonidan tezlashadi. Ular faol muhitning atomlari, ionlari yoki molekulalari bilan to'qnashadi va populyatsiyaning inversiya va stimulyatsiyalangan emissiya holatiga erishish uchun yuqori energiya darajalariga o'tishni keltirib chiqaradi.
Molekulyar lazer
Lazerning ishlash printsipi izolyatsiyalangan atomlar va ionlardan farqli o'laroq, atom va ion kvant generatorlaridagi molekulalar diskret energiya darajalarining keng energiya diapazonlariga ega ekanligiga asoslanadi. Bundan tashqari, har bir elektron energiya darajasi ko'p sonli tebranish darajalariga ega va ular o'z navbatida bir nechta aylanish darajalariga ega.
Elektron energiya darajalari orasidagi energiya UV va spektrning ko'rinadigan hududlarida, tebranish-aylanish darajalari o'rtasida esa - uzoq va yaqin IRda.hududlar. Shunday qilib, aksariyat molekulyar kvant generatorlari uzoq yoki yaqin infraqizil hududlarda ishlaydi.
Eksimer lazerlar
Eksimerlar ArF, KrF, XeCl kabi molekulalar boʻlib, ular asosiy holatga ajralgan va birinchi darajada barqaror. Lazerning ishlash printsipi quyidagicha. Qoidaga ko'ra, er osti holatidagi molekulalar soni kichik, shuning uchun asosiy holatdan to'g'ridan-to'g'ri nasos olish mumkin emas. Molekulalar birinchi qoʻzgʻatilgan elektron holatda yuqori energiyali galogenidlarni inert gazlar bilan birlashtirib hosil boʻladi. Inversiya populyatsiyasiga osongina erishiladi, chunki bazaviy darajadagi molekulalar soni hayajonlanganga nisbatan juda kichik. Lazerning ishlash printsipi, qisqasi, bog'langan qo'zg'aluvchan elektron holatdan dissotsiativ asosiy holatga o'tishdir. Asosiy holatdagi populyatsiya har doim past darajada qoladi, chunki bu vaqtda molekulalar atomlarga ajraladi.
Lazerlarning qurilmasi va ishlash printsipi shundan iboratki, tushirish trubkasi galogenid (F2) va noyob tuproq gazi (Ar) aralashmasi bilan to'ldirilgan. Undagi elektronlar galogenid molekulalarini dissotsiatsiyalaydi va ionlashtiradi va manfiy zaryadlangan ionlarni hosil qiladi. Musbat ionlar Ar+ va manfiy F- reaksiyaga kirishadi va birinchi qo’zg’algan bog’langan holatda ArF molekulalarini hosil qiladi, keyinchalik ular itaruvchi bazaviy holatga o’tadi va hosil bo’ladi. kogerent nurlanish. Biz hozir ko'rib chiqayotgan eksimer lazer, ishlash printsipi va qo'llanilishi nasos uchun ishlatilishi mumkinbo'yoqlarda faol vosita.
Suyuq lazer
Qattiq jismlarga nisbatan suyuqliklar bir hil va faol atomlarning zichligi gazlarga qaraganda yuqoriroqdir. Bunga qo'shimcha ravishda, ularni ishlab chiqarish oson, issiqlikning oson tarqalishiga imkon beradi va osongina almashtirilishi mumkin. Lazerning ishlash printsipi DCM (4-disiyanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminotiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben va boshqalar kabi faol muhit sifatida organik bo'yoqlardan foydalanishdir…, tegishli erituvchida eritiladi. Bo'yoq molekulalarining eritmasi to'lqin uzunligi yaxshi yutilish koeffitsientiga ega bo'lgan nurlanish bilan qo'zg'atiladi. Lazerning ishlash printsipi, qisqasi, floresan deb ataladigan uzunroq to'lqin uzunligida hosil qilishdir. Yutilgan energiya va chiqarilgan fotonlar o'rtasidagi farq radiatsiyaviy bo'lmagan energiya o'tishlari uchun ishlatiladi va tizimni isitadi.
Suyuq kvant generatorlarining kengroq floresan diapazoni o'ziga xos xususiyatga ega - to'lqin uzunligini sozlash. Ushbu turdagi lazerning ishlash printsipi va sozlanishi va izchil yorug'lik manbai sifatida foydalanish spektroskopiya, golografiya va biotibbiyotda tobora muhim ahamiyat kasb etmoqda.
Yaqinda izotoplarni ajratish uchun boʻyoq kvant generatorlari qoʻllanila boshlandi. Bunday holda, lazer ulardan birini tanlab qo'zg'atadi va ularni kimyoviy reaksiyaga kirishishga undaydi.
