Prinsip pertama laser, yang fiziknya berdasarkan hukum sinaran Planck, secara teorinya dibuktikan oleh Einstein pada tahun 1917. Beliau menerangkan penyerapan, sinaran elektromagnet spontan dan dirangsang menggunakan pekali kebarangkalian (pekali Einstein).
Perintis
Theodor Meiman ialah orang pertama yang menunjukkan prinsip operasi laser delima berdasarkan pengepaman optik delima sintetik dengan lampu kilat, yang menghasilkan sinaran koheren berdenyut dengan panjang gelombang 694 nm.
Pada tahun 1960, saintis Iran Javan dan Bennett mencipta penjana kuantum gas pertama menggunakan campuran 1:10 gas He dan Ne.
Pada tahun 1962, RN Hall telah menunjukkan pemancaran laser diod galium arsenide (GaAs) pertama pada panjang gelombang 850 nm. Lewat tahun itu, Nick Golonyak membangunkan penjana kuantum cahaya nampak semikonduktor pertama.
Reka bentuk dan prinsip operasi laser
Setiap sistem laser terdiri daripada medium aktif yang diletakkanantara sepasang cermin optik selari dan sangat pemantul, salah satunya adalah lut sinar, dan sumber tenaga untuk mengepamnya. Medium penguatan boleh menjadi pepejal, cecair atau gas, yang mempunyai sifat menguatkan amplitud gelombang cahaya yang melaluinya melalui pelepasan yang dirangsang dengan pengepaman elektrik atau optik. Bahan diletakkan di antara sepasang cermin sedemikian rupa sehingga cahaya yang dipantulkan di dalamnya melaluinya setiap kali dan, setelah mencapai penguatan yang ketara, menembusi cermin lut sinar.
Persekitaran dua peringkat
Mari kita pertimbangkan prinsip operasi laser dengan medium aktif, atomnya hanya mempunyai dua tahap tenaga: teruja E2 dan asas E1 . Jika atom teruja ke keadaan E2 melalui sebarang mekanisme pengepaman (optik, nyahcas elektrik, penghantaran arus atau pengeboman elektron), maka selepas beberapa nanosaat ia akan kembali ke kedudukan tanah, memancarkan foton tenaga hν=E 2 - E1. Menurut teori Einstein, pelepasan dihasilkan dalam dua cara berbeza: sama ada ia disebabkan oleh foton, atau ia berlaku secara spontan. Dalam kes pertama, pelepasan dirangsang berlaku, dan dalam kes kedua, pelepasan spontan. Pada keseimbangan terma, kebarangkalian pelepasan rangsangan adalah jauh lebih rendah daripada pelepasan spontan (1:1033), jadi kebanyakan sumber cahaya konvensional tidak koheren, dan penjanaan laser mungkin dalam keadaan selain daripada terma keseimbangan.
Walaupun dengan sangat kuatmengepam, populasi sistem dua peringkat hanya boleh dibuat sama. Oleh itu, sistem tiga atau empat peringkat diperlukan untuk mencapai penyongsangan populasi melalui kaedah pengepaman optik atau lain-lain.
Sistem berbilang peringkat
Apakah prinsip laser tiga peringkat? Penyinaran dengan cahaya intens frekuensi ν02 mengepam sejumlah besar atom dari tahap tenaga terendah E0 ke tahap tenaga tertinggi E 2. Peralihan bukan sinaran atom daripada E2 kepada E1 mewujudkan penyongsangan populasi antara E1 dan E 0 , yang dalam praktiknya hanya mungkin apabila atom berada dalam keadaan metastabil untuk jangka masa yang lama E1, dan peralihan daripada E2hingga E 1 berjalan dengan pantas. Prinsip operasi laser tiga peringkat adalah untuk memenuhi syarat-syarat ini, kerana antara E0 dan E1 penyongsangan populasi dicapai dan foton dikuatkan oleh tenaga E 1-E0 pelepasan teraruh. Tahap E2 yang lebih luas boleh meningkatkan julat penyerapan panjang gelombang untuk pengepaman yang lebih cekap, menghasilkan peningkatan dalam pelepasan yang dirangsang.
Sistem tiga peringkat memerlukan kuasa pam yang sangat tinggi, kerana tahap bawah yang terlibat dalam penjanaan adalah yang asas. Dalam kes ini, agar penyongsangan populasi berlaku, lebih separuh daripada jumlah bilangan atom mesti dipam ke keadaan E1. Dengan berbuat demikian, tenaga terbuang. Kuasa mengepam boleh menjadi ketaramenurun jika tahap generasi rendah bukan tahap asas, yang memerlukan sekurang-kurangnya sistem empat peringkat.
Bergantung kepada sifat bahan aktif, laser dibahagikan kepada tiga kategori utama, iaitu pepejal, cecair dan gas. Sejak 1958, apabila pengelasan pertama kali diperhatikan dalam kristal delima, saintis dan penyelidik telah mengkaji pelbagai jenis bahan dalam setiap kategori.
Laser Keadaan Pepejal
Prinsip operasi adalah berdasarkan penggunaan medium aktif, yang dibentuk dengan menambahkan logam kumpulan peralihan pada kekisi kristal penebat (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, dsb.), ion nadir bumi (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, dsb.), dan aktinida seperti U+3. Tahap tenaga ion hanya bertanggungjawab untuk penjanaan. Sifat fizikal bahan asas, seperti kekonduksian terma dan pengembangan haba, adalah penting untuk operasi laser yang cekap. Susunan atom kekisi di sekeliling ion terdop mengubah tahap tenaganya. Panjang gelombang penjanaan yang berbeza dalam medium aktif dicapai dengan mendopan bahan yang berbeza dengan ion yang sama.
Laser holmium
Contoh laser keadaan pepejal ialah penjana kuantum, di mana holmium menggantikan atom bahan asas kekisi kristal. Ho:YAG ialah salah satu bahan generasi terbaik. Prinsip operasi laser holmium ialah garnet aluminium yttrium didopkan dengan ion holmium, dipam secara optik oleh lampu kilat dan memancarkan pada panjang gelombang 2097 nm dalam julat IR, yang diserap dengan baik oleh tisu. Laser ini digunakan untuk pembedahan pada sendi, dalam rawatan gigi, untuk penyejatan sel kanser, buah pinggang dan batu karang.
Penjana kuantum semikonduktor
Laser telaga kuantum adalah murah, boleh dihasilkan secara besar-besaran dan mudah berskala. Prinsip operasi laser semikonduktor adalah berdasarkan penggunaan diod simpang p-n, yang menghasilkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu oleh penggabungan semula pembawa pada pincang positif, serupa dengan LED. LED memancarkan secara spontan, dan diod laser - dipaksa. Untuk memenuhi syarat penyongsangan populasi, arus operasi mesti melebihi nilai ambang. Medium aktif dalam diod semikonduktor mempunyai bentuk kawasan penyambung dua lapisan dua dimensi.
Prinsip operasi laser jenis ini adalah sedemikian rupa sehingga tiada cermin luar diperlukan untuk mengekalkan ayunan. Reflektif yang dicipta oleh indeks biasan lapisan dan pantulan dalaman medium aktif adalah mencukupi untuk tujuan ini. Permukaan hujung diod terkelupas, yang memastikan permukaan pemantulan selari.
Sambungan yang dibentuk oleh bahan semikonduktor dari jenis yang sama dipanggil homojunction, dan sambungan yang dibuat oleh sambungan dua yang berbeza dipanggilheterojunction.
P- dan semikonduktor jenis-n dengan ketumpatan pembawa tinggi membentuk persimpangan p-n dengan lapisan penyusutan yang sangat nipis (≈1 µm).
Laser gas
Prinsip operasi dan penggunaan jenis laser ini membolehkan anda mencipta peranti hampir semua kuasa (dari miliwatt ke megawatt) dan panjang gelombang (dari UV ke IR) dan membolehkan anda bekerja dalam mod berdenyut dan berterusan. Berdasarkan sifat media aktif, terdapat tiga jenis penjana kuantum gas, iaitu atom, ionik dan molekul.
Kebanyakan laser gas dipam dengan nyahcas elektrik. Elektron dalam tiub nyahcas dipercepatkan oleh medan elektrik antara elektrod. Ia berlanggar dengan atom, ion atau molekul medium aktif dan mendorong peralihan ke tahap tenaga yang lebih tinggi untuk mencapai keadaan populasi penyongsangan dan pelepasan yang dirangsang.
Laser Molekul
Prinsip operasi laser adalah berdasarkan fakta bahawa, tidak seperti atom dan ion terpencil, molekul dalam penjana kuantum atom dan ion mempunyai jalur tenaga yang luas pada tahap tenaga diskret. Selain itu, setiap tahap tenaga elektronik mempunyai sejumlah besar tahap getaran, dan tahap tersebut pula mempunyai beberapa tahap putaran.
Tenaga antara aras tenaga elektronik berada dalam kawasan UV dan spektrum yang boleh dilihat, manakala antara aras putaran getaran - dalam IR jauh dan dekatkawasan-kawasan. Oleh itu, kebanyakan penjana kuantum molekul beroperasi di kawasan inframerah jauh atau dekat.
Laser Excimer
Excimer ialah molekul seperti ArF, KrF, XeCl, yang mempunyai keadaan tanah yang terpisah dan stabil pada tahap pertama. Prinsip operasi laser adalah seperti berikut. Sebagai peraturan, bilangan molekul dalam keadaan dasar adalah kecil, jadi pengepaman terus dari keadaan dasar tidak mungkin. Molekul terbentuk dalam keadaan elektronik pertama yang teruja dengan menggabungkan halida bertenaga tinggi dengan gas lengai. Populasi penyongsangan mudah dicapai, kerana bilangan molekul pada tahap asas terlalu kecil berbanding dengan yang teruja. Prinsip operasi laser, secara ringkasnya, ialah peralihan daripada keadaan elektronik teruja terikat kepada keadaan dasar disosiatif. Populasi dalam keadaan dasar sentiasa kekal pada tahap yang rendah, kerana molekul pada ketika ini berpecah kepada atom.
Peranti dan prinsip operasi laser ialah tiub nyahcas diisi dengan campuran halida (F2) dan gas nadir bumi (Ar). Elektron di dalamnya mengasingkan dan mengionkan molekul halida dan mencipta ion bercas negatif. Ion positif Ar+ dan negatif F- bertindak balas dan menghasilkan molekul ArF dalam keadaan terikat teruja pertama dengan peralihan seterusnya kepada keadaan asas tolakan dan penjanaan sinaran koheren. Laser excimer, prinsip operasi dan aplikasi yang sedang kita pertimbangkan, boleh digunakan untuk mengepammedium aktif pada pewarna.
Laser Cecair
Berbanding dengan pepejal, cecair lebih homogen dan mempunyai ketumpatan atom aktif yang lebih tinggi daripada gas. Di samping itu, ia mudah untuk dihasilkan, membolehkan pelesapan haba mudah dan boleh diganti dengan mudah. Prinsip operasi laser adalah menggunakan pewarna organik sebagai medium aktif, seperti DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, dll.., dilarutkan dalam pelarut yang sesuai. Penyelesaian molekul pewarna teruja oleh sinaran yang panjang gelombangnya mempunyai pekali penyerapan yang baik. Prinsip operasi laser, secara ringkasnya, adalah untuk menjana pada panjang gelombang yang lebih panjang, dipanggil pendarfluor. Perbezaan antara tenaga yang diserap dan foton yang dipancarkan digunakan oleh peralihan tenaga bukan sinaran dan memanaskan sistem.
Jalur pendarfluor penjana kuantum cecair yang lebih luas mempunyai ciri unik - penalaan panjang gelombang. Prinsip pengendalian dan penggunaan jenis laser ini sebagai sumber cahaya yang boleh disesuaikan dan koheren menjadi semakin penting dalam aplikasi spektroskopi, holografi dan bioperubatan.
Baru-baru ini, penjana kuantum pewarna telah digunakan untuk pengasingan isotop. Dalam kes ini, laser secara selektif merangsang salah satu daripadanya, mendorong mereka untuk memasuki tindak balas kimia.
