Pierwsza zasada działania lasera, której fizyka opierała się na prawie promieniowania Plancka, została teoretycznie potwierdzona przez Einsteina w 1917 roku. Opisał absorpcję, spontaniczne i stymulowane promieniowanie elektromagnetyczne za pomocą współczynników prawdopodobieństwa (współczynników Einsteina).
Pionierzy
Theodor Meiman jako pierwszy zademonstrował zasadę działania lasera rubinowego opartego na optycznym pompowaniu syntetycznego rubinu za pomocą lampy błyskowej, która wytwarzała pulsacyjne spójne promieniowanie o długości fali 694 nm.
W 1960 r. irańscy naukowcy Javan i Bennett stworzyli pierwszy generator kwantowy wykorzystujący mieszaninę gazów He i Ne w stosunku 1:10.
W 1962 r. RN Hall zademonstrował pierwszy laser diodowy z arsenku galu (GaAs) emitujący fale o długości 850 nm. Później w tym samym roku Nick Golonyak opracował pierwszy półprzewodnikowy generator kwantowy światła widzialnego.
Budowa i zasada działania laserów
Każdy system laserowy składa się z aktywnego nośnika umieszczonegopomiędzy parą optycznie równoległych i wysoce odblaskowych luster, z których jedno jest przezroczyste, a źródłem energii do jego pompowania. Medium wzmacniające może być ciałem stałym, cieczą lub gazem, które mają właściwość wzmacniania amplitudy przechodzącej przez nie fali świetlnej poprzez emisję wymuszoną z pompowaniem elektrycznym lub optycznym. Substancja umieszczana jest pomiędzy parą luster w taki sposób, że odbijane w nich światło za każdym razem przechodzi przez nie i po osiągnięciu znacznego wzmocnienia przenika przez półprzezroczyste zwierciadło.
Środowiska dwupoziomowe
Rozważmy zasadę działania lasera z ośrodkiem aktywnym, którego atomy mają tylko dwa poziomy energii: wzbudzony E2 i podstawowy E1. Jeśli atomy zostaną wzbudzone do stanu E2 dowolnym mechanizmem pompującym (wyładowanie optyczne, wyładowanie elektryczne, transmisja prądu lub bombardowanie elektronami), to po kilku nanosekundach powrócą do pozycji gruntu, emitując fotony energii hν=E 2 - E1. Zgodnie z teorią Einsteina emisja powstaje na dwa różne sposoby: albo jest indukowana przez foton, albo zachodzi spontanicznie. W pierwszym przypadku następuje emisja wymuszona, aw drugim emisja spontaniczna. W równowadze termicznej prawdopodobieństwo emisji wymuszonej jest znacznie niższe niż emisji spontanicznej (1:1033), więc większość konwencjonalnych źródeł światła jest niespójna, a generacja lasera jest możliwa w warunkach innych niż termiczne równowaga.
Nawet z bardzo silnympompowania, populację systemów dwupoziomowych można zrównać tylko. Dlatego do osiągnięcia inwersji populacji za pomocą optycznych lub innych metod pompowania wymagane są systemy trzy- lub czteropoziomowe.
Systemy wielopoziomowe
Jaka jest zasada działania lasera trójpoziomowego? Napromienianie intensywnym światłem o częstotliwości ν02 pompuje dużą liczbę atomów od najniższego poziomu energii E0 do najwyższego poziomu energii E 2. Bezpromieniste przejście atomów z E2 do E1 ustanawia inwersję populacji między E1 i E 0 , co w praktyce jest możliwe tylko wtedy, gdy atomy są w stanie metastabilnym przez długi czas E1, i przejście z E2do E 1 idzie szybko. Zasada działania lasera trójpoziomowego polega na spełnieniu tych warunków, dzięki którym pomiędzy E0 a E1 uzyskuje się inwersję populacji i fotony są wzmacniane przez energię E 1-E0 indukowaną emisję. Szerszy poziom E2 może zwiększyć zakres absorpcji długości fali w celu wydajniejszego pompowania, powodując wzrost stymulowanej emisji.
Trzypoziomowy system wymaga bardzo dużej mocy pompy, ponieważ niższy poziom związany z wytwarzaniem jest poziomem podstawowym. W takim przypadku, aby nastąpiła inwersja populacji, ponad połowa całkowitej liczby atomów musi zostać przepompowana do stanu E1. W ten sposób marnuje się energia. Moc pompowania może być znaczniemaleć, jeśli niższy poziom generacji nie jest poziomem podstawowym, co wymaga systemu co najmniej czteropoziomowego.
W zależności od charakteru substancji czynnej, lasery dzielą się na trzy główne kategorie, a mianowicie: stałe, płynne i gazowe. Od 1958 roku, kiedy po raz pierwszy zaobserwowano laserowanie kryształu rubinu, naukowcy i badacze badali szeroką gamę materiałów w każdej kategorii.
Laser półprzewodnikowy
Zasada działania opiera się na wykorzystaniu ośrodka aktywnego, który powstaje przez dodanie metalu z grupy przejściowej do izolacyjnej sieci krystalicznej (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, itd.), jony ziem rzadkich (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, itd.) i aktynowce jak U+3. Poziomy energetyczne jonów odpowiadają tylko za wytwarzanie. Właściwości fizyczne materiału podstawowego, takie jak przewodność cieplna i rozszerzalność cieplna, mają zasadnicze znaczenie dla wydajnej pracy lasera. Ułożenie atomów sieci wokół domieszkowanego jonu zmienia jego poziomy energetyczne. Różne długości fal generowane w ośrodku aktywnym są osiągane przez domieszkowanie różnych materiałów tym samym jonem.
Laser holmowy
Przykładem lasera na ciele stałym jest generator kwantowy, w którym holm zastępuje atom podstawowej substancji sieci krystalicznej. Ho:YAG to jeden z najlepszych materiałów generacji. Zasada działania lasera holmowego polega na tym, że granat itrowo-aluminiowy jest domieszkowany jonami holmu, pompowany optycznie przez lampę błyskową i emitujący falę o długości 2097 nm w zakresie IR, która jest dobrze absorbowana przez tkanki. Laser ten jest używany do operacji na stawach, w leczeniu zębów, do odparowywania komórek rakowych, nerek i kamieni żółciowych.
Półprzewodnikowy generator kwantowy
Lasery do studni kwantowych są niedrogie, masowo produkowane i łatwo skalowalne. Zasada działania lasera półprzewodnikowego opiera się na zastosowaniu diody złącza p-n, która wytwarza światło o określonej długości fali w wyniku rekombinacji nośnika przy dodatnim naprężeniu, podobnie jak diody LED. Diody LED emitują spontanicznie, a diody laserowe - wymuszone. Aby spełnić warunek inwersji populacji, prąd roboczy musi przekraczać wartość progową. Medium aktywne w diodzie półprzewodnikowej ma postać obszaru łączącego dwóch dwuwymiarowych warstw.
Zasada działania tego typu lasera polega na tym, że do utrzymania oscylacji nie jest wymagane żadne zewnętrzne lustro. Do tego celu wystarcza współczynnik odbicia wytworzony przez współczynnik załamania warstw i wewnętrzne odbicie ośrodka aktywnego. Końcowe powierzchnie diod są wyszczerbione, co zapewnia, że powierzchnie odbijające są równoległe.
Połączenie utworzone przez materiały półprzewodnikowe tego samego typu nazywane jest homozłączem, a połączenie utworzone przez połączenie dwóch różnych jest nazywaneheterozłącze.
Półprzewodniki typu P i n o dużej gęstości nośnika tworzą złącze p-n z bardzo cienką (≈1 µm) warstwą zubożoną.
Laser gazowy
Zasada działania i zastosowanie tego typu lasera pozwala na tworzenie urządzeń o niemal dowolnej mocy (od miliwatów do megawatów) i długości fali (od UV do IR) oraz pozwala na pracę w trybie pulsacyjnym i ciągłym. W oparciu o naturę ośrodków aktywnych istnieją trzy typy generatorów kwantowych gazu, a mianowicie atomowe, jonowe i molekularne.
Większość laserów gazowych jest pompowana z wyładowaniem elektrycznym. Elektrony w rurze wyładowczej są przyspieszane przez pole elektryczne między elektrodami. Zderzają się z atomami, jonami lub cząsteczkami ośrodka aktywnego i indukują przejście na wyższe poziomy energii, aby osiągnąć stan inwersji populacji i stymulowanej emisji.
Laser molekularny
Zasada działania lasera opiera się na fakcie, że w przeciwieństwie do izolowanych atomów i jonów, cząsteczki w atomowych i jonowych generatorach kwantowych mają szerokie pasma energii o dyskretnych poziomach energii. Co więcej, każdy elektroniczny poziom energii ma dużą liczbę poziomów wibracyjnych, a te z kolei mają kilka poziomów rotacji.
Energia między poziomami energii elektronowej znajduje się w obszarze UV i widzialnym widmie, natomiast między poziomami wibracyjno-rotacyjnymi - w dalekiej i bliskiej podczerwieniobszary. Tak więc większość molekularnych generatorów kwantowych działa w obszarach dalekiej lub bliskiej podczerwieni.
Lasery ekscymerowe
Ekscymery to cząsteczki, takie jak ArF, KrF, XeCl, które mają oddzielny stan podstawowy i są stabilne na pierwszym poziomie. Zasada działania lasera jest następująca. Z reguły ilość cząsteczek w stanie podstawowym jest niewielka, więc bezpośrednie pompowanie ze stanu podstawowego nie jest możliwe. Cząsteczki powstają w pierwszym wzbudzonym stanie elektronowym przez połączenie wysokoenergetycznych halogenków z gazami obojętnymi. Populacja inwersji jest łatwa do osiągnięcia, ponieważ liczba cząsteczek na poziomie podstawowym jest zbyt mała w porównaniu do wzbudzonej. Krótko mówiąc, zasada działania lasera polega na przejściu od związanego wzbudzonego stanu elektronowego do dysocjacyjnego stanu podstawowego. Populacja w stanie podstawowym zawsze pozostaje na niskim poziomie, ponieważ cząsteczki w tym momencie dysocjują na atomy.
Urządzenie i zasada działania laserów polega na tym, że rura wyładowcza jest wypełniona mieszaniną halogenku (F2) i gazu ziem rzadkich (Ar). Znajdujące się w nim elektrony dysocjują i jonizują cząsteczki halogenków, tworząc jony naładowane ujemnie. Jony dodatnie Ar+ i ujemne F- reagują i wytwarzają cząsteczki ArF w pierwszym wzbudzonym stanie związanym z ich późniejszym przejściem do odpychającego stanu podstawowego i wygenerowaniem promieniowanie spójne. Laser excimerowy, którego zasadę działania i zastosowanie rozważamy teraz, może być używany do pompowaniaaktywne podłoże na barwniki.
Płynny laser
W porównaniu z ciałami stałymi ciecze są bardziej jednorodne i mają większą gęstość aktywnych atomów niż gazy. Poza tym są łatwe w produkcji, pozwalają na łatwe odprowadzanie ciepła i można je łatwo wymienić. Zasada działania lasera polega na wykorzystaniu jako ośrodka aktywnego barwników organicznych, takich jak DCM (4-dicyjanometyleno-2-metylo-6-p-dimetyloaminostyrylo-4H-piran), rodamina, styryl, LDS, kumaryna, stilben itp. …, rozpuszczony w odpowiednim rozpuszczalniku. Roztwór cząsteczek barwnika jest wzbudzany promieniowaniem, którego długość fali ma dobry współczynnik absorpcji. Krótko mówiąc, zasada działania lasera polega na generowaniu fali o większej długości, zwanej fluorescencją. Różnica między energią pochłoniętą a wyemitowanymi fotonami jest wykorzystywana przez niepromieniste przejścia energii i nagrzewa układ.
Szersze pasmo fluorescencji płynnych generatorów kwantowych ma unikalną cechę – dostrajanie długości fali. Zasada działania i wykorzystanie tego typu lasera jako przestrajalnego i spójnego źródła światła nabiera coraz większego znaczenia w spektroskopii, holografii i zastosowaniach biomedycznych.
Niedawno do separacji izotopów zastosowano generatory kwantowe barwników. W tym przypadku laser selektywnie wzbudza jedną z nich, zmuszając ją do wejścia w reakcję chemiczną.
