Физикасы Планктын нурлануу мыйзамына негизделген лазердин биринчи принциби 1917-жылы Эйнштейн тарабынан теориялык жактан негизделген. Ал ыктымалдык коэффициенттерин (Эйнштейн коэффициенттери) колдонуу менен жутулууну, өзүнөн-өзү жана стимулдаштырылган электромагниттик нурланууну сүрөттөгөн.
Пионерлер
Теодор Мейман биринчи болуп 694 нм толкун узундугу менен импульстук когеренттүү нурланууну пайда кылган флеш лампа менен синтетикалык рубинди оптикалык насостоого негизделген рубин лазеринин иштөө принцибин көрсөткөн.
1960-жылы ирандык окумуштуулар Джаван жана Беннетт 1:10 аралашмасы менен He жана Ne газдарынын биринчи газ квант генераторун түзүшкөн.
1962-жылы RN Холл 850 нм толкун узундугундагы биринчи галлий арсениди (GaAs) диоддук лазерди көрсөткөн. Ошол жылдын аягында Ник Голоняк биринчи жарым өткөргүчтө көрүнүүчү жарык квант генераторун иштеп чыкты.
Лазерлердин конструкциясы жана иштөө принциби
Ар бир лазер системасы жайгаштырылган активдүү чөйрөдөн туратбири тунук болгон оптикалык параллелдүү жана өтө чагылдыруучу күзгүлөрдүн бир түгөйү менен аны сордурууга энергия булагы ортосунда. Күчөтүү чөйрөсү катуу, суюк же газ болушу мүмкүн, ал электрдик же оптикалык насос менен стимулданган эмиссия аркылуу өткөн жарык толкунунун амплитудасын күчөтүү касиетине ээ. Зат жуп күзгүлөрдүн ортосуна аларда чагылышкан жарык ар бир жолу ал аркылуу өтүп, олуттуу күчөшүнө жеткенде тунук күзгүгө өтө тургандай жайгаштырылат.
Эки деңгээлдүү чөйрө
Атомдору эки гана энергетикалык деңгээлге ээ болгон активдүү чөйрөсү бар лазердин иштөө принцибин карап көрөлү: толкунданган E2 жана негизги E1 . Эгерде атомдор кандайдыр бир насостук механизм (оптикалык, электрдик разряд, ток өткөрүү же электрондук бомбалоо) менен E2 абалына козголсо, анда бир нече наносекунддан кийин алар фотондорду чыгарып, жер абалына кайтып келишет. энергиянын hν=E 2 - E1. Эйнштейндин теориясы боюнча, эмиссия эки башка жол менен өндүрүлөт: же фотон тарабынан индукцияланат, же өзүнөн-өзү пайда болот. Биринчи учурда, стимулдаштырылган эмиссия, ал эми экинчисинде, өзүнөн-өзү пайда болот. Жылуулук тең салмактуулугунда стимулданган эмиссиянын ыктымалдыгы стихиялуу эмиссияга караганда бир топ төмөн (1:1033), андыктан кадимки жарык булактарынын көбү когеренттүү эмес жана лазердик генерация жылуулуктан башка шарттарда мүмкүн тең салмактуулук.
Өтө күчтүү болсо данасостук, эки деңгээлдүү системалардын калкы бирдей болушу мүмкүн. Ошондуктан, оптикалык же башка насостук ыкмалар менен популяциянын инверсиясына жетишүү үчүн үч же төрт деңгээлдүү системалар талап кылынат.
Көп деңгээлдүү системалар
Үч деңгээлдүү лазердин принциби кандай? ν02 жыштыгынын интенсивдүү жарыгы менен нурлануу E0 эң төмөнкү энергия деңгээлинен E көп сандагы атомдорду айдайт. 2. Атомдордун E2 дан E1 га нурланбаган өтүшү E1 менен E ортосундагы популяциялык инверсияны орнотот. 0 , бул иш жүзүндө атомдор узак убакыт бою метастабилдүү абалда болгондо гана мүмкүн E1, жана E2 өтүү– E 1 ылдам баратат. Үч деңгээлдүү лазердин иштөө принциби бул шарттарды аткаруу болуп саналат, анын аркасында E0 жана E1 ортосунда популяциянын инверсиясы ишке ашат жана фотондор энергия менен күчөйт E 1-E0 индукцияланган эмиссия. E2 кененирээк деңгээли эффективдүү насостоо үчүн толкун узундугун жутуу диапазонун көбөйтүшү мүмкүн, натыйжада стимулданган эмиссия көбөйөт.
Үч деңгээлдүү система өтө жогорку насостун күчүн талап кылат, анткени генерацияга катышкан төмөнкү деңгээл негизги болуп саналат. Бул учурда популяциянын инверсиясы болушу үчүн атомдордун жалпы санынын жарымынан көбү E1 абалына айдалышы керек. Муну менен энергия текке кетет. насостук кубаттуулугу олуттуу болушу мүмкүнтөмөнкү муундун деңгээли эң аз дегенде төрт деңгээлдүү системаны талап кылган базалык эмес болсо, төмөндөйт.
Активдүү заттын мүнөзүнө жараша лазерлер үч негизги категорияга бөлүнөт, атап айтканда, катуу, суюк жана газ. 1958-жылдан бери, рубин кристаллында ласинг биринчи жолу байкалгандан бери, илимпоздор жана изилдөөчүлөр ар бир категориядагы ар кандай материалдарды изилдеп келишкен.
Катуу абалдагы лазер
Иштөө принциби активдүү чөйрөнү колдонууга негизделген, ал изоляциялоочу кристалл торчосуна өтүү тобунун металлын кошуу менен түзүлөт (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, ж.б.), сейрек кездешүүчү жер иондору (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Хо+3 , Er +3, Yb+3 ж.б.) жана U+3 сыяктуу актиниддер. Иондордун энергетикалык деңгээли генерация үчүн гана жооптуу. Негизги материалдын физикалык касиеттери, мисалы, жылуулук өткөрүмдүүлүк жана жылуулук кеңейүү лазердин эффективдүү иштеши үчүн абдан маанилүү. Кошулган иондун айланасында торчо атомдорунун жайгашуусу анын энергетикалык деңгээлин өзгөртөт. Активдүү чөйрөдө генерациянын ар кандай толкун узундуктары ар кандай материалдарды бир эле ион менен аралаштыруу аркылуу жетишилет.
Голмиум лазери
Катуу абалдагы лазердин мисалы – кванттык генератор, мында гольмий кристалл торчосунун негизги затынын атомун алмаштырат. Ho: YAG - эң мыкты муундун материалдарынын бири. Гольмий лазеринин иштөө принциби иттрий алюминий гранаты гольмий иондору менен аралаштырылып, оптикалык түрдө флэш лампа менен сордурулуп, 2097 нм толкун узундугунда IR диапазонунда чыгарылат, ал кыртыштарга жакшы сиңет. Бул лазер муундардагы операцияларда, тиштерди дарылоодо, рак клеткаларын, бөйрөктөгү жана өттөгү таштарды буулантууда колдонулат.
Жарым өткөргүчтүн квант генератору
Кванттык скважина лазерлери кымбат эмес, массалык түрдө өндүрүлөт жана оңой масштабдалат. Жарым өткөргүч лазердин иштөө принциби светодиоддорго окшош оң тенденцияда алып жүрүүчү рекомбинациялоо жолу менен белгилүү бир толкун узундуктагы жарыкты пайда кылган p-n өтүүчү диодду колдонууга негизделген. LED өзүнөн-өзү чыгат, ал эми лазердик диоддор - аргасыз. Популяциянын инверсия шартын аткаруу үчүн иштөө тогу босого мааниден ашуусу керек. Жарым өткөргүч диоддун активдүү чөйрөсү эки өлчөмдүү катмардан турган бириктирүүчү аймактын формасына ээ.
Лазердин бул түрүнүн иштөө принциби термелүүлөрдү кармап туруу үчүн эч кандай тышкы күзгү талап кылынбайт. Бул үчүн катмарлардын сынуу көрсөткүчү жана активдүү чөйрөнүн ички чагылышы менен түзүлгөн чагылтуу жетиштүү. Диоддордун акыркы беттери чиптелген, бул чагылдыруучу беттердин параллелдүү болушун камсыз кылат.
Бир типтеги жарым өткөргүч материалдардан түзүлүүчү байланыш гомотушуу, ал эми эки башканын кошулушу аркылуу түзүлгөн байланыш деп аталат.гетероошуу.
П- жана n-типтүү алып жүрүүчү тыгыздыгы бар жарым өткөргүчтөр өтө жука (≈1 мкм) түгөнүүчү катмары бар p-n түйүнүн түзөт.
Газ лазер
Иштөө принциби жана лазердин бул түрүн колдонуу дээрлик бардык кубаттуулуктагы (милливатттан мегаваттка чейин) жана толкун узундуктагы (УК-тан IRге чейин) түзүлүштөрдү түзүүгө мүмкүндүк берет жана импульстук жана үзгүлтүксүз режимдерде иштөөгө мүмкүндүк берет.. Активдүү чөйрөнүн табиятына жараша газ квант генераторлорунун үч түрү бар, атап айтканда атомдук, иондук жана молекулалык.
Көпчүлүк газ лазерлери электр разряды менен сордурулат. Разряд түтүкчөсүндөгү электрондор электроддордун ортосундагы электр талаасынын таасири менен ылдамдалат. Алар активдүү чөйрөнүн атомдору, иондору же молекулалары менен кагылышып, популяциялык инверсия жана стимулдаштырылган эмиссия абалына жетүү үчүн жогорку энергия деңгээлине өтүүнү индукциялайт.
Молекулярдык лазер
Лазердин иштөө принциби обочолонгон атомдордон жана иондордон айырмаланып, атомдук жана иондук квант генераторлорундагы молекулалар дискреттик энергетикалык деңгээлдеринин кеңири энергетикалык тилкелерине ээ экендигине негизделген. Андан тышкары, ар бир электрондук энергия деңгээли көп сандагы термелүү деңгээлге ээ жана алар өз кезегинде бир нече айлануу деңгээлге ээ.
Электрондук энергия деңгээлдеринин ортосундагы энергия спектрдин UV жана көрүнүүчү аймактарында, ал эми титирөө-айлануу деңгээлдеринин ортосунда - алыскы жана жакынкы IRдеаймактар. Ошентип, көпчүлүк молекулярдык квант генераторлору алыскы же жакынкы инфракызыл аймактарда иштешет.
Эксимер лазерлери
Эксимерлер - бул бөлүнгөн негизги абалга ээ жана биринчи деңгээлде туруктуу болгон ArF, KrF, XeCl сыяктуу молекулалар. Лазердин иштөө принциби төмөнкүдөй. Эреже катары, негизги абалындагы молекулалардын саны аз, ошондуктан негизги абалдан түз сордуруу мүмкүн эмес. Молекулалар биринчи толкунданган электрондук абалда жогорку энергиялуу галогениддерди инерттүү газдар менен бириктирип пайда болот. Инверсиянын популяциясына оңой жетүүгө болот, анткени базалык деңгээлдеги молекулалардын саны толкунданганга салыштырмалуу өтө аз. Лазердин иштөө принциби, кыскача айтканда, байланышкан толкунданган электрондук абалдан диссоциацияланган негизги абалга өтүү. Негизги абалдагы популяция ар дайым төмөн деңгээлде кала берет, анткени бул учурда молекулалар атомдорго ажырайт.
Лазерлердин түзүлүшү жана иштөө принциби разряддык түтүк галогенид (F2) жана сейрек кездешүүчү газдын (Ar) аралашмасы менен толтурулганында. Андагы электрондор галогениддердин молекулаларын диссоциациялап, иондоштуруп, терс заряддуу иондорду жаратат. Ar++ жана терс F- иондору реакцияга киришет жана биринчи дүүлүктүрүлгөн байланган абалда ArF молекулаларын пайда кылышат жана алардын кийинки түртүүчү базалык абалына өтүшү жана когеренттүү нурлануу. Эксимердик лазер, иштөө принциби жана колдонулушу биз азыр карап жатабыз, насос үчүн колдонсо болотбоёктордогу активдүү чөйрө.
Суюк Лазер
Катуу заттарга салыштырмалуу суюктуктар бир тектүү жана газдарга караганда активдүү атомдорунун тыгыздыгы жогору. Мындан тышкары, алар өндүрүү үчүн жеңил болуп саналат, жеңил жылуулук таркатууга мүмкүндүк берет жана жонокой алмаштырылышы мүмкүн. Лазердин иштөө принциби органикалык боёкторду активдүү чөйрө катары колдонуу, мисалы DCM (4-дицианомилен-2-метил-6-п-диметиламинотирил-4Н-пиран), родамин, стирил, LDS, кумарин, стилбен ж…, тиешелүү эриткичте эрийт. Боёктун молекулаларынын эритмеси толкун узундугу жакшы жутуу коэффициентине ээ болгон нурлануу менен дүүлүктүрүлөт. Лазердин иштөө принциби, кыскача айтканда, флуоресценция деп аталган узунураак толкун узундугунда жаратуу. Жутулган энергия менен эмиссияланган фотондордун ортосундагы айырма радиациялык эмес энергиянын өтүүсүндө колдонулат жана системаны ысытат.
Суюк квант генераторлорунун кененирээк флуоресценттик диапазону уникалдуу өзгөчөлүккө ээ - толкун узундугун тууралоо. Иштөө принциби жана лазердин бул түрүн жөндөөчү жана когеренттүү жарык булагы катары колдонуу спектроскопияда, голографияда жана биомедициналык колдонмолордо барган сайын маанилүү болуп баратат.
Жакында боёктун квант генераторлору изотопторду бөлүү үчүн колдонула баштады. Бул учурда лазер алардын бирин тандап дүүлүктүрүп, аларды химиялык реакцияга түртөт.
