Prvý princíp lasera, ktorého fyzika bola založená na Planckovom zákone žiarenia, teoreticky podložil Einstein v roku 1917. Popísal absorpciu, spontánne a stimulované elektromagnetické žiarenie pomocou koeficientov pravdepodobnosti (Einsteinove koeficienty).
Pionieri
Theodor Meiman ako prvý predviedol princíp fungovania rubínového lasera založeného na optickom čerpaní syntetického rubínu zábleskovou lampou, ktorá produkovala pulzné koherentné žiarenie s vlnovou dĺžkou 694 nm.
V roku 1960 iránski vedci Javan a Bennett vytvorili prvý plynový kvantový generátor s použitím zmesi plynov He a Ne v pomere 1:10.
V roku 1962 RN Hall predviedol prvý gálium arzenidový (GaAs) diódový laser vyžarujúci na vlnovej dĺžke 850 nm. Neskôr toho roku Nick Golonyak vyvinul prvý polovodičový kvantový generátor viditeľného svetla.
Konštrukcia a princíp činnosti laserov
Každý laserový systém pozostáva z umiestneného aktívneho médiamedzi dvojicou opticky paralelných a vysoko reflexných zrkadiel, z ktorých jedno je priesvitné, a zdrojom energie na jeho čerpanie. Amplifikačným médiom môže byť pevná látka, kvapalina alebo plyn, ktorý má tú vlastnosť, že zosilňuje amplitúdu svetelnej vlny, ktorá ním prechádza, stimulovanou emisiou s elektrickým alebo optickým čerpaním. Látka je umiestnená medzi párom zrkadiel tak, že svetlo, ktoré sa v nich odráža, ňou zakaždým prechádza a po dosiahnutí výrazného zosilnenia prenikne cez priesvitné zrkadlo.
Dvojúrovňové prostredia
Uvažujme o princípe fungovania lasera s aktívnym prostredím, ktorého atómy majú iba dve energetické úrovne: excitovanú E2 a základnú E1 . Ak sú atómy excitované do stavu E2 akýmkoľvek pumpovacím mechanizmom (optickým, elektrickým výbojom, prenosom prúdu alebo bombardovaním elektrónmi), potom sa po niekoľkých nanosekundách vrátia do základnej polohy a emitujú fotóny. energie hν=E 2 - E1. Podľa Einsteinovej teórie je emisia produkovaná dvoma rôznymi spôsobmi: buď je indukovaná fotónom, alebo k nej dochádza spontánne. V prvom prípade dochádza k stimulovanej emisii a v druhom k spontánnej emisii. Pri tepelnej rovnováhe je pravdepodobnosť stimulovanej emisie oveľa nižšia ako spontánnej emisie (1:1033), takže väčšina konvenčných svetelných zdrojov je nekoherentná a generovanie lasera je možné aj v iných podmienkach, ako sú tepelné rovnováha.
Dokonca aj pri veľmi silnýchčerpanie, populáciu dvojúrovňových systémov možno len vyrovnať. Preto sú na dosiahnutie inverzie populácie optickými alebo inými metódami čerpania potrebné troj- alebo štvorúrovňové systémy.
Viacúrovňové systémy
Aký je princíp trojúrovňového lasera? Ožarovanie intenzívnym svetlom s frekvenciou ν02 pumpuje veľké množstvo atómov z najnižšej energetickej hladiny E0 na najvyššiu energetickú hladinu E 2. Nežiarivý prechod atómov z E2 na E1 vytvára populačnú inverziu medzi E1 a E 0 , čo je v praxi možné len vtedy, keď sú atómy dlhodobo v metastabilnom stave E1, a prechod z E2do E 1 ide rýchlo. Princípom činnosti trojúrovňového lasera je splnenie týchto podmienok, vďaka ktorým medzi E0 a E1 dochádza k inverzii populácie a fotónom sú zosilnené energiou E 1-E0 indukovanou emisiou. Širšia úroveň E2 by mohla zvýšiť rozsah absorpcie vlnovej dĺžky pre efektívnejšie čerpanie, čo by viedlo k zvýšeniu stimulovanej emisie.
Trojúrovňový systém vyžaduje veľmi vysoký výkon čerpadla, pretože nižšia úroveň zapojená do výroby je základná. V tomto prípade, aby došlo k inverzii populácie, musí byť viac ako polovica celkového počtu atómov prečerpaná do stavu E1. Pri tom dochádza k plytvaniu energiou. Čerpací výkon môže byť výraznýznížiť, ak úroveň nižšej generácie nie je základná, čo si vyžaduje aspoň štvorúrovňový systém.
V závislosti od povahy účinnej látky sa lasery delia do troch hlavných kategórií, a to na pevné, kvapalné a plynné. Od roku 1958, keď bol laser prvýkrát pozorovaný v rubínovom kryštáli, vedci a výskumníci študovali širokú škálu materiálov v každej kategórii.
Solid State Laser
Princíp činnosti je založený na použití aktívneho média, ktoré vzniká pridaním kovu prechodovej skupiny do izolačnej kryštálovej mriežky (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 atď.), ióny vzácnych zemín (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 atď.) a aktinidy ako U+3. Energetické hladiny iónov sú zodpovedné len za tvorbu. Fyzikálne vlastnosti základného materiálu, ako je tepelná vodivosť a tepelná rozťažnosť, sú nevyhnutné pre efektívnu prevádzku lasera. Usporiadanie mriežkových atómov okolo dopovaného iónu mení jeho energetické hladiny. Rôzne vlnové dĺžky generovania v aktívnom médiu sa dosahujú dopovaním rôznych materiálov rovnakým iónom.
Holmium laser
Príkladom pevnolátkového lasera je kvantový generátor, v ktorom holmium nahrádza atóm základnej látky kryštálovej mriežky. Ho:YAG je jedným z najlepších materiálov generácie. Princíp činnosti holmiového lasera spočíva v tom, že ytriový hliníkový granát je dopovaný holmiovými iónmi, opticky čerpaný zábleskovou lampou a vyžaruje pri vlnovej dĺžke 2097 nm v IR oblasti, ktorá je dobre absorbovaná tkanivami. Tento laser sa používa na operácie kĺbov, pri liečbe zubov, na odparovanie rakovinových buniek, obličkových a žlčníkových kameňov.
Polovodičový kvantový generátor
Kvantové vrtné lasery sú lacné, masovo vyrábané a ľahko škálovateľné. Princíp činnosti polovodičového lasera je založený na použití p-n prechodovej diódy, ktorá produkuje svetlo určitej vlnovej dĺžky rekombináciou nosiča pri kladnom predpätí, podobne ako LED diódy. LED vyžarujú spontánne a laserové diódy - nútené. Na splnenie podmienky inverzie populácie musí prevádzkový prúd prekročiť prahovú hodnotu. Aktívne médium v polovodičovej dióde má tvar spojovacej oblasti dvoch dvojrozmerných vrstiev.
Princíp činnosti tohto typu lasera je taký, že na udržiavanie oscilácií nie je potrebné žiadne vonkajšie zrkadlo. Na tento účel postačuje odrazivosť vytvorená indexom lomu vrstiev a vnútorným odrazom aktívneho prostredia. Koncové plochy diód sú čipované, čo zaisťuje, že odrazové plochy sú rovnobežné.
Spojenie tvorené polovodičovými materiálmi rovnakého typu sa nazýva homojunkcia a spojenie vytvorené spojením dvoch rôznych tzv.heteroprechod.
Polovodiče typu P a n s vysokou hustotou nosiča tvoria p-n prechod s veľmi tenkou (≈1 µm) vrstvou ochudobnenia.
Plynový laser
Princíp činnosti a použitie tohto typu lasera vám umožňuje vytvárať zariadenia takmer akéhokoľvek výkonu (od miliwattov po megawatty) a vlnových dĺžok (od UV po IR) a umožňuje vám pracovať v pulzných a kontinuálnych režimoch. Na základe povahy aktívnych médií existujú tri typy plynových kvantových generátorov, a to atómové, iónové a molekulárne.
Väčšina plynových laserov je čerpaná elektrickým výbojom. Elektróny vo výbojke sú urýchľované elektrickým poľom medzi elektródami. Zrážajú sa s atómami, iónmi alebo molekulami aktívneho média a vyvolávajú prechod na vyššie energetické hladiny, aby sa dosiahol stav populácie inverzie a stimulovanej emisie.
Molekulárny laser
Princíp činnosti lasera je založený na skutočnosti, že na rozdiel od izolovaných atómov a iónov majú molekuly v atómových a iónových kvantových generátoroch široké energetické pásma diskrétnych energetických hladín. Navyše, každá úroveň elektronickej energie má veľký počet vibračných úrovní a tie zase majú niekoľko rotačných úrovní.
Energia medzi úrovňami elektronickej energie je v UV a viditeľnej oblasti spektra, zatiaľ čo medzi vibračno-rotačnými úrovňami - vo vzdialenom a blízkom IRoblasti. Väčšina molekulárnych kvantových generátorov teda pracuje vo vzdialených alebo blízkych infračervených oblastiach.
Excimerové lasery
Exciméry sú molekuly ako ArF, KrF, XeCl, ktoré majú oddelený základný stav a sú stabilné na prvej úrovni. Princíp činnosti lasera je nasledujúci. Počet molekúl v základnom stave je spravidla malý, takže priame čerpanie zo základného stavu nie je možné. Molekuly sa tvoria v prvom excitovanom elektrónovom stave spojením vysokoenergetických halogenidov s inertnými plynmi. Populácia inverzie sa dá ľahko dosiahnuť, pretože počet molekúl na základnej úrovni je príliš malý v porovnaní s excitovanou. Princíp činnosti lasera je v skratke prechod z viazaného excitovaného elektronického stavu do disociatívneho základného stavu. Populácia v základnom stave vždy zostáva na nízkej úrovni, pretože molekuly v tomto bode disociujú na atómy.
Zariadenie a princíp činnosti laserov spočíva v tom, že výbojová trubica je naplnená zmesou halogenidu (F2) a plynu vzácnych zemín (Ar). Elektróny v ňom disociujú a ionizujú molekuly halogenidov a vytvárajú záporne nabité ióny. Pozitívne ióny Ar+ a negatívne F- reagujú a produkujú molekuly ArF v prvom excitovanom viazanom stave s ich následným prechodom do odpudivého základného stavu a generovaním koherentné žiarenie. Na pumpovanie je možné použiť excimerový laser, ktorého princíp činnosti a aplikáciu teraz zvažujemeaktívne médium na farbivách.
Tekutý laser
V porovnaní s pevnými látkami sú kvapaliny homogénnejšie a majú vyššiu hustotu aktívnych atómov ako plyny. Okrem toho sa ľahko vyrábajú, umožňujú ľahký odvod tepla a možno ich jednoducho vymeniť. Princíp činnosti lasera spočíva v použití organických farbív ako aktívneho média, ako je DCM (4-dikyanometylén-2-metyl-6-p-dimetylaminostyryl-4H-pyrán), rodamín, styryl, LDS, kumarín, stilbén atď. rozpustené vo vhodnom rozpúšťadle. Roztok molekúl farbiva je excitovaný žiarením, ktorého vlnová dĺžka má dobrý absorpčný koeficient. Princíp činnosti lasera je v skratke generovať na dlhšej vlnovej dĺžke, nazývanej fluorescencia. Rozdiel medzi absorbovanou energiou a emitovanými fotónmi je využívaný nežiarivými energetickými prechodmi a zahrievaním systému.
Širšie fluorescenčné pásmo kvapalných kvantových generátorov má jedinečnú vlastnosť - ladenie vlnovej dĺžky. Princíp činnosti a využitie tohto typu lasera ako laditeľného a koherentného svetelného zdroja sa stáva čoraz dôležitejším v spektroskopii, holografii a biomedicínskych aplikáciách.
V poslednej dobe sa na separáciu izotopov používajú kvantové generátory farbív. V tomto prípade laser selektívne excituje jeden z nich, čím ho prinúti vstúpiť do chemickej reakcie.
