Η πρώτη αρχή του λέιζερ, του οποίου η φυσική βασίστηκε στο νόμο της ακτινοβολίας του Planck, τεκμηριώθηκε θεωρητικά από τον Αϊνστάιν το 1917. Περιέγραψε την απορρόφηση, την αυθόρμητη και διεγερμένη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας συντελεστές πιθανότητας (συντελεστές Αϊνστάιν).
Pioneers
Ο Theodor Meiman ήταν ο πρώτος που επέδειξε την αρχή λειτουργίας ενός ρουμπινιού λέιζερ που βασίζεται στην οπτική άντληση συνθετικού ρουμπίνι με μια λυχνία flash, η οποία παρήγαγε παλμική συνεκτική ακτινοβολία με μήκος κύματος 694 nm.
Το 1960, οι Ιρανοί επιστήμονες Javan και Bennett δημιούργησαν την πρώτη κβαντική γεννήτρια αερίου χρησιμοποιώντας ένα μείγμα αερίων He και Ne 1:10.
Το 1962, ο RN Hall παρουσίασε το πρώτο λέιζερ διόδου αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs) που εκπέμπει σε μήκος κύματος 850 nm. Αργότερα το ίδιο έτος, ο Nick Golonyak ανέπτυξε την πρώτη ημιαγωγική κβαντική γεννήτρια ορατού φωτός.
Σχεδιασμός και αρχή λειτουργίας των λέιζερ
Κάθε σύστημα λέιζερ αποτελείται από ένα ενεργό μέσο τοποθετημένομεταξύ ενός ζεύγους οπτικά παράλληλων και εξαιρετικά ανακλαστικών κατόπτρων, εκ των οποίων ο ένας είναι ημιδιαφανής, και μια πηγή ενέργειας για την άντλησή του. Το μέσο ενίσχυσης μπορεί να είναι στερεό, υγρό ή αέριο, το οποίο έχει την ιδιότητα να ενισχύει το πλάτος ενός κύματος φωτός που διέρχεται από αυτό με διεγερμένη εκπομπή με ηλεκτρική ή οπτική άντληση. Μια ουσία τοποθετείται ανάμεσα σε ένα ζευγάρι καθρέφτες με τέτοιο τρόπο ώστε το φως που ανακλάται σε αυτούς να περνά μέσα από αυτήν κάθε φορά και, έχοντας φτάσει σε σημαντική ενίσχυση, να διαπερνά έναν ημιδιαφανή καθρέφτη.
Περιβάλλοντα δύο επιπέδων
Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ με ένα ενεργό μέσο, τα άτομα του οποίου έχουν μόνο δύο ενεργειακά επίπεδα: διεγερμένο E2 και βασικό E1 . Εάν τα άτομα διεγείρονται στην κατάσταση E2 με οποιονδήποτε μηχανισμό άντλησης (οπτική, ηλεκτρική εκκένωση, μετάδοση ρεύματος ή βομβαρδισμός ηλεκτρονίων), τότε μετά από μερικά νανοδευτερόλεπτα θα επιστρέψουν στη θέση του εδάφους, εκπέμποντας φωτόνια ενέργειας hν=E 2 - E1. Σύμφωνα με τη θεωρία του Αϊνστάιν, η εκπομπή παράγεται με δύο διαφορετικούς τρόπους: είτε προκαλείται από ένα φωτόνιο είτε συμβαίνει αυθόρμητα. Στην πρώτη περίπτωση λαμβάνει χώρα διεγερμένη εκπομπή και στη δεύτερη αυθόρμητη εκπομπή. Σε θερμική ισορροπία, η πιθανότητα διεγερμένης εκπομπής είναι πολύ μικρότερη από την αυθόρμητη εκπομπή (1:1033), επομένως οι περισσότερες συμβατικές πηγές φωτός είναι ασυνάρτητες και η παραγωγή λέιζερ είναι δυνατή σε συνθήκες διαφορετικές από τη θερμική ισορροπία.
Ακόμη και με πολύ δυνατάάντλησης, ο πληθυσμός των συστημάτων δύο επιπέδων μπορεί να εξισωθεί μόνο. Επομένως, απαιτούνται συστήματα τριών ή τεσσάρων επιπέδων για την επίτευξη αναστροφής πληθυσμού με οπτικές ή άλλες μεθόδους άντλησης.
Πολυεπίπεδα συστήματα
Ποια είναι η αρχή του λέιζερ τριών επιπέδων; Ακτινοβολία με έντονο φως συχνότητας ν02 αντλεί μεγάλο αριθμό ατόμων από το χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο E0 έως το υψηλότερο επίπεδο ενέργειας E 2. Η μη ακτινοβολούμενη μετάβαση των ατόμων από E2 σε E1 δημιουργεί μια αντιστροφή πληθυσμού μεταξύ E1 και E 0 , το οποίο στην πράξη είναι δυνατό μόνο όταν τα άτομα βρίσκονται σε μετασταθερή κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα E1, και η μετάβαση από E2έως E 1 πηγαίνει γρήγορα. Η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ τριών επιπέδων είναι να πληροί αυτές τις προϋποθέσεις, λόγω των οποίων μεταξύ E0 και E1 επιτυγχάνεται αντιστροφή πληθυσμού και φωτονίων ενισχύονται με ενέργεια E 1-E0 επαγόμενη εκπομπή. Ένα ευρύτερο επίπεδο E2 θα μπορούσε να αυξήσει το εύρος απορρόφησης μήκους κύματος για πιο αποτελεσματική άντληση, με αποτέλεσμα την αύξηση της διεγερμένης εκπομπής.
Το σύστημα τριών επιπέδων απαιτεί πολύ υψηλή ισχύ αντλίας, καθώς το χαμηλότερο επίπεδο που εμπλέκεται στην παραγωγή είναι το βασικό. Σε αυτήν την περίπτωση, για να συμβεί η αντιστροφή πληθυσμού, περισσότερο από το ήμισυ του συνολικού αριθμού ατόμων πρέπει να αντληθεί στην κατάσταση E1. Με αυτόν τον τρόπο, σπαταλάται ενέργεια. Η ισχύς άντλησης μπορεί να είναι σημαντικάμειωθεί εάν το επίπεδο κατώτερης γενιάς δεν είναι το βασικό, το οποίο απαιτεί τουλάχιστον ένα σύστημα τεσσάρων επιπέδων.
Ανάλογα με τη φύση της δραστικής ουσίας, τα λέιζερ χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες, συγκεκριμένα, στερεά, υγρά και αέρια. Από το 1958, όταν το λέιζινγκ παρατηρήθηκε για πρώτη φορά σε κρύσταλλο ρουμπίνι, επιστήμονες και ερευνητές έχουν μελετήσει μια μεγάλη ποικιλία υλικών σε κάθε κατηγορία.
Λέιζερ στερεάς κατάστασης
Η αρχή λειτουργίας βασίζεται στη χρήση ενός ενεργού μέσου, το οποίο σχηματίζεται με την προσθήκη ενός μετάλλου ομάδας μετάπτωσης στο μονωτικό κρυσταλλικό πλέγμα (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, κ.λπ.), ιόντα σπανίων γαιών (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, κ.λπ.), και ακτινίδες όπως U+3. Τα επίπεδα ενέργειας των ιόντων είναι υπεύθυνα μόνο για την παραγωγή. Οι φυσικές ιδιότητες του υλικού βάσης, όπως η θερμική αγωγιμότητα και η θερμική διαστολή, είναι απαραίτητες για την αποτελεσματική λειτουργία του λέιζερ. Η διάταξη των ατόμων του πλέγματος γύρω από ένα ντοπαρισμένο ιόν αλλάζει τα ενεργειακά του επίπεδα. Διαφορετικά μήκη κύματος παραγωγής στο ενεργό μέσο επιτυγχάνονται με ντόπινγκ διαφορετικών υλικών με το ίδιο ιόν.
λέιζερ holmium
Ένα παράδειγμα λέιζερ στερεάς κατάστασης είναι μια κβαντική γεννήτρια, στην οποία το χόλμιο αντικαθιστά ένα άτομο της βασικής ουσίας του κρυσταλλικού πλέγματος. Το Ho:YAG είναι ένα από τα καλύτερα υλικά παραγωγής. Η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ ολμίου είναι ότι ο γρανάτης αλουμινίου υττρίου είναι εμποτισμένος με ιόντα ολμίου, αντλείται οπτικά από μια λυχνία flash και εκπέμπει σε μήκος κύματος 2097 nm στην περιοχή IR, το οποίο απορροφάται καλά από τους ιστούς. Αυτό το λέιζερ χρησιμοποιείται για επεμβάσεις στις αρθρώσεις, στη θεραπεία των δοντιών, για την εξάτμιση καρκινικών κυττάρων, νεφρών και χολόλιθων.
Κβαντική γεννήτρια ημιαγωγών
Τα λέιζερ κβαντικών πηγαδιών είναι φθηνά, παραγόμενα μαζικά και εύκολα επεκτάσιμα. Η αρχή της λειτουργίας ενός λέιζερ ημιαγωγών βασίζεται στη χρήση μιας διόδου σύνδεσης p-n, η οποία παράγει φως συγκεκριμένου μήκους κύματος με ανασυνδυασμό φορέα σε θετική πόλωση, παρόμοια με τα LED. Το LED εκπέμπει αυθόρμητα, και οι δίοδοι λέιζερ - αναγκαστικά. Για να εκπληρωθεί η συνθήκη αντιστροφής πληθυσμού, το ρεύμα λειτουργίας πρέπει να υπερβαίνει την τιμή κατωφλίου. Το ενεργό μέσο σε μια δίοδο ημιαγωγών έχει τη μορφή μιας περιοχής σύνδεσης δύο δισδιάστατων στρωμάτων.
Η αρχή λειτουργίας αυτού του τύπου λέιζερ είναι τέτοια που δεν απαιτείται εξωτερικός καθρέφτης για τη διατήρηση των ταλαντώσεων. Η ανακλαστικότητα που δημιουργείται από τον δείκτη διάθλασης των στρωμάτων και την εσωτερική ανάκλαση του ενεργού μέσου είναι επαρκής για το σκοπό αυτό. Οι ακραίες επιφάνειες των διόδων είναι πελεκημένες, γεγονός που διασφαλίζει ότι οι ανακλαστικές επιφάνειες είναι παράλληλες.
Μια σύνδεση που σχηματίζεται από ημιαγωγικά υλικά του ίδιου τύπου ονομάζεται ομοσύνδεση και μια σύνδεση που δημιουργείται από μια σύνδεση δύο διαφορετικών ονομάζεταιετεροσύνδεση.
Ημιαγωγοί τύπου P και n με υψηλή πυκνότητα φορέα σχηματίζουν μια διασταύρωση p-n με ένα πολύ λεπτό (≈1 μm) στρώμα εξάντλησης.
Λέιζερ αερίου
Η αρχή λειτουργίας και η χρήση αυτού του τύπου λέιζερ σας επιτρέπει να δημιουργείτε συσκευές σχεδόν οποιασδήποτε ισχύος (από milliwatts έως megawatt) και μήκους κύματος (από UV έως IR) και σας επιτρέπει να εργάζεστε σε παλμικές και συνεχείς λειτουργίες. Με βάση τη φύση των ενεργών μέσων, υπάρχουν τρεις τύποι κβαντικών γεννητριών αερίου, δηλαδή ατομικές, ιονικές και μοριακές.
Τα περισσότερα λέιζερ αερίου αντλούνται με ηλεκτρική εκκένωση. Τα ηλεκτρόνια στον σωλήνα εκκένωσης επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων. Συγκρούονται με άτομα, ιόντα ή μόρια του ενεργού μέσου και προκαλούν μια μετάβαση σε υψηλότερα επίπεδα ενέργειας για την επίτευξη πληθυσμιακής κατάστασης αναστροφής και διεγερμένης εκπομπής.
Μοριακό Λέιζερ
Η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ βασίζεται στο γεγονός ότι, σε αντίθεση με μεμονωμένα άτομα και ιόντα, τα μόρια σε ατομικές και ιοντικές κβαντικές γεννήτριες έχουν ευρείες ενεργειακές ζώνες διακριτών ενεργειακών επιπέδων. Επιπλέον, κάθε ηλεκτρονική στάθμη ενέργειας έχει μεγάλο αριθμό επιπέδων δόνησης και αυτά, με τη σειρά τους, έχουν πολλά επίπεδα περιστροφής.
Η ενέργεια μεταξύ των επιπέδων ηλεκτρονικής ενέργειας βρίσκεται στην υπεριώδη ακτινοβολία και τις ορατές περιοχές του φάσματος, ενώ μεταξύ των επιπέδων δόνησης-περιστροφής - στο μακρινό και το κοντινό υπερύθρωνπεριοχές. Έτσι, οι περισσότερες μοριακές κβαντικές γεννήτριες λειτουργούν στις μακρινές ή κοντινές υπέρυθρες περιοχές.
Λέιζερ Excimer
Τα excimers είναι μόρια όπως τα ArF, KrF, XeCl, τα οποία έχουν διαχωρισμένη βασική κατάσταση και είναι σταθερά στο πρώτο επίπεδο. Η αρχή λειτουργίας του λέιζερ είναι η εξής. Κατά κανόνα, ο αριθμός των μορίων στη βασική κατάσταση είναι μικρός, επομένως δεν είναι δυνατή η άμεση άντληση από τη θεμελιώδη κατάσταση. Τα μόρια σχηματίζονται στην πρώτη διεγερμένη ηλεκτρονική κατάσταση συνδυάζοντας αλογονίδια υψηλής ενέργειας με αδρανή αέρια. Ο πληθυσμός της αναστροφής επιτυγχάνεται εύκολα, αφού ο αριθμός των μορίων στο βασικό επίπεδο είναι πολύ μικρός σε σύγκριση με το διεγερμένο. Η αρχή λειτουργίας ενός λέιζερ, με λίγα λόγια, είναι η μετάβαση από μια δεσμευμένη διεγερμένη ηλεκτρονική κατάσταση σε μια αποσυνδετική βασική κατάσταση. Ο πληθυσμός στη βασική κατάσταση παραμένει πάντα σε χαμηλό επίπεδο, επειδή τα μόρια σε αυτό το σημείο διασπώνται σε άτομα.
Η συσκευή και η αρχή λειτουργίας των λέιζερ είναι ότι ο σωλήνας εκκένωσης είναι γεμάτος με ένα μείγμα αλογονιδίου (F2) και αερίου σπανίων γαιών (Ar). Τα ηλεκτρόνια σε αυτό διασπούν και ιονίζουν μόρια αλογονιδίου και δημιουργούν αρνητικά φορτισμένα ιόντα. Τα θετικά ιόντα Ar+ και αρνητικά F- αντιδρούν και παράγουν μόρια ArF στην πρώτη διεγερμένη δεσμευμένη κατάσταση με την επακόλουθη μετάβασή τους στην κατάσταση απωστικής βάσης και δημιουργία συνεκτική ακτινοβολία. Το excimer laser, την αρχή λειτουργίας και εφαρμογής του οποίου εξετάζουμε τώρα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άντλησηενεργό μέσο σε βαφές.
Υγρό λέιζερ
Σε σύγκριση με τα στερεά, τα υγρά είναι πιο ομοιογενή και έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ενεργών ατόμων από τα αέρια. Επιπλέον, είναι εύκολο να κατασκευαστούν, επιτρέπουν την εύκολη απαγωγή θερμότητας και μπορούν εύκολα να αντικατασταθούν. Η αρχή λειτουργίας του λέιζερ είναι να χρησιμοποιεί οργανικές βαφές ως ενεργό μέσο, όπως DCM (4-δικυανομεθυλενο-2-μεθυλ-6-p-διμεθυλαμινοστυρυλ-4Η-πυράνιο), ροδαμίνη, στυρύλιο, LDS, κουμαρίνη, στιλβένιο κ.λπ. …, διαλυμένο σε κατάλληλο διαλύτη. Ένα διάλυμα μορίων βαφής διεγείρεται από ακτινοβολία της οποίας το μήκος κύματος έχει καλό συντελεστή απορρόφησης. Η αρχή λειτουργίας του λέιζερ, με λίγα λόγια, είναι να παράγει σε μεγαλύτερο μήκος κύματος, που ονομάζεται φθορισμός. Η διαφορά μεταξύ της απορροφούμενης ενέργειας και των εκπεμπόμενων φωτονίων χρησιμοποιείται από μεταπτώσεις ενέργειας χωρίς ακτινοβολία και θερμαίνει το σύστημα.
Η ευρύτερη ζώνη φθορισμού των υγρών κβαντικών γεννητριών έχει ένα μοναδικό χαρακτηριστικό - συντονισμό μήκους κύματος. Η αρχή λειτουργίας και η χρήση αυτού του τύπου λέιζερ ως συντονίσιμης και συνεκτικής πηγής φωτός γίνεται όλο και πιο σημαντική στη φασματοσκοπία, την ολογραφία και τις βιοϊατρικές εφαρμογές.
Πρόσφατα, οι κβαντικές γεννήτριες βαφής έχουν χρησιμοποιηθεί για τον διαχωρισμό ισοτόπων. Σε αυτή την περίπτωση, το λέιζερ διεγείρει επιλεκτικά ένα από αυτά, προτρέποντάς τους να εισέλθουν σε χημική αντίδραση.
