Prvi princip lasera, čija se fizika zasniva na Plankovom zakonu zračenja, teorijski je potkrijepio Ajnštajn 1917. godine. On je opisao apsorpciju, spontano i stimulirano elektromagnetno zračenje koristeći koeficijente vjerovatnoće (Einstein koeficijente).
Pioniri
Theodor Meiman je prvi demonstrirao princip rada rubin lasera zasnovanog na optičkom pumpanju sintetičkog rubina sa blic lampom, koja je proizvodila impulsno koherentno zračenje talasne dužine od 694 nm.
Godine 1960. iranski naučnici Javan i Bennett stvorili su prvi gasni kvantni generator koristeći 1:10 mješavinu He i Ne plinova.
1962. godine, RN Hall je demonstrirao prvi galijum-arsenid (GaAs) diodni laser koji emituje na talasnoj dužini od 850 nm. Kasnije te godine, Nick Golonyak je razvio prvi poluprovodnički kvantni generator vidljive svjetlosti.
Dizajn i princip rada lasera
Svaki laserski sistem se sastoji od postavljenog aktivnog medijaizmeđu para optički paralelnih i visoko reflektirajućih ogledala, od kojih je jedno prozirno, i izvora energije za njegovo pumpanje. Medij za pojačavanje može biti čvrsta, tečna ili plinovita, koja ima svojstvo pojačavanja amplitude svjetlosnog vala koji prolazi kroz njega stimuliranom emisijom električnim ili optičkim pumpanjem. Supstanca je postavljena između para ogledala na način da svetlost koja se reflektuje u njima svaki put prođe kroz nju i, dostižući značajno pojačanje, prodre kroz prozirno ogledalo.
Okruženja na dva nivoa
Razmotrimo princip rada lasera sa aktivnim medijem, čiji atomi imaju samo dva energetska nivoa: pobuđeni E2 i osnovni E1 . Ako se atomi pobuđuju u stanje E2 bilo kojim mehanizmom pumpanja (optičkim, električnim pražnjenjem, prijenosom struje ili bombardiranjem elektrona), tada će se nakon nekoliko nanosekundi vratiti u prizemni položaj, emitujući fotone energije hν=E 2 - E1. Prema Ajnštajnovoj teoriji, emisija se proizvodi na dva različita načina: ili je izazvana fotonom, ili se dešava spontano. U prvom slučaju dolazi do stimulisane emisije, au drugom do spontane emisije. U termalnoj ravnoteži, vjerovatnoća stimulirane emisije je mnogo manja od spontane emisije (1:1033), tako da je većina konvencionalnih izvora svjetlosti nekoherentna, a generiranje lasera je moguće u uvjetima koji nisu termički. ravnoteža.
Čak i sa vrlo jakimpumpanjem, populacija sistema na dva nivoa može biti samo jednaka. Stoga su potrebni sistemi na tri ili četiri nivoa da bi se postigla inverzija populacije optičkim ili drugim metodama pumpanja.
Sistemi na više nivoa
Koji je princip trostepenog lasera? Zračenje intenzivnom svetlošću frekvencije ν02 pumpa veliki broj atoma sa najnižeg energetskog nivoa E0 do najvišeg energetskog nivoa E 2. Neradijativna tranzicija atoma iz E2 u E1 uspostavlja inverziju populacije između E1 i E 0 , što je u praksi moguće samo kada su atomi dugo vremena u metastabilnom stanju E1, i prelazak iz E2do E 1 ide brzo. Princip rada trostepenog lasera je da ispuni ove uslove, zbog čega se između E0 i E1 postiže inverzija populacije i fotoni su pojačani energijom E 1-E0 indukovana emisija. Širi nivo E2 bi mogao povećati opseg apsorpcije talasne dužine za efikasnije pumpanje, što rezultira povećanjem stimulisane emisije.
Sistem na tri nivoa zahteva veoma veliku snagu pumpe, pošto je niži nivo uključen u proizvodnju osnovni. U ovom slučaju, da bi došlo do inverzije populacije, više od polovine ukupnog broja atoma mora biti pumpano u stanje E1. Pri tome se troši energija. Snaga pumpanja može biti značajnasmanjiti ako niži nivo generacije nije osnovni, za šta je potreban sistem od najmanje četiri nivoa.
U zavisnosti od prirode aktivne supstance, laseri se dijele u tri glavne kategorije, a to su čvrsti, tekući i plinoviti. Od 1958. godine, kada je laseriranje prvi put uočeno u kristalu rubina, naučnici i istraživači proučavali su širok spektar materijala u svakoj kategoriji.
Solid State Laser
Princip rada zasniva se na upotrebi aktivnog medija, koji se formira dodavanjem metala prelazne grupe u izolacionu kristalnu rešetku (Ti+3, Cr +3, V+2, S+2, Ni+2, Fe +2, itd.), joni rijetkih zemalja (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 aktinidi poput U+3. Energetski nivoi jona su odgovorni samo za stvaranje. Fizička svojstva osnovnog materijala, kao što su toplotna provodljivost i toplotna ekspanzija, neophodna su za efikasan rad lasera. Raspored atoma rešetke oko dopiranog jona mijenja nivoe njegove energije. Različite talasne dužine generisanja u aktivnom mediju postižu se dopiranjem različitih materijala istim jonom.
Holmijum laser
Primjer lasera u čvrstom stanju je kvantni generator, u kojem holmijum zamjenjuje atom osnovne supstance kristalne rešetke. Ho:YAG je jedan od materijala najbolje generacije. Princip rada holmijum lasera je da je itrijum-aluminijumski granat dopiran holmijum jonima, optički pumpan blic lampom i emituje na talasnoj dužini od 2097 nm u IR opsegu, koju tkiva dobro apsorbuju. Ovaj laser se koristi za operacije na zglobovima, u liječenju zuba, za isparavanje ćelija raka, bubrežnih i žučnih kamenaca.
Poluprovodnički kvantni generator
Laseri kvantne bušotine su jeftini, masovno proizvedeni i lako skalabilni. Princip rada poluvodičkog lasera zasniva se na upotrebi diode p-n spoja, koja proizvodi svjetlost određene valne dužine rekombinacijom nosioca pri pozitivnom prednaponu, slično kao kod LED dioda. LED emituju spontano, a laserske diode - prisilno. Da bi se ispunio uvjet inverzije stanovništva, radna struja mora premašiti vrijednost praga. Aktivni medij u poluvodičkoj diodi ima oblik spojnog područja od dva dvodimenzionalna sloja.
Princip rada ovog tipa lasera je takav da nije potrebno vanjsko ogledalo za održavanje oscilacija. Reflektivnost koju stvara indeks prelamanja slojeva i unutrašnja refleksija aktivnog medija je dovoljna za ovu svrhu. Krajnje površine dioda su odrezane, što osigurava da su reflektirajuće površine paralelne.
Veza formirana od poluprovodničkih materijala istog tipa naziva se homospojnica, a veza stvorena vezom dva različita se nazivaheterojunction.
P- i n-tip poluprovodnika sa velikom gustinom nosioca formiraju p-n spoj sa vrlo tankim (≈1 µm) slojem osiromašenja.
Gas laser
Princip rada i upotrebe ove vrste lasera omogućava vam da kreirate uređaje gotovo bilo koje snage (od milivata do megavata) i talasnih dužina (od UV do IR) i omogućava vam rad u impulsnim i kontinuiranim režimima. Na osnovu prirode aktivnog medija, postoje tri tipa gasnih kvantnih generatora, odnosno atomski, jonski i molekularni.
Većina gasnih lasera se pumpa električnim pražnjenjem. Elektroni u cijevi za pražnjenje ubrzavaju se električnim poljem između elektroda. Oni se sudaraju s atomima, ionima ili molekulima aktivnog medija i indukuju prijelaz na više energetske nivoe kako bi se postiglo stanje populacije inverzije i stimulirane emisije.
Molekularni laser
Princip rada lasera zasniva se na činjenici da, za razliku od izolovanih atoma i jona, molekuli u atomskim i jonskim kvantnim generatorima imaju široke energetske opsege diskretnih energetskih nivoa. Štaviše, svaki elektronski energetski nivo ima veliki broj nivoa vibracije, a oni, zauzvrat, imaju nekoliko nivoa rotacije.
Energija između nivoa elektronske energije je u UV i vidljivom području spektra, dok između vibraciono-rotacionih nivoa - u dalekom i bliskom IRoblasti. Dakle, većina molekularnih kvantnih generatora radi u dalekom ili bliskom infracrvenom području.
Excimer laseri
Excimeri su molekuli kao što su ArF, KrF, XeCl, koji imaju odvojeno osnovno stanje i stabilni su na prvom nivou. Princip rada lasera je sljedeći. Po pravilu, broj molekula u osnovnom stanju je mali, pa direktno pumpanje iz osnovnog stanja nije moguće. Molekuli se formiraju u prvom pobuđenom elektronskom stanju kombinovanjem visokoenergetskih halogenida sa inertnim gasovima. Populacija inverzije se lako postiže, jer je broj molekula na baznom nivou premali u odnosu na pobuđeni. Princip rada lasera, ukratko, je prijelaz iz vezanog pobuđenog elektronskog stanja u disocijativno osnovno stanje. Stanovništvo u osnovnom stanju uvijek ostaje na niskom nivou, jer se molekuli u ovom trenutku raspadaju na atome.
Uređaj i princip rada lasera je da se cijev za pražnjenje napuni mješavinom halogenida (F2) i plina retkih zemalja (Ar). Elektroni u njemu disociraju i ioniziraju molekule halida i stvaraju negativno nabijene ione. Pozitivni ioni Ar+ i negativni F- reaguju i proizvode ArF molekule u prvom pobuđenom vezanom stanju sa njihovim kasnijim prijelazom u odbojno bazno stanje i stvaranjem koherentno zračenje. Eksimer laser, čiji princip rada i primjene sada razmatramo, može se koristiti za pumpanjeaktivni medij na bojama.
Tečni laser
U poređenju sa čvrstim materijama, tečnosti su homogenije i imaju veću gustinu aktivnih atoma od gasova. Osim toga, jednostavni su za proizvodnju, omogućavaju lako odvođenje topline i mogu se lako zamijeniti. Princip rada lasera je da koristi organske boje kao aktivni medij, kao što su DCM (4-dicijanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben, itd…, rastvoreno u odgovarajućem rastvaraču. Rastvor molekula boje pobuđuje se zračenjem čija talasna dužina ima dobar koeficijent apsorpcije. Princip rada lasera, ukratko, je da generiše na većoj talasnoj dužini, koja se naziva fluorescencija. Razlika između apsorbovane energije i emitovanih fotona koristi se neradijativnim energetskim prelazima i zagrijava sistem.
Širi opseg fluorescencije tečnih kvantnih generatora ima jedinstvenu karakteristiku - podešavanje talasne dužine. Princip rada i upotreba ovog tipa lasera kao podesivog i koherentnog izvora svjetlosti postaje sve važniji u spektroskopiji, holografiji i biomedicinskim primjenama.
Odnedavno su kvantni generatori boje korišćeni za odvajanje izotopa. U ovom slučaju, laser selektivno pobuđuje jednog od njih, podstičući ih da uđu u hemijsku reakciju.
