ساختار و اصل عملکرد لیزر. دستگاه های کوانتومی پمپ شده نوری که بر اساس یک "طرح سه سطح" کار می کنند

ژنراتورهای کوانتومی که در محدوده تابش مرئی و مادون قرمز ساطع می کنند، لیزر نامیده می شوند. کلمه "لیزر" مخفف عبارت: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation است که به معنای تقویت نور در نتیجه انتشار القایی یا به اصطلاح تحریک شده کوانتومی است.

دستگاه لیزر

یک لیزر عمومی شامل یک محیط فعال لیزری، یک سیستم پمپاژ - یک منبع ولتاژ و یک حفره نوری است.

سیستم پمپاژ انرژی را به اتم‌ها یا مولکول‌های محیط لیزر منتقل می‌کند و به آن‌ها این فرصت را می‌دهد تا به یک «وضعیت غیرپایدار» هیجان‌انگیز بروند و وارونگی جمعیت را ایجاد کنند.

· پمپاژ نوری از فوتون های ارائه شده توسط منبعی مانند لامپ فلاش پر از گاز زنون یا لیزرهای دیگر برای انتقال انرژی به ماده لیزر استفاده می کند. منبع نوری باید فوتون هایی را فراهم کند که با سطوح انتقال قابل قبول در ماده لیزر مطابقت داشته باشد.

· پمپاژ برخورد بر اساس انتقال انرژی به یک ماده لیزری در نتیجه برخورد با اتم ها (یا مولکول های) ماده لیزر است. در عین حال، انرژی مربوط به انتقال های مجاز نیز باید تامین شود. این معمولاً با استفاده از تخلیه الکتریکی در یک گاز خالص یا مخلوطی از گازها در یک لوله انجام می شود.

· سیستم های پمپاژ شیمیایی از انرژی اتصال آزاد شده در نتیجه واکنش های شیمیایی استفاده می کنند تا ماده لیزری را به حالتی فراپایدار تبدیل کنند.

یک حفره نوری برای تامین نیروی مورد نظر در لیزر و انتخاب فوتون هایی که در جهت مورد نظر حرکت می کنند مورد نیاز است. هنگامی که اولین اتم یا مولکول در حالت وارونگی جمعیتی در حالت فراپایدار تخلیه می‌شود، به دلیل انتشار تحریک‌شده، تخلیه اتم‌ها یا مولکول‌های دیگر را در حالت فراپایدار آغاز می‌کند. اگر فوتون ها به سمت دیواره های ماده لیزر، معمولا یک میله یا لوله، حرکت کنند، از بین رفته و فرآیند تقویت قطع می شود. اگرچه ممکن است از دیواره های میله یا لوله منعکس شوند، دیر یا زود از سیستم گم می شوند و به ایجاد تیر کمکی نمی کنند.

از سوی دیگر، اگر یکی از اتم ها یا مولکول های تخریب شده، فوتونی موازی با محور ماده لیزری آزاد کند، می تواند باعث آزاد شدن فوتون دیگری شود و هر دو توسط آینه ای در انتهای میله مولد منعکس می شوند. یا لوله فوتون‌های بازتاب‌شده سپس از درون ماده عبور می‌کنند و تشعشعات بیشتری را در امتداد همان مسیر آغاز می‌کنند که دوباره توسط آینه‌های انتهای ماده لیزر منعکس می‌شود. تا زمانی که این فرآیند تقویت ادامه دارد، مقداری از تقویت همیشه از طریق آینه نیمه بازتابنده خارج می شود. از آنجایی که سود یا سود این فرآیند از تلفات حفره بیشتر می شود، لیزر شروع می شود. بنابراین، یک پرتو باریک و متمرکز از نور منسجم تشکیل می شود. آینه های موجود در حفره نوری لیزر باید دقیقاً تنظیم شوند تا اطمینان حاصل شود که پرتوهای نور موازی با محور هستند. خود تشدید کننده نوری، یعنی. ماده محیط نباید به شدت انرژی نور را جذب کند.

محیط لیزر (مواد لیزر) - لیزرها معمولاً بر اساس نوع ماده لیزر مورد استفاده تعیین می شوند. چهار نوع از این قبیل وجود دارد:

جامد،

رنگ،

نیمه هادی.

لیزرهای حالت جامد از مواد لیزری توزیع شده در یک ماتریس جامد استفاده می کنند. لیزرهای حالت جامد جایگاه منحصر به فردی در توسعه لیزر دارند. اولین محیط لیزری کار، یک کریستال یاقوت صورتی (کریستال یاقوت کبود آغشته به کروم) بود. از آن زمان، اصطلاح "لیزر حالت جامد" به طور کلی برای توصیف لیزری استفاده می شود که محیط فعال آن یک کریستال دوپ شده با ناخالصی های یونی است. لیزرهای حالت جامد دستگاه‌های بزرگ و با قابلیت نگهداری آسان هستند که قادر به تولید انرژی با توان بالا هستند. قابل توجه ترین نکته در مورد لیزرهای حالت جامد این است که توان خروجی معمولاً ثابت نیست، بلکه از تعداد زیادی پیک توان مجزا تشکیل شده است.

یک نمونه لیزر نئودیمیم-YAG است. اصطلاح YAG مختصر کریستال است: گارنت آلومینیوم ایتریوم که به عنوان حامل یون های نئودیمیم عمل می کند. این لیزر یک پرتو مادون قرمز با طول موج 1064 میکرومتر ساطع می کند. علاوه بر این، می توان از عناصر دوپینگ دیگری مانند اربیوم (لیزرهای Er:YAG) استفاده کرد.

لیزرهای گازی از گاز یا مخلوطی از گازها در یک لوله استفاده می کنند. بیشتر لیزرهای گازی از مخلوط هلیوم و نئون (HeNe) با سیگنال خروجی اولیه 6328 نانومتر (nm = 10-9 متر) استفاده می کنند که قرمز قابل مشاهده است. این لیزر اولین بار در سال 1961 ساخته شد و پیشرو خانواده کامل لیزرهای گازی شد.

تمام لیزرهای گازی از نظر طراحی و خواص کاملاً مشابه هستند. به عنوان مثال، یک لیزر گاز CO2 طول موج 10.6 میکرومتر را در ناحیه مادون قرمز دور طیف ساطع می کند. لیزرهای گاز آرگون و کریپتون در فرکانس‌های متعدد عمل می‌کنند و عمدتاً در قسمت مرئی طیف منتشر می‌شوند. طول موج اصلی تابش لیزر آرگون 488 و 514 نانومتر است.

لیزرهای رنگی از یک محیط لیزری استفاده می کنند که یک رنگ آلی پیچیده در محلول یا سوسپانسیون مایع است.

مهمترین ویژگی این لیزرها "انطباق پذیری" آنهاست. انتخاب صحیح رنگ و غلظت آن باعث می شود نور لیزر در طیف وسیعی از طول موج ها در طیف مرئی یا نزدیک به آن تولید شود. لیزرهای رنگی معمولاً از یک سیستم تحریک نوری استفاده می کنند، اگرچه برخی از انواع لیزرهای رنگی از تحریک شیمیایی استفاده می کنند.

لیزرهای نیمه هادی (دیودی) - از دو لایه مواد نیمه هادی تشکیل شده است که روی هم چیده شده اند. دیود لیزری یک دیود ساطع کننده نور با ظرفیت اپتیکال برای تقویت نور ساطع شده از واکنش برگشتی در یک میله نیمه هادی است، همانطور که در شکل نشان داده شده است. آنها را می توان با تغییر جریان اعمال شده، دما یا میدان مغناطیسی تنظیم کرد.

حالت های زمانی مختلف عملکرد لیزر با فرکانس تامین انرژی تعیین می شود.

لیزرهای موج پیوسته (CW) با یک توان پرتو متوسط ​​ثابت کار می کنند.

لیزرهای تک پالس معمولاً دارای مدت زمان پالس از چند صد میکروثانیه تا چندین میلی ثانیه هستند. این حالت عملکرد معمولاً پالس طولانی یا حالت عادی نامیده می شود.

لیزرهای تک پالس سوئیچ Q نتیجه تاخیر درون حفره ای (سلول Q-switched) هستند که به محیط لیزر اجازه می دهد حداکثر انرژی پتانسیل را حفظ کند. سپس در مطلوب ترین شرایط، پالس های منفرد معمولاً با فاصله زمانی 10-8 ثانیه منتشر می شود. این پالس ها قدرت پیک بالایی دارند که اغلب در محدوده 106 تا 109 وات است.

لیزرهای پالسی پالسی یا لیزرهای اسکن، اصولاً مانند لیزرهای پالسی عمل می کنند، اما با یک نرخ پالس ثابت (یا متغیر) که می تواند از چند پالس در ثانیه تا 20000 پالس در ثانیه متغیر باشد.

اصل کار لیزر

اساس فیزیکی عملیات لیزر پدیده تابش اجباری (القایی) است. ماهیت پدیده این است که یک اتم برانگیخته قادر است یک فوتون را تحت تأثیر فوتون دیگری بدون جذب آن ساطع کند، در صورتی که انرژی فوتون دوم برابر با اختلاف انرژی‌های سطوح اتم قبل و بعد از آن باشد. تابش - تشعشع. در این مورد، فوتون ساطع شده با فوتونی که باعث تشعشع شده است همدوس است (این "کپی دقیق" آن است). به این ترتیب نور تقویت می شود. این پدیده با گسیل خود به خودی که در آن فوتون های ساطع شده دارای جهت انتشار تصادفی، قطبش و فاز هستند، متفاوت است.

احتمال اینکه یک فوتون تصادفی باعث انتشار تحریک شده از یک اتم برانگیخته شود دقیقاً برابر با احتمال جذب این فوتون توسط یک اتم در حالت تحریک نشده است. بنابراین، برای تقویت نور، لازم است که اتم های برانگیخته در محیط نسبت به اتم های تحریک نشده (به اصطلاح وارونگی جمعیت) بیشتر باشد. در حالت تعادل ترمودینامیکی، این شرط برقرار نیست، بنابراین از سیستم های مختلفی برای پمپاژ محیط فعال لیزر (نوری، الکتریکی، شیمیایی و ...) استفاده می شود.

منبع اولیه تولید، فرآیند گسیل خود به خودی است، بنابراین، برای اطمینان از تداوم نسل‌های فوتون، وجود یک بازخورد مثبت ضروری است، به همین دلیل فوتون‌های ساطع شده باعث اعمال بعدی انتشار القایی می‌شوند. برای انجام این کار، محیط فعال لیزر در یک حفره نوری قرار می گیرد. در ساده ترین حالت، از دو آینه تشکیل شده است که یکی از آنها شفاف است - از طریق آن پرتو لیزر تا حدی از تشدید کننده خارج می شود. با انعکاس از آینه ها، پرتو تابش به طور مکرر از تشدید کننده عبور می کند و باعث انتقال القایی در آن می شود. تابش می تواند پیوسته یا پالسی باشد. در عین حال، با استفاده از دستگاه های مختلف (منشورهای دوار، سلول های کر و غیره) برای خاموش و روشن کردن سریع بازخورد و در نتیجه کاهش دوره پالس ها، می توان شرایطی را برای تولید تشعشعات با توان بسیار بالا ایجاد کرد. پالس های به اصطلاح غول پیکر). این حالت از عملکرد لیزر حالت Q-switched نامیده می شود.

تابش تولید شده توسط لیزر تک رنگ (یک یا مجموعه ای مجزا از طول موج ها) است، زیرا احتمال گسیل یک فوتون با طول موج مشخص بیشتر از یک فوتون نزدیک است که با گسترش خط طیفی مرتبط است. بر این اساس، احتمال انتقال القایی در این فرکانس نیز دارای حداکثر است. بنابراین، به تدریج در طول فرآیند تولید، فوتون‌های یک طول موج معین بر تمام فوتون‌های دیگر تسلط خواهند داشت. علاوه بر این، به دلیل آرایش خاص آینه ها، تنها فوتون هایی که در جهتی موازی با محور نوری تشدید کننده در فاصله کمی از آن منتشر می شوند، در پرتو لیزر باقی می مانند؛ فوتون های باقی مانده به سرعت از حجم تشدیدگر خارج می شوند. بنابراین، پرتو لیزر دارای زاویه واگرایی بسیار کمی است. در نهایت، پرتو لیزر دارای یک قطبش کاملاً مشخص است. برای انجام این کار، پلارویدهای مختلفی وارد تشدید کننده می شوند؛ به عنوان مثال، آنها می توانند صفحات شیشه ای مسطح باشند که در زاویه بروستر نسبت به جهت انتشار پرتو لیزر نصب شده اند.

کاربردهای لیزر

تابش مولد کوانتومی لیزری

لیزرها از زمان اختراع خود به عنوان "راه حل های آماده برای مشکلات هنوز ناشناخته" شناخته شده اند. با توجه به خواص منحصر به فرد تابش لیزر، آنها به طور گسترده در بسیاری از شاخه های علم و فناوری و همچنین در زندگی روزمره (سی دی پلیر، چاپگر لیزری، بارکد خوان، نشانگر لیزری و غیره) استفاده می شوند. در صنعت از لیزر برای برش، جوش و لحیم کاری قطعات ساخته شده از مواد مختلف استفاده می شود. دمای بالای تابش به شما امکان می دهد موادی را که با روش های معمولی جوش داده نمی شوند (به عنوان مثال سرامیک و فلز) جوش دهید. پرتو لیزر را می توان در نقطه ای با قطر حدود یک میکرون متمرکز کرد که امکان استفاده از آن را در میکروالکترونیک (اصطلاحاً خط کشی لیزری) فراهم می کند. لیزرها برای به دست آوردن پوشش های سطحی مواد (آلیاژ لیزر، سطح لیزر، رسوب لیزر خلاء) به منظور افزایش مقاومت به سایش آنها استفاده می شود. مارک لیزری طرح های صنعتی و حکاکی محصولات ساخته شده از مواد مختلف نیز کاربرد فراوانی دارد. در طول پردازش لیزری مواد، هیچ تاثیر مکانیکی روی آنها وجود ندارد، بنابراین فقط تغییر شکل های جزئی رخ می دهد. علاوه بر این، کل فرآیند فناوری را می توان به طور کامل خودکار کرد. بنابراین پردازش لیزر با دقت و بهره وری بالا مشخص می شود.

یک لیزر نیمه هادی که در واحد تولید تصویر چاپگر هیولت پاکارد استفاده می شود.

در هولوگرافی از لیزرها برای ایجاد هولوگرام و به دست آوردن یک تصویر سه بعدی هولوگرافیک استفاده می شود. برخی از لیزرها، مانند لیزرهای رنگی، قادر به تولید نور تک رنگ تقریباً با هر طول موجی هستند و پالس های تابش می توانند به 10 تا 16 ثانیه برسند و در نتیجه به قدرت های عظیمی (به اصطلاح پالس های غول پیکر) می رسند. این خواص در طیف سنجی و همچنین در مطالعه اثرات نوری غیرخطی استفاده می شود. با استفاده از لیزر می توان فاصله ماه را با دقت چند سانتی متر اندازه گیری کرد. محدوده لیزری اجرام فضایی معنای ثابت نجومی را روشن کرد و به اصلاح سیستم های ناوبری فضایی کمک کرد، درک ساختار جو و سطح سیارات منظومه شمسی را گسترش داد. در تلسکوپ های نجومی مجهز به سیستم نوری تطبیقی ​​برای تصحیح اعوجاجات جوی، از لیزر برای ایجاد ستاره های راهنمای مصنوعی در لایه های بالایی جو استفاده می شود.

پالس های لیزر فوق کوتاه در شیمی لیزر برای تحریک و تجزیه و تحلیل واکنش های شیمیایی استفاده می شود. در اینجا، تابش لیزر امکان محلی سازی دقیق، دوز، عقیمی مطلق و سرعت بالای انرژی ورودی به سیستم را فراهم می کند. در حال حاضر، سیستم‌های خنک‌کننده لیزری مختلفی در حال توسعه هستند و امکان اجرای همجوشی گرما هسته‌ای کنترل‌شده با استفاده از لیزر در نظر گرفته می‌شود (مناسب‌ترین لیزر برای تحقیقات در زمینه واکنش‌های گرما هسته‌ای، لیزری با استفاده از طول موج در قسمت آبی طیف مرئی خواهد بود. ). لیزرها همچنین برای مقاصد نظامی، به عنوان مثال، به عنوان کمک راهنمایی و هدف گیری استفاده می شوند. گزینه هایی برای ایجاد سیستم های دفاعی رزمی هوایی، دریایی و زمینی مبتنی بر لیزرهای پرقدرت در حال بررسی است.

در پزشکی از لیزر به عنوان چاقوی جراحی بدون خون استفاده می شود و در درمان بیماری های چشمی (آب مروارید، جداشدگی شبکیه، اصلاح بینایی با لیزر و ...) استفاده می شود. همچنین در زیبایی (لیزر موهای زائد، درمان نقایص عروقی و رنگدانه‌ای پوست، لایه‌برداری با لیزر، حذف خالکوبی و لکه‌های پیری) کاربرد فراوانی دارند. در حال حاضر، به اصطلاح ارتباطات لیزری به سرعت در حال توسعه است. مشخص است که هرچه فرکانس حامل یک کانال ارتباطی بیشتر باشد، توان عملیاتی آن بیشتر است. بنابراین، ارتباطات رادیویی تمایل دارند به سمت طول موج‌های کوتاه‌تر حرکت کنند. طول موج نور به طور متوسط ​​شش مرتبه قدر کوتاهتر از طول موج برد رادیویی است، بنابراین تابش لیزر می تواند مقدار بسیار بیشتری از اطلاعات را منتقل کند. ارتباط لیزری از طریق ساختارهای هدایت نور باز و بسته، به عنوان مثال، فیبر نوری انجام می شود. به دلیل پدیده انعکاس کلی درونی، نور می تواند در فواصل طولانی، عملاً بدون ضعیف شدن، از طریق آن منتشر شود.

تولید روزانه و فعالیت های علمی. با گذشت سالها، این "ابزار" بیشتر و بیشتر بهبود می یابد و در عین حال دامنه لیزرها به طور مداوم گسترش می یابد. سرعت فزاینده تحقیقات در زمینه فناوری لیزر، امکان ایجاد انواع جدیدی از لیزرها با ویژگی‌های بهبود یافته قابل توجهی را باز می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد تا حوزه‌های کاربرد خود را در...

نه تنها برای مواد مخصوصا سخت، بلکه برای موادی که با افزایش شکنندگی مشخص می شوند. مته لیزری نه تنها یک ابزار قدرتمند، بلکه یک "ابزار" بسیار ظریف است. مثال: استفاده از لیزر هنگام حفاری در بسترهای تراشه ای ساخته شده از سرامیک آلومینا. سرامیک ها به طور غیرعادی شکننده هستند. به همین دلیل، حفاری مکانیکی سوراخ در بستر تراشه ...

لیزر لزوما از سه جزء اصلی تشکیل شده است:

1) رسانه فعال, که در آن ایالات با وارونگی جمعیت ایجاد می شود.

2) سیستم هایپمپاژ- دستگاه هایی برای ایجاد وارونگی در محیط فعال.

3) نوریدر مورد تشدید کننده- وسیله ای که جهت پرتو فوتون را شکل می دهد.

علاوه بر این، تشدید کننده نوری برای تقویت چندگانه تابش لیزر طراحی شده است.

در حال حاضر به عنوان فعال (کار کردن) محیط لیزرها از حالت های مختلف ماده استفاده می کنند: جامد، مایع، گاز، پلاسما.

برای ایجاد جمعیت معکوس از محیط لیزر، مختلف روش های پمپاژ . لیزر را می توان به صورت مداوم یا پالسی پمپ کرد. در حالت طولانی مدت (پیوسته)، توان پمپ وارد شده به محیط فعال با گرم شدن بیش از حد محیط فعال و پدیده های مرتبط محدود می شود. در حالت تک پالس، این امکان وجود دارد که انرژی به میزان قابل توجهی به محیط فعال نسبت به مدت زمان مشابه در حالت پیوسته وارد شود. این منجر به قدرت بیشتر یک پالس می شود.

لیزر- این یک منبع نور با خواصی است که به شدت با سایر منابع متفاوت است (لامپ های رشته ای، لامپ های فلورسنت، شعله های آتش، لامپ های طبیعی و غیره). پرتو لیزر دارای تعدادی ویژگی قابل توجه است. در فواصل طولانی پخش می شود و جهت کاملاً خطی دارد. پرتو در یک پرتو بسیار باریک با درجه واگرایی کم حرکت می کند (با کانون صدها متر به ماه می رسد). پرتو لیزر گرمای زیادی دارد و می تواند هر ماده ای را سوراخ کند. شدت نور پرتو از شدت نور قوی ترین منابع نور بیشتر است.
لیزر ناممخفف عبارت انگلیسی: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) است. تقویت نور با استفاده از انتشار تحریک شده
تمام سیستم های لیزر را می توان بسته به نوع محیط فعال مورد استفاده به گروه هایی تقسیم کرد. مهمترین انواع لیزر عبارتند از:

حالت جامد

نیمه هادی

مایع

گاز
یک محیط فعال مجموعه‌ای از اتم‌ها، مولکول‌ها، یون‌ها یا یک کریستال (لیزر نیمه‌رسانا) است که تحت تأثیر نور می‌تواند خاصیت تقویت‌کننده به دست آورد.

بنابراین، هر اتم دارای مجموعه ای مجزا از سطوح انرژی است. الکترون های یک اتم واقع در حالت پایه (وضعیت با حداقل انرژی)، هنگام جذب کوانتوم های نور، به سطح انرژی بالاتری حرکت می کنند - اتم برانگیخته می شود. هنگامی که یک کوانتوم نوری گسیل می شود، برعکس اتفاق می افتد. علاوه بر این، گسیل نور، یعنی انتقال به سطح انرژی پایین تر (شکل 1b) می تواند به صورت خود به خود (خود به خود) یا تحت تأثیر تابش خارجی (اجباری) رخ دهد (شکل 1c). علاوه بر این، اگر کوانتوم های تابش خود به خودی در جهات تصادفی ساطع شوند، کوانتومی از تابش تحریک شده در همان جهت کوانتومی که این تابش را ایجاد کرده است، ساطع می شود، یعنی هر دو کوانتوم کاملاً یکسان هستند.

شکل 1 انواع تابش لیزر

برای اینکه انتقال‌هایی که در آن انتشار انرژی اتفاق می‌افتد (انتقال از سطح انرژی بالا به سطح پایین‌تر) غالب شود، لازم است غلظت بیشتری از اتم‌ها یا مولکول‌های برانگیخته ایجاد شود (برای ایجاد وارونگی جمعیت). این منجر به افزایش تابش نور به ماده می شود. حالت ماده ای که در آن جمعیت معکوس سطوح انرژی ایجاد می شود، فعال و محیطی که از چنین ماده ای تشکیل شده باشد، محیط فعال نامیده می شود.

فرآیند ایجاد جمعیت معکوس سطوح پمپاژ نامیده می شود. و دسته بندی دیگری از لیزرها بر اساس روش پمپاژ (نوری، حرارتی، شیمیایی، الکتریکی و ...) انجام می شود. روش های پمپاژ به نوع لیزر (حالت جامد، مایع، گاز، نیمه هادی و غیره) بستگی دارد.
وظیفه اصلی فرآیند پمپاژ را می توان با استفاده از مثال لیزر سه سطحی در نظر گرفت (شکل 2).

شکل 2 نمودار یک لیزر سه سطحی

سطح لیزر پایین I با انرژی E1 سطح انرژی اصلی سیستم است که در ابتدا همه اتم های فعال در آن قرار دارند. پمپاژ اتم ها را تحریک می کند و بر این اساس آنها را با انرژی E3 از سطح زمین I به سطح III منتقل می کند. اتم هایی که خود را در سطح III قرار می دهند، کوانتوم های نوری ساطع می کنند و به سطح I می روند یا به سرعت به سطح لیزر بالایی II می روند. برای اینکه تجمع اتم های برانگیخته در سطح بالای لیزر II، با انرژی E2 اتفاق بیفتد، باید آرام سازی سریع اتم ها از سطح III تا II وجود داشته باشد، که باید از نرخ واپاشی لیزر بالایی سطح II بیشتر باشد. جمعیت معکوس ایجاد شده در این روش شرایط را برای تقویت تشعشع فراهم می کند.

با این حال، برای اینکه تولید اتفاق بیفتد، هنوز باید بازخورد ارائه شود، به این معنا که انتشار تحریک شده، پس از ظهور، باعث اعمال جدید انتشار تحریک شده شود. برای ایجاد چنین فرآیندی، محیط فعال در یک تشدید کننده نوری قرار می گیرد.

تشدید کننده نوری سیستمی از دو آینه است که محیط فعال بین آنها قرار دارد (شکل 3). منشأهای متعددی از امواج نوری را ارائه می دهد که در امتداد محور خود از طریق محیط تقویت کننده منتشر می شوند که در نتیجه قدرت تابش بالایی به دست می آید.

شکل 3 نمودار لیزری

هنگامی که به یک توان معین رسید، تابش از طریق یک آینه نیمه شفاف خارج می شود. با توجه به مشارکت در توسعه تولید تنها بخشی از کوانتوم ها که با محور تشدید کننده موازی هستند، کارایی را افزایش می دهد. لیزر معمولاً از 1٪ تجاوز نمی کند. در برخی موارد، قربانی کردن ویژگی های خاص، کارایی. تا 30 درصد قابل افزایش است.

نمودار نشان می دهد: 1 - محیط فعال. 2 - انرژی پمپ لیزری; 3 - آینه مات; 4 - آینه شفاف; 5 - اشعه لیزر.

تمام لیزرها از سه بخش اصلی تشکیل شده اند:

محیط فعال (کار)؛

سیستم های پمپاژ (منبع انرژی)؛

تشدید کننده نوری (در صورتی که لیزر در حالت تقویت کننده کار کند ممکن است وجود نداشته باشد).

هر یک از آنها تضمین می کند که لیزر عملکردهای خاص خود را انجام می دهد.

محیط فعال

در حال حاضر، حالت های مختلف ماده به عنوان محیط کار لیزر استفاده می شود: جامد، مایع، گاز، پلاسما. در حالت عادی، تعداد اتم هایی که در سطوح انرژی برانگیخته قرار دارند با توزیع بولتزمن تعیین می شود:

اینجا ن- تعداد اتم ها در حالت برانگیخته با انرژی E, ن 0 - تعداد اتم ها در حالت پایه، ک- ثابت بولتزمن، تی- دمای محیط به عبارت دیگر، این اتم‌ها در حالت برانگیخته کمتر از حالت پایه هستند، بنابراین احتمال انتشار یک فوتون در محیط باعث انتشار تحریک‌شده نیز در مقایسه با احتمال جذب آن کم است. بنابراین، یک موج الکترومغناطیسی با عبور از یک ماده، انرژی خود را صرف تحریک اتم می کند. شدت تابش طبق قانون بوگر کاهش می یابد:

اینجا من 0 - شدت اولیه، من l شدت تابش است که مسافت را طی می کند لدر ماده آ 1 میزان جذب ماده است. از آنجایی که وابستگی نمایی است، تابش بسیار سریع جذب می شود.

در حالتی که تعداد اتم های برانگیخته از اتم های غیر برانگیخته بیشتر باشد (یعنی در حالت وارونگی جمعیت)، وضعیت دقیقاً برعکس است. اعمال انتشار تحریک شده بر جذب غالب است و طبق قانون تشعشع افزایش می یابد:

جایی که آ 2 - ضریب افزایش کوانتومی. در لیزرهای واقعی، تقویت تا زمانی اتفاق می افتد که مقدار انرژی دریافتی به دلیل انتشار تحریک شده برابر با مقدار انرژی از دست رفته در تشدید کننده شود. این تلفات با اشباع سطح ناپایدار ماده کار همراه است، پس از آن انرژی پمپاژ فقط برای گرم کردن آن و همچنین با حضور بسیاری از عوامل دیگر (پراکندگی توسط ناهمگنی محیط، جذب توسط ناخالصی ها استفاده می شود. ، ناقص بودن آینه های بازتابنده، تشعشعات مفید و ناخواسته به محیط و غیره).

سیستم پمپاژ

مکانیسم های مختلفی برای ایجاد وارونگی جمعیت در محیط لیزر استفاده می شود. در لیزرهای حالت جامد، بوق زدن از طریق تابش با لامپ های فلاش تخلیه گاز قدرتمند، تابش خورشیدی متمرکز (به اصطلاح پمپاژ نوری) و تابش لیزرهای دیگر (به ویژه لیزرهای نیمه هادی) به دست می آید. در این حالت ، عملیات فقط در حالت پالس امکان پذیر است ، زیرا چگالی انرژی پمپاژ بسیار بالایی مورد نیاز است ، که با قرار گرفتن در معرض طولانی مدت ، باعث گرم شدن شدید و تخریب میله ماده کار می شود. لیزرهای گازی و مایع از پمپ تخلیه الکتریکی استفاده می کنند. چنین لیزرهایی در حالت پیوسته کار می کنند. پمپاژ لیزرهای شیمیاییاز طریق وقوع واکنش های شیمیایی در محیط فعال آنها رخ می دهد. در این حالت، وارونگی جمعیت یا به طور مستقیم در محصولات واکنش یا در ناخالصی‌های معرفی شده با ساختار مناسب سطوح انرژی رخ می‌دهد. پمپاژ لیزرهای نیمه هادی تحت تأثیر یک جریان رو به جلو قوی از طریق اتصال p-n و همچنین پرتوی از الکترون ها رخ می دهد. روش‌های پمپاژ دیگری نیز وجود دارد (دینامیک گاز، که شامل خنک‌سازی شدید گازهای از پیش گرم شده، تفکیک نوری، یک مورد خاص از پمپاژ شیمیایی و غیره) است.

در شکل: a - سه سطح و b - مدارهای پمپاژ چهار سطح برای محیط فعال لیزر.

سیستم کلاسیک سه سطحی برای پمپاژ محیط کار، به عنوان مثال، در لیزر یاقوت استفاده می شود. روبی یک کریستال کوراندوم Al 2 O 3 است که با مقدار کمی یون کروم Cr 3 + دوپ شده است که منبع تابش لیزر هستند. با توجه به تأثیر میدان الکتریکی شبکه کریستالی کوراندوم، سطح انرژی خارجی کروم E 2 تقسیم شده است (به اثر استارک مراجعه کنید). این همان چیزی است که استفاده از تابش غیر تک رنگ را به عنوان پمپاژ ممکن می کند. در این حالت اتم با انرژی از حالت پایه عبور می کند E 0 در هیجان زده با انرژی در مورد E 2. یک اتم می تواند برای مدت نسبتاً کوتاهی (حدود 10-8 ثانیه) در این حالت باقی بماند؛ انتقال غیر تشعشعی به سطح تقریباً بلافاصله رخ می دهد. E 1، جایی که یک اتم می تواند برای مدت طولانی تری (تا 10-3 ثانیه) باقی بماند، این به اصطلاح سطح فراپایدار است. احتمال تشعشع القایی تحت تأثیر سایر فوتون های تصادفی وجود دارد. به محض اینکه تعداد اتم‌های موجود در حالت فراپایدار بیشتر از حالت اصلی باشد، فرآیند تولید آغاز می‌شود.

لازم به ذکر است که برای ایجاد وارونگی جمعیتی اتم های کروم کروم با استفاده از پمپاژ مستقیم از سطح E 0 در هر سطح E 1 امکان پذیر نیست. این به این دلیل است که اگر جذب و انتشار تحریک شده بین دو سطح اتفاق بیفتد، هر دو فرآیند با سرعت یکسانی اتفاق می‌افتند. بنابراین، در این حالت، پمپاژ تنها می تواند جمعیت های دو سطح را برابر کند، که برای رخ دادن لیزر کافی نیست.

برخی از لیزرها، برای مثال لیزرهای نئودیمیم، که در آنها تشعشع با استفاده از یون‌های نئودیمیم Nd 3+ تولید می‌شود، از طرح پمپاژ چهار سطحی استفاده می‌کنند. اینجا بین فراپایدار E 2 و سطح اصلی E 0 یک سطح متوسط ​​- کار وجود دارد E 1 . انتشار تحریک شده زمانی رخ می دهد که یک اتم بین سطوح تغییر کند E 2 و E 1 . مزیت این طرح این است که در این حالت برآوردن شرایط وارونگی جمعیت آسان است، زیرا طول عمر سطح عملیاتی بالا ( E 2) چندین مرتبه بزرگتر از طول عمر سطح پایین تر ( E 1). این به طور قابل توجهی نیاز به منبع پمپ را کاهش می دهد. علاوه بر این، چنین طرحی امکان ایجاد لیزرهای پرقدرت را در حالت پیوسته ایجاد می کند که برای برخی از برنامه ها بسیار مهم است. با این حال، چنین لیزرهایی در قالب بازده کوانتومی کم دارای یک اشکال قابل توجه هستند که به عنوان نسبت انرژی فوتون ساطع شده به انرژی فوتون پمپ جذب شده (η کوانتوم = تابش hν / پمپ hν) تعریف می شود.

امروزه پیدا کردن فردی که هرگز این کلمه را نشنیده باشد دشوار است "لیزر"با این حال، تعداد بسیار کمی به وضوح درک می کنند که چیست.

در نیم قرنی که از اختراعشان می گذرد، انواع لیزرها در طیف وسیعی از زمینه ها، از پزشکی گرفته تا فناوری دیجیتال، کاربرد پیدا کرده اند. بنابراین لیزر چیست، اصل کار آن چیست و برای چیست؟

لیزر چیست؟

احتمال وجود لیزر توسط آلبرت انیشتین پیش‌بینی شده بود که در سال 1917 مقاله‌ای منتشر کرد که در آن درباره امکان گسیل الکترون‌ها کوانتوم‌های نور با طول معین صحبت می‌کرد. این پدیده انتشار تحریک شده نامیده می شد، اما برای مدت طولانی از نظر فنی غیرقابل تحقق تلقی می شد.

با این حال، با توسعه قابلیت های فنی و فناوری، ایجاد لیزر تبدیل به یک موضوع زمان شد. در سال 1954، دانشمندان شوروی N. Basov و A. Prokhorov جایزه نوبل را برای ایجاد میزر - اولین ژنراتور مایکروویو که بر روی آمونیاک کار می کرد - دریافت کردند. و در سال 1960، T. Maiman آمریکایی اولین مولد کوانتومی پرتوهای نوری را تولید کرد که آن را لیزر (تقویت نور توسط انتشار تحریک شده تشعشع) نامید. این دستگاه انرژی را به تابش نوری با جهت باریک تبدیل می کند، یعنی. پرتو نور، جریانی از کوانتوم های نور (فوتون) با غلظت بالا.

اصل کار لیزر

پدیده ای که عملکرد لیزر بر اساس آن است تابش اجباری یا القایی محیط نامیده می شود. اتم های یک ماده خاص می توانند تحت تأثیر فوتون های دیگر فوتون ساطع کنند و انرژی فوتون فعال باید برابر با اختلاف سطح انرژی اتم قبل و بعد از تابش باشد.

فوتون ساطع شده با فوتونی که باعث تشعشع شده است منسجم است، یعنی. دقیقا مثل فوتون اول در نتیجه، جریان ضعیف نور در محیط تقویت می شود، و نه به طور آشفته، بلکه در یک جهت معین. پرتویی از تشعشعات تحریک شده تشکیل می شود که به آن لیزر می گویند.

طبقه بندی لیزری

با بررسی ماهیت و خواص لیزرها، انواع مختلفی از این پرتوها کشف شد. بسته به حالت ماده اولیه، لیزرها می توانند:

• گاز؛
• مایع؛
• حالت جامد؛
• روی الکترون های آزاد

در حال حاضر چندین روش برای تولید پرتو لیزر ایجاد شده است:

• استفاده از درخشش الکتریکی یا تخلیه قوس در یک محیط گازی - تخلیه گاز.
• با استفاده از گسترش گاز داغ و ایجاد وارونگی جمعیت - گاز دینامیک.
• با عبور جریان از طریق نیمه هادی با تحریک محیط - دیود یا تزریق.
• با پمپاژ نوری محیط با لامپ فلاش، LED، لیزرهای دیگر و غیره؛
• با پمپاژ پرتو الکترونی محیط؛
• پمپاژ هسته ای هنگامی که تشعشع از یک راکتور هسته ای می آید.
• با استفاده از واکنش های شیمیایی خاص - لیزرهای شیمیایی.

همه آنها ویژگی ها و تفاوت های خاص خود را دارند که به لطف آنها در زمینه های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند.

استفاده عملی از لیزر

امروزه لیزرهای مختلف در ده‌ها صنعت، پزشکی، فناوری اطلاعات و سایر زمینه‌های فعالیت استفاده می‌شود. با کمک آنها موارد زیر انجام می شود:

• برش و جوشکاری فلزات، پلاستیک و سایر مواد؛
• اعمال تصاویر، کتیبه ها و علامت گذاری سطح محصولات؛
• حفاری سوراخ های بسیار نازک، ماشینکاری دقیق قطعات کریستال نیمه هادی؛
• تشکیل پوشش های محصول با پاشش، روکش کردن، آلیاژسازی سطح و غیره؛
• انتقال بسته های اطلاعاتی با استفاده از فایبرگلاس؛
• انجام عملیات جراحی و سایر مداخلات درمانی؛
• روش های زیبایی برای جوان سازی پوست، حذف تشکل های معیوب و غیره؛
• هدف قرار دادن انواع مختلف تسلیحات، از سلاح های کوچک گرفته تا موشک؛
• ایجاد و استفاده از روش های هولوگرافی؛
• کاربرد در کارهای تحقیقاتی مختلف؛
• اندازه گیری فواصل، مختصات، چگالی محیط کار، سرعت جریان و بسیاری از پارامترهای دیگر.
• راه اندازی واکنش های شیمیایی برای انجام فرآیندهای مختلف فناوری.

مناطق بسیار بیشتری وجود دارد که لیزرها قبلاً در آنها استفاده می شوند یا در آینده بسیار نزدیک کاربرد پیدا خواهند کرد.