Građa i princip rada lasera. Optički pumpani kvantni uređaji koji rade prema "trorazinskoj shemi"

Kvantni generatori koji emitiraju u području vidljivog i infracrvenog zračenja nazivaju se laseri. Riječ “laser” je skraćenica za izraz: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, što znači pojačanje svjetlosti kao rezultat inducirane ili, kako se ponekad naziva, stimulirane emisije kvanta.

Laserski uređaj

Generalizirani laser sastoji se od laserskog aktivnog medija, "pumping" sustava - izvora napona i optičke šupljine.

Sustav pumpanja prenosi energiju na atome ili molekule laserskog medija, dajući im priliku da prijeđu u pobuđeno "metastabilno stanje" stvarajući inverziju stanovništva.

· Optičko pumpanje koristi fotone koje daje izvor, kao što je ksenonska bljeskalica punjena plinom ili drugi laser, za prijenos energije na lasersku tvar. Optički izvor mora osigurati fotone koji odgovaraju prihvatljivim razinama prijelaza u laserskom materijalu.

· Collision pumping temelji se na prijenosu energije na lasersku tvar kao rezultat sudara s atomima (ili molekulama) laserske tvari. Istodobno se mora osigurati i energija koja odgovara dopuštenim prijelazima. To se obično postiže korištenjem električnog pražnjenja u čistom plinu ili mješavini plinova u cijevi.

· Sustavi kemijskog pumpanja koriste energiju vezanja koja se oslobađa kao rezultat kemijskih reakcija za transformaciju laserske tvari u metastabilno stanje.

Optička šupljina potrebna je za osiguravanje željene sile u laseru i odabir fotona koji se kreću u željenom smjeru. Kada se prvi atom ili molekula u metastabilnom stanju inverzije naseljenosti isprazni, uslijed stimulirane emisije, on inicira pražnjenje drugih atoma ili molekula u metastabilnom stanju. Ako fotoni putuju prema stijenkama laserske tvari, obično šipke ili cijevi, oni se gube i proces pojačanja se prekida. Iako se mogu reflektirati od stijenki šipke ili cijevi, prije ili kasnije će se izgubiti iz sustava i neće pridonijeti stvaranju zrake.

S druge strane, ako jedan od uništenih atoma ili molekula oslobodi foton paralelan s osi laserske tvari, može inicirati oslobađanje drugog fotona, a oba će se reflektirati u ogledalu na kraju generirajućeg štapa. ili cijev. Reflektirani fotoni zatim prolaze natrag kroz tvar, pokrećući daljnje zračenje točno istim putem, koje ponovno reflektiraju zrcala na krajevima laserske tvari. Sve dok traje ovaj proces pojačanja, dio pojačanja će uvijek izlaziti kroz djelomično reflektirajuće zrcalo. Kako dobitak ili pojačanje ovog procesa premašuje gubitke iz šupljine, počinje lasersko snimanje. Tako nastaje uski, koncentrirani snop koherentne svjetlosti. Zrcala u laserskoj optičkoj šupljini moraju biti precizno podešena kako bi se osiguralo da su svjetlosne zrake paralelne s osi. Sam optički rezonator, tj. tvar medija ne bi trebala snažno apsorbirati svjetlosnu energiju.

Laserski medij (materijal za laser) – Laseri se obično označavaju prema vrsti laserske tvari koja se koristi. Postoje četiri takve vrste:

čvrsto,

Boja,

Poluvodič.

Solid-state laseri koriste laserski materijal raspoređen u čvrstoj matrici. Solid-state laseri zauzimaju jedinstveno mjesto u razvoju lasera. Prvi radni laserski medij bio je ružičasti rubin kristal (kristal safira dopiran kromom); od tada se termin "solid-state laser" općenito koristi za opisivanje lasera čiji je aktivni medij kristal dopiran ionskim nečistoćama. Solid-state laseri su veliki uređaji laki za održavanje koji mogu generirati energiju velike snage. Najznačajnija stvar kod lasera u čvrstom stanju je da izlazna snaga obično nije konstantna, već se sastoji od velikog broja pojedinačnih vrhova snage.

Jedan primjer je Neodymium-YAG laser. Izraz YAG je skraćenica za kristal: itrij aluminij granat, koji služi kao nosač za neodimijske ione. Ovaj laser emitira infracrvenu zraku valne duljine od 1064 mikrometra. Osim toga, mogu se koristiti i drugi elementi za dopiranje, poput erbija (Er:YAG laseri).

Plinski laseri koriste plin ili mješavinu plinova u cijevi. Većina plinskih lasera koristi mješavinu helija i neona (HeNe), s primarnim izlaznim signalom od 6328 nm (nm = 10-9 metara), vidljivo crveno. Ovaj je laser prvi put razvijen 1961. i postao je preteča cijele obitelji plinskih lasera.

Svi plinski laseri prilično su slični po dizajnu i svojstvima. Na primjer, CO2 plinski laser emitira valnu duljinu od 10,6 mikrometara u dalekom infracrvenom području spektra. Plinski laseri argona i kriptona rade na više frekvencija, emitirajući pretežno u vidljivom dijelu spektra. Glavne valne duljine zračenja argonskog lasera su 488 i 514 nm.

Laseri s bojom koriste laserski medij koji je složena organska boja u tekućoj otopini ili suspenziji.

Najvažnija značajka ovih lasera je njihova "prilagodljivost". Ispravan odabir boje i njezine koncentracije omogućuje generiranje laserskog svjetla u širokom rasponu valnih duljina u ili blizu vidljivog spektra. Laseri s bojom obično koriste sustav optičke pobude, iako neke vrste lasera s bojom koriste kemijsku pobudu.


Poluvodički (diodni) laseri – sastoje se od dva sloja poluvodičkog materijala složena zajedno. Laserska dioda je dioda koja emitira svjetlost s optičkim kapacitetom za pojačavanje emitirane svjetlosti iz zazora poluvodičke šipke, kao što je prikazano na slici. Mogu se podešavati promjenom primijenjene struje, temperature ili magnetskog polja.

Različiti vremenski načini rada lasera određeni su frekvencijom kojom se energija dovodi.

Laseri s kontinuiranim valom (CW) rade s konstantnom prosječnom snagom snopa.

Laseri s jednim impulsom obično imaju trajanje impulsa u rasponu od nekoliko stotina mikrosekundi do nekoliko milisekundi. Ovaj način rada obično se naziva dugim pulsom ili normalnim načinom rada.

Laseri s Q-sklopkom s jednim impulsom rezultat su intrakavitetnog kašnjenja (ćelija s Q-sklopkom), što omogućuje laserskom mediju da zadrži maksimalnu potencijalnu energiju. Zatim se pod najpovoljnijim uvjetima emitiraju pojedinačni impulsi, obično u vremenskom intervalu od 10-8 sekundi. Ovi impulsi imaju veliku vršnu snagu, često u rasponu od 106 do 109 vata.

Pulsni pulsni laseri ili skenirajući laseri rade u načelu isto kao i pulsni laseri, ali s fiksnom (ili promjenjivom) brzinom pulsa koja može varirati od nekoliko impulsa u sekundi do čak 20 000 impulsa u sekundi.

Princip rada lasera

Fizička osnova rada lasera je fenomen prisilnog (induciranog) zračenja. Bit fenomena je da je pobuđeni atom sposoban emitirati foton pod utjecajem drugog fotona bez njegove apsorpcije, ako je energija potonjeg jednaka razlici u energijama razina atoma prije i poslije fotona. radijacija. U ovom slučaju, emitirani foton je koherentan s fotonom koji je izazvao zračenje (to je njegova “točna kopija”). Na taj se način svjetlost pojačava. Ovaj se fenomen razlikuje od spontane emisije, u kojoj emitirani fotoni imaju slučajne smjerove širenja, polarizaciju i fazu.

Vjerojatnost da će nasumični foton izazvati stimuliranu emisiju iz pobuđenog atoma točno je jednaka vjerojatnosti apsorpcije tog fotona od strane atoma u nepobuđenom stanju. Stoga je za pojačanje svjetlosti potrebno da u mediju bude više pobuđenih atoma nego nepobuđenih (tzv. inverzija naseljenosti). U stanju termodinamičke ravnoteže ovaj uvjet nije zadovoljen pa se koriste različiti sustavi za pumpanje laserskog aktivnog medija (optički, električni, kemijski itd.).

Primarni izvor generiranja je proces spontane emisije, stoga je za osiguranje kontinuiteta generiranja fotona neophodno postojanje pozitivne povratne sprege, zbog koje emitirani fotoni uzrokuju naknadne akte inducirane emisije. Da bi se to postiglo, laserski aktivni medij se postavlja u optičku šupljinu. U najjednostavnijem slučaju, sastoji se od dva zrcala, od kojih je jedno prozirno - kroz njega laserska zraka djelomično izlazi iz rezonatora. Reflektirajući se od zrcala, zraka zračenja više puta prolazi kroz rezonator, uzrokujući inducirane prijelaze u njemu. Zračenje može biti kontinuirano ili pulsirajuće. Istodobno, korištenjem različitih uređaja (rotirajućih prizmi, Kerrovih ćelija i dr.) za brzo isključivanje i uključivanje povratne sprege i time smanjenje perioda impulsa, moguće je stvoriti uvjete za generiranje zračenja vrlo velike snage ( takozvani divovski pulsevi). Ovaj način rada lasera naziva se Q-switched mod.

Zračenje koje generira laser je monokromatsko (jedna ili diskretni skup valnih duljina), budući da je vjerojatnost emisije fotona određene valne duljine veća od fotona koji se nalazi blizu, što je povezano sa širenjem spektralne linije, i , sukladno tome, vjerojatnost induciranih prijelaza na ovoj frekvenciji također ima maksimum. Stoga će postupno tijekom procesa generiranja fotoni određene valne duljine dominirati nad svim ostalim fotonima. Osim toga, zbog posebnog rasporeda zrcala, samo oni fotoni koji se šire u smjeru paralelnom s optičkom osi rezonatora na maloj udaljenosti od nje zadržavaju se u laserskoj zraki; preostali fotoni brzo napuštaju volumen rezonatora. Dakle, laserska zraka ima vrlo mali kut divergencije. Konačno, laserska zraka ima strogo definiranu polarizaciju. Da bi se to postiglo, u rezonator se uvode različiti polaroidi; na primjer, to mogu biti ravne staklene ploče postavljene pod Brewsterovim kutom u odnosu na smjer širenja laserske zrake.


Primjene lasera

lasersko kvantno generatorsko zračenje

Od svog izuma, laseri su se etablirali kao "gotova rješenja za još nepoznate probleme". Zbog jedinstvenih svojstava laserskog zračenja naširoko se koriste u mnogim granama znanosti i tehnologije, kao iu svakodnevnom životu (CD playeri, laserski pisači, barcode čitači, laserski pokazivači itd.). U industriji se laseri koriste za rezanje, zavarivanje i lemljenje dijelova od raznih materijala. Visoka temperatura zračenja omogućuje zavarivanje materijala koji se ne mogu zavariti uobičajenim metodama (na primjer, keramika i metal). Lasersku zraku moguće je fokusirati u točku promjera reda veličine mikrona, što omogućuje njezinu primjenu u mikroelektronici (tzv. laser scribing). Laseri se koriste za dobivanje površinskih prevlaka materijala (lasersko legiranje, lasersko navarivanje, vakuumsko lasersko taloženje) kako bi se povećala njihova otpornost na trošenje. Lasersko označavanje industrijskog dizajna i graviranje proizvoda izrađenih od različitih materijala također se široko koriste. Prilikom laserske obrade materijala nema mehaničkih utjecaja na njih, pa dolazi samo do manjih deformacija. Osim toga, cijeli tehnološki proces može se u potpunosti automatizirati. Lasersku obradu stoga karakterizira visoka preciznost i produktivnost.

Poluvodički laser koji se koristi u jedinici za generiranje slike Hewlett-Packard pisača.

Laseri se u holografiji koriste za izradu samih holograma i dobivanje holografske trodimenzionalne slike. Neki laseri, poput lasera na bojila, sposobni su generirati monokromatsku svjetlost gotovo bilo koje valne duljine, a impulsi zračenja mogu doseći 10-16 s, a time i goleme snage (tzv. divovski impulsi). Ova se svojstva koriste u spektroskopiji, kao iu proučavanju nelinearnih optičkih učinaka. Pomoću lasera bilo je moguće izmjeriti udaljenost do Mjeseca s točnošću od nekoliko centimetara. Lasersko rangiranje svemirskih objekata razjasnilo je značenje astronomske konstante i pridonijelo usavršavanju svemirskih navigacijskih sustava, proširilo razumijevanje strukture atmosfere i površine planeta Sunčevog sustava. U astronomskim teleskopima opremljenim adaptivnim optičkim sustavom za ispravljanje atmosferskih izobličenja, laseri se koriste za stvaranje umjetnih zvijezda vodiča u gornjim slojevima atmosfere.

Ultrakratki laserski impulsi koriste se u laserskoj kemiji za pokretanje i analizu kemijskih reakcija. Ovdje lasersko zračenje omogućuje preciznu lokalizaciju, doziranje, apsolutnu sterilnost i veliku brzinu unosa energije u sustav. Trenutno se razvijaju različiti sustavi laserskog hlađenja, a razmatraju se i mogućnosti implementacije kontrolirane termonuklearne fuzije pomoću lasera (najprikladniji laser za istraživanja u području termonuklearnih reakcija bio bi laser koji koristi valne duljine u plavom dijelu vidljivog spektra). ). Laseri se također koriste u vojne svrhe, na primjer, kao pomoć za navođenje i nišanjenje. Razmatraju se mogućnosti za stvaranje borbenih obrambenih sustava iz zraka, mora i zemlje na temelju lasera velike snage.

U medicini se laseri koriste kao beskrvni skalpeli i koriste se u liječenju oftalmoloških bolesti (katarakte, ablacija mrežnice, laserska korekcija vida itd.). Također se široko koriste u kozmetologiji (lasersko uklanjanje dlačica, liječenje vaskularnih i pigmentiranih defekata kože, laserski piling, uklanjanje tetovaža i staračkih pjega). Trenutno se ubrzano razvija tzv. laserska komunikacija. Poznato je da što je veća nosiva frekvencija komunikacijskog kanala, to je njegova propusnost veća. Stoga se radiokomunikacije nastoje pomaknuti na sve kraće valne duljine. Valna duljina svjetlosti u prosjeku je šest redova veličine kraća od valne duljine radijskog raspona, pa lasersko zračenje može prenijeti mnogo veću količinu informacija. Laserska komunikacija provodi se kroz otvorene i zatvorene svjetlovodne strukture, na primjer, optičko vlakno. Zbog fenomena potpune unutarnje refleksije, svjetlost se može širiti kroz njega na velike udaljenosti, praktički bez slabljenja.

Svakodnevne proizvodne i znanstvene aktivnosti. S godinama će se ovaj “alat” sve više usavršavati, au isto vrijeme opseg lasera će se stalno širiti. Sve veći ritam istraživanja u području laserske tehnologije otvara mogućnost stvaranja novih tipova lasera sa značajno poboljšanim karakteristikama, omogućujući im proširenje područja primjene u...




Ne samo za posebno tvrde materijale, već i za materijale s povećanom lomljivošću. Pokazalo se da je laserska bušilica ne samo moćan, već i vrlo delikatan "alat". Primjer: korištenje lasera pri bušenju rupa u podlogama od aluminijeve keramike. Keramika je neobično krhka. Iz tog razloga, mehaničko bušenje rupa u podlozi čipa...

Laser se nužno sastoji od tri glavne komponente:

1) aktivni medij, u kojima se stvaraju države s inverzijom stanovništva;

2) sustavapumpanje− uređaji za stvaranje inverzije u aktivnom mediju;

3) optičkio rezonatoru− uređaj koji oblikuje smjer snopa fotona.

Osim toga, optički rezonator je dizajniran za višestruko pojačanje laserskog zračenja.

Trenutno kao aktivan (radi) okoliš laseri koriste različita agregatna stanja tvari: čvrsto, tekuće, plinovito, plazma.

Za stvaranje inverzne naseljenosti laserskog okruženja, različite metode crpljenja . Laser se može pumpati kontinuirano ili pulsno. U dugotrajnom (kontinuiranom) načinu rada, snaga pumpe unesena u aktivni medij ograničena je pregrijavanjem aktivnog medija i povezanim pojavama. U režimu pojedinačnog impulsa moguće je unijeti značajno više energije u aktivni medij nego za isto vrijeme u kontinuiranom načinu rada. To rezultira većom snagom jednog impulsa.


Laser- ovo je izvor svjetlosti sa svojstvima koja se oštro razlikuju od svih drugih izvora (žarulje sa žarnom niti, fluorescentne svjetiljke, plamenovi, prirodna svjetiljke i tako dalje). Laserska zraka ima niz izvanrednih svojstava. Širi se na velike udaljenosti i ima strogo linearan smjer. Zraka se kreće u vrlo uskom snopu s niskim stupnjem divergencije (dolazi do Mjeseca s fokusom od stotina metara). Laserska zraka ima veliku toplinu i može probušiti rupu u bilo kojem materijalu. Intenzitet svjetlosti snopa veći je od intenziteta najjačih izvora svjetlosti.
Ime laser je skraćenica engleske fraze: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). pojačanje svjetlosti pomoću stimulirane emisije.
Svi laserski sustavi mogu se podijeliti u skupine ovisno o vrsti aktivnog medija koji se koristi. Najvažnije vrste lasera su:

  • kruto stanje
  • poluvodič
  • tekućina
  • plin
    Aktivni medij je skup atoma, molekula, iona ili kristal (poluvodički laser), koji pod utjecajem svjetlosti može dobiti pojačavajuća svojstva.

    Dakle, svaki atom ima diskretan skup energetskih razina. Elektroni atoma koji se nalaze u osnovnom stanju (stanje s minimalnom energijom), pri apsorpciji kvanta svjetlosti prelaze na višu energetsku razinu – atom je pobuđen; Kada se kvant svjetlosti emitira, događa se suprotno. Štoviše, emisija svjetlosti, odnosno prijelaz na nižu energetsku razinu (slika 1b) može se dogoditi spontano (spontano) ili pod utjecajem vanjskog zračenja (prisilno) (slika 1c). Štoviše, ako se kvanti spontanog zračenja emitiraju u slučajnim smjerovima, tada se kvant stimuliranog zračenja emitira u istom smjeru kao i kvant koji je to zračenje izazvao, odnosno oba su kvanta potpuno identična.

    Sl.1 Vrste laserskog zračenja

    Da bi prevladavali prijelazi u kojima dolazi do emisije energije (prijelazi s gornje energetske razine na nižu), potrebno je stvoriti povećanu koncentraciju pobuđenih atoma ili molekula (stvoriti inverziju naseljenosti). To će dovesti do povećanja svjetlosti koja pada na tvar. Stanje tvari u kojem se stvara inverzna naseljenost energetskih razina nazivamo aktivnim, a medij koji se sastoji od takve tvari nazivamo aktivnim medijem.

    Proces stvaranja inverzne populacije razina naziva se pumpanje. I druga klasifikacija lasera je napravljena prema metodi pumpanja (optički, toplinski, kemijski, električni, itd.). Metode pumpanja ovise o vrsti lasera (kruti, tekući, plinski, poluvodički itd.).
    Glavni zadatak procesa pumpanja može se razmotriti na primjeru lasera s tri razine (slika 2)


    Slika 2 dijagram trorazinskog lasera

    Donja laserska razina I s energijom E1 je glavna energetska razina sustava, na kojoj se inicijalno nalaze svi aktivni atomi. Pumpanje pobuđuje atome i, sukladno tome, prenosi ih s osnovne razine I na razinu III, s energijom E3. Atomi koji se nađu na razini III emitiraju kvante svjetlosti i prelaze na razinu I, ili brzo prelaze na gornju lasersku razinu II. Da bi došlo do nakupljanja pobuđenih atoma na gornjoj laserskoj razini II, s energijom E2, potrebno je brzo opuštanje atoma s razine III na II, što mora premašiti brzinu raspada gornje laserske razine II. Ovako stvorena invertirana populacija omogućit će uvjete za pojačanje zračenja.

    No, da bi došlo do generiranja, ipak je potrebno osigurati povratnu spregu, odnosno da stimulirana emisija, nakon što nastane, izazove nove akte stimulirane emisije. Za stvaranje takvog procesa aktivni medij se stavlja u optički rezonator.

    Optički rezonator je sustav dva zrcala, između kojih se nalazi aktivni medij (slika 3). Omogućuje više izvora svjetlosnih valova koji se šire duž njegove osi kroz medij za pojačanje, čime se postiže velika snaga zračenja.


    Sl.3 Laserski dijagram

    Kada se postigne određena snaga, zračenje izlazi kroz prozirno zrcalo. Zbog sudjelovanja u razvoju generacije samo onog dijela kvanta koji su paralelni s osi rezonatora, učinkovitost. lasera obično ne prelazi 1%. U nekim slučajevima, žrtvovanje određenih karakteristika, učinkovitosti. može se povećati na 30%.

    • Dijagram prikazuje: 1 - aktivni medij; 2 - energija laserske pumpe; 3 - neprozirno ogledalo; 4 - prozirno ogledalo; 5 - laserska zraka.

    Svi se laseri sastoje od tri glavna dijela:

      aktivna (radna) okolina;

      crpni sustavi (izvor energije);

      optički rezonator (može biti odsutan ako laser radi u načinu rada pojačala).

    Svaki od njih osigurava da laser obavlja svoje specifične funkcije.

    Aktivno okruženje

    Trenutno se kao radni medij lasera koriste različita agregatna stanja tvari: kruto, tekuće, plinovito, plazma. U normalnom stanju, broj atoma koji se nalaze na pobuđenim energetskim razinama određen je Boltzmannovom distribucijom:

    Ovdje N- broj atoma u pobuđenom stanju s energijom E, N 0 - broj atoma u osnovnom stanju, k- Boltzmannova konstanta, T- temperatura okoline. Drugim riječima, u pobuđenom stanju ima manje takvih atoma nego u osnovnom, stoga je vjerojatnost da će foton koji se širi kroz medij uzrokovati stimuliranu emisiju također mala u usporedbi s vjerojatnošću njegove apsorpcije. Stoga elektromagnetski val prolazeći kroz tvar troši svoju energiju na pobuđivanje atoma.Jačina zračenja opada prema Bouguerovom zakonu:

    Ovdje ja 0 - početni intenzitet, ja l je intenzitet zračenja koje putuje udaljenošću l u materiji a 1 je brzina apsorpcije tvari. Budući da je ovisnost eksponencijalna, zračenje se vrlo brzo apsorbira.

    U slučaju kada je broj pobuđenih atoma veći od nepobuđenih (odnosno u stanju inverzije naseljenosti), situacija je upravo obrnuta. Činovi stimulirane emisije prevladavaju nad apsorpcijom, a zračenje raste prema zakonu:

    Gdje a 2 - faktor kvantnog pojačanja. U pravim laserima pojačanje se događa sve dok količina primljene energije uslijed stimulirane emisije ne postane jednaka količini energije izgubljene u rezonatoru. Ti su gubici povezani sa zasićenjem metastabilne razine radne tvari, nakon čega se energija pumpanja koristi samo za zagrijavanje, kao i s prisutnošću mnogih drugih čimbenika (raspršenje nehomogenostima medija, apsorpcija nečistoćama). , nesavršenosti reflektirajućih zrcala, korisno i neželjeno zračenje u okoliš itd.).

    Pumpni sustav

    Za stvaranje inverzije stanovništva u laserskom okruženju koriste se različiti mehanizmi. U laserima u čvrstom stanju, sirenje se postiže zračenjem snažnim bljeskalicama s izbojem u plinu, fokusiranim sunčevim zračenjem (tzv. optičko pumpanje) i zračenjem drugih lasera (osobito poluvodičkih). U ovom slučaju, rad je moguć samo u pulsirajućem načinu rada, budući da su potrebne vrlo visoke gustoće energije pumpanja, koje s produljenom izloženošću uzrokuju snažno zagrijavanje i uništavanje šipke radne tvari. Plinski i tekući laseri koriste pumpanje električnim pražnjenjem. Takvi laseri rade u kontinuiranom načinu rada. Pumpanje kemijski laseri nastaje odvijanjem kemijskih reakcija u njihovom aktivnom mediju. U tom slučaju dolazi do inverzije naseljenosti ili izravno u produktima reakcije ili u posebno unesenim nečistoćama s odgovarajućom strukturom energetskih razina. Pumpanje poluvodičkih lasera događa se pod utjecajem jake prednje struje kroz p-n spoj, kao i snopa elektrona. Postoje i druge metode crpljenja (plinodinamičke, koje uključuju oštro hlađenje prethodno zagrijanih plinova; fotodisocijacija, poseban slučaj kemijskog pumpanja itd.).

    Na slici: a - trorazinski i b - četverorazinski krugovi pumpanja za aktivni medij lasera.

    Klasični sustav s tri razine za pumpanje radnog medija koristi se, na primjer, u rubin laseru. Rubin je kristal korunda Al 2 O 3 dopiran s malom količinom iona kroma Cr 3+, koji su izvor laserskog zračenja. Zbog utjecaja električnog polja kristalne rešetke korunda, razina vanjske energije kroma E 2 je podijeljen (vidi Starkov učinak). To je ono što omogućuje korištenje nemonokromatskog zračenja kao pumpanja. U tom slučaju atom prelazi iz osnovnog stanja s energijom E 0 u uzbuđen s energijom o E 2. Atom može ostati u ovom stanju relativno kratko vrijeme (oko 10-8 s); neradijacijski prijelaz na razinu događa se gotovo odmah E 1, gdje atom može ostati mnogo duže (do 10 −3 s), to je takozvana metastabilna razina. Javlja se mogućnost induciranog zračenja pod utjecajem drugih slučajnih fotona. Čim ima više atoma u metastabilnom stanju nego u glavnom stanju, počinje proces generiranja.

    Treba napomenuti da se za stvaranje inverzije naseljenosti atoma kroma Cr koristi pumpanje izravno s razine E 0 po razini E 1 nije moguće. To je zbog činjenice da ako se apsorpcija i stimulirana emisija odvijaju između dvije razine, tada se oba procesa odvijaju istom brzinom. Dakle, u ovom slučaju pumpanje može samo izjednačiti populacije dviju razina, što nije dovoljno za pojavu lasera.

    Neki laseri, na primjer neodimijski laseri, u kojima se zračenje generira korištenjem neodimijevih Nd 3+ iona, koriste shemu pumpanja s četiri razine. Ovdje između metastabilnih E 2 i glavna razina E 0 postoji srednja - radna razina E 1 . Stimulirana emisija se događa kada atom prelazi između razina E 2 i E 1 . Prednost ove sheme je što je u ovom slučaju lako zadovoljiti uvjet inverzije naseljenosti, budući da je životni vijek gornje radne razine ( E 2) nekoliko redova veličine dulje od životnog vijeka niže razine ( E 1). Ovo značajno smanjuje zahtjeve za izvor pumpe. Osim toga, takva shema omogućuje stvaranje lasera velike snage koji rade u kontinuiranom načinu rada, što je vrlo važno za neke primjene. Međutim, takvi laseri imaju značajan nedostatak u vidu niske kvantne učinkovitosti, koja se definira kao omjer energije emitiranog fotona i energije apsorbiranog fotona pumpe (η kvant = hν zračenje / hν pumpa)

    Teško je u današnje vrijeme pronaći osobu koja nikada nije čula tu riječ "laser", međutim, vrlo malo njih jasno razumije što je to.

    U pola stoljeća od izuma, laseri raznih vrsta našli su primjenu u najrazličitijim područjima, od medicine do digitalne tehnologije. Dakle, što je laser, koji je njegov princip rada i čemu služi?

    Što je laser?

    Mogućnost postojanja lasera predvidio je Albert Einstein, koji je još 1917. godine objavio rad u kojem se govori o mogućnosti emitiranja elektrona kvanta svjetlosti određene duljine. Ovaj fenomen je nazvan stimulirana emisija, ali se dugo vremena smatrao neostvarivim s tehničkog gledišta.

    Međutim, s razvojem tehničkih i tehnoloških mogućnosti, stvaranje lasera postalo je pitanje vremena. Godine 1954. sovjetski znanstvenici N. Basov i A. Prohorov dobili su Nobelovu nagradu za stvaranje masera - prvog mikrovalnog generatora koji radi na amonijak. A 1960. godine Amerikanac T. Maiman proizveo je prvi kvantni generator optičkih zraka, koji je nazvao laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Uređaj pretvara energiju u uskosmjerno optičko zračenje, tj. svjetlosni snop, tok svjetlosnih kvanta (fotona) visoke koncentracije.

    Princip rada lasera

    Pojava na kojoj se temelji rad lasera naziva se prisilno, ili inducirano, zračenje medija. Atomi određene tvari mogu emitirati fotone pod utjecajem drugih fotona, a energija fotona koji djeluje mora biti jednaka razlici energetskih razina atoma prije i poslije zračenja.

    Emitirani foton je koherentan s onim koji je izazvao zračenje, tj. točno kao prvi foton. Kao rezultat, slabi protok svjetlosti u mediju se pojačava, i to ne kaotično, već u jednom zadanom smjeru. Formira se snop stimuliranog zračenja koji se naziva laser.

    Klasifikacija lasera

    Proučavanjem prirode i svojstava lasera otkrivene su različite vrste tih zraka. Ovisno o stanju polazne tvari, laseri mogu biti:

    • plin;
    • tekućina;
    • kruto stanje;
    • na slobodnim elektronima.



    Trenutno je razvijeno nekoliko metoda za proizvodnju laserske zrake:

    • korištenje električnog sjaja ili lučnog pražnjenja u plinovitom okruženju - plinsko pražnjenje;
    • korištenje ekspanzije vrućeg plina i stvaranje inverzija naseljenosti - plinodinamički;
    • prolaskom struje kroz poluvodič uz pobudu medija - dioda ili injekcija;
    • optičkim pumpanjem medija bljeskalicom, LED-om, drugim laserom itd.;
    • pumpanjem medija elektronskim snopom;
    • nuklearno pumpanje kada zračenje dolazi iz nuklearnog reaktora;
    • pomoću posebnih kemijskih reakcija – kemijskih lasera.

    Svi oni imaju svoje karakteristike i razlike, zahvaljujući kojima se koriste u različitim područjima industrije.

    Praktična uporaba lasera

    Danas se laseri raznih vrsta koriste u desecima industrija, medicini, IT tehnologijama i drugim područjima djelovanja. Uz njihovu pomoć provodi se sljedeće:

    • rezanje i zavarivanje metala, plastike i drugih materijala;
    • nanošenje slika, natpisa i označavanje površine proizvoda;
    • bušenje ultratankih rupa, precizna obrada poluvodičkih kristalnih dijelova;
    • stvaranje premaza proizvoda prskanjem, navarivanjem, površinskim legiranjem itd.;
    • Prijenos informacijskih paketa pomoću staklenih vlakana;
    • izvođenje kirurških operacija i drugih terapijskih zahvata;
    • kozmetički postupci za pomlađivanje kože, uklanjanje neispravnih formacija itd.;
    • gađanje raznih vrsta oružja, od malog oružja do projektila;
    • stvaranje i korištenje holografskih metoda;
    • primjena u raznim istraživačkim radovima;
    • mjerenje udaljenosti, koordinata, gustoće radnog medija, brzine protoka i mnogih drugih parametara;
    • pokretanje kemijskih reakcija za izvođenje različitih tehnoloških procesa.



    Mnogo je više područja u kojima se laseri već koriste ili će u vrlo skoroj budućnosti naći primjenu.