Lāzera uzbūve un darbības princips. Optiski sūknētas kvantu ierīces, kas darbojas saskaņā ar "trīs līmeņu shēmu"

Kvantu ģeneratorus, kas izstaro redzamā un infrasarkanā starojuma diapazonā, sauc par lāzeriem. Vārds “lāzers” ir izteiciena saīsinājums: gaismas pastiprināšana ar stimulētu starojuma emisiju, kas nozīmē gaismas pastiprināšanos inducētas vai, kā dažkārt sauc, stimulētas kvantu emisijas rezultātā.

Lāzera ierīce

Ģeneralizēts lāzers sastāv no lāzera aktīvās vides, "sūknēšanas" sistēmas - sprieguma avota un optiskā dobuma.

Sūknēšanas sistēma nodod enerģiju lāzera barotnes atomiem vai molekulām, dodot tiem iespēju pāriet uz satrauktu "metastabilu stāvokli", radot populācijas inversiju.

· Optiskā sūknēšana izmanto fotonus, ko nodrošina avots, piemēram, ar ksenona gāzi pildīta zibspuldze vai cits lāzers, lai pārnestu enerģiju uz lāzera vielu. Optiskajam avotam jānodrošina fotoni, kas atbilst pieļaujamajiem pārejas līmeņiem lāzera materiālā.

· Sadursmes sūknēšanas pamatā ir enerģijas pārnešana uz lāzera vielu sadursmes ar lāzera vielas atomiem (vai molekulām) rezultātā. Tajā pašā laikā ir jānodrošina arī enerģija, kas atbilst pieļaujamām pārejām. To parasti panāk, izmantojot elektrisko izlādi tīrā gāzē vai gāzu maisījumu caurulē.

· Ķīmiskās sūknēšanas sistēmas izmanto ķīmisko reakciju rezultātā atbrīvoto saistīšanas enerģiju, lai pārveidotu lāzera vielu metastabilā stāvoklī.

Lai lāzerā nodrošinātu vēlamo spēku un atlasītu fotonus, kas pārvietojas vēlamajā virzienā, ir nepieciešams optiskais dobums. Kad pirmais atoms vai molekula metastabilā populācijas inversijas stāvoklī tiek izlādēts stimulētās emisijas dēļ, tas ierosina citu atomu vai molekulu izlādi metastabilā stāvoklī. Ja fotoni virzās uz lāzera vielas sienām, parasti stieni vai cauruli, tie tiek zaudēti un pastiprināšanas process tiek pārtraukts. Lai gan tie var atspīdēt no stieņa vai caurules sienām, agri vai vēlu tie pazudīs no sistēmas un neveicinās sijas izveidi.

No otras puses, ja viens no iznīcinātajiem atomiem vai molekulām atbrīvo fotonu paralēli lāzera vielas asij, tas var izraisīt cita fotona izdalīšanos, un tie abi tiks atspoguļoti spogulī ģenerējošā stieņa galā. vai caurule. Atstarotie fotoni pēc tam iziet atpakaļ caur vielu, uzsākot tālāku starojumu tieši pa to pašu ceļu, ko atkal atspoguļo spoguļi lāzera vielas galos. Kamēr šis pastiprināšanas process turpinās, daļa pastiprinājuma vienmēr iziet caur daļēji atstarojošo spoguli. Tā kā šī procesa ieguvums vai ieguvums pārsniedz zudumus no dobuma, sākas lazerēšana. Tādējādi veidojas šaurs, koncentrēts koherentas gaismas stars. Spoguļiem lāzera optiskajā dobumā jābūt precīzi noregulētiem, lai nodrošinātu, ka gaismas stari ir paralēli asij. Pats optiskais rezonators, t.i. barotnes vielai nevajadzētu spēcīgi absorbēt gaismas enerģiju.

Lāzera vide (lāzera materiāls) — lāzeri parasti tiek apzīmēti pēc izmantotās lāzervielas veida. Ir četri šādi veidi:

ciets,

krāsviela,

Pusvadītājs.

Cietvielu lāzeri izmanto lāzera materiālu, kas sadalīts cietā matricā. Cietvielu lāzeri ieņem unikālu vietu lāzera izstrādē. Pirmais darba lāzera līdzeklis bija rozā rubīna kristāls (safīra kristāls, kas leģēts ar hromu); kopš tā laika termins "cietvielu lāzers" parasti tiek lietots, lai aprakstītu lāzeru, kura aktīvā vide ir kristāls, kas leģēts ar jonu piemaisījumiem. Cietvielu lāzeri ir lielas, viegli kopjamas ierīces, kas spēj radīt lielas jaudas enerģiju. Ievērojamākā lieta par cietvielu lāzeriem ir tā, ka izejas jauda parasti nav nemainīga, bet sastāv no liela skaita atsevišķu jaudas maksimumu.

Viens piemērs ir neodīma-YAG lāzers. Termins YAG ir saīsinājums no kristāla: itrija alumīnija granāts, kas kalpo kā neodīma jonu nesējs. Šis lāzers izstaro infrasarkano staru, kura viļņa garums ir 1064 mikrometri. Turklāt var izmantot citus dopinga elementus, piemēram, erbiju (Er:YAG lāzeri).

Gāzes lāzeri izmanto gāzi vai gāzu maisījumu mēģenē. Lielākā daļa gāzes lāzeru izmanto hēlija un neona (HeNe) maisījumu ar primāro izejas signālu 6328 nm (nm = 10-9 metri), redzams sarkans. Šis lāzers pirmo reizi tika izstrādāts 1961. gadā un kļuva par visas gāzes lāzeru saimes priekšteci.

Visi gāzes lāzeri ir diezgan līdzīgi pēc konstrukcijas un īpašībām. Piemēram, CO2 gāzes lāzers izstaro 10,6 mikrometru viļņa garumu spektra tālajā infrasarkanajā reģionā. Argona un kriptona gāzes lāzeri darbojas vairākās frekvencēs, izstaro galvenokārt redzamajā spektra daļā. Argona lāzera starojuma galvenie viļņu garumi ir 488 un 514 nm.

Krāsu lāzeri izmanto lāzera barotni, kas ir sarežģīta organiska krāsviela šķidrā šķīdumā vai suspensijā.

Šo lāzeru nozīmīgākā iezīme ir to “pielāgošanās spēja”. Pareiza krāsas izvēle un tās koncentrācija ļauj ģenerēt lāzera gaismu plašā viļņu garuma diapazonā redzamajā spektrā vai tā tuvumā. Krāsu lāzeri parasti izmanto optiskās ierosmes sistēmu, lai gan daži krāsu lāzeru veidi izmanto ķīmisko ierosmi.


Pusvadītāju (diožu) lāzeri - sastāv no diviem pusvadītāju materiāla slāņiem, kas sakrauti kopā. Lāzera diode ir gaismas diode ar optisko kapacitāti, lai pastiprinātu izstaroto gaismu no pusvadītāju stieņa pretreakcijas, kā parādīts attēlā. Tos var noregulēt, mainot pielietoto strāvu, temperatūru vai magnētisko lauku.

Dažādos lāzera darbības laika režīmus nosaka enerģijas piegādes frekvence.

Nepārtrauktā viļņa (CW) lāzeri darbojas ar nemainīgu vidējo staru jaudu.

Viena impulsa lāzeriem parasti impulsu ilgums svārstās no vairākiem simtiem mikrosekundēm līdz vairākām milisekundēm. Šo darbības režīmu parasti sauc par garu impulsu vai parasto režīmu.

Viena impulsa Q pārslēgtie lāzeri ir intracavity aizkaves (Q-switched cell) rezultāts, kas ļauj lāzera videi saglabāt maksimālo potenciālo enerģiju. Pēc tam vislabvēlīgākajos apstākļos tiek emitēti atsevišķi impulsi, parasti ar laika intervālu 10-8 sekundes. Šiem impulsiem ir augsta maksimālā jauda, ​​bieži diapazonā no 106 līdz 109 vatiem.

Impulsu impulsu lāzeri vai skenējošie lāzeri principā darbojas tāpat kā impulsu lāzeri, taču ar fiksētu (vai mainīgu) impulsu ātrumu, kas var mainīties no dažiem impulsiem sekundē līdz pat 20 000 impulsu sekundē.

Lāzera darbības princips

Lāzera darbības fiziskais pamats ir piespiedu (inducētā) starojuma parādība. Parādības būtība ir tāda, ka ierosināts atoms spēj izstarot fotonu cita fotona ietekmē bez tā absorbcijas, ja tā enerģija ir vienāda ar atoma līmeņu enerģijas starpību pirms un pēc fotona. starojums. Šajā gadījumā izstarotais fotons ir saskaņots ar fotonu, kas izraisīja starojumu (tā ir tā "precīza kopija"). Tādā veidā gaisma tiek pastiprināta. Šī parādība atšķiras no spontānās emisijas, kurā izstarotajiem fotoniem ir nejauši izplatīšanās virzieni, polarizācija un fāze.

Varbūtība, ka nejaušs fotons izraisīs stimulētu emisiju no ierosinātā atoma, ir tieši vienāda ar šī fotona absorbcijas iespējamību atomā, kas atrodas neierosinātā stāvoklī. Tāpēc, lai pastiprinātu gaismu, ir nepieciešams, lai vidē būtu vairāk ierosināto atomu nekā neierosināto (tā sauktā populācijas inversija). Termodinamiskā līdzsvara stāvoklī šis nosacījums nav izpildīts, tāpēc lāzeraktīvās vides sūknēšanai tiek izmantotas dažādas sistēmas (optiskās, elektriskās, ķīmiskās utt.).

Primārais ģenerācijas avots ir spontānas emisijas process, tāpēc, lai nodrošinātu fotonu paaudžu nepārtrauktību, ir nepieciešama pozitīva atgriezeniskā saite, kuras dēļ emitētie fotoni izraisa turpmākus inducētās emisijas aktus. Lai to izdarītu, lāzera aktīvo vidi ievieto optiskā dobumā. Vienkāršākajā gadījumā tas sastāv no diviem spoguļiem, no kuriem viens ir caurspīdīgs - caur to lāzera stars daļēji iziet no rezonatora. Atstarojoties no spoguļiem, starojuma stars atkārtoti iziet cauri rezonatoram, izraisot tajā inducētas pārejas. Starojums var būt gan nepārtraukts, gan impulss. Tajā pašā laikā, izmantojot dažādas ierīces (rotējošas prizmas, Kerra šūnas utt.), lai ātri izslēgtu un ieslēgtu atgriezenisko saiti un tādējādi samazinātu impulsu periodu, ir iespējams radīt apstākļus ļoti lielas jaudas starojuma ģenerēšanai ( tā sauktie milzu pākšaugi). Šo lāzera darbības režīmu sauc par Q komutācijas režīmu.

Lāzera radītais starojums ir monohromatisks (viens vai diskrēts viļņu garumu kopums), jo noteikta viļņa garuma fotona emisijas varbūtība ir lielāka nekā tuvu esošam fotonam, kas saistīts ar spektrālās līnijas paplašināšanos, un , attiecīgi arī inducēto pāreju varbūtībai šajā frekvencē ir maksimums. Tāpēc pakāpeniski ģenerēšanas procesā noteikta viļņa garuma fotoni dominēs pār visiem citiem fotoniem. Turklāt, pateicoties spoguļu īpašajam izvietojumam, lāzera starā tiek saglabāti tikai tie fotoni, kas izplatās paralēli rezonatora optiskajai asij nelielā attālumā no tā, atlikušie fotoni ātri atstāj rezonatora tilpumu. Tādējādi lāzera staram ir ļoti mazs novirzes leņķis. Visbeidzot, lāzera staram ir stingri noteikta polarizācija. Lai to izdarītu, rezonatorā tiek ievadīti dažādi polaroīdi, piemēram, tie var būt plakanas stikla plāksnes, kas uzstādītas Brewster leņķī pret lāzera stara izplatīšanās virzienu.


Lāzeru pielietojumi

lāzera kvantu ģeneratora starojums

Kopš izgudrošanas lāzeri ir pierādījuši sevi kā "gatavus risinājumus vēl nezināmām problēmām". Pateicoties lāzera starojuma unikālajām īpašībām, tos plaši izmanto daudzās zinātnes un tehnikas nozarēs, kā arī sadzīvē (CD atskaņotāji, lāzerprinteri, svītrkodu lasītāji, lāzera rādītāji u.c.). Rūpniecībā lāzeri tiek izmantoti dažādu materiālu detaļu griešanai, metināšanai un lodēšanai. Augstā starojuma temperatūra ļauj metināt materiālus, kurus nevar metināt ar parastajām metodēm (piemēram, keramiku un metālu). Lāzera staru var fokusēt punktā ar mikronu diametru, kas ļauj to izmantot mikroelektronikā (tā sauktā lāzera skribēšana). Lāzeri tiek izmantoti materiālu virsmas pārklājumu iegūšanai (lāzera sakausēšana, lāzera virsma, vakuumlāzera uzklāšana), lai palielinātu to nodilumizturību. Plaši tiek izmantota arī rūpniecisko dizainu lāzera marķēšana un no dažādiem materiāliem izgatavotu izstrādājumu gravēšana. Materiālu lāzerapstrādes laikā uz tiem nenotiek mehāniska ietekme, tāpēc rodas tikai nelielas deformācijas. Turklāt visu tehnoloģisko procesu var pilnībā automatizēt. Tāpēc lāzera apstrādi raksturo augsta precizitāte un produktivitāte.

Pusvadītāju lāzers, ko izmanto Hewlett-Packard printera attēlu ģenerēšanas blokā.

Lāzerus hologrāfijā izmanto, lai izveidotu hologrammas pašas un iegūtu hologrāfisku trīsdimensiju attēlu. Daži lāzeri, piemēram, krāsu lāzeri, spēj radīt gandrīz jebkura viļņa garuma monohromatisku gaismu, un starojuma impulsi var sasniegt 10–16 s un līdz ar to milzīgu jaudu (tā sauktie milzu impulsi). Šīs īpašības tiek izmantotas spektroskopijā, kā arī nelineāro optisko efektu izpētē. Izmantojot lāzeru, ar vairāku centimetru precizitāti bija iespējams izmērīt attālumu līdz Mēnesim. Kosmosa objektu lāzera mērīšana precizēja astronomiskās konstantes nozīmi un veicināja kosmosa navigācijas sistēmu pilnveidošanu, paplašināja izpratni par Saules sistēmas planētu atmosfēras un virsmas struktūru. Astronomiskajos teleskopos, kas aprīkoti ar adaptīvu optisko sistēmu atmosfēras izkropļojumu koriģēšanai, tiek izmantoti lāzeri, lai atmosfēras augšējos slāņos izveidotu mākslīgas vadzvaigznes.

Ultraīsus lāzera impulsus izmanto lāzerķīmijā, lai izraisītu un analizētu ķīmiskās reakcijas. Šeit lāzera starojums nodrošina precīzu lokalizāciju, devu, absolūtu sterilitāti un lielu enerģijas ievades ātrumu sistēmā. Šobrīd tiek izstrādātas dažādas lāzera dzesēšanas sistēmas, tiek izskatītas iespējas realizēt kontrolētu kodolsintēzi, izmantojot lāzerus (pētniecībai termokodolreakciju jomā piemērotākais lāzers būtu lāzers, kas izmanto viļņu garumus redzamā spektra zilajā daļā ). Lāzeri tiek izmantoti arī militāriem mērķiem, piemēram, kā vadības un mērķēšanas palīglīdzekļi. Tiek apsvērtas iespējas izveidot gaisa, jūras un zemes kaujas aizsardzības sistēmas, kuru pamatā ir lieljaudas lāzeri.

Medicīnā lāzeri tiek izmantoti kā bezasins skalpeļi un tiek izmantoti oftalmoloģisko slimību (katarakta, tīklenes atslāņošanās, lāzera redzes korekcija u.c.) ārstēšanā. Tos plaši izmanto arī kosmetoloģijā (lāzerepilācija, asinsvadu un pigmentētu ādas defektu ārstēšana, lāzerpīlings, tetovējumu un vecuma plankumu likvidēšana). Šobrīd strauji attīstās tā sauktā lāzersaziņa. Ir zināms, ka jo augstāka ir sakaru kanāla nesējfrekvence, jo lielāka ir tā caurlaidspēja. Tāpēc radio sakari mēdz pāriet uz arvien īsākiem viļņu garumiem. Gaismas viļņa garums ir vidēji par sešām lieluma kārtām mazāks par radio diapazona viļņa garumu, tāpēc lāzera starojums var pārraidīt daudz lielāku informācijas apjomu. Lāzera komunikācija tiek veikta gan caur atvērtām, gan slēgtām gaismas virzošām konstrukcijām, piemēram, optisko šķiedru. Pateicoties pilnīgas iekšējās atstarošanas fenomenam, gaisma var izplatīties pa to lielos attālumos, praktiski nekaitējot.

Ikdienas ražošanas un zinātniskās darbības. Gadu gaitā šis “rīks” tiks arvien vairāk pilnveidots, un tajā pašā laikā lāzeru darbības joma nepārtraukti paplašināsies. Pieaugošais pētījumu temps lāzertehnoloģiju jomā paver iespēju radīt jaunus lāzeru tipus ar ievērojami uzlabotām īpašībām, ļaujot tiem paplašināt pielietojuma jomas...




Ne tikai īpaši cietiem materiāliem, bet arī materiāliem, kam raksturīgs paaugstināts trauslums. Lāzerurbis izrādījās ne tikai spēcīgs, bet arī ļoti delikāts “instruments”. Piemērs: lāzera izmantošana, urbjot caurumus skaidu pamatnēs, kas izgatavotas no alumīnija oksīda keramikas. Keramika ir neparasti trausla. Šī iemesla dēļ mehāniskā urbumu urbšana skaidu substrātā...

Lāzers obligāti sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām:

1) aktīvā vide, kuros tiek radīti stāvokļi ar iedzīvotāju inversiju;

2) sistēmassūknēšana− ierīces inversijas veidošanai aktīvajā vidē;

3) optiskaispar rezonatoru− ierīce, kas veido fotonu stara virzienu.

Turklāt optiskais rezonators ir paredzēts lāzera starojuma daudzkārtējai pastiprināšanai.

Šobrīd kā aktīvs (strādā) vidi lāzeri izmanto dažādus vielu agregātus: cietu, šķidru, gāzveida, plazmu.

Lai izveidotu lāzera vides apgriezto populāciju, dažādas sūknēšanas metodes . Lāzeru var sūknēt vai nu nepārtraukti, vai impulsu. Ilgtermiņa (nepārtrauktā) režīmā sūkņa jaudu, kas tiek ievadīta aktīvajā vidē, ierobežo aktīvās vides pārkaršana un ar to saistītās parādības. Viena impulsa režīmā aktīvajā vidē ir iespējams ievadīt ievērojami vairāk enerģijas nekā tajā pašā laikā nepārtrauktā režīmā. Tas rada lielāku viena impulsa jaudu.


Lāzers- tas ir gaismas avots ar īpašībām, kas krasi atšķiras no visiem citiem avotiem (kvēlspuldzes, dienasgaismas spuldzes, liesmas, dabiskie gaismekļi utt.). Lāzera staram ir vairākas ievērojamas īpašības. Tas izplatās lielos attālumos, un tam ir stingri lineārs virziens. Stars pārvietojas ļoti šaurā starā ar zemu novirzes pakāpi (tas sasniedz Mēnesi ar simtiem metru fokusu). Lāzera staram ir liels siltums, un tas var izdurt caurumu jebkurā materiālā. Stara gaismas intensitāte ir lielāka par spēcīgāko gaismas avotu intensitāti.
Nosaukums lāzers ir saīsinājums no angļu valodas frāzes: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). gaismas pastiprināšana, izmantojot stimulētu emisiju.
Visas lāzersistēmas var iedalīt grupās atkarībā no izmantotās aktīvās vides veida. Svarīgākie lāzeru veidi ir:

  • cietā stāvoklī
  • pusvadītājs
  • šķidrums
  • gāze
    Aktīvā vide ir atomu, molekulu, jonu vai kristāla kopums (pusvadītāju lāzers), kas gaismas ietekmē var iegūt pastiprinošas īpašības.

    Tātad katram atomam ir noteikts enerģijas līmeņu kopums. Atoma elektroni, kas atrodas pamatstāvoklī (stāvoklī ar minimālu enerģiju), absorbējot gaismas kvantus, pāriet uz augstāku enerģijas līmeni - atoms tiek ierosināts; Kad tiek izstarots gaismas kvants, notiek pretējais. Turklāt gaismas emisija, tas ir, pāreja uz zemāku enerģijas līmeni (1.b att.) var notikt spontāni (spontāni) vai ārējā starojuma ietekmē (piespiedu kārtā) (1.c att.). Turklāt, ja spontāna starojuma kvanti tiek emitēti nejaušos virzienos, tad stimulētā starojuma kvants tiek izstarots tajā pašā virzienā kā kvants, kas izraisīja šo starojumu, tas ir, abi kvanti ir pilnīgi identiski.

    1. att. Lāzera starojuma veidi

    Lai dominētu pārejas, kurās notiek enerģijas emisija (pārejas no augstākā enerģijas līmeņa uz zemāku), ir jārada paaugstināta ierosināto atomu vai molekulu koncentrācija (lai radītu populācijas inversiju). Tas novedīs pie gaismas, kas krīt uz vielu, palielināšanās. Vielas stāvokli, kurā veidojas apgriezta enerģijas līmeņu populācija, sauc par aktīvo, un barotni, kas sastāv no šādas vielas, sauc par aktīvo vidi.

    Līmeņu apgrieztās populācijas izveides procesu sauc par sūknēšanu. Un vēl viena lāzeru klasifikācija tiek veikta pēc sūknēšanas metodes (optiskā, termiskā, ķīmiskā, elektriskā utt.). Sūknēšanas metodes ir atkarīgas no lāzera veida (cietvielu, šķidruma, gāzes, pusvadītāju utt.).
    Par sūknēšanas procesa galveno uzdevumu var uzskatīt trīs līmeņu lāzera piemēru (2. att.)


    2. att. trīs līmeņu lāzera diagramma

    Zemākais lāzera līmenis I ar enerģiju E1 ir sistēmas galvenais enerģijas līmenis, kurā sākotnēji atrodas visi aktīvie atomi. Sūknēšana ierosina atomus un attiecīgi pārnes tos no I zemes līmeņa uz III līmeni ar enerģiju E3. Atomi, kas atrodas III līmenī, izstaro gaismas kvantus un virzās uz I līmeni vai ātri pāriet uz augšējo lāzera līmeni II. Lai ierosināto atomu uzkrāšanās notiktu augšējā lāzera II līmenī ar enerģiju E2, ir nepieciešama strauja atomu relaksācija no III līmeņa uz II, kam jāpārsniedz augšējā lāzera II līmeņa sabrukšanas ātrums. Šādā veidā izveidotā apgrieztā populācija nodrošinās apstākļus starojuma pastiprināšanai.

    Tomēr, lai notiktu paaudze, joprojām ir jānodrošina atgriezeniskā saite, tas ir, lai stimulētā emisija, kad tā rodas, izraisītu jaunus stimulētās emisijas aktus. Lai izveidotu šādu procesu, aktīvo vidi ievieto optiskā rezonatorā.

    Optiskais rezonators ir divu spoguļu sistēma, starp kuriem atrodas aktīvā vide (3. att.). Tas nodrošina vairākas gaismas viļņu izcelsmes vietas, kas izplatās pa savu asi caur pastiprinošo vidi, kā rezultātā tiek sasniegta liela starojuma jauda.


    3. att. Lāzera diagramma

    Kad tiek sasniegta noteikta jauda, ​​starojums iziet caur caurspīdīgu spoguli. Pateicoties līdzdalībai ģenerēšanas attīstībā tikai tās kvantu daļas, kas ir paralēlas rezonatora asij, efektivitāte. lāzeri parasti nepārsniedz 1%. Dažos gadījumos upurējot noteiktas īpašības, efektivitāti. var palielināt līdz 30%.

    • Diagramma parāda: 1 - aktīvā barotne; 2 - lāzera sūkņa enerģija; 3 - necaurspīdīgs spogulis; 4 - caurspīdīgs spogulis; 5 - lāzera stars.

    Visi lāzeri sastāv no trim galvenajām daļām:

      aktīva (darba) vide;

      sūknēšanas sistēmas (enerģijas avots);

      optiskais rezonators (var nebūt, ja lāzers darbojas pastiprinātāja režīmā).

    Katrs no tiem nodrošina lāzera specifisko funkciju izpildi.

    Aktīva vide

    Pašlaik par lāzera darba vidi tiek izmantoti dažādi vielu agregāti: cieta, šķidra, gāzveida, plazma. Normālā stāvoklī atomu skaitu, kas atrodas ierosinātā enerģijas līmenī, nosaka Bolcmana sadalījums:

    Šeit N- atomu skaits ierosinātā stāvoklī ar enerģiju E, N 0 - atomu skaits pamatstāvoklī, k- Bolcmana konstante, T- vides temperatūra. Citiem vārdiem sakot, ierosinātā stāvoklī šādu atomu ir mazāk nekā pamatstāvoklī, tāpēc varbūtība, ka fotons, kas izplatās caur vidi, izraisīs stimulētu emisiju, ir mazs, salīdzinot ar tā absorbcijas varbūtību. Tāpēc elektromagnētiskais vilnis, ejot cauri vielai, iztērē savu enerģiju atomu ierosināšanai. Starojuma intensitāte samazinās saskaņā ar Būvē likumu:

    Šeit es 0 - sākotnējā intensitāte, es l ir attāluma šķērsojošā starojuma intensitāte l matērijā a 1 ir vielas absorbcijas ātrums. Tā kā atkarība ir eksponenciāla, starojums tiek absorbēts ļoti ātri.

    Gadījumā, ja ierosināto atomu skaits ir lielāks nekā neierosināto (tas ir, populācijas inversijas stāvoklī), situācija ir tieši pretēja. Stimulētās emisijas akti prevalē pār absorbciju, un starojums palielinās saskaņā ar likumu:

    Kur a 2 - kvantu pastiprinājuma koeficients. Reālos lāzeros pastiprināšana notiek līdz brīdim, kad stimulētās emisijas dēļ saņemtais enerģijas daudzums kļūst vienāds ar rezonatorā zaudēto enerģijas daudzumu. Šie zudumi ir saistīti ar darba vielas metastabilā līmeņa piesātinājumu, pēc kura sūknēšanas enerģija tiek izmantota tikai tās sildīšanai, kā arī ar daudzu citu faktoru klātbūtni (izkliede ar vides neviendabīgumu, absorbcija ar piemaisījumiem, atstarojošo spoguļu nepilnības, noderīgs un nevēlams starojums vidē utt.).

    Sūknēšanas sistēma

    Lai radītu populācijas inversiju lāzera vidē, tiek izmantoti dažādi mehānismi. Cietvielu lāzeros zvanīšana tiek panākta, apstarojot ar jaudīgām gāzizlādes zibspuldzēm, fokusētu saules starojumu (tā saukto optisko sūknēšanu) un citu lāzeru (īpaši pusvadītāju lāzeru) starojumu. Šajā gadījumā darbība ir iespējama tikai impulsa režīmā, jo ir nepieciešams ļoti liels sūknēšanas enerģijas blīvums, kas ar ilgstošu iedarbību izraisa spēcīgu darba vielas stieņa uzkaršanu un iznīcināšanu. Gāzes un šķidruma lāzeri izmanto elektriskās izlādes sūknēšanu. Šādi lāzeri darbojas nepārtrauktā režīmā. Sūknēšana ķīmiskie lāzeri rodas ķīmiskām reakcijām to aktīvajā vidē. Šajā gadījumā populācijas inversija notiek vai nu tieši reakcijas produktos, vai speciāli ievadītos piemaisījumos ar piemērotu enerģijas līmeņu struktūru. Pusvadītāju lāzeru sūknēšana notiek spēcīgas priekšējās strāvas ietekmē caur p-n savienojumu, kā arī elektronu staru. Ir arī citas sūknēšanas metodes (gāzu dinamiskas, kas ietver iepriekš uzkarsētu gāzu asu dzesēšanu; fotodisociācija, īpašs ķīmiskās sūknēšanas gadījums utt.).

    Attēlā: a - trīs līmeņu un b - četru līmeņu sūknēšanas ķēdes lāzera aktīvajai videi.

    Klasiskā trīs līmeņu sistēma darba vides sūknēšanai tiek izmantota, piemēram, rubīna lāzerā. Rubīns ir korunda kristāls Al 2 O 3, kas leģēts ar nelielu daudzumu hroma jonu Cr 3+, kas ir lāzera starojuma avots. Korunda kristāla režģa elektriskā lauka ietekmē hroma ārējās enerģijas līmenis E 2 ir sadalīts (skat. Starka efektu). Tas dod iespēju izmantot nemonohromatisko starojumu kā sūknēšanu. Šajā gadījumā atoms pāriet no pamatstāvokļa ar enerģiju E 0 in satraukti ar enerģiju par E 2. Atoms var palikt šajā stāvoklī salīdzinoši īsu laiku (apmēram 10–8 s), neradiatīva pāreja uz līmeni notiek gandrīz nekavējoties E 1, kur atoms var palikt daudz ilgāk (līdz 10–3 s), tas ir tā sauktais metastabilais līmenis. Pastāv iespēja, ka inducēts starojums citu nejaušu fotonu ietekmē. Tiklīdz metastabilā stāvoklī ir vairāk atomu nekā galvenajā stāvoklī, sākas ģenerēšanas process.

    Jāatzīmē, ka, lai izveidotu hroma atomu Cr populācijas inversiju, izmantojot sūknēšanu tieši no līmeņa E 0 vienā līmenī E 1 nav iespējams. Tas ir saistīts ar faktu, ka, ja absorbcija un stimulētā emisija notiek starp diviem līmeņiem, tad abi procesi notiek ar tādu pašu ātrumu. Tāpēc šajā gadījumā sūknēšana var izlīdzināt tikai divu līmeņu populācijas, kas nav pietiekami, lai notiktu lazerēšana.

    Daži lāzeri, piemēram, neodīma lāzeri, kuros starojums tiek ģenerēts, izmantojot neodīma Nd 3+ jonus, izmanto četru līmeņu sūknēšanas shēmu. Šeit starp metastable E 2 un galvenais līmenis E 0 ir vidējais - darba līmenis E 1 . Stimulētā emisija notiek, kad atoms pāriet starp līmeņiem E 2 un E 1 . Šīs shēmas priekšrocība ir tāda, ka šajā gadījumā ir viegli izpildīt populācijas inversijas nosacījumu, jo augšējā darbības līmeņa kalpošanas laiks ir ( E 2) par vairākām kārtām garāks par zemākā līmeņa kalpošanas laiku ( E 1). Tas ievērojami samazina prasības sūkņa avotam. Turklāt šāda shēma ļauj izveidot lieljaudas lāzerus, kas darbojas nepārtrauktā režīmā, kas ir ļoti svarīgi dažiem lietojumiem. Tomēr šādiem lāzeriem ir būtisks trūkums zemas kvantu efektivitātes veidā, kas tiek definēts kā izstarotā fotona enerģijas attiecība pret absorbētā sūkņa fotona enerģiju (η kvants = hν starojums / hν sūknis)

    Mūsdienās ir grūti atrast cilvēku, kurš nekad nebūtu dzirdējis šo vārdu "lāzers" tomēr ļoti retais skaidri saprot, kas tas ir.

    Pusgadsimta laikā kopš izgudrošanas dažāda veida lāzeri ir atraduši pielietojumu visdažādākajās jomās, sākot no medicīnas līdz digitālajām tehnoloģijām. Tātad, kas ir lāzers, kāds ir tā darbības princips un kam tas paredzēts?

    Kas ir lāzers?

    Lāzeru pastāvēšanas iespējamību paredzēja Alberts Einšteins, kurš tālajā 1917. gadā publicēja rakstu, runājot par iespēju elektroniem izstarot noteikta garuma gaismas kvantus. Šo parādību sauca par stimulēto emisiju, taču ilgu laiku to uzskatīja par nerealizējamu no tehniskā viedokļa.

    Taču, attīstoties tehniskajām un tehnoloģiskajām iespējām, lāzera izveide kļuva par laika jautājumu. 1954. gadā padomju zinātnieki N. Basovs un A. Prohorovs saņēma Nobela prēmiju par masera - pirmā mikroviļņu ģeneratora, kas darbojas ar amonjaku, izveidi. Un 1960. gadā amerikānis T. Maimans izgatavoja pirmo optisko staru kvantu ģeneratoru, ko viņš nosauca par lāzeru (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Ierīce pārvērš enerģiju šaura virziena optiskā starojumā, t.i. gaismas stars, augstas koncentrācijas gaismas kvantu (fotonu) plūsma.

    Lāzera darbības princips

    Parādību, uz kuras balstās lāzera darbība, sauc par vides piespiedu vai inducētu starojumu. Noteiktas vielas atomi var izstarot fotonus citu fotonu ietekmē, un darbojošā fotona enerģijai jābūt vienādai ar starpību starp atoma enerģijas līmeņiem pirms un pēc starojuma.

    Izstarotais fotons ir saskaņots ar to, kas izraisīja starojumu, t.i. tieši tāpat kā pirmais fotons. Rezultātā vājā gaismas plūsma vidē tiek pastiprināta, un nevis haotiski, bet vienā noteiktā virzienā. Tiek veidots stimulētā starojuma stars, ko sauc par lāzeru.

    Lāzera klasifikācija

    Pētot lāzeru būtību un īpašības, tika atklāti dažādi šo staru veidi. Atkarībā no sākotnējās vielas stāvokļa lāzeri var būt:

    • gāze;
    • šķidrums;
    • cietā stāvoklī;
    • uz brīvajiem elektroniem.



    Pašlaik ir izstrādātas vairākas metodes lāzera stara iegūšanai:

    • izmantojot elektrisko mirdzumu vai loka izlādi gāzveida vidē - gāzizlāde;
    • izmantojot karstās gāzes izplešanos un iedzīvotāju inversiju izveidi - gāzes dinamisks;
    • laižot strāvu caur pusvadītāju ar vides ierosmi - diode vai injekcija;
    • optiski sūknējot barotni ar zibspuldzi, LED, citu lāzeru utt.;
    • ar barotnes elektronu staru sūknēšanu;
    • kodolsūknēšana, ja starojums nāk no kodolreaktora;
    • izmantojot īpašas ķīmiskās reakcijas – ķīmiskos lāzerus.

    Visiem tiem ir savas īpašības un atšķirības, pateicoties kurām tos izmanto dažādās rūpniecības jomās.

    Lāzeru praktiska izmantošana

    Mūsdienās dažādu veidu lāzeri tiek izmantoti desmitiem nozaru, medicīnā, IT tehnoloģijās un citās darbības jomās. Ar viņu palīdzību tiek veiktas šādas darbības:

    • metālu, plastmasas un citu materiālu griešana un metināšana;
    • attēlu, uzrakstu uzlikšana un izstrādājumu virsmas marķēšana;
    • īpaši plānu caurumu urbšana, pusvadītāju kristāla detaļu precīza apstrāde;
    • izstrādājumu pārklājumu veidošana ar izsmidzināšanu, virskārtu, virsmu sakausēšanu u.c.;
    • informācijas pakešu pārraide, izmantojot stiklšķiedru;
    • veicot ķirurģiskas operācijas un citas terapeitiskas iejaukšanās;
    • kosmētiskās procedūras ādas atjaunošanai, defektīvu veidojumu likvidēšanai u.c.;
    • mērķēšana uz dažāda veida ieročiem, no kājnieku ieročiem līdz raķetēm;
    • hologrāfisko metožu izveide un izmantošana;
    • pielietojums dažādos pētniecības darbos;
    • attālumu, koordinātu, darba vides blīvuma, plūsmas ātruma un daudzu citu parametru mērīšana;
    • ķīmisko reakciju uzsākšana dažādu tehnoloģisko procesu veikšanai.



    Ir daudz vairāk jomu, kurās lāzeri jau tiek izmantoti vai tiks pielietoti tuvākajā nākotnē.