Budowa i zasada działania lasera. Optycznie pompowane urządzenia kwantowe działające według „schematu trójpoziomowego”

Generatory kwantowe emitujące w zakresie promieniowania widzialnego i podczerwonego nazywane są laserami. Słowo „laser” jest skrótem od wyrażenia: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, co oznacza wzmocnienie światła w wyniku indukowanej lub, jak to się czasem nazywa, stymulowanej emisji kwantów.

Urządzenie laserowe

Uogólniony laser składa się z laserowego ośrodka aktywnego, układu „pompującego” - źródła napięcia i wnęki optycznej.

Układ pompujący przekazuje energię atomom lub cząsteczkom ośrodka laserowego, dając im możliwość przejścia w wzbudzony „stan metastabilny”, powodując inwersję obsadzeń.

· Pompowanie optyczne wykorzystuje fotony dostarczane przez źródło, takie jak ksenonowa lampa błyskowa wypełniona gazem lub inny laser, do przenoszenia energii do substancji laserowej. Źródło optyczne musi dostarczać fotony odpowiadające akceptowalnym poziomom przejścia w materiale laserowym.

· Pompowanie kolizyjne polega na przekazywaniu energii do substancji laserowej w wyniku zderzeń z atomami (lub cząsteczkami) substancji laserowej. Jednocześnie należy zapewnić energię odpowiadającą dopuszczalnym przejściom. Zwykle osiąga się to za pomocą wyładowania elektrycznego w czystym gazie lub mieszaninie gazów w rurze.

· Chemiczne systemy pompujące wykorzystują energię wiązania uwolnioną w wyniku reakcji chemicznych do przekształcenia substancji laserowej w stan metastabilny.

Aby zapewnić pożądaną siłę w laserze i wybrać fotony poruszające się w pożądanym kierunku, wymagana jest wnęka optyczna. Kiedy pierwszy atom lub cząsteczka znajdująca się w metastabilnym stanie inwersji populacji zostaje wyładowana w wyniku emisji wymuszonej, inicjuje to wyładowanie innych atomów lub cząsteczek w stanie metastabilnym. Jeżeli fotony przemieszczają się w kierunku ścian substancji laserowej, zwykle pręta lub rurki, giną, a proces wzmacniania zostaje przerwany. Chociaż mogą odbijać się od ścianek pręta lub rury, prędzej czy później zostaną utracone z systemu i nie przyczynią się do powstania belki.

Z drugiej strony, jeśli jeden ze zniszczonych atomów lub cząsteczek wypuści foton równoległy do ​​osi substancji laserowej, może zapoczątkować uwolnienie kolejnego fotonu i oba zostaną odbite przez zwierciadło na końcu pręta generującego lub rurka. Odbite fotony przechodzą następnie z powrotem przez substancję, inicjując dalsze promieniowanie dokładnie tą samą drogą, która jest ponownie odbijana przez zwierciadła na końcach substancji laserowej. Dopóki proces wzmacniania będzie kontynuowany, część wzmocnienia będzie zawsze wychodzić przez częściowo odbijające lustro. Gdy zysk lub zysk w tym procesie przewyższa straty z ubytku, rozpoczyna się laserowanie. W ten sposób powstaje wąska, skoncentrowana wiązka spójnego światła. Lustra we wnęce optycznej lasera muszą być precyzyjnie ustawione, aby promienie świetlne były równoległe do osi. Sam rezonator optyczny, tj. substancja ośrodka nie powinna silnie absorbować energii świetlnej.

Medium laserowe (materiał laserowy) – Lasery są zwykle oznaczane na podstawie rodzaju użytej substancji laserowej. Istnieją cztery takie typy:

solidny,

Barwnik,

Półprzewodnik.

Lasery na ciele stałym wykorzystują materiał laserowy rozmieszczony w stałej matrycy. Lasery na ciele stałym zajmują wyjątkowe miejsce w rozwoju laserów. Pierwszym działającym ośrodkiem laserowym był różowy kryształ rubinu (kryształ szafirowy domieszkowany chromem); od tego czasu termin „laser na ciele stałym” był powszechnie używany do opisania lasera, którego ośrodkiem aktywnym jest kryształ domieszkowany zanieczyszczeniami jonowymi. Lasery na ciele stałym to duże, łatwe w utrzymaniu urządzenia zdolne do generowania energii o dużej mocy. Najbardziej niezwykłą cechą laserów na ciele stałym jest to, że moc wyjściowa zwykle nie jest stała, ale składa się z dużej liczby pojedynczych szczytów mocy.

Jednym z przykładów jest laser neodymowo-YAG. Termin YAG jest skrótem od kryształu: granatu itrowo-glinowego, który służy jako nośnik jonów neodymu. Laser ten emituje wiązkę podczerwieni o długości fali 1064 mikrometrów. Ponadto można stosować inne pierwiastki domieszkujące, takie jak erb (lasery Er:YAG).

Lasery gazowe wykorzystują gaz lub mieszaninę gazów w rurze. Większość laserów gazowych wykorzystuje mieszaninę helu i neonu (HeNe), z głównym sygnałem wyjściowym o długości 6328 nm (nm = 10-9 metrów), widocznym kolorem czerwonym. Laser ten został opracowany w 1961 roku i stał się prekursorem całej rodziny laserów gazowych.

Wszystkie lasery gazowe mają dość podobną konstrukcję i właściwości. Na przykład laser gazowy CO2 emituje długość fali 10,6 mikrometra w zakresie widma dalekiej podczerwieni. Lasery gazowe argonowe i kryptonowe działają na wielu częstotliwościach, emitując głównie widzialną część widma. Główne długości fal promieniowania lasera argonowego wynoszą 488 i 514 nm.

Lasery barwnikowe wykorzystują ośrodek laserowy będący złożonym barwnikiem organicznym w ciekłym roztworze lub zawiesinie.

Najważniejszą cechą tych laserów jest ich „przystosowalność”. Właściwy dobór barwnika i jego stężenia umożliwia generację światła laserowego w szerokim zakresie długości fal w widmie widzialnym lub w jego pobliżu. Lasery barwnikowe zwykle wykorzystują optyczny system wzbudzenia, chociaż niektóre typy laserów barwnikowych wykorzystują wzbudzenie chemiczne.


Lasery półprzewodnikowe (diodowe) – składają się z dwóch warstw materiału półprzewodnikowego ułożonych razem. Dioda laserowa to dioda elektroluminescencyjna o pojemności optycznej umożliwiającej wzmocnienie światła emitowanego przez luz w pręcie półprzewodnikowym, jak pokazano na rysunku. Można je dostroić, zmieniając przyłożony prąd, temperaturę lub pole magnetyczne.

Różne tryby czasowe pracy lasera zależą od częstotliwości dostarczania energii.

Lasery o fali ciągłej (CW) działają ze stałą średnią mocą wiązki.

Lasery jednoimpulsowe mają zazwyczaj czas trwania impulsu od kilkuset mikrosekund do kilku milisekund. Ten tryb pracy nazywany jest zwykle trybem długiego impulsu lub trybem normalnym.

Lasery z pojedynczym impulsem Q-switch powstają w wyniku opóźnienia wewnątrz wnęki (ogniwo Q-switch), które pozwala nośnikowi laserowemu zachować maksymalną energię potencjalną. Następnie w najkorzystniejszych warunkach emitowane są pojedyncze impulsy, zwykle w odstępie czasu 10-8 sekund. Impulsy te mają wysoką moc szczytową, często w zakresie od 106 do 109 watów.

Pulsacyjne lasery impulsowe, czyli lasery skanujące, działają w zasadzie tak samo jak lasery impulsowe, ale ze stałą (lub zmienną) częstotliwością impulsów, która może wahać się od kilku impulsów na sekundę do nawet 20 000 impulsów na sekundę.

Zasada działania lasera

Fizyczną podstawą działania lasera jest zjawisko promieniowania wymuszonego (indukowanego). Istota zjawiska polega na tym, że wzbudzony atom jest w stanie wyemitować foton pod wpływem innego fotonu bez jego absorpcji, jeśli energia tego ostatniego jest równa różnicy energii poziomów atomu przed i po promieniowanie. W tym przypadku wyemitowany foton jest spójny z fotonem, który spowodował promieniowanie (jest jego „dokładną kopią”). W ten sposób światło zostaje wzmocnione. Zjawisko to różni się od emisji spontanicznej, w której emitowane fotony mają losowe kierunki propagacji, polaryzację i fazę.

Prawdopodobieństwo, że losowy foton spowoduje emisję wymuszoną ze wzbudzonego atomu, jest dokładnie równe prawdopodobieństwu absorpcji tego fotonu przez atom w stanie niewzbudzonym. Dlatego do wzmocnienia światła konieczne jest, aby w ośrodku było więcej atomów wzbudzonych niż niewzbudzonych (tzw. inwersja obsadzeń). W stanie równowagi termodynamicznej warunek ten nie jest spełniony, dlatego stosuje się różne systemy pompowania ośrodka aktywnego lasera (optyczne, elektryczne, chemiczne itp.).

Podstawowym źródłem generacji jest proces emisji spontanicznej, dlatego dla zapewnienia ciągłości generacji fotonów konieczne jest istnienie dodatniego sprzężenia zwrotnego, dzięki któremu wyemitowane fotony powodują kolejne akty emisji indukowanej. W tym celu we wnęce optycznej umieszcza się ośrodek aktywny lasera. W najprostszym przypadku składa się z dwóch luster, z których jedno jest półprzezroczyste - przez nie wiązka lasera częściowo wychodzi z rezonatora. Odbijając się od zwierciadeł wiązka promieniowania przechodzi wielokrotnie przez rezonator, powodując w nim indukowane przejścia. Promieniowanie może mieć charakter ciągły lub pulsacyjny. Jednocześnie stosując różne urządzenia (obracające się pryzmaty, ogniwa Kerra itp.) umożliwiające szybkie wyłączenie i włączenie sprzężenia zwrotnego i tym samym skrócenie okresu impulsów, możliwe jest stworzenie warunków do generowania promieniowania o bardzo dużej mocy (tzw. tak zwane impulsy olbrzymie). Ten tryb działania lasera nazywany jest trybem Q-switch.

Promieniowanie generowane przez laser jest monochromatyczne (jedna lub dyskretny zbiór długości fal), gdyż prawdopodobieństwo emisji fotonu o określonej długości fali jest większe niż fotonu blisko położonego, co jest związane z poszerzeniem linii widmowej, oraz odpowiednio prawdopodobieństwo indukowanych przejść przy tej częstotliwości również ma maksimum. Dlatego stopniowo w procesie generacji fotony o danej długości fali będą dominować nad wszystkimi innymi fotonami. Ponadto, dzięki specjalnemu rozmieszczeniu zwierciadeł, w wiązce lasera zatrzymywane są tylko te fotony, które rozchodzą się w kierunku równoległym do osi optycznej rezonatora w niewielkiej odległości od niego, a pozostałe fotony szybko opuszczają objętość rezonatora. Zatem wiązka lasera ma bardzo mały kąt rozbieżności. Wreszcie wiązka lasera ma ściśle określoną polaryzację. W tym celu do rezonatora wprowadza się różne polaroidy, na przykład mogą to być płaskie płytki szklane instalowane pod kątem Brewstera do kierunku propagacji wiązki laserowej.


Zastosowania laserów

promieniowanie laserowego generatora kwantowego

Od czasu wynalezienia lasery stały się „gotowymi rozwiązaniami jeszcze nieznanych problemów”. Ze względu na unikalne właściwości promieniowania laserowego znajdują one szerokie zastosowanie w wielu gałęziach nauki i techniki, a także w życiu codziennym (odtwarzacze CD, drukarki laserowe, czytniki kodów kreskowych, wskaźniki laserowe itp.). W przemyśle lasery wykorzystuje się do cięcia, spawania i lutowania części wykonanych z różnych materiałów. Wysoka temperatura promieniowania pozwala na spawanie materiałów, których nie da się zespawać konwencjonalnymi metodami (np. ceramiki i metalu). Wiązkę lasera można skupić w punkcie o średnicy rzędu mikrona, co pozwala na zastosowanie jej w mikroelektronice (tzw. trasowanie laserowe). Lasery służą do otrzymywania powłok powierzchniowych materiałów (stopowanie laserowe, napawanie laserowe, napawanie laserowe próżniowe) w celu zwiększenia ich odporności na zużycie. Szeroko stosowane jest także znakowanie laserowe wzorów przemysłowych oraz grawerowanie wyrobów wykonanych z różnych materiałów. Podczas obróbki laserowej materiałów nie następuje na nie oddziaływanie mechaniczne, dlatego powstają jedynie niewielkie odkształcenia. Dodatkowo cały proces technologiczny może być w pełni zautomatyzowany. Obróbka laserowa charakteryzuje się zatem dużą precyzją i produktywnością.

Laser półprzewodnikowy stosowany w jednostce generującej obraz drukarki Hewlett-Packard.

Lasery wykorzystywane są w holografii do samodzielnego tworzenia hologramów i uzyskiwania holograficznego, trójwymiarowego obrazu. Niektóre lasery, np. lasery barwnikowe, są w stanie generować światło monochromatyczne o niemal dowolnej długości fali, a impulsy promieniowania mogą sięgać 10−16 s, a co za tym idzie – ogromnych mocy (tzw. impulsów gigantycznych). Właściwości te wykorzystuje się w spektroskopii, a także w badaniu nieliniowych efektów optycznych. Za pomocą lasera można było zmierzyć odległość do Księżyca z dokładnością do kilku centymetrów. Dalmierz laserowy obiektów kosmicznych wyjaśnił znaczenie stałej astronomicznej i przyczynił się do udoskonalenia systemów nawigacji kosmicznej, poszerzył zrozumienie struktury atmosfery i powierzchni planet Układu Słonecznego. W teleskopach astronomicznych wyposażonych w adaptacyjny układ optyczny korygujący zniekształcenia atmosferyczne, lasery służą do tworzenia sztucznych gwiazd prowadzących w górnych warstwach atmosfery.

Ultrakrótkie impulsy laserowe są wykorzystywane w chemii laserów do wywoływania i analizowania reakcji chemicznych. Tutaj promieniowanie laserowe pozwala na precyzyjną lokalizację, dozowanie, całkowitą sterylność i dużą prędkość wprowadzania energii do układu. Obecnie opracowywane są różne systemy chłodzenia lasera i rozważane są możliwości realizacji kontrolowanej syntezy termojądrowej za pomocą laserów (najbardziej odpowiednim laserem do badań w zakresie reakcji termojądrowych byłby laser wykorzystujący długości fal z niebieskiej części widma widzialnego ). Lasery są również wykorzystywane do celów wojskowych, na przykład jako pomoce w naprowadzaniu i celowaniu. Rozważane są możliwości budowy powietrznych, morskich i naziemnych systemów obrony bojowej w oparciu o lasery dużej mocy.

W medycynie lasery wykorzystywane są jako bezkrwawe skalpele oraz stosowane w leczeniu chorób oczu (zaćma, odwarstwienie siatkówki, laserowa korekcja wzroku itp.). Mają także szerokie zastosowanie w kosmetologii (laserowe usuwanie owłosienia, leczenie defektów naczyniowych i barwnikowych skóry, peelingi laserowe, usuwanie tatuaży i plam starczych). Obecnie dynamicznie rozwija się tzw. komunikacja laserowa. Wiadomo, że im wyższa częstotliwość nośna kanału komunikacyjnego, tym większa jest jego przepustowość. Dlatego komunikacja radiowa ma tendencję do przenoszenia się na coraz krótsze fale. Długość fali światła jest średnio o sześć rzędów wielkości krótsza niż długość fali w zakresie radiowym, dlatego promieniowanie laserowe może przekazać znacznie większą ilość informacji. Komunikacja laserowa odbywa się zarówno poprzez otwarte, jak i zamknięte struktury światłowodowe, na przykład światłowód. Dzięki zjawisku całkowitego wewnętrznego odbicia światło może rozprzestrzeniać się w nim na duże odległości, praktycznie bez osłabienia.

Codzienna działalność produkcyjna i naukowa. Z biegiem lat to „narzędzie” będzie coraz bardziej udoskonalane, a jednocześnie zakres zastosowań laserów będzie stale się poszerzał. Rosnące tempo badań w dziedzinie technologii laserowej otwiera możliwość tworzenia nowych typów laserów o znacznie ulepszonych właściwościach, co pozwala na poszerzenie ich obszarów zastosowań w...




Nie tylko do szczególnie twardych materiałów, ale także do materiałów charakteryzujących się zwiększoną kruchością. Wiertarka laserowa okazała się nie tylko potężnym, ale i bardzo delikatnym „narzędziem”. Przykład: zastosowanie lasera przy wierceniu otworów w podłożach wiórowych wykonanych z ceramiki tlenku glinu. Ceramika jest niezwykle delikatna. Z tego powodu mechaniczne wiercenie otworów w podłożu wiórowym...

Laser koniecznie składa się z trzech głównych elementów:

1) środek aktywny, w których powstają stany z inwersją populacji;

2) systemypompowanie− urządzenia do wytwarzania inwersji w ośrodku aktywnym;

3) optycznyo rezonatorze− urządzenie kształtujące kierunek wiązki fotonów.

Ponadto rezonator optyczny przeznaczony jest do wielokrotnego wzmacniania promieniowania laserowego.

Obecnie jako aktywny (pracujący) środowisko lasery wykorzystują różne stany skupienia materii: stały, ciekły, gazowy, plazma.

Aby utworzyć odwrotną populację środowiska laserowego, różne metody pompowania . Laser może być pompowany w sposób ciągły lub pulsacyjny. W trybie długotrwałym (ciągłym) moc pompy wprowadzana do czynnika aktywnego jest ograniczana poprzez przegrzanie czynnika aktywnego i zjawiska z tym związane. W trybie jednoimpulsowym możliwe jest wprowadzenie do ośrodka aktywnego znacznie większej ilości energii niż w tym samym czasie w trybie ciągłym. Dzięki temu uzyskuje się większą moc pojedynczego impulsu.


Laser- jest to źródło światła o właściwościach znacznie różniących się od wszystkich innych źródeł (żarówki, świetlówki, płomienie, naturalne źródła światła itp.). Wiązka laserowa ma szereg niezwykłych właściwości. Rozprzestrzenia się na duże odległości i ma ściśle liniowy kierunek. Wiązka porusza się bardzo wąską wiązką o niskim stopniu rozbieżności (dociera do Księżyca z ogniskiem setek metrów). Wiązka lasera ma duże ciepło i może przebić dziurę w dowolnym materiale. Natężenie światła wiązki jest większe niż natężenie najsilniejszych źródeł światła.
Nazwij laser to skrót od angielskiego wyrażenia: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). wzmocnienie światła za pomocą emisji wymuszonej.
Wszystkie systemy laserowe można podzielić na grupy w zależności od rodzaju zastosowanego ośrodka aktywnego. Do najważniejszych typów laserów należą:

  • stan stały
  • półprzewodnik
  • płyn
  • gaz
    Ośrodkiem aktywnym jest zbiór atomów, cząsteczek, jonów lub kryształu (laser półprzewodnikowy), który pod wpływem światła może nabrać właściwości wzmacniających.

    Zatem każdy atom ma dyskretny zestaw poziomów energii. Elektrony atomu znajdującego się w stanie podstawowym (o minimalnej energii) absorbując kwanty światła, przechodzą na wyższy poziom energetyczny - atom jest wzbudzony; Kiedy emitowany jest kwant światła, dzieje się odwrotnie. Ponadto emisja światła, czyli przejście na niższy poziom energii (ryc. 1b) może nastąpić samoistnie (spontanicznie) lub pod wpływem promieniowania zewnętrznego (wymuszonego) (ryc. 1c). Co więcej, jeśli kwanty promieniowania spontanicznego są emitowane w przypadkowych kierunkach, to kwant promieniowania wymuszonego jest emitowany w tym samym kierunku, co kwant, który to promieniowanie wywołał, czyli oba kwanty są całkowicie identyczne.

    Rys.1 Rodzaje promieniowania laserowego

    Aby dominowały przejścia, w których następuje emisja energii (przejścia z wyższego poziomu energetycznego na niższy), konieczne jest wytworzenie zwiększonej koncentracji wzbudzonych atomów lub cząsteczek (w celu wywołania inwersji obsadzeń). Doprowadzi to do wzrostu ilości światła padającego na substancję. Stan substancji, w którym powstaje odwrotna populacja poziomów energii, nazywa się aktywnym, a ośrodek składający się z takiej substancji nazywa się ośrodkiem aktywnym.

    Proces tworzenia odwrotnej populacji poziomów nazywa się pompowaniem. Kolejna klasyfikacja laserów dokonywana jest według metody pompowania (optyczna, termiczna, chemiczna, elektryczna itp.). Metody pompowania zależą od rodzaju lasera (stały, ciekły, gazowy, półprzewodnikowy itp.).
    Główne zadanie procesu pompowania można rozważyć na przykładzie lasera trójpoziomowego (rys. 2)


    Ryc. 2 schemat lasera trójpoziomowego

    Dolny poziom lasera I o energii E1 jest głównym poziomem energii układu, na którym początkowo znajdują się wszystkie aktywne atomy. Pompowanie wzbudza atomy i odpowiednio przenosi je z poziomu gruntu I na poziom III, z energią E3. Atomy, które znajdą się na poziomie III, emitują kwanty światła i przechodzą na poziom I lub szybko przechodzą na wyższy poziom lasera II. Aby na II górnym poziomie lasera nastąpiła akumulacja wzbudzonych atomów, o energii E2, konieczna jest szybka relaksacja atomów z poziomu III na II, która musi przekraczać prędkość zaniku górnego poziomu II lasera. Powstała w ten sposób odwrócona populacja zapewni warunki do wzmocnienia promieniowania.

    Aby jednak doszło do generacji, konieczne jest jeszcze zapewnienie sprzężenia zwrotnego, to znaczy, aby emisja wymuszona, gdy już się pojawi, wywołała nowe akty emisji wymuszonej. Aby wywołać taki proces, ośrodek aktywny umieszcza się w rezonatorze optycznym.

    Rezonator optyczny to układ dwóch zwierciadeł, pomiędzy którymi znajduje się ośrodek aktywny (rys. 3). Zapewnia wielokrotne pochodzenie fal świetlnych rozchodzących się wzdłuż jego osi przez ośrodek wzmacniający, w wyniku czego osiągana jest duża moc promieniowania.


    Rys.3 Schemat lasera

    Po osiągnięciu określonej mocy promieniowanie wychodzi przez półprzezroczyste lustro. Ze względu na udział w rozwoju generacji tylko tej części kwantów, które są równoległe do osi rezonatora, sprawność. laserów zwykle nie przekracza 1%. W niektórych przypadkach poświęcenie pewnych cech, wydajności. można zwiększyć do 30%.

    • Na schemacie przedstawiono: 1 - ośrodek aktywny; 2 - energia pompy laserowej; 3 - nieprzezroczyste lustro; 4 - półprzezroczyste lustro; 5 - wiązka lasera.

    Wszystkie lasery składają się z trzech głównych części:

      aktywne (pracujące) środowisko;

      systemy pompowe (źródło energii);

      rezonator optyczny (może być nieobecny, jeśli laser działa w trybie wzmacniacza).

    Każdy z nich dba o to, aby laser spełniał swoje specyficzne funkcje.

    Aktywne środowisko

    Obecnie jako medium robocze lasera wykorzystuje się różne skupione stany skupienia: stały, ciekły, gazowy, plazmowy. W stanie normalnym liczbę atomów znajdujących się na wzbudzonych poziomach energii określa rozkład Boltzmanna:

    Tutaj N- liczba atomów w stanie wzbudzonym z energią mi, N 0 - liczba atomów w stanie podstawowym, k- stała Boltzmanna, T- temperatura otoczenia. Innymi słowy, w stanie wzbudzonym jest mniej takich atomów niż w stanie podstawowym, zatem prawdopodobieństwo, że foton propagujący przez ośrodek spowoduje emisję wymuszoną, jest również małe w porównaniu z prawdopodobieństwem jego absorpcji. Dlatego fala elektromagnetyczna przechodząc przez substancję zużywa swoją energię na wzbudzenie atomów.Natężenie promieniowania maleje zgodnie z prawem Bouguera:

    Tutaj I 0 - intensywność początkowa, I l to intensywność promieniowania przemieszczającego się na odległość l w materii A 1 to szybkość wchłaniania substancji. Ponieważ zależność jest wykładnicza, promieniowanie jest absorbowane bardzo szybko.

    W przypadku, gdy liczba atomów wzbudzonych jest większa niż atomów niewzbudzonych (czyli w stanie inwersji obsadzeń), sytuacja jest dokładnie odwrotna. Akty emisji wymuszonej przeważają nad absorpcją, a promieniowanie wzrasta zgodnie z prawem:

    Gdzie A 2 - współczynnik wzmocnienia kwantowego. W prawdziwych laserach wzmocnienie następuje do momentu, gdy ilość energii otrzymanej w wyniku emisji wymuszonej zrówna się z ilością energii traconej w rezonatorze. Straty te związane są z nasyceniem poziomu metastabilnego substancji roboczej, po czym energia pompowania wykorzystywana jest jedynie do jej ogrzania, a także z obecnością wielu innych czynników (rozproszenie przez niejednorodności ośrodka, absorpcja przez zanieczyszczenia, niedoskonałość zwierciadeł odbijających, użyteczne i niepożądane promieniowanie do otoczenia itp.).

    System pompowania

    Do wytworzenia inwersji obsadzeń w środowisku laserowym stosuje się różne mechanizmy. W laserach na ciele stałym trąbienie uzyskuje się poprzez naświetlanie mocnymi lampami błyskowymi wyładowczymi, skupionym promieniowaniem słonecznym (tzw. pompowanie optyczne) oraz promieniowaniem innych laserów (w szczególności laserów półprzewodnikowych). W tym przypadku praca jest możliwa tylko w trybie pulsacyjnym, ponieważ wymagane są bardzo duże gęstości energii pompowania, które przy długotrwałym działaniu powodują silne nagrzewanie i zniszczenie pręta substancji roboczej. Lasery gazowe i cieczowe wykorzystują pompowanie wyładowań elektrycznych. Lasery takie działają w trybie ciągłym. Pompowanie lasery chemiczne zachodzi poprzez zachodzenie reakcji chemicznych w ich ośrodku aktywnym. W tym przypadku inwersja obsadzeń zachodzi albo bezpośrednio w produktach reakcji, albo w specjalnie wprowadzonych domieszkach o odpowiedniej strukturze poziomów energetycznych. Pompowanie laserów półprzewodnikowych następuje pod wpływem silnego prądu przewodzenia przez złącze p-n, a także wiązki elektronów. Istnieją inne metody pompowania (dynamiczne gazowe, które obejmują gwałtowne chłodzenie podgrzanych gazów; fotodysocjacja, szczególny przypadek pompowania chemicznego itp.).

    Na rysunku: a - trzypoziomowy i b - czteropoziomowy układ pompujący dla aktywnego lasera.

    Klasyczny trójstopniowy system pompowania czynnika roboczego stosowany jest np. w laserze rubinowym. Rubin to kryształ korundu Al 2 O 3 domieszkowany niewielką ilością jonów chromu Cr 3+, które są źródłem promieniowania laserowego. Ze względu na wpływ pola elektrycznego sieci krystalicznej korundu, zewnętrzny poziom energii chromu mi 2 jest podzielony (patrz efekt Starka). Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie promieniowania niemonochromatycznego do pompowania. W tym przypadku atom przechodzi ze stanu podstawowego z energią mi 0 w podekscytowany energią o mi 2. Atom może przebywać w tym stanie przez stosunkowo krótki czas (około 10-8 s), niemal natychmiast następuje bezpromieniste przejście do poziomu mi 1, gdzie atom może przebywać znacznie dłużej (do 10 −3 s), jest to tzw. poziom metastabilny. Istnieje możliwość indukowanego promieniowania pod wpływem innych przypadkowych fotonów. Gdy tylko w stanie metastabilnym znajdzie się więcej atomów niż w stanie głównym, rozpoczyna się proces generowania.

    Należy zauważyć, że inwersję obsadzeń atomów chromu Cr wykonuje się za pomocą pompowania bezpośrednio z poziomu mi 0 na poziom mi 1 nie jest możliwe. Wynika to z faktu, że jeżeli pomiędzy dwoma poziomami zachodzi absorpcja i emisja wymuszona, to oba procesy zachodzą z tą samą szybkością. Dlatego w tym przypadku pompowanie może jedynie wyrównać populacje dwóch poziomów, co nie wystarczy, aby wystąpił lasing.

    Niektóre lasery, na przykład lasery neodymowe, w których promieniowanie generowane jest przy użyciu jonów neodymu Nd 3+, wykorzystują czteropoziomowy schemat pompowania. Tutaj pomiędzy metastabilnymi mi 2 i poziom główny mi 0 jest poziomem pośrednim - roboczym mi 1. Emisja wymuszona ma miejsce, gdy atom przechodzi między poziomami mi 2 i mi 1. Zaletą tego schematu jest to, że w tym przypadku łatwo jest spełnić warunek inwersji obsadzeń, gdyż czas życia górnego poziomu operacyjnego wynosi ( mi 2) o kilka rzędów wielkości dłuższy niż czas życia niższego poziomu ( mi 1). To znacznie zmniejsza wymagania dotyczące źródła pompy. Ponadto taki schemat umożliwia tworzenie laserów dużej mocy pracujących w trybie ciągłym, co jest bardzo ważne w niektórych zastosowaniach. Lasery takie mają jednak istotną wadę w postaci niskiej wydajności kwantowej, którą definiuje się jako stosunek energii wyemitowanego fotonu do energii pochłoniętego fotonu pompy (η kwant = hν promieniowanie / hν pompa)

    Trudno dziś znaleźć osobę, która nigdy nie słyszała tego słowa "laser" jednak bardzo niewielu jasno rozumie, co to jest.

    W ciągu półwiecza od ich wynalezienia różnego rodzaju lasery znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach, od medycyny po technologię cyfrową. Czym więc jest laser, jaka jest jego zasada działania i do czego służy?

    Co to jest laser?

    Możliwość istnienia laserów przepowiedział Albert Einstein, który już w 1917 roku opublikował pracę mówiącą o możliwości emitowania przez elektrony kwantów światła o określonej długości. Zjawisko to nazwano emisją wymuszoną, jednak przez długi czas uważano je za nierealne z technicznego punktu widzenia.

    Jednak wraz z rozwojem możliwości technicznych i technologicznych stworzenie lasera stało się kwestią czasu. W 1954 r. radzieccy naukowcy N. Basow i A. Prochorow otrzymali Nagrodę Nobla za stworzenie masera – pierwszego generatora mikrofal działającego na amoniak. Z kolei w 1960 roku Amerykanin T. Maiman wyprodukował pierwszy kwantowy generator wiązek optycznych, który nazwał laserem (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Urządzenie przetwarza energię na wąskokierunkowe promieniowanie optyczne, czyli tzw. wiązka światła, strumień kwantów świetlnych (fotonów) o dużym stężeniu.

    Zasada działania lasera

    Zjawisko, na którym opiera się działanie lasera, nazywa się wymuszonym, czyli indukowanym promieniowaniem ośrodka. Atomy określonej substancji mogą emitować fotony pod wpływem innych fotonów, a energia działającego fotonu musi być równa różnicy między poziomami energii atomu przed i po promieniowaniu.

    Emitowany foton jest spójny z tym, który spowodował promieniowanie, tj. dokładnie jak pierwszy foton. W rezultacie słaby przepływ światła w ośrodku zostaje wzmocniony i to nie chaotycznie, ale w jednym zadanym kierunku. Tworzy się wiązka wymuszonego promieniowania, która nazywa się laserem.

    Klasyfikacja lasera

    Badając naturę i właściwości laserów, odkryto różne typy tych promieni. W zależności od stanu substancji wyjściowej lasery mogą być:

    • gaz;
    • płyn;
    • stan stały;
    • na wolnych elektronach.



    Obecnie opracowano kilka metod wytwarzania wiązki laserowej:

    • stosowanie jarzenia elektrycznego lub wyładowania łukowego w środowisku gazowym - wyładowanie gazowe;
    • wykorzystanie ekspansji gorącego gazu i tworzenie inwersji obsadzeń - gaz-dynamiczny;
    • poprzez przepuszczanie prądu przez półprzewodnik ze wzbudzeniem ośrodka - diodą lub wtryskiem;
    • poprzez optyczne pompowanie ośrodka za pomocą lampy błyskowej, diody LED, innego lasera itp.;
    • poprzez pompowanie ośrodka wiązką elektronów;
    • pompowanie energii jądrowej, gdy promieniowanie pochodzi z reaktora jądrowego;
    • za pomocą specjalnych reakcji chemicznych - laserów chemicznych.

    Wszystkie mają swoje własne cechy i różnice, dzięki czemu są stosowane w różnych dziedzinach przemysłu.

    Praktyczne wykorzystanie laserów

    Dziś lasery różnego typu znajdują zastosowanie w kilkudziesięciu gałęziach przemysłu, medycynie, technologiach informatycznych i innych dziedzinach działalności. Za ich pomocą wykonywane są następujące czynności:

    • cięcie i spawanie metali, tworzyw sztucznych i innych materiałów;
    • nanoszenie obrazów, napisów i znakowanie powierzchni produktów;
    • wiercenie ultracienkich otworów, precyzyjna obróbka części kryształów półprzewodnikowych;
    • tworzenie powłok produktów poprzez natryskiwanie, napawanie, stapianie powierzchniowe itp.;
    • transmisja pakietów informacyjnych za pomocą włókna szklanego;
    • wykonywanie operacji chirurgicznych i innych interwencji terapeutycznych;
    • zabiegi kosmetyczne odmładzające skórę, usuwanie wadliwych formacji itp.;
    • namierzanie różnych rodzajów broni, od broni strzeleckiej po rakiety;
    • tworzenie i wykorzystanie metod holograficznych;
    • zastosowanie w różnych pracach badawczych;
    • pomiar odległości, współrzędnych, gęstości mediów roboczych, prędkości przepływu i wielu innych parametrów;
    • uruchamianie reakcji chemicznych w celu przeprowadzenia różnych procesów technologicznych.



    Obszarów, w których lasery są już stosowane lub znajdą zastosowanie w najbliższej przyszłości, jest znacznie więcej.