Structura și principiul de funcționare a laserului. Dispozitive cuantice cu pompare optică care funcționează conform unei „scheme cu trei niveluri”

Generatoarele cuantice care emit în intervalul de radiații vizibile și infraroșii se numesc lasere. Cuvântul „laser” este o abreviere pentru expresia: Amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiație, care înseamnă amplificarea luminii ca urmare a emisiei induse sau, așa cum se numește uneori, stimulate de cuante.

Dispozitiv cu laser

Un laser generalizat constă dintr-un mediu activ laser, un sistem de „pompare” - o sursă de tensiune și o cavitate optică.

Sistemul de pompare transferă energie atomilor sau moleculelor mediului laser, dându-le oportunitatea de a intra într-o „stare metastabilă” excitată, creând o inversare a populației.

· Pomparea optică utilizează fotoni furnizați de o sursă, cum ar fi o lampă bliț umplută cu gaz xenon sau alt laser, pentru a transfera energie la substanța laser. Sursa optică trebuie să furnizeze fotoni care se potrivesc cu nivelurile de tranziție acceptabile în materialul laser.

· Pomparea prin coliziune se bazează pe transferul de energie către o substanță laser ca urmare a ciocnirilor cu atomii (sau moleculele) substanței laser. În același timp, trebuie furnizată și energia corespunzătoare tranzițiilor permise. Acest lucru se realizează de obicei prin utilizarea unei descărcări electrice într-un gaz pur sau a unui amestec de gaze într-un tub.

· Sistemele de pompare chimică utilizează energia de legare eliberată ca rezultat al reacțiilor chimice pentru a transforma substanța laser într-o stare metastabilă.

Este necesară o cavitate optică pentru a furniza forța dorită în laser și pentru a selecta fotonii care se mișcă în direcția dorită. Atunci când primul atom sau moleculă în stare metastabilă de inversare a populației este descărcat, datorită emisiei stimulate, inițiază descărcarea altor atomi sau molecule în stare metastabilă. Dacă fotonii călătoresc spre pereții substanței laser, de obicei o tijă sau un tub, ei se pierd și procesul de amplificare este întrerupt. Deși pot fi reflectate de pereții tijei sau țevii, mai devreme sau mai târziu se vor pierde din sistem și nu vor contribui la crearea fasciculului.

Pe de altă parte, dacă unul dintre atomii sau moleculele distruși eliberează un foton paralel cu axa substanței laser, acesta poate iniția eliberarea unui alt foton și ambii vor fi reflectați de o oglindă la capătul tijei generatoare. sau tub. Fotonii reflectați trec apoi înapoi prin substanță, inițiând radiații suplimentare de-a lungul exact aceeași cale, care este din nou reflectată de oglinzile de la capetele substanței laser. Atâta timp cât acest proces de amplificare continuă, o parte din amplificare va ieși întotdeauna prin oglinda parțial reflectorizant. Pe măsură ce câștigul sau câștigul acestui proces depășește pierderile din cavitate, începe laserul. Astfel, se formează un fascicul îngust, concentrat de lumină coerentă. Oglinzile din cavitatea optică laser trebuie ajustate cu precizie pentru a se asigura că razele de lumină sunt paralele cu axa. Rezonatorul optic în sine, adică substanța mediului nu trebuie să absoarbă puternic energia luminoasă.

Mediu laser (material laser) – Laserele sunt de obicei desemnate după tipul de substanță laser utilizată. Există patru astfel de tipuri:

solid,

Colorant,

Semiconductor.

Laserele cu stare solidă utilizează material laser distribuit într-o matrice solidă. Laserele cu stare solidă ocupă un loc unic în dezvoltarea laserului. Primul mediu laser de lucru a fost un cristal de rubin roz (cristal de safir dopat cu crom); de atunci, termenul „laser cu stare solidă” a fost folosit în general pentru a descrie un laser al cărui mediu activ este un cristal dopat cu impurități ionice. Laserele cu stare solidă sunt dispozitive mari, ușor de întreținut, capabile să genereze energie de mare putere. Cel mai remarcabil lucru despre laserele cu stare solidă este că puterea de ieșire nu este de obicei constantă, ci constă dintr-un număr mare de vârfuri de putere individuale.

Un exemplu este laserul cu neodim-YAG. Termenul YAG este prescurtare pentru cristal: granat de ytriu aluminiu, care servește ca purtător pentru ionii de neodim. Acest laser emite un fascicul infrarosu cu o lungime de unda de 1.064 micrometri. În plus, pot fi folosite și alte elemente de dopaj, cum ar fi erbiul (lasere Er:YAG).

Laserele cu gaz folosesc gaz sau un amestec de gaze într-un tub. Majoritatea laserelor cu gaz folosesc un amestec de heliu și neon (HeNe), cu un semnal de ieșire primar de 6.328 nm (nm = 10-9 metri), vizibil roșu. Acest laser a fost dezvoltat pentru prima dată în 1961 și a devenit precursorul unei întregi familii de lasere cu gaz.

Toate laserele cu gaz sunt destul de asemănătoare ca design și proprietăți. De exemplu, un laser cu gaz CO2 emite o lungime de undă de 10,6 micrometri în regiunea infraroșu îndepărtat a spectrului. Laserele cu gaz cu argon și cripton funcționează la frecvențe multiple, emitând predominant în partea vizibilă a spectrului. Principalele lungimi de undă ale radiației laser cu argon sunt 488 și 514 nm.

Laserele colorante utilizează un mediu laser care este un colorant organic complex într-o soluție sau suspensie lichidă.

Cea mai semnificativă caracteristică a acestor lasere este „adaptabilitatea”. Alegerea corectă a colorantului și concentrația acestuia permite ca lumina laser să fie generată pe o gamă largă de lungimi de undă în sau în apropierea spectrului vizibil. Laserele colorante folosesc de obicei un sistem de excitație optic, deși unele tipuri de lasere colorante folosesc excitație chimică.

Laserele semiconductoare (diode) - constau din două straturi de material semiconductor stivuite împreună. O diodă laser este o diodă emițătoare de lumină cu o capacitate optică pentru a amplifica lumina emisă dintr-o reacție într-o tijă semiconductoare, așa cum se arată în figură. Ele pot fi reglate prin modificarea curentului aplicat, a temperaturii sau a câmpului magnetic.

Diferitele moduri de timp de funcționare a laserului sunt determinate de frecvența la care este furnizată energia.

Laserele cu undă continuă (CW) funcționează cu o putere medie constantă a fasciculului.

Laserele cu un singur impuls au de obicei durate ale impulsului care variază de la câteva sute de microsecunde până la câteva milisecunde. Acest mod de operare este de obicei numit puls lung sau mod normal.

Laserele Q-switched cu un singur impuls sunt rezultatul unei întârzieri intracavitate (celula Q-switched), care permite mediului laser să rețină energia potențială maximă. Apoi, în condițiile cele mai favorabile, se emit impulsuri individuale, de obicei cu un interval de timp de 10-8 secunde. Aceste impulsuri au putere de vârf ridicată, adesea în intervalul 106 până la 109 wați.

Laserele pulsate pulsate sau laserele de scanare funcționează în principiu la fel ca și laserele pulsate, dar la o frecvență a pulsului fixă ​​(sau variabilă) care poate varia de la câteva impulsuri pe secundă până la 20.000 de impulsuri pe secundă.

Principiul de funcționare cu laser

Baza fizică a funcționării laserului este fenomenul de radiație forțată (indusă). Esența fenomenului este că un atom excitat este capabil să emită un foton sub influența altui foton fără absorbția acestuia, dacă energia acestuia din urmă este egală cu diferența de energii ale nivelurilor atomului înainte și după radiatii. În acest caz, fotonul emis este coerent cu fotonul care a provocat radiația (este „copia exactă”). În acest fel lumina este amplificată. Acest fenomen diferă de emisia spontană, în care fotonii emiși au direcții aleatorii de propagare, polarizare și fază.

Probabilitatea ca un foton aleator să provoace emisie stimulată de la un atom excitat este exact egală cu probabilitatea de absorbție a acestui foton de către un atom într-o stare neexcitată. Prin urmare, pentru a amplifica lumina, este necesar ca în mediu să existe mai mulți atomi excitați decât cei neexcitați (așa-numita inversare a populației). Într-o stare de echilibru termodinamic, această condiție nu este îndeplinită, prin urmare se folosesc diverse sisteme de pompare a mediului activ laser (optic, electric, chimic etc.).

Sursa primară de generare este procesul de emisie spontană, prin urmare, pentru a asigura continuitatea generațiilor de fotoni este necesară existența unui feedback pozitiv, datorită căruia fotonii emiși provoacă acte ulterioare de emisie indusă. Pentru a face acest lucru, mediul activ laser este plasat într-o cavitate optică. În cel mai simplu caz, este format din două oglinzi, dintre care una este translucidă - prin ea, fasciculul laser iese parțial din rezonator. Reflectându-se din oglinzi, fasciculul de radiații trece în mod repetat prin rezonator, provocând tranziții induse în acesta. Radiația poate fi continuă sau pulsată. În același timp, folosind diferite dispozitive (prisme rotative, celule Kerr etc.) pentru a opri și a porni rapid feedback-ul și, prin urmare, a reduce perioada impulsurilor, este posibil să se creeze condiții pentru generarea de radiații de foarte mare putere ( așa-numitele pulsuri gigant). Acest mod de operare cu laser se numește modul Q-switched.

Radiația generată de un laser este monocromatică (una sau un set discret de lungimi de undă), deoarece probabilitatea de emisie a unui foton de o anumită lungime de undă este mai mare decât cea a unuia apropiat, asociată cu lărgirea liniei spectrale și , în consecință, probabilitatea tranzițiilor induse la această frecvență are și ea un maxim. Prin urmare, treptat în timpul procesului de generare, fotonii cu o anumită lungime de undă vor domina asupra tuturor celorlalți fotoni. În plus, datorită aranjamentului special al oglinzilor, doar acei fotoni care se propagă într-o direcție paralelă cu axa optică a rezonatorului la mică distanță de acesta sunt reținuți în fasciculul laser; fotonii rămași părăsesc rapid volumul rezonatorului. Astfel, fasciculul laser are un unghi de divergență foarte mic. În cele din urmă, fasciculul laser are o polarizare strict definită. Pentru a face acest lucru, în rezonator sunt introduse diverse polaroid; de exemplu, pot fi plăci plate de sticlă instalate la un unghi Brewster față de direcția de propagare a fasciculului laser.

Aplicații ale laserelor

radiație generator cuantic laser

De la inventarea lor, laserele s-au impus ca „soluții gata la probleme încă necunoscute”. Datorită proprietăților unice ale radiațiilor laser, acestea sunt utilizate pe scară largă în multe ramuri ale științei și tehnologiei, precum și în viața de zi cu zi (CD playere, imprimante laser, cititoare de coduri de bare, pointere laser etc.). În industrie, laserele sunt folosite pentru tăierea, sudarea și lipirea pieselor din diverse materiale. Temperatura ridicată a radiației vă permite să sudați materiale care nu pot fi sudate folosind metode convenționale (de exemplu, ceramică și metal). Raza laser poate fi focalizată într-un punct cu un diametru de ordinul unui micron, ceea ce face posibilă utilizarea lui în microelectronică (așa-numita scriere laser). Laserele sunt folosite pentru a obține acoperiri de suprafață ale materialelor (aliere cu laser, suprafață cu laser, depunere cu laser în vid) pentru a crește rezistența la uzură a acestora. Marcarea cu laser a desenelor industriale și gravarea produselor din diverse materiale sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă. În timpul prelucrării cu laser a materialelor, nu există niciun impact mecanic asupra acestora, astfel încât apar doar deformații minore. În plus, întregul proces tehnologic poate fi complet automatizat. Prin urmare, prelucrarea cu laser este caracterizată de o mare precizie și productivitate.

Un laser cu semiconductor folosit în unitatea de generare a imaginii unei imprimante Hewlett-Packard.

Laserele sunt folosite în holografie pentru a crea holograme în sine și pentru a obține o imagine holografică tridimensională. Unele lasere, cum ar fi laserele colorante, sunt capabile să genereze lumină monocromatică de aproape orice lungime de undă, iar impulsurile de radiație pot ajunge la 10-16 s și, prin urmare, puteri enorme (așa-numitele impulsuri gigant). Aceste proprietăți sunt utilizate în spectroscopie, precum și în studiul efectelor optice neliniare. Folosind un laser, a fost posibilă măsurarea distanței până la Lună cu o precizie de câțiva centimetri. Gama cu laser a obiectelor spațiale a clarificat semnificația constantei astronomice și a contribuit la perfecționarea sistemelor de navigație spațială, a extins înțelegerea structurii atmosferei și a suprafeței planetelor Sistemului Solar. În telescoapele astronomice echipate cu un sistem optic adaptiv pentru corectarea distorsiunilor atmosferice, laserele sunt folosite pentru a crea stele ghid artificiale în straturile superioare ale atmosferei.

Pulsurile laser ultrascurte sunt folosite în chimia laserului pentru a declanșa și analiza reacții chimice. Aici, radiația laser permite localizarea precisă, dozarea, sterilitatea absolută și viteza mare de intrare a energiei în sistem. În prezent, se dezvoltă diverse sisteme de răcire cu laser și se iau în considerare posibilitățile de implementare a fuziunii termonucleare controlate cu ajutorul laserelor (cel mai potrivit laser pentru cercetarea în domeniul reacțiilor termonucleare ar fi un laser care folosește lungimi de undă în partea albastră a spectrului vizibil). ). Laserele sunt, de asemenea, folosite în scopuri militare, de exemplu, ca ajutoare de ghidare și de vizare. Sunt luate în considerare opțiunile de creare a sistemelor de apărare de luptă aeriană, maritimă și terestră bazate pe lasere de mare putere.

În medicină, laserele sunt folosite ca bisturii fără sânge și sunt folosite în tratamentul bolilor oftalmice (cataractă, dezlipire de retină, corectarea vederii cu laser etc.). De asemenea, sunt utilizate pe scară largă în cosmetologie (epilarea cu laser, tratamentul defectelor vasculare și pigmentare ale pielii, peeling cu laser, îndepărtarea tatuajelor și a petelor de vârstă). În prezent, așa-numita comunicare cu laser se dezvoltă rapid. Se știe că cu cât frecvența purtătoare a unui canal de comunicație este mai mare, cu atât debitul acestuia este mai mare. Prin urmare, comunicațiile radio tind să se deplaseze la lungimi de undă tot mai scurte. Lungimea de undă a luminii este în medie cu șase ordine de mărime mai mică decât lungimea de undă a domeniului radio, astfel încât radiația laser poate transmite o cantitate mult mai mare de informații. Comunicarea cu laser se realizează atât prin structuri de ghidare a luminii deschise, cât și închise, de exemplu, fibra optică. Datorită fenomenului de reflexie internă totală, lumina se poate propaga prin el pe distanțe mari, practic fără a slăbi.

Productie de zi cu zi si activitati stiintifice. De-a lungul anilor, acest „instrument” va deveni din ce în ce mai îmbunătățit și, în același timp, domeniul de aplicare al laserelor se va extinde continuu. Ritmul tot mai mare de cercetare în domeniul tehnologiei laser deschide posibilitatea creării de noi tipuri de lasere cu caracteristici îmbunătățite semnificativ, permițându-le să-și extindă domeniile de aplicare în...

Nu numai pentru materiale deosebit de dure, ci și pentru materiale caracterizate printr-o fragilitate crescută. Burghiul cu laser s-a dovedit a fi nu numai un „instrument” puternic, ci și foarte delicat. Exemplu: utilizarea unui laser la găuri în substraturi de așchii din ceramică de alumină. Ceramica este neobișnuit de fragilă. Din acest motiv, găurirea mecanică a găurilor în substratul așchiilor...

Laserul constă în mod necesar din trei componente principale:

1) mediu activ, în care se creează state cu inversare a populației;

2) sistemepompare− dispozitive pentru crearea inversării în mediul activ;

3) opticdespre rezonator− un dispozitiv care modelează direcția fasciculului de fotoni.

În plus, rezonatorul optic este proiectat pentru amplificarea multiplă a radiației laser.

În prezent ca activ (lucru) mediu inconjurator laserele folosesc diferite stări agregate ale materiei: solid, lichid, gazos, plasmă.

Pentru a crea o populație inversă a mediului laser, diverse metode de pompare . Laserul poate fi pompat fie continuu, fie pulsat. În modul pe termen lung (continuu), puterea pompei introdusă în mediul activ este limitată de supraîncălzirea mediului activ și de fenomenele conexe. În modul un singur impuls, este posibil să se introducă mult mai multă energie în mediul activ decât în ​​același timp în modul continuu. Acest lucru are ca rezultat o putere mai mare a unui singur impuls.

Laser- aceasta este o sursă de lumină cu proprietăți care diferă puternic de toate celelalte surse (lămpi cu incandescență, lămpi fluorescente, flăcări, corpuri de iluminat naturale etc.). Raza laser are o serie de proprietăți remarcabile. Se răspândește pe distanțe mari și are o direcție strict liniară. Fasciculul se deplasează într-un fascicul foarte îngust cu un grad scăzut de divergență (ajunge pe Lună cu un focus de sute de metri). Raza laser are o căldură mare și poate face o gaură în orice material. Intensitatea luminii a fasciculului este mai mare decât intensitatea celor mai puternice surse de lumină.
Denumiți laser este o abreviere a expresiei în limba engleză: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). amplificarea luminii cu ajutorul emisiei stimulate.
Toate sistemele laser pot fi împărțite în grupuri în funcție de tipul de mediu activ utilizat. Cele mai importante tipuri de lasere sunt:

stare solidă

semiconductor

lichid

gaz
Un mediu activ este o colecție de atomi, molecule, ioni sau un cristal (laser semiconductor), care sub influența luminii poate dobândi proprietăți de amplificare.

Deci, fiecare atom are un set discret de niveluri de energie. Electronii unui atom situat în starea fundamentală (starea cu energie minimă), atunci când absorb cuante de lumină, se deplasează la un nivel de energie mai înalt - atomul este excitat; Când se emite un cuantum de lumină, se întâmplă invers. Mai mult, emisia de lumină, adică trecerea la un nivel energetic mai scăzut (Fig. 1b) se poate produce spontan (spontan) sau sub influența radiațiilor externe (forțate) (Fig. 1c). Mai mult, dacă cuante de radiație spontană sunt emise în direcții aleatorii, atunci o cuantă de radiație stimulată este emisă în aceeași direcție cu cea care a provocat această radiație, adică ambele cuante sunt complet identice.

Fig.1 Tipuri de radiații laser

Pentru ca tranzițiile în care are loc emisia de energie (tranziții de la un nivel de energie superior la unul inferior) să prevaleze, este necesar să se creeze o concentrație crescută de atomi sau molecule excitate (pentru a crea o inversare a populației). Acest lucru va duce la o creștere a luminii incidente asupra substanței. Starea unei substanțe în care se creează o populație inversă de niveluri de energie se numește activă, iar un mediu format dintr-o astfel de substanță se numește mediu activ.

Procesul de creare a unei populații inverse de niveluri se numește pompare. Și o altă clasificare a laserelor se face după metoda de pompare (optic, termic, chimic, electric etc.). Metodele de pompare depind de tipul de laser (solid, lichid, gaz, semiconductor etc.).
Sarcina principală a procesului de pompare poate fi luată în considerare folosind exemplul unui laser cu trei nivele (Fig. 2)

Fig. 2 diagrama unui laser cu trei nivele

Nivelul laser I inferior cu energia E1 este nivelul principal de energie al sistemului, la care sunt localizați inițial toți atomii activi. Pomparea excită atomii și, în consecință, îi transferă de la nivelul solului I la nivelul III, cu energia E3. Atomii care se găsesc la nivelul III emit cuante de lumină și se deplasează la nivelul I sau trec rapid la nivelul laser II superior. Pentru ca acumularea atomilor excitati sa se produca la nivelul laser II superior, cu energia E2, este necesar sa existe o relaxare rapida a atomilor de la nivelul III la II, care trebuie sa depaseasca rata de dezintegrare a nivelului II superior al laserului. Populația inversată creată în acest fel va oferi condiții pentru amplificarea radiațiilor.

Cu toate acestea, pentru ca generarea să aibă loc, este încă necesar să se ofere feedback, adică astfel încât emisia stimulată, odată apărută, să provoace noi acte de emisie stimulată. Pentru a crea un astfel de proces, mediul activ este plasat într-un rezonator optic.

Un rezonator optic este un sistem de două oglinzi, între care se află mediul activ (Fig. 3). Oferă origini multiple ale undelor luminoase care se propagă de-a lungul axei sale prin mediul de amplificare, în urma cărora se obține o putere mare de radiație.

Fig.3 Diagrama laser

Când se atinge o anumită putere, radiația iese printr-o oglindă translucidă. Datorită participării la dezvoltarea, generarea doar a acelei părți a cuantelor care sunt paralele cu axa rezonatorului, eficiența. laserele nu depășesc de obicei 1%. În unele cazuri, sacrificând anumite caracteristici, eficiența. poate fi crescut la 30%.

În diagramă sunt prezentate: 1 - mediu activ; 2 - energia pompei laser; 3 - oglinda opaca; 4 - oglindă translucidă; 5 - fascicul laser.

Toate laserele constau din trei părți principale:

mediu activ (de lucru);

sisteme de pompare (sursa de energie);

rezonator optic (poate fi absent dacă laserul funcționează în modul amplificator).

Fiecare dintre ele asigură că laserul își îndeplinește funcțiile specifice.

Mediu activ

În prezent, diferite stări agregate ale materiei sunt utilizate ca mediu de lucru al unui laser: solid, lichid, gazos, plasmă. În stare normală, numărul de atomi localizați la niveluri de energie excitată este determinat de distribuția Boltzmann:

Aici N- numărul de atomi în stare excitată cu energie E, N 0 - numărul de atomi în starea fundamentală, k- constanta Boltzmann, T- temperatura mediului ambiant. Cu alte cuvinte, există mai puțini astfel de atomi în starea excitată decât în ​​starea fundamentală, prin urmare probabilitatea ca un foton care se propagă prin mediu să provoace emisie stimulată este, de asemenea, mică în comparație cu probabilitatea de absorbție a acestuia. Prin urmare, o undă electromagnetică, care trece printr-o substanță, își cheltuiește energia pentru a excita atomii.Intensitatea radiației scade conform legii lui Bouguer:

Aici eu 0 - intensitatea inițială, eu l este intensitatea radiației care parcurge distanța lîn materie A 1 este viteza de absorbție a substanței. Deoarece dependența este exponențială, radiația este absorbită foarte repede.

În cazul în care numărul de atomi excitați este mai mare decât al celor neexcitați (adică într-o stare de inversare a populației), situația este exact inversă. Actele de emisie stimulată prevalează asupra absorbției, iar radiația crește conform legii:

Unde A 2 - factorul de câștig cuantic. La laserele reale, amplificarea are loc până când cantitatea de energie primită datorită emisiei stimulate devine egală cu cantitatea de energie pierdută în rezonator. Aceste pierderi sunt asociate cu saturarea nivelului metastabil al substanței de lucru, după care energia de pompare este utilizată doar pentru a o încălzi, precum și cu prezența multor alți factori (împrăștiere prin neomogenități ale mediului, absorbție de impurități, imperfecțiunea oglinzilor reflectorizante, radiații utile și nedorite în mediu etc.).

Sistem de pompare

Sunt utilizate diferite mecanisme pentru a crea inversarea populației în mediul laser. La laserele cu stare solidă, claxonarea se realizează prin iradierea cu lămpi puternice cu descărcare în gaz, radiația solară focalizată (așa-numita pompare optică) și radiația de la alte lasere (în special, laserele semiconductoare). În acest caz, funcționarea este posibilă numai în modul pulsat, deoarece sunt necesare densități foarte mari de energie de pompare, care, la expunere prelungită, provoacă încălzire puternică și distrugerea tijei substanței de lucru. Laserele cu gaz și lichide utilizează pomparea cu descărcare electrică. Astfel de lasere funcționează în mod continuu. Pompare lasere chimice se produce prin apariţia reacţiilor chimice în mediul lor activ. În acest caz, inversarea populației are loc fie direct în produșii de reacție, fie în impuritățile special introduse cu o structură adecvată a nivelurilor de energie. Pomparea laserelor semiconductoare are loc sub influența unui curent direct puternic prin joncțiunea p-n, precum și a unui fascicul de electroni. Există și alte metode de pompare (gaz-dinamică, care implică răcirea bruscă a gazelor preîncălzite; fotodisociere, un caz special de pompare chimică etc.).

În figură: a - trei nivele și b - circuite de pompare cu patru nivele pentru mediul activ laser.

Sistemul clasic cu trei niveluri pentru pomparea mediului de lucru este utilizat, de exemplu, într-un laser rubin. Rubinul este un cristal de corindon Al 2 O 3 dopat cu o cantitate mică de ioni de crom Cr 3+, care sunt sursa de radiație laser. Datorită influenței câmpului electric al rețelei cristaline de corindon, nivelul de energie externă al cromului E 2 este împărțit (vezi efectul Stark). Acesta este ceea ce face posibilă utilizarea radiațiilor nemonocromatice ca pompare. În acest caz, atomul trece din starea fundamentală cu energie E 0 in entuziasmat de energie despre E 2. Un atom poate rămâne în această stare pentru un timp relativ scurt (aproximativ 10−8 s); o tranziție neradiativă la nivel are loc aproape imediat E 1, unde un atom poate rămâne mult mai mult timp (până la 10 -3 s), acesta este așa-numitul nivel metastabil. Apare posibilitatea unei radiații induse sub influența altor fotoni aleatori. De îndată ce există mai mulți atomi în stare metastabilă decât în ​​starea principală, începe procesul de generare.

Trebuie remarcat faptul că pentru a crea o inversare a populației de atomi de crom Cr folosind pomparea direct de la nivel E 0 pe nivel E 1 nu este posibil. Acest lucru se datorează faptului că, dacă absorbția și emisia stimulată au loc între două niveluri, atunci ambele procese au loc în același ritm. Prin urmare, în acest caz, pomparea nu poate decât să egaleze populațiile de două niveluri, ceea ce nu este suficient pentru a se produce laserul.

Unele lasere, de exemplu laserele cu neodim, în care radiația este generată folosind ioni de neodim Nd 3+, utilizează o schemă de pompare pe patru niveluri. Aici între metastabile E 2 și nivelul principal E 0 există un nivel intermediar - de lucru E 1 . Emisia stimulată are loc atunci când un atom trece între niveluri E 2 și E 1 . Avantajul acestei scheme este că în acest caz este ușor de satisfăcut condiția de inversare a populației, deoarece durata de viață a nivelului superior de funcționare este ( E 2) câteva ordine de mărime mai lungi decât durata de viață a nivelului inferior ( E 1). Acest lucru reduce semnificativ cerințele pentru sursa pompei. În plus, o astfel de schemă face posibilă crearea laserelor de mare putere care funcționează în mod continuu, ceea ce este foarte important pentru unele aplicații. Cu toate acestea, astfel de lasere au un dezavantaj semnificativ sub forma eficienței cuantice scăzute, care este definită ca raportul dintre energia fotonului emis și energia fotonului pompei absorbite (η quantum = hν radiație / hν pompă)

Este dificil în zilele noastre să găsești o persoană care nu a auzit niciodată cuvântul "laser", totuși, foarte puțini înțeleg clar ce este.

În jumătate de secol de la inventarea lor, laserele de diferite tipuri și-au găsit aplicații într-o gamă largă de domenii, de la medicină la tehnologia digitală. Deci, ce este un laser, care este principiul său de funcționare și pentru ce este?

Ce este un laser?

Posibilitatea existenței laserelor a fost prezisă de Albert Einstein, care în 1917 a publicat o lucrare în care vorbea despre posibilitatea ca electronii să emită cuante de lumină de o anumită lungime. Acest fenomen a fost numit emisie stimulată, dar multă vreme a fost considerat irealizabil din punct de vedere tehnic.

Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea capacităților tehnice și tehnologice, crearea unui laser a devenit o chestiune de timp. În 1954, oamenii de știință sovietici N. Basov și A. Prokhorov au primit Premiul Nobel pentru crearea unui maser - primul generator de microunde care funcționează cu amoniac. Și în 1960, americanul T. Maiman a produs primul generator cuantic de fascicule optice, pe care l-a numit laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Dispozitivul convertește energia în radiații optice cu direcție îngustă, de exemplu. fascicul de lumină, un flux de cuante de lumină (fotoni) de concentrație mare.

Principiul de funcționare cu laser

Fenomenul pe care se bazează funcționarea unui laser se numește radiație forțată, sau indusă, a mediului. Atomii unei anumite substanțe pot emite fotoni sub influența altor fotoni, iar energia fotonului care acționează trebuie să fie egală cu diferența dintre nivelurile de energie ale atomului înainte și după radiație.

Fotonul emis este coerent cu cel care a provocat radiația, adică. exact ca primul foton. Ca urmare, fluxul slab de lumină în mediu este amplificat, și nu haotic, ci într-o direcție dată. Se formează un fascicul de radiații stimulate, care se numește laser.

Clasificare cu laser

Pe măsură ce natura și proprietățile laserelor au fost studiate, au fost descoperite diferite tipuri de aceste raze. În funcție de starea substanței inițiale, laserele pot fi:

• gaz;
• lichid;
• stare solidă;
• pe electroni liberi.

În prezent, au fost dezvoltate mai multe metode pentru producerea unui fascicul laser:

• utilizarea unei străluciri electrice sau a descărcării cu arc într-un mediu gazos - descărcare de gaz;
• utilizarea extinderii gazului fierbinte și crearea inversiilor populației - gaz-dinamice;
• prin trecerea curentului printr-un semiconductor cu excitarea mediului - diodă sau injecție;
• prin pomparea optică a mediului cu o lampă blitz, LED, alt laser etc.;
• prin pomparea cu fascicul de electroni a mediului;
• pomparea nucleară atunci când radiația provine dintr-un reactor nuclear;
• folosind reacții chimice speciale – lasere chimice.

Toate au propriile lor caracteristici și diferențe, datorită cărora sunt utilizate în diverse domenii ale industriei.

Utilizarea practică a laserelor

Astăzi, laserele de diferite tipuri sunt folosite în zeci de industrii, medicină, tehnologii IT și alte domenii de activitate. Cu ajutorul lor, se realizează următoarele:

• tăierea și sudarea metalelor, materialelor plastice și a altor materiale;
• aplicarea de imagini, inscripții și marcarea suprafeței produselor;
• găurirea găurilor ultra-subțiri, prelucrarea de precizie a pieselor de cristal semiconductoare;
• formarea acoperirilor de produs prin pulverizare, suprafață, aliere de suprafață etc.;
• Transmitere de pachete de informații folosind fibră de sticlă;
• efectuarea de operații chirurgicale și alte intervenții terapeutice;
• proceduri cosmetice pentru întinerirea pielii, îndepărtarea formațiunilor defecte etc.;
• țintirea diferitelor tipuri de arme, de la arme de calibru mic până la rachete;
• crearea și utilizarea metodelor holografice;
• aplicare în diverse lucrări de cercetare;
• măsurarea distanțelor, coordonatele, densitatea mediilor de lucru, viteza de curgere și mulți alți parametri;
• declanşarea reacţiilor chimice pentru realizarea diverselor procese tehnologice.

Există mult mai multe domenii în care laserele sunt deja folosite sau vor găsi aplicații în viitorul foarte apropiat.