Lazerin yapısı ve çalışma prensibi. "Üç seviyeli şemaya" göre çalışan, optik olarak pompalanan kuantum cihazları

Görünür ve kızılötesi radyasyon aralığında yayan kuantum jeneratörlerine lazer denir. "Lazer" kelimesi şu ifadenin kısaltmasıdır: Uyarılmış Radyasyon Emisyonuyla Işık Amplifikasyonu, bu, kuantumun indüklenmiş veya bazen adlandırıldığı gibi uyarılmış emisyonunun bir sonucu olarak ışığın amplifikasyonu anlamına gelir.

Lazer cihazı

Genelleştirilmiş bir lazer, bir lazer aktif ortamdan, bir "pompalama" sisteminden - bir voltaj kaynağından ve bir optik boşluktan oluşur.

Pompalama sistemi, enerjiyi lazer ortamının atomlarına veya moleküllerine aktararak onlara popülasyonun tersine dönmesini yaratacak şekilde uyarılmış bir "yarı kararlı duruma" girme fırsatı verir.

· Optik pompalama, enerjiyi lazer maddesine aktarmak için ksenon gazıyla doldurulmuş flaş lambası veya başka bir lazer gibi bir kaynak tarafından sağlanan fotonları kullanır. Optik kaynak, lazer malzemedeki kabul edilebilir geçiş seviyelerine uyan fotonlar sağlamalıdır.

· Çarpışma pompalaması, lazer maddesinin atomları (veya molekülleri) ile çarpışması sonucu enerjinin lazer maddesine aktarılması esasına dayanır. Aynı zamanda izin verilen geçişlere karşılık gelen enerji de sağlanmalıdır. Bu genellikle saf bir gazda veya bir tüpteki gaz karışımında bir elektrik deşarjı kullanılarak gerçekleştirilir.

· Kimyasal pompalama sistemleri, lazer maddesini yarı kararlı bir duruma dönüştürmek için kimyasal reaksiyonlar sonucunda açığa çıkan bağlanma enerjisini kullanır.

Lazerde istenilen kuvveti sağlamak ve istenilen yönde hareket eden fotonları seçebilmek için bir optik boşluğa ihtiyaç vardır. Popülasyonun ters çevrilmesinin yarı kararlı durumundaki ilk atom veya molekül, uyarılmış emisyon nedeniyle boşaltıldığında, yarı kararlı durumdaki diğer atom veya moleküllerin boşalmasını başlatır. Fotonlar lazer maddesinin (genellikle bir çubuk veya tüp) duvarlarına doğru ilerlerse kaybolurlar ve amplifikasyon süreci kesintiye uğrar. Çubuk veya borunun duvarlarından yansıyabilirlerse de er ya da geç sistemden kaybolacak ve ışının oluşmasına katkıda bulunamayacaklardır.

Öte yandan, yok edilen atom veya moleküllerden biri, lazer maddesinin eksenine paralel bir foton salıverirse, başka bir fotonun salınmasını başlatabilir ve her ikisi de, üretici çubuğun ucundaki bir ayna tarafından yansıtılacaktır. veya tüp. Yansıyan fotonlar daha sonra maddeden geri geçerek tam olarak aynı yol boyunca daha fazla radyasyon başlatır ve bu da yine lazer maddesinin uçlarındaki aynalar tarafından yansıtılır. Bu amplifikasyon süreci devam ettiği sürece amplifikasyonun bir kısmı her zaman kısmen yansıtıcı aynadan çıkacaktır. Bu sürecin kazancı veya kazanımı kaviteden kaynaklanan kayıpları aştıkça kalıcılık başlar. Böylece dar, konsantre bir tutarlı ışık huzmesi oluşur. Lazer optik boşluğundaki aynaların, ışık ışınlarının eksene paralel olmasını sağlayacak şekilde hassas bir şekilde ayarlanması gerekir. Optik rezonatörün kendisi, yani. ortamın maddesi ışık enerjisini güçlü bir şekilde emmemelidir.

Lazer Ortamı (Lazing Malzemesi) – Lazerler genellikle kullanılan lazer maddesinin türüne göre belirlenir. Bu tür dört tür vardır:

sağlam,

Boya,

Yarı iletken.

Katı hal lazerleri, katı bir matris içinde dağıtılmış lazer malzemesini kullanır. Katı hal lazerleri, lazer geliştirmede benzersiz bir yere sahiptir. İlk çalışan lazer ortamı pembe bir yakut kristaliydi (krom katkılı safir kristali); O zamandan bu yana, "katı hal lazeri" terimi genel olarak aktif ortamı iyon safsızlıklarıyla katkılanmış bir kristal olan bir lazeri tanımlamak için kullanıldı. Katı hal lazerleri, yüksek güçlü enerji üretebilen, bakımı kolay, büyük cihazlardır. Katı hal lazerleriyle ilgili en dikkat çekici şey, çıkış gücünün genellikle sabit olmaması, çok sayıda bireysel güç zirvesinden oluşmasıdır.

Bir örnek Neodimyum-YAG lazerdir. YAG terimi, neodimyum iyonları için taşıyıcı görevi gören itriyum alüminyum garnet kristalinin kısaltmasıdır. Bu lazer, dalga boyu 1.064 mikrometre olan bir kızılötesi ışın yayar. Ayrıca erbiyum (Er:YAG lazerleri) gibi başka katkı maddeleri de kullanılabilir.

Gaz lazerleri bir tüp içerisinde gaz veya gaz karışımı kullanır. Çoğu gaz lazeri, 6.328 nm (nm = 10-9 metre) birincil çıkış sinyaliyle, görünür kırmızı renkte, helyum ve neon (HeNe) karışımını kullanır. Bu lazer ilk olarak 1961'de geliştirildi ve tüm gaz lazerleri ailesinin öncüsü oldu.

Tüm gaz lazerleri tasarım ve özellikler bakımından oldukça benzerdir. Örneğin, bir CO2 gazı lazeri, spektrumun uzak kızılötesi bölgesinde 10,6 mikrometrelik bir dalga boyu yayar. Argon ve kripton gazı lazerleri birden fazla frekansta çalışır ve ağırlıklı olarak spektrumun görünür kısmında ışık yayar. Argon lazer radyasyonunun ana dalga boyları 488 ve 514 nm'dir.

Boya lazerleri, sıvı bir çözelti veya süspansiyon içinde karmaşık bir organik boya olan bir lazer ortamı kullanır.

Bu lazerlerin en önemli özelliği “adapte edilebilir olmalarıdır”. Doğru boya seçimi ve konsantrasyonu, lazer ışığının görünür spektrumda veya yakınında geniş bir dalga boyu aralığında üretilmesine olanak tanır. Boya lazerleri tipik olarak optik bir uyarma sistemi kullanır, ancak bazı boya lazerleri kimyasal uyarma kullanır.


Yarı iletken (diyot) lazerler - bir araya getirilmiş iki yarı iletken malzeme katmanından oluşur. Lazer diyot, şekilde gösterildiği gibi yarı iletken bir çubuktaki boşluktan yayılan ışığı yükseltmek için optik kapasitansa sahip ışık yayan bir diyottur. Uygulanan akımı, sıcaklığı veya manyetik alanı değiştirerek ayarlanabilirler.

Lazer işleminin farklı zaman modları, enerjinin sağlandığı frekansa göre belirlenir.

Sürekli dalga (CW) lazerler sabit bir ortalama ışın gücüyle çalışır.

Tek darbeli lazerler tipik olarak birkaç yüz mikrosaniyeden birkaç milisaniyeye kadar değişen darbe sürelerine sahiptir. Bu çalışma moduna genellikle uzun darbe veya normal mod adı verilir.

Tek darbeli Q-anahtarlı lazerler, lazer ortamının maksimum potansiyel enerjiyi muhafaza etmesine izin veren boşluk içi gecikmenin (Q-anahtarlı hücre) sonucudur. Daha sonra, en uygun koşullar altında, genellikle 10-8 saniyelik zaman aralıklarıyla tekli darbeler yayılır. Bu darbeler genellikle 106 ila 109 watt aralığında yüksek tepe gücüne sahiptir.

Darbeli darbeli lazerler veya tarama lazerleri prensipte darbeli lazerlerle aynı şekilde çalışır, ancak saniyede birkaç darbeden saniyede 20.000 darbeye kadar değişebilen sabit (veya değişken) bir darbe hızında çalışır.

Lazer çalışma prensibi

Lazer işleminin fiziksel temeli, zorla (indüklenen) radyasyon olgusudur. Bu olgunun özü, uyarılmış bir atomun, başka bir fotonun etkisi altında, soğurulmadan bir foton yayabilmesidir; eğer ikincisinin enerjisi, atomun önceki ve sonraki seviyelerinin enerjileri arasındaki farka eşitse. radyasyon. Bu durumda yayılan foton, radyasyona neden olan fotonla tutarlıdır (“tam kopyasıdır”). Bu şekilde ışık güçlendirilir. Bu olay, yayılan fotonların rastgele yayılma yönlerine, polarizasyona ve faza sahip olduğu kendiliğinden emisyondan farklıdır.

Rastgele bir fotonun uyarılmış bir atomdan uyarılmış emisyona neden olma olasılığı, bu fotonun uyarılmamış durumdaki bir atom tarafından soğurulması olasılığına tamamen eşittir. Bu nedenle, ışığı yükseltmek için ortamda uyarılmamış atomlardan daha fazla uyarılmış atomun bulunması gerekir (popülasyonun ters çevrilmesi olarak adlandırılır). Termodinamik denge durumunda bu koşul karşılanmaz, bu nedenle lazer aktif ortamın (optik, elektrik, kimyasal vb.) pompalanması için çeşitli sistemler kullanılır.

Üretimin birincil kaynağı kendiliğinden emisyon sürecidir, bu nedenle foton nesillerinin sürekliliğini sağlamak için, yayılan fotonların daha sonra indüklenmiş emisyon eylemlerine neden olması nedeniyle pozitif bir geri beslemenin varlığı gereklidir. Bunu yapmak için lazer aktif ortamı bir optik boşluğa yerleştirilir. En basit durumda, biri yarı saydam olan iki aynadan oluşur - içinden lazer ışını kısmen rezonatörden çıkar. Aynalardan yansıyan radyasyon ışını rezonatörden tekrar tekrar geçerek içinde indüklenen geçişlere neden olur. Radyasyon sürekli veya darbeli olabilir. Aynı zamanda, geri bildirimi hızlı bir şekilde kapatıp açmak ve böylece darbelerin periyodunu azaltmak için çeşitli cihazlar (dönen prizmalar, Kerr hücreleri vb.) kullanarak, çok yüksek güçte radyasyon üretmek için koşullar yaratmak mümkündür ( sözde dev darbeler). Bu lazer çalışma moduna Q-anahtarlı mod denir.

Bir lazer tarafından üretilen radyasyon monokromatiktir (bir veya ayrı bir dalga boyu kümesi), çünkü belirli bir dalga boyundaki bir fotonun yayılma olasılığı, spektral çizginin genişlemesiyle ilişkili olarak yakın konumdaki bir fotonunkinden daha yüksektir ve buna göre bu frekansta indüklenen geçişlerin olasılığı da maksimumdur. Bu nedenle, üretim süreci boyunca yavaş yavaş belirli bir dalga boyundaki fotonlar diğer tüm fotonlara üstün gelecektir. Ek olarak, aynaların özel düzenlemesi nedeniyle, yalnızca rezonatörün optik eksenine paralel yönde ondan kısa bir mesafede yayılan fotonlar lazer ışınında tutulur; geri kalan fotonlar hızla rezonatör hacmini terk eder. Bu nedenle lazer ışınının sapma açısı çok küçüktür. Son olarak lazer ışınının kesin olarak tanımlanmış bir polarizasyonu vardır. Bunu yapmak için rezonatöre çeşitli polaroidler yerleştirilir; örneğin, lazer ışınının yayılma yönüne Brewster açısıyla monte edilmiş düz cam plakalar olabilirler.


Lazer uygulamaları

lazer kuantum jeneratörü radyasyonu

Lazerler, icat edildikleri günden bu yana kendilerini "henüz bilinmeyen sorunlara hazır çözümler" olarak kabul ettirdiler. Lazer ışınımının benzersiz özellikleri nedeniyle, günlük yaşamın yanı sıra bilim ve teknolojinin birçok dalında (CD oynatıcılar, lazer yazıcılar, barkod okuyucular, lazer işaretleyiciler vb.) yaygın olarak kullanılmaktadır. Endüstride lazerler çeşitli malzemelerden yapılmış parçaların kesilmesi, kaynaklanması ve lehimlenmesinde kullanılmaktadır. Radyasyonun yüksek sıcaklığı, geleneksel yöntemlerle kaynaklanamayan malzemeleri (örneğin seramik ve metal) kaynaklamanıza olanak tanır. Lazer ışını, mikron mertebesinde bir çapa sahip bir noktaya odaklanabilir, bu da onun mikroelektronikte (lazer çizme olarak adlandırılan) kullanılmasını mümkün kılar. Lazerler, aşınma dirençlerini arttırmak amacıyla malzemelerin yüzey kaplamalarını (lazer alaşımlama, lazer yüzey oluşturma, vakumlu lazer biriktirme) elde etmek için kullanılır. Endüstriyel tasarımların lazerle markalanması ve çeşitli malzemelerden yapılmış ürünlerin gravürü de yaygın olarak kullanılmaktadır. Malzemelerin lazerle işlenmesi sırasında üzerlerinde herhangi bir mekanik etki yoktur, bu nedenle yalnızca küçük deformasyonlar meydana gelir. Ayrıca tüm teknolojik süreç tamamen otomatikleştirilebilir. Lazer işleme bu nedenle yüksek hassasiyet ve üretkenlik ile karakterize edilir.

Hewlett-Packard yazıcının görüntü oluşturma biriminde kullanılan yarı iletken bir lazer.

Lazerler, holografide hologramları oluşturmak ve holografik üç boyutlu bir görüntü elde etmek için kullanılır. Boya lazerleri gibi bazı lazerler hemen hemen her dalga boyunda monokromatik ışık üretme kapasitesine sahiptir ve radyasyon darbeleri 10−16 saniyeye ulaşabilir ve bu nedenle çok büyük güçlere (dev darbeler denir) ulaşabilir. Bu özellikler spektroskopide ve ayrıca doğrusal olmayan optik etkilerin incelenmesinde kullanılır. Bir lazer kullanarak Ay'a olan mesafeyi birkaç santimetre hassasiyetle ölçmek mümkün oldu. Uzay nesnelerinin lazerle taranması, astronomik sabitin anlamını netleştirdi ve uzay navigasyon sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulundu, atmosferin yapısının ve Güneş Sistemindeki gezegenlerin yüzeyinin anlaşılmasını genişletti. Atmosferdeki bozulmaları düzeltmek için uyarlanabilir bir optik sistemle donatılmış astronomik teleskoplarda, atmosferin üst katmanlarında yapay kılavuz yıldızlar oluşturmak için lazerler kullanılır.

Lazer kimyasında kimyasal reaksiyonları tetiklemek ve analiz etmek için ultra kısa lazer darbeleri kullanılır. Burada lazer radyasyonu hassas lokalizasyon, dozaj, mutlak sterilite ve sisteme yüksek hızda enerji girişi sağlar. Şu anda, çeşitli lazer soğutma sistemleri geliştirilmekte ve lazerler kullanılarak kontrollü termonükleer füzyonun gerçekleştirilme olasılıkları değerlendirilmektedir (termonükleer reaksiyonlar alanında araştırma için en uygun lazer, görünür spektrumun mavi kısmındaki dalga boylarını kullanan bir lazer olacaktır) ). Lazerler ayrıca askeri amaçlarla, örneğin yönlendirme ve nişan alma yardımcıları olarak da kullanılır. Yüksek güçlü lazerlere dayalı hava, deniz ve kara tabanlı savaş savunma sistemleri oluşturma seçenekleri değerlendiriliyor.

Tıpta lazerler kansız neşter olarak kullanılmakta ve göz hastalıklarının (katarakt, retina dekolmanı, lazerle görme düzeltmesi vb.) tedavisinde kullanılmaktadır. Ayrıca kozmetolojide de yaygın olarak kullanılmaktadırlar (lazer epilasyon, vasküler ve pigmentli cilt kusurlarının tedavisi, lazerle soyma, dövmelerin ve yaşlılık lekelerinin giderilmesi). Şu anda, sözde lazer iletişimi hızla gelişiyor. Bir iletişim kanalının taşıyıcı frekansı ne kadar yüksek olursa, veriminin de o kadar büyük olduğu bilinmektedir. Bu nedenle radyo iletişimleri giderek daha kısa dalga boylarına doğru hareket etme eğilimindedir. Işığın dalga boyu, radyo aralığının dalga boyundan ortalama altı kat daha kısadır, dolayısıyla lazer radyasyonu çok daha büyük miktarda bilgi iletebilir. Lazer iletişimi, örneğin optik fiber gibi hem açık hem de kapalı ışık kılavuzu yapıları aracılığıyla gerçekleştirilir. Toplam iç yansıma olgusu nedeniyle ışık, neredeyse hiç zayıflamadan uzun mesafeler boyunca yayılabilir.

Günlük üretim ve bilimsel faaliyetler. Yıllar geçtikçe bu "alet" giderek daha da geliştirilecek ve aynı zamanda lazerlerin kapsamı da sürekli genişleyecek. Lazer teknolojisi alanında artan araştırma hızı, önemli ölçüde geliştirilmiş özelliklere sahip yeni lazer türlerinin yaratılması olasılığının önünü açıyor ve bu lazerlerin uygulama alanlarını genişletmelerine olanak tanıyor...




Sadece özellikle sert malzemeler için değil, aynı zamanda artan kırılganlık özelliği taşıyan malzemeler için de. Lazer matkabın sadece güçlü değil, aynı zamanda çok hassas bir "alet" olduğu da ortaya çıktı. Örnek: alümina seramikten yapılmış talaş alt tabakalarında delik açarken lazerin kullanılması. Seramikler alışılmadık derecede kırılgandır. Bu nedenle talaş alt katmanındaki deliklerin mekanik olarak delinmesi...

Lazer mutlaka üç ana bileşenden oluşur:

1) aktif ortam, nüfusun tersine çevrildiği durumların yaratıldığı;

2) sistemlerpompalama- Aktif ortamda inversiyon oluşturmaya yönelik cihazlar;

3) optikrezonatör hakkında- foton ışınının yönünü şekillendiren bir cihaz.

Ek olarak optik rezonatör, lazer radyasyonunun çoklu amplifikasyonu için tasarlanmıştır.

Şu anda olarak aktif (çalışma) çevre lazerler maddenin farklı toplu hallerini kullanır: katı, sıvı, gaz halinde, plazma.

Lazer ortamının ters popülasyonunu oluşturmak için çeşitli pompalama yöntemleri . Lazer sürekli veya darbeli olarak pompalanabilir. Uzun süreli (sürekli) modda, aktif ortama verilen pompa gücü, aktif ortamın aşırı ısınması ve ilgili olaylar nedeniyle sınırlanır. Tek darbe modunda, aktif ortama aynı anda sürekli modda olduğundan önemli ölçüde daha fazla enerji verilmesi mümkündür. Bu, tek bir darbenin daha büyük gücüne neden olur.


Lazer- bu, diğer tüm kaynaklardan (akkor lambalar, flüoresan lambalar, alevler, doğal armatürler vb.) keskin biçimde farklı özelliklere sahip bir ışık kaynağıdır. Lazer ışınının çok sayıda dikkate değer özelliği vardır. Uzun mesafelere yayılır ve kesinlikle doğrusal bir yöne sahiptir. Işın, düşük dereceli bir sapma ile çok dar bir ışın içinde hareket eder (yüzlerce metrelik bir odakla aya ulaşır). Lazer ışını büyük bir ısıya sahiptir ve her türlü malzemede delik açabilir. Işının ışık yoğunluğu, en güçlü ışık kaynaklarının yoğunluğundan daha fazladır.
İsim lazeriİngilizce deyimin kısaltmasıdır: Uyarılmış Radyasyon Emisyonuyla Işık Amplifikasyonu (LAZER). Uyarılmış emisyon kullanılarak ışık amplifikasyonu.
Tüm lazer sistemleri kullanılan aktif ortamın türüne göre gruplara ayrılabilir. En önemli lazer türleri şunlardır:

  • katı hal
  • yarı iletken
  • sıvı
  • gaz
    Aktif bir ortam, ışığın etkisi altında yükseltici özellikler kazanabilen bir atom, molekül, iyon veya kristal topluluğudur (yarı iletken lazer).

    Yani her atomun ayrı bir enerji seviyesi seti vardır. Temel durumda (minimum enerjiye sahip durum) bulunan bir atomun elektronları, ışık kuantumunu emerken daha yüksek bir enerji seviyesine hareket eder - atom uyarılır; Bir ışık kuantumu yayıldığında bunun tersi olur. Üstelik ışığın yayılması, yani daha düşük bir enerji seviyesine geçiş (Şekil 1b) kendiliğinden (kendiliğinden) veya harici radyasyonun etkisi altında (zorla) (Şekil 1c) gerçekleşebilir. Üstelik, eğer kendiliğinden radyasyon kuantumu rastgele yönlerde yayılırsa, o zaman uyarılmış radyasyonun bir kuantumu, bu radyasyona neden olan kuantumla aynı yönde yayılır, yani her iki kuantum da tamamen aynıdır.

    Şekil 1 Lazer radyasyonu türleri

    Enerji emisyonunun meydana geldiği geçişlerin (bir üst enerji seviyesinden daha düşük bir enerji seviyesine geçişler) geçerli olabilmesi için, uyarılmış atom veya moleküllerin artan konsantrasyonunu yaratmak (bir popülasyonun tersine dönmesini sağlamak) gerekir. Bu durum maddeye gelen ışık olayının artmasına yol açacaktır. Ters bir enerji seviyesi popülasyonunun oluşturulduğu bir maddenin durumuna aktif, böyle bir maddeden oluşan bir ortama ise aktif ortam denir.

    Ters düzey popülasyonu oluşturma sürecine pompalama denir. Lazerlerin bir diğer sınıflandırması ise pompalama yöntemine göre (optik, termal, kimyasal, elektrik vb.) yapılır. Pompalama yöntemleri lazerin türüne (katı hal, sıvı, gaz, yarı iletken vb.) bağlıdır.
    Pompalama işleminin ana görevi, üç seviyeli lazer örneği kullanılarak düşünülebilir (Şekil 2).


    Şekil 2'de üç seviyeli bir lazerin diyagramı

    E1 enerjili alt lazer seviyesi I, başlangıçta tüm aktif atomların bulunduğu sistemin ana enerji seviyesidir. Pompalama atomları harekete geçirir ve buna göre onları E3 enerjisiyle zemin seviyesi I'den seviye III'e aktarır. Kendilerini III. seviyede bulan atomlar ışık kuantumu yayarak I. seviyeye veya hızla üst lazer seviyesi II'ye geçerler. Uyarılmış atomların E2 enerjisiyle üst lazer seviyesi II'de birikmesinin gerçekleşmesi için, atomların seviye III'ten II'ye kadar hızlı bir şekilde gevşemesi gerekir, bu da üst lazer seviyesi II'nin bozunma oranını aşması gerekir. Bu şekilde oluşturulan tersine çevrilmiş popülasyon, radyasyonun güçlendirilmesi için koşullar sağlayacaktır.

    Bununla birlikte, üretimin gerçekleşmesi için yine de geri bildirim sağlamak, yani uyarılmış emisyonun bir kez ortaya çıktığında yeni uyarılmış emisyon eylemlerine neden olmasını sağlamak gereklidir. Böyle bir işlem oluşturmak için aktif ortam bir optik rezonatöre yerleştirilir.

    Optik rezonatör, aralarında aktif ortamın bulunduğu iki aynadan oluşan bir sistemdir (Şekil 3). Yüksek radyasyon gücünün elde edilmesinin bir sonucu olarak, yükseltici ortam aracılığıyla kendi ekseni boyunca yayılan ışık dalgalarının birden fazla kökenini sağlar.


    Şekil 3 Lazer diyagramı

    Belirli bir güce ulaşıldığında radyasyon yarı saydam bir aynadan çıkar. Kuantumun yalnızca rezonatörün eksenine paralel olan kısmının üretiminin geliştirilmesine katılım nedeniyle verimlilik. lazerler genellikle %1'i geçmez. Bazı durumlarda belirli özelliklerden, verimlilikten ödün vermek. %30'a kadar artırılabilir.

    • Diyagram şunları gösterir: 1 - aktif ortam; 2 - lazer pompası enerjisi; 3 - opak ayna; 4 - yarı saydam ayna; 5 - lazer ışını.

    Tüm lazerler üç ana bölümden oluşur:

      aktif (çalışma) ortamı;

      pompalama sistemleri (enerji kaynağı);

      optik rezonatör (lazer amplifikatör modunda çalışıyorsa mevcut olmayabilir).

    Her biri lazerin kendine özgü işlevlerini yerine getirmesini sağlar.

    Aktif ortam

    Şu anda, bir lazerin çalışma ortamı olarak maddenin çeşitli toplu halleri kullanılmaktadır: katı, sıvı, gazlı, plazma. Normal durumda, uyarılmış enerji seviyelerinde bulunan atomların sayısı Boltzmann dağılımı ile belirlenir:

    Burada N- Enerjili uyarılmış durumdaki atomların sayısı e, N 0 - temel durumdaki atom sayısı, k- Boltzmann sabiti, T- Çevre sıcaklığı. Başka bir deyişle, uyarılmış durumda temel duruma göre daha az bu tür atom vardır, bu nedenle ortamda yayılan bir fotonun uyarılmış emisyona neden olma olasılığı, soğurma olasılığıyla karşılaştırıldığında da küçüktür. Bu nedenle, bir maddeden geçen bir elektromanyetik dalga, enerjisini atomları uyarmak için harcar.Radyasyon yoğunluğu Bouguer yasasına göre azalır:

    Burada BEN 0 - başlangıç ​​yoğunluğu, BEN l mesafeyi kat eden radyasyonun yoğunluğudur benönemli A 1, maddenin emilim hızıdır. Bağımlılık üstel olduğundan radyasyon çok hızlı bir şekilde emilir.

    Uyarılmış atomların sayısının uyarılmamış olanlardan daha fazla olması durumunda (yani popülasyonun ters çevrilmesi durumunda), durum tam tersidir. Uyarılmış emisyon eylemleri emilimin önüne geçer ve radyasyon kanuna göre artar:

    Nerede A 2 - kuantum kazanç faktörü. Gerçek lazerlerde, uyarılmış emisyon nedeniyle alınan enerji miktarı rezonatörde kaybedilen enerji miktarına eşit oluncaya kadar amplifikasyon meydana gelir. Bu kayıplar, çalışma maddesinin metastabil seviyesinin doygunluğu ile ilişkilidir, bundan sonra pompalama enerjisi sadece onu ısıtmak için kullanılır ve ayrıca diğer birçok faktörün varlığıyla (ortamın homojen olmaması nedeniyle saçılma, safsızlıklar tarafından emilme, yansıtıcı aynaların kusurlu olması, çevreye faydalı ve istenmeyen radyasyon vb.).

    Pompalama sistemi

    Lazer ortamında popülasyonun tersine çevrilmesi için çeşitli mekanizmalar kullanılır. Katı hal lazerlerinde korna sesi, güçlü gaz deşarjlı flaş lambaları, odaklanmış güneş radyasyonu (optik pompalama olarak adlandırılan) ve diğer lazerlerden (özellikle yarı iletken lazerler) gelen radyasyonla ışınlama yoluyla elde edilir. Bu durumda, çalışma yalnızca darbeli modda mümkündür, çünkü çok yüksek pompalama enerjisi yoğunlukları gereklidir, bu da uzun süreli maruz kalma durumunda güçlü ısınmaya ve çalışma maddesi çubuğunun tahrip olmasına neden olur. Gaz ve sıvı lazerler elektrik deşarjlı pompalama kullanır. Bu tür lazerler sürekli modda çalışır. Pompalama kimyasal lazerler Aktif ortamda kimyasal reaksiyonların meydana gelmesiyle oluşur. Bu durumda, popülasyonun tersine çevrilmesi ya doğrudan reaksiyon ürünlerinde ya da uygun enerji seviyesi yapısına sahip özel olarak eklenen safsızlıklarda meydana gelir. Yarı iletken lazerlerin pompalanması, p-n bağlantısı boyunca güçlü bir ileri akımın yanı sıra bir elektron ışınının etkisi altında gerçekleşir. Başka pompalama yöntemleri de vardır (önceden ısıtılmış gazların keskin bir şekilde soğutulmasını içeren gaz dinamiği; foto ayrışma, kimyasal pompalamanın özel bir durumu vb.).

    Şekilde: lazer aktif ortamı için a - üç seviyeli ve b - dört seviyeli pompalama devreleri.

    Çalışma ortamını pompalamak için klasik üç seviyeli sistem, örneğin yakut lazerde kullanılır. Yakut, lazer radyasyonunun kaynağı olan az miktarda krom iyonları Cr3+ ile katkılı bir korundum kristali Al2O3'tür. Korindon kristal kafesinin elektrik alanının etkisinden dolayı kromun dış enerji seviyesi e 2 bölünmüştür (bkz. Stark etkisi). Monokromatik olmayan radyasyonun pompalama olarak kullanılmasını mümkün kılan şey budur. Bu durumda atom temel durumdan enerjiyle geçer. e 0 enerjiyle heyecanlanıyorum e 2. Bir atom nispeten kısa bir süre (yaklaşık 10−8 saniye) bu durumda kalabilir; seviyeye ışınımsız bir geçiş neredeyse anında gerçekleşir. e 1, bir atomun çok daha uzun süre kalabileceği (10 −3 saniyeye kadar), buna yarı kararlı seviye adı verilir. Diğer rastgele fotonların etkisi altında indüklenen radyasyon olasılığı ortaya çıkar. Yarı kararlı durumdaki atomların sayısı ana durumdan daha fazla olduğunda, üretim süreci başlar.

    Doğrudan seviyeden pompalamayı kullanarak krom atomları Cr'nin bir popülasyon inversiyonunu oluşturmak için not edilmelidir. e Seviye başına 0 e 1 mümkün değildir. Bunun nedeni, eğer absorpsiyon ve uyarılmış emisyon iki seviye arasında meydana gelirse, her iki sürecin de aynı oranda gerçekleşmesidir. Dolayısıyla bu durumda pompalama yalnızca iki düzeydeki popülasyonları eşitleyebilir ve bu da kalıcılığın oluşması için yeterli değildir.

    Radyasyonun neodim Nd 3+ iyonları kullanılarak üretildiği bazı lazerler, örneğin neodimyum lazerler, dört seviyeli bir pompalama şeması kullanır. Burada yarı kararlı arasında e 2 ve ana seviye e 0 orta - çalışma seviyesi var e 1. Uyarılmış emisyon, bir atom seviyeler arasında geçiş yaptığında meydana gelir e 2 ve e 1. Bu şemanın avantajı, bu durumda üst işletim seviyesinin ömrü () olduğundan popülasyon ters çevirme koşulunu karşılamanın kolay olmasıdır. e 2) alt seviyenin ömründen birkaç kat daha uzun ( e 1). Bu, pompa kaynağına olan gereksinimleri önemli ölçüde azaltır. Ek olarak böyle bir şema, bazı uygulamalar için çok önemli olan sürekli modda çalışan yüksek güçlü lazerlerin oluşturulmasını mümkün kılar. Bununla birlikte, bu tür lazerlerin, yayılan fotonun enerjisinin emilen pompa fotonunun enerjisine oranı olarak tanımlanan düşük kuantum verimliliği şeklinde önemli bir dezavantajı vardır (η kuantum = hν radyasyon / hν pompa)

    Günümüzde bu kelimeyi hiç duymamış birini bulmak zor "lazer" ancak çok az kişi bunun ne olduğunu açıkça anlıyor.

    Buluşlarından bu yana geçen yarım yüzyılda, çeşitli tiplerdeki lazerler tıptan dijital teknolojiye kadar çok çeşitli alanlarda uygulama alanı buldu. Peki lazer nedir, çalışma prensibi nedir ve ne işe yarar?

    Lazer nedir?

    Lazerlerin var olma olasılığı, 1917'de elektronların belirli bir uzunlukta ışık kuantumu yayma olasılığından bahseden bir makale yayınlayan Albert Einstein tarafından tahmin edilmişti. Bu olguya uyarılmış emisyon adı verildi, ancak uzun süre teknik açıdan gerçekleştirilemez olduğu düşünüldü.

    Ancak teknik ve teknolojik yeteneklerin gelişmesiyle birlikte lazerin yaratılması an meselesi haline geldi. 1954'te Sovyet bilim adamları N. Basov ve A. Prokhorov, amonyakla çalışan ilk mikrodalga jeneratörü olan bir maser yarattığı için Nobel Ödülü'nü aldı. Ve 1960 yılında Amerikalı T. Maiman, lazer (Uyarılmış Radyasyon Emisyonuyla Işık Amplifikasyonu) adını verdiği ilk optik ışın kuantum üretecini üretti. Cihaz, enerjiyi dar yönlü optik radyasyona dönüştürür; ışık demeti, yüksek konsantrasyonlu bir ışık kuantumu (foton) akışı.

    Lazer çalışma prensibi

    Lazerin çalışmasının dayandığı olguya ortamın zorlanmış veya indüklenmiş radyasyonu denir. Belirli bir maddenin atomları, diğer fotonların etkisi altında fotonlar yayabilir ve etki eden fotonun enerjisi, atomun radyasyondan önceki ve sonraki enerji seviyeleri arasındaki farka eşit olmalıdır.

    Yayılan foton, radyasyona neden olan fotonla tutarlıdır; tam olarak ilk foton gibi. Sonuç olarak, ortamdaki zayıf ışık akışı düzensiz bir şekilde değil, belirli bir yönde güçlendirilir. Lazer adı verilen uyarılmış bir radyasyon ışını oluşur.

    Lazer sınıflandırması

    Lazerlerin doğası ve özellikleri araştırıldıkça bu ışınların çeşitli türleri keşfedildi. Başlangıçtaki maddenin durumuna bağlı olarak lazerler şunlar olabilir:

    • gaz;
    • sıvı;
    • katı hal;
    • serbest elektronlar üzerinde.



    Şu anda, bir lazer ışını üretmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir:

    • gazlı bir ortamda elektrik parıltısı veya ark deşarjı kullanılması - gaz deşarjı;
    • sıcak gazın genişlemesini ve nüfus dönüşümlerinin yaratılmasını kullanmak - gaz dinamiği;
    • ortamın uyarılmasıyla bir yarı iletkenden akım geçirerek - diyot veya enjeksiyon;
    • ortamın bir flaş lambası, LED, diğer lazer vb. ile optik olarak pompalanmasıyla;
    • ortamın elektron ışınıyla pompalanmasıyla;
    • radyasyon bir nükleer reaktörden geldiğinde nükleer pompalama;
    • özel kimyasal reaksiyonlar kullanarak - kimyasal lazerler.

    Endüstrinin çeşitli alanlarında kullanıldıkları için hepsinin kendine has özellikleri ve farklılıkları vardır.

    Lazerlerin pratik kullanımı

    Günümüzde onlarca endüstride, tıpta, bilişim teknolojilerinde ve diğer faaliyet alanlarında çeşitli tiplerde lazerler kullanılmaktadır. Onların yardımıyla aşağıdakiler gerçekleştirilir:

    • metallerin, plastiklerin ve diğer malzemelerin kesilmesi ve kaynaklanması;
    • görsellerin, yazıların uygulanması ve ürünlerin yüzeyinin işaretlenmesi;
    • ultra ince deliklerin delinmesi, yarı iletken kristal parçaların hassas şekilde işlenmesi;
    • püskürtme, yüzey kaplama, yüzey alaşımlama vb. yoluyla ürün kaplamalarının oluşturulması;
    • bilgi paketlerinin fiberglas kullanılarak iletilmesi;
    • cerrahi operasyonların ve diğer terapötik müdahalelerin gerçekleştirilmesi;
    • cilt gençleştirme, kusurlu oluşumların giderilmesi vb. için kozmetik prosedürler;
    • küçük silahlardan füzelere kadar çeşitli silah türlerini hedef almak;
    • holografik yöntemlerin oluşturulması ve kullanılması;
    • çeşitli araştırma çalışmalarında uygulama;
    • mesafelerin, koordinatların, çalışma ortamının yoğunluğunun, akış hızının ve diğer birçok parametrenin ölçümü;
    • çeşitli teknolojik süreçleri gerçekleştirmek için kimyasal reaksiyonların başlatılması.



    Lazerlerin hâlihazırda kullanıldığı veya çok yakın gelecekte uygulama alanı bulacağı çok daha fazla alan var.