Lazeris – įrenginys ir veikimo principas

Normalus šviesos elgesys praeinant per terpę

Paprastai, kai šviesa praeina per terpę, jos intensyvumas mažėja. Šio slopinimo skaitinę reikšmę galima rasti iš Bouguer dėsnio:

Šioje lygtyje, be šviesos intensyvumo I, patenkančio į terpę ir išeinančio iš jos, taip pat yra faktorius, vadinamas tiesiniu terpės šviesos sugerties koeficientu. Tradicinėje optikoje šis koeficientas visada yra teigiamas.

Neigiamas šviesos sugertis

Ką daryti, jei dėl kokių nors priežasčių absorbcijos koeficientas yra neigiamas? Kas tada? Šviesa, praeinanti per terpę, sustiprės; iš tikrųjų terpė parodys neigiamą absorbciją.

Sąlygos stebėti tokį vaizdą gali būti sukurtos dirbtinai. Teorinę koncepciją, kaip įgyvendinti siūlomą reiškinį, 1939 m. suformulavo sovietų fizikas Valentinas Aleksandrovičius Fabrikantas.

Analizuodamas hipotetinę šviesą stiprinančią terpę, praeinančią per ją, Fabrikantas pasiūlė šviesos stiprinimo principą. Ir 1955 msovietų fizikai Nikolajus Genadjevičius Basovas ir Aleksandras Michailovičius Prochorovas pritaikė šią Fabrikanto idėją elektromagnetinio spektro radijo dažnių srityje.

Apsvarstykite fizinę neigiamos absorbcijos galimybės pusę. Idealizuota forma atomų energijos lygiai gali būti pavaizduoti kaip linijos - tarsi kiekvienos būsenos atomai turėtų tik griežtai apibrėžtas energijas E1 ir E2. Tai reiškia, kad pereinant iš būsenos į būseną, atomas arba skleidžia, arba sugeria tik monochromatinę tiksliai apibrėžto bangos ilgio šviesą.

Tačiau realybė toli gražu nėra ideali, ir iš tikrųjų atomų energijos lygiai turi tam tikrą baigtinį plotį, tai yra, tai nėra tikslių verčių linijos. Todėl perėjimų tarp lygių metu taip pat bus tam tikras skleidžiamų arba sugertų dažnių diapazonas dv, kuris priklauso nuo energijos lygių, tarp kurių vyksta perėjimas, pločio. E1 ir E2 reikšmės gali būti naudojamos tik vidutiniams atomo energijos lygiams žymėti.

Taigi, kadangi darėme prielaidą, kad E1 ir E2 yra energijos lygių vidurio taškai, galime laikyti atomą šiose dviejose būsenose. Tegul E2>E1. Atomas gali absorbuoti arba išspinduliuoti elektromagnetinę spinduliuotę, kai pereina tarp šių lygių. Tarkime, kad atomas, būdamas pagrindinėje būsenoje E1, absorbavo išorinę spinduliuotę su energija E2-E1 ir perėjo į sužadintą būseną E2 (tokio perėjimo tikimybė proporcinga Einšteino koeficientui B12).

Būdamas sužadintoje būsenoje E2, atomas, veikiamas išorinės spinduliuotės su energija E2-E1, skleidžia kvantą, kurio energija E2-E1 ir yra priverstas pereiti į pagrindinę būseną su energija E1 (tokio perėjimo tikimybė yra proporcinga Einšteino koeficientas B21).

Jei lygiagretus monochromatinės spinduliuotės pluoštas, kurio tūrinis spektrinis tankis w (v), praeina per medžiagą, kurios sluoksnio skerspjūvio plotas ir storis yra vienetas dx, tada jo intensyvumas pasikeis verte:

Čia n1 – atomų koncentracija E1 būsenose, n2 – atomų koncentracija E2 būsenose.

Pakeitę sąlygas dešinėje lygties pusėje, darant prielaidą, kad B21 = B12, ir pakeitus išraišką B21, gauname šviesos intensyvumo pokyčio siauruose energijos lygiuose lygtį:

Praktikoje, kaip minėta aukščiau, energijos lygiai nėra be galo siauri, todėl reikia atsižvelgti į jų plotį. Kad straipsnis nebūtų perkrautas transformacijų aprašymu ir krūva formulių, tiesiog pažymime, kad įvedę dažnių diapazoną ir integruodami per x, gausime formulę, kaip rasti tikrąjį vidurkio sugerties koeficientą:

Kadangi akivaizdu, kad termodinaminės pusiausvyros sąlygomis žemesnės energijos būsenos E1 atomų koncentracija n1 visada yra didesnė už aukštesnės būsenos E2 atomų koncentraciją n2, normaliomis sąlygomis neigiama absorbcija neįmanoma, jos neįmanoma sustiprinti. šviesa tiesiog pereinant per tikrą aplinką nesiimant jokių papildomų priemonių...

Kad neigiama absorbcija taptų įmanoma, būtina sudaryti sąlygas, kai atomų koncentracija sužadintoje būsenoje E2 terpėje bus didesnė už atomų koncentraciją pagrindinėje būsenoje E1, tai yra, būtina organizuoti atvirkštinis atomų pasiskirstymas terpėje pagal jų energetines būsenas.

Aplinkos energijos siurbimo poreikis

Norint organizuoti apverstą energijos lygių populiaciją (aktyviajai terpei gauti), naudojamas siurbimas (pvz., optinis ar elektrinis). Optinis siurbimas apima spinduliuotės, nukreiptos į juos atomų, absorbciją, dėl kurios šie atomai pereina į sužadinimo būseną.

Elektrinis siurbimas dujų terpėje apima atomų sužadinimą neelastingais susidūrimais su elektronais dujų išlydžio metu. Pasak Fabrikanto, kai kurios mažos energijos atomų būsenos turi būti pašalintos naudojant molekulines priemaišas.

Aktyvios terpės gauti naudojant optinį siurbimą dviejų lygių terpėje praktiškai neįmanoma, nes kiekybiškai atomų perėjimai per laiko vienetą iš būsenos E1 į būseną E2 ir atvirkščiai (!) šiuo atveju bus lygiaverčiai, vadinasi, būtina griebtis bent trijų pakopų sistemos.

Apsvarstykite trijų pakopų siurbimo sistemą. Tegul išorinė spinduliuotė su fotono energija E3-E1 veikia terpę, o terpėje esantys atomai pereina iš būsenos su energija E1 į būseną su energija E3. Iš E3 energijos būsenos galimi spontaniški perėjimai į E2 būseną ir į E1. Norint gauti apverstą populiaciją (kai tam tikroje terpėje yra daugiau atomų, kurių E2 lygis), būtina E2 lygį padaryti ilgesnį nei E3. Tam svarbu laikytis šių sąlygų:

Šių sąlygų laikymasis reikš, kad atomai E2 būsenoje išliks ilgiau, tai yra, spontaniškų perėjimų iš E3 į E1 ir iš E3 į E2 tikimybė viršija spontaniškų perėjimų iš E2 į E1 tikimybę. Tada E2 lygis pasirodys ilgiau trunkantis, o tokia būsena E2 lygyje gali būti vadinama metastabilia. Todėl, kai šviesa, kurios dažnis v = (E3 — E1) / h praeina per tokią aktyvią terpę, ši šviesa bus sustiprinta. Panašiai galima naudoti keturių lygių sistemą, tada E3 lygis bus metastabilus.

Lazerinis įrenginys

Taigi lazeris susideda iš trijų pagrindinių komponentų: aktyviosios terpės (kurioje sukuriama atomų energijos lygių populiacinė inversija), siurbimo sistemą (įrenginį populiacijos inversijai gauti) ir optinį rezonatorių (kuris sustiprina spinduliuotę). daug kartų ir sudaro kryptingą išvesties spindulį). Aktyvioji terpė gali būti kieta, skysta, dujinė arba plazma.

Siurbimas atliekamas nuolat arba impulsiniu būdu. Nuolat siurbiant terpės tiekimą riboja terpės perkaitimas ir šio perkaitimo pasekmės. Impulsinio siurbimo metu naudingos energijos, įvedamos į terpę, gaunama daugiau dėl didelės kiekvieno atskiro impulso galios.

Skirtingi lazeriai – skirtingas siurbimas

Kietojo kūno lazeriai pumpuojami apšvitinant darbinę terpę galingais dujų išlydžio blyksniais, fokusuota saulės šviesa ar kitu lazeriu.Tai visada yra impulsinis siurbimas, nes galia tokia didelė, kad nuolat veikiant darbinis strypas subyrės.

Skysčių ir dujų lazeriai pumpuojami elektros išlydžiu.Cheminiai lazeriai daro prielaidą, kad jų aktyvioje terpėje vyksta cheminės reakcijos, dėl kurių apversta atomų populiacija gaunama arba iš reakcijos produktų, arba iš specialių atitinkamos lygio struktūros priemaišų.

Puslaidininkiniai lazeriai pumpuojami tiesiogine srove per pn sandūrą arba elektronų pluoštu. Be to, yra tokių siurbimo būdų kaip fotodisociacija arba dujų dinaminis metodas (staigus įkaitusių dujų aušinimas).

Optinis rezonatorius – lazerio širdis

Optinis rezonatorius yra veidrodžių poros sistema, paprasčiausiu atveju du veidrodžiai (įgaubti arba lygiagrečiai), pritvirtinti vienas priešais kitą, o tarp jų išilgai bendros optinės ašies yra aktyvioji terpė kristalo arba kiuvetė su dujomis. Fotonai, einantys kampu per terpę, palieka ją šone, o tie, kurie juda išilgai ašies, atsispindėdami daug kartų, sustiprėja ir išeina per permatomą veidrodį.

Tai sukuria lazerio spinduliuotę - koherentinių fotonų pluoštą - griežtai nukreiptą spindulį. Per vieną šviesos praėjimą tarp veidrodžių stiprinimo dydis turi viršyti tam tikrą slenkstį – spinduliuotės nuostolių per antrąjį veidrodį kiekį (kuo geriau veidrodis praleidžia, tuo ši riba turi būti didesnė).

Kad šviesos stiprinimas būtų atliktas efektyviai, reikia ne tik padidinti šviesos kelią aktyviojoje terpėje, bet ir užtikrinti, kad iš rezonatoriaus išeinančios bangos būtų viena su kita fazėje, tada trukdančios bangos duos didžiausia galima amplitudė.

Norint pasiekti šį tikslą, būtina, kad kiekviena iš rezonatoriaus bangų, grįžtančių į šaltinio veidrodžio tašką ir apskritai bet kuriame aktyviosios terpės taške, po savavališko skaičiaus tobulų atspindžių būtų vienoje fazėje su pirmine banga. . Tai įmanoma, kai optinis kelias, kurį banga nukeliauja tarp dviejų grįžimų, atitinka sąlygą:

kur m yra sveikas skaičius, šiuo atveju fazių skirtumas bus 2P kartotinis:

Dabar, kadangi kiekviena iš bangų faze skiriasi nuo ankstesnės 2pi, tai reiškia, kad visos bangos, išeinančios iš rezonatoriaus, bus viena su kita, sukeldamos maksimalius amplitudės trukdžius. Rezonatoriaus išėjime bus beveik monochromatinė lygiagreti spinduliuotė.

Rezonatoriaus viduje esančių veidrodžių veikimas užtikrins režimų, atitinkančių stovinčias bangas rezonatoriaus viduje, stiprinimą; kiti režimai (atsiradę dėl realių sąlygų ypatumų) susilpnės.

Rubino lazeris – pirmoji kietoji būsena

Pirmąjį kietojo kūno įrenginį 1960 m. sukūrė amerikiečių fizikas Theodore'as Maimanas. Tai buvo rubino lazeris (rubinas - Al2O3, kur kai kurios gardelės vietos - 0,5% - yra pakeistos trigubai jonizuotu chromu; kuo daugiau chromo, tuo tamsesnė rubino kristalo spalva).

Pirmasis sėkmingai veikiantis lazeris, sukurtas daktaro Tedo Maymano 1960 m.

Rubino cilindras, pagamintas iš homogeniškiausio kristalo, kurio skersmuo nuo 4 iki 20 mm ir ilgis nuo 30 iki 200 mm, yra tarp dviejų veidrodžių, pagamintų iš sidabro sluoksnių, padengtų kruopščiai nupoliruotus galus. cilindras. Spiralės formos dujų išlydžio lempa supa cilindrą per visą jo ilgį ir yra tiekiama aukšta įtampa per kondensatorių.

Įjungus lempą, rubinas intensyviai apšvitinamas, o chromo atomai pereina iš 1 lygio į 3 lygį (šioje sužadinimo būsenoje jie būna mažiau nei 10-7 sekundes), čia greičiausiai pereina į 2 lygis yra realizuotas – iki metastabilaus lygio. Energijos perteklius perduodamas į rubino kristalų gardelę. Spontaniški perėjimai iš 3 lygio į 1 lygį yra nereikšmingi.

Pereiti iš 2 lygio į 1 lygį draudžia atrankos taisyklės, todėl šio lygio trukmė yra apie 10-3 sekundes, o tai yra 10 000 kartų ilgesnė nei 3 lygyje, todėl atomai kaupiasi rubine su 2 lygiu — tai yra atvirkštinė 2 lygio populiacija.

Spontaniškai atsirandantys savaiminių perėjimų metu fotonai gali sukelti priverstinius perėjimus iš 2 lygio į 1 lygį ir išprovokuoti antrinių fotonų laviną, tačiau šie spontaniški perėjimai yra atsitiktiniai ir jų fotonai sklinda chaotiškai, dažniausiai palikdami rezonatorių per jo šoninę sienelę.

Tačiau tie fotonai, kurie atsitrenkia į ašį, patiria daugybę atspindžių nuo veidrodžių, tuo pačiu sukeldami priverstinę antrinių fotonų emisiją, kuri vėl provokuoja stimuliuojamą spinduliuotę ir pan. Šie fotonai judės panašia kryptimi kaip pirminiai ir srautas išilgai kristalo ašies padidės kaip lavina.

Padaugintas fotonų srautas išeis per šoninį permatomą rezonatoriaus veidrodį griežtai kryptingo kolosalaus intensyvumo šviesos pluošto pavidalu. Rubino lazeris veikia esant 694,3 nm bangos ilgiui, o impulso galia gali siekti 109 W

Neoninis lazeris su heliu

Helio-neono (helio / neono = 10/1) lazeris yra vienas populiariausių dujinių lazerių. Slėgis dujų mišinyje yra apie 100 Pa.Neonas veikia kaip aktyvios dujos, nuolatiniu režimu gamina 632,8 nm bangos ilgio fotonus. Helio funkcija yra sukurti atvirkštinę populiaciją iš vieno iš viršutinių neono energijos lygių. Tokio lazerio spektro plotis yra apie 5 * 10-3 Hz Koherencijos ilgis 6 * 1011 m, koherencijos laikas 2 * 103 ° C.

Kai pumpuojamas helio-neono lazeris, aukštos įtampos elektros iškrova sukelia helio atomų perėjimą į metastabilią sužadintą E2 lygio būseną. Šie helio atomai neelastingai susiduria su neoniniais atomais E1 pagrindinėje būsenoje, perduodami savo energiją. Neono E4 lygio energija yra 0,05 eV didesnė nei helio E2 lygio. Energijos trūkumą kompensuoja atominių susidūrimų kinetinė energija. Dėl to neono E4 lygyje gaunama apversta populiacija E3 lygio atžvilgiu.

Šiuolaikinių lazerių tipai

Pagal aktyviosios terpės būseną lazeriai skirstomi į: kietuosius, skystuosius, dujinius, puslaidininkinius, taip pat kristalinius. Pagal siurbimo būdą jie gali būti: optiniai, cheminiai, dujų išlydžio. Pagal generacijos pobūdį lazeriai skirstomi į: nuolatinius ir impulsinius. Šio tipo lazeriai skleidžia spinduliuotę matomame elektromagnetinio spektro diapazone.

Optiniai lazeriai atsirado vėliau nei kiti. Jie geba generuoti artimojo infraraudonųjų spindulių diapazono spinduliuotę, tokia spinduliuotė (iki 8 mikronų bangos ilgio) labai tinka optiniam ryšiui. Optiniuose lazeriuose yra pluoštas, kurio šerdyje yra įterpta keletas tinkamų retųjų žemių elementų jonų.

Šviesos kreiptuvas, kaip ir kitų tipų lazeriuose, montuojamas tarp poros veidrodžių.Siurbimui į pluoštą tiekiama reikiamo bangos ilgio lazerio spinduliuotė, kad retųjų žemių elementų jonai jo veikimo metu pereina į sužadinimo būseną. Grįždami į žemesnės energijos būseną, šie jonai skleidžia fotonus, kurių bangos ilgis yra ilgesnis nei inicijuojančio lazerio.

Tokiu būdu pluoštas veikia kaip lazerio šviesos šaltinis. Jo dažnis priklauso nuo pridėtų retųjų žemių elementų tipo. Pats pluoštas pagamintas iš sunkiųjų metalų fluorido, todėl efektyviai generuojama lazerio spinduliuotė infraraudonųjų spindulių diapazono dažniu.

Rentgeno lazeriai užima priešingą spektro pusę - tarp ultravioletinių ir gama - tai yra dydžių eilės, kurių bangos ilgis yra nuo 10-7 iki 10-12 m. Šio tipo lazeriai turi didžiausią impulsų ryškumą iš visų lazerių tipų.

Pirmasis rentgeno lazeris buvo pagamintas 1985 metais JAV, Livermoro laboratorijoje. Lorensas. Lazeris generuojamas ant seleno jonų, bangų ilgių diapazonas yra nuo 18,2 iki 26,3 nm, o didžiausias ryškumas patenka į 20,63 nm bangos ilgio liniją. Šiandien 4,6 nm bangos ilgio lazerio spinduliuotė buvo pasiekta aliuminio jonais.

Rentgeno lazeris generuojamas impulsais, kurių trukmė yra nuo 100 ps iki 10 ns, o tai priklauso nuo plazmos susidarymo trukmės.

Faktas yra tas, kad rentgeno lazerio aktyvioji terpė yra labai jonizuota plazma, kuri gaunama, pavyzdžiui, ploną itrio ir seleno plėvelę apšvitinant didelės galios lazeriu matomame arba infraraudonajame spektre.

Rentgeno spindulių lazerio energija impulse siekia 10 mJ, o spindulio kampinis skirtumas yra maždaug 10 miliradianų. Siurblio galios ir tiesioginės spinduliuotės santykis yra apie 0,00001.