Prvi princip lasera, čija se fizika temelji na Planckovom zakonu zračenja, teorijski je potkrijepio Einstein 1917. godine. Opisao je apsorpciju, spontano i stimulirano elektromagnetsko zračenje korištenjem koeficijenata vjerojatnosti (Einsteinovih koeficijenata).
Pioniri
Theodor Meiman je prvi demonstrirao princip rada rubin lasera koji se temelji na optičkom pumpanju sintetičkog rubina bljeskalicom, koja je proizvodila impulsno koherentno zračenje valne duljine 694 nm.
Godine 1960. iranski znanstvenici Javan i Bennett stvorili su prvi plinski kvantni generator koristeći 1:10 mješavinu He i Ne plinova.
Godine 1962., RN Hall je demonstrirao prvi galijev arsenid (GaAs) diodni laser koji emitira na valnoj duljini od 850 nm. Kasnije te godine, Nick Golonyak razvio je prvi poluvodički kvantni generator vidljive svjetlosti.
Dizajn i princip rada lasera
Svaki laserski sustav sastoji se od postavljenog aktivnog medijaizmeđu para optički paralelnih i visoko reflektirajućih zrcala, od kojih je jedno prozirno, i izvora energije za njegovo pumpanje. Medij za pojačavanje može biti krutina, tekućina ili plin, koji ima svojstvo pojačavanja amplitude svjetlosnog vala koji prolazi kroz njega stimuliranom emisijom električnim ili optičkim pumpanjem. Supstanca se postavlja između para zrcala na način da svjetlost koja se u njima reflektira svaki put prolazi kroz nju i, nakon što je dostigla značajno pojačanje, prodire u prozirno zrcalo.
Dvoslojna okruženja
Razmotrimo princip rada lasera s aktivnim medijem, čiji atomi imaju samo dvije energetske razine: pobuđeni E2 i osnovni E1 . Ako su atomi pobuđeni u stanje E2 bilo kojim mehanizmom pumpanja (optičkim, električnim pražnjenjem, prijenosom struje ili bombardiranjem elektrona), tada će se nakon nekoliko nanosekundi vratiti u prizemni položaj, emitirajući fotone energije hν=E 2 - E1. Prema Einsteinovoj teoriji, emisija se proizvodi na dva različita načina: ili je inducira foton ili se događa spontano. U prvom slučaju dolazi do stimulirane emisije, au drugom do spontane emisije. U toplinskoj ravnoteži, vjerojatnost stimulirane emisije mnogo je manja od spontane emisije (1:1033), tako da je većina konvencionalnih izvora svjetlosti nekoherentna, a lasersko stvaranje moguće je u uvjetima koji nisu toplinski ravnoteža.
Čak i s vrlo jakimpumpanja, populacija sustava na dvije razine može se samo izjednačiti. Stoga su potrebni sustavi na tri ili četiri razine da bi se postigla inverzija populacije optičkim ili drugim metodama crpljenja.
Višerazinski sustavi
Koji je princip trorazinskog lasera? Zračenje intenzivnom svjetlošću frekvencije ν02 pumpa veliki broj atoma s najniže energetske razine E0 do najviše energetske razine E 2. Neradijativni prijelaz atoma iz E2 u E1 uspostavlja inverziju populacije između E1 i E 0 , što je u praksi moguće samo kada su atomi dugo vremena u metastabilnom stanju E1, i prijelaz iz E2do E 1 ide brzo. Princip rada trorazinskog lasera je ispunjavanje ovih uvjeta, zbog čega se između E0 i E1 postiže inverzija populacije i fotoni pojačavaju se energijom E 1-E0 inducirana emisija. Šira razina E2 mogla bi povećati raspon apsorpcije valne duljine za učinkovitije pumpanje, što rezultira povećanjem stimulirane emisije.
Sustav na tri razine zahtijeva vrlo veliku snagu pumpe, budući da je niža razina uključena u proizvodnju osnovna. U ovom slučaju, da bi došlo do inverzije populacije, više od polovice ukupnog broja atoma mora biti pumpano u stanje E1. Pritom se troši energija. Snaga crpljenja može biti značajnasmanjiti ako niža generacijska razina nije osnovna, što zahtijeva barem četverorazinski sustav.
Ovisno o prirodi aktivne tvari, laseri se dijele u tri glavne kategorije, a to su kruti, tekući i plinoviti. Od 1958. godine, kada je laseriranje prvi put uočeno u kristalu rubina, znanstvenici i istraživači proučavali su širok raspon materijala u svakoj kategoriji.
Solid State Laser
Princip rada temelji se na korištenju aktivnog medija, koji se formira dodavanjem metala prijelazne skupine u izolacijsku kristalnu rešetku (Ti+3, Cr +3, V+2, S+2, Ni+2, Fe +2, itd.), ioni rijetkih zemalja (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, itd.), i aktinidi poput U+3. Razine energije iona odgovorne su samo za stvaranje. Fizička svojstva osnovnog materijala, kao što su toplinska vodljivost i toplinsko širenje, bitna su za učinkovit rad lasera. Raspored atoma rešetke oko dopiranog iona mijenja njegovu energetsku razinu. Različite valne duljine generiranja u aktivnom mediju postižu se dopiranjem različitih materijala istim ionom.
Holmium laser
Primjer lasera u čvrstom stanju je kvantni generator u kojem holmij zamjenjuje atom osnovne tvari kristalne rešetke. Ho:YAG je jedan od materijala najbolje generacije. Princip rada holmij lasera je da je itrij aluminij granat dopiran holmijevim ionima, optički pumpan bljeskalicom i emitira na valnoj duljini od 2097 nm u IR rasponu, koju tkiva dobro apsorbiraju. Ovaj laser se koristi za operacije na zglobovima, u liječenju zuba, za isparavanje stanica raka, bubrežnih i žučnih kamenaca.
Poluvodički kvantni generator
Laseri za kvantne bušotine su jeftini, masovno produktivni i lako skalabilni. Princip rada poluvodičkog lasera temelji se na korištenju diode p-n spoja, koja proizvodi svjetlost određene valne duljine rekombinacijom nositelja uz pozitivnu pristranost, slično kao kod LED dioda. LED emitiraju spontano, a laserske diode - prisilno. Da bi se ispunio uvjet inverzije stanovništva, radna struja mora premašiti vrijednost praga. Aktivni medij u poluvodičkoj diodi ima oblik spojnog područja dvaju dvodimenzionalnih slojeva.
Princip rada ove vrste lasera je takav da nije potrebno vanjsko zrcalo za održavanje oscilacija. Reflektivnost koju stvara indeks loma slojeva i unutarnja refleksija aktivnog medija dovoljna je za tu svrhu. Krajnje površine dioda su odrezane, što osigurava da su reflektirajuće površine paralelne.
Veza koju čine poluvodički materijali iste vrste naziva se homospojnica, a veza stvorena vezom dvaju različitih naziva seheterospoj.
Poluvodiči P- i n-tipa s visokom gustoćom nosioca tvore p-n spoj s vrlo tankim (≈1 µm) deplecijskim slojem.
Plinski laser
Princip rada i korištenje ove vrste lasera omogućuje vam izradu uređaja gotovo bilo koje snage (od milivata do megavata) i valnih duljina (od UV do IR) te vam omogućuje rad u impulsnom i kontinuiranom načinu rada. Na temelju prirode aktivnog medija, postoje tri vrste plinskih kvantnih generatora, a to su atomski, ionski i molekularni.
Većina plinskih lasera pumpa se električnim pražnjenjem. Elektroni u cijevi za pražnjenje ubrzavaju se električnim poljem između elektroda. Oni se sudaraju s atomima, ionima ili molekulama aktivnog medija i induciraju prijelaz na više razine energije kako bi se postiglo stanje populacije inverzije i stimulirane emisije.
Molekularni laser
Načelo rada lasera temelji se na činjenici da, za razliku od izoliranih atoma i iona, molekule u atomskim i ionskim kvantnim generatorima imaju široke energetske pojaseve diskretnih energetskih razina. Štoviše, svaka elektronička energetska razina ima veliki broj razina vibracija, a one zauzvrat imaju nekoliko rotacijskih razina.
Energija između razina elektroničke energije je u UV i vidljivom dijelu spektra, dok između vibracijsko-rotacijskih razina - u dalekoj i bliskoj IRpodručja. Dakle, većina molekularnih kvantnih generatora radi u dalekom ili bliskom infracrvenom području.
Excimer laseri
Excimeri su molekule kao što su ArF, KrF, XeCl, koje imaju odvojeno osnovno stanje i stabilne su na prvoj razini. Princip rada lasera je sljedeći. U pravilu je broj molekula u osnovnom stanju malen, pa izravno pumpanje iz osnovnog stanja nije moguće. Molekule nastaju u prvom pobuđenom elektroničkom stanju kombiniranjem visokoenergetskih halogenida s inertnim plinovima. Populacija inverzije se lako postiže, budući da je broj molekula na baznoj razini premali u odnosu na pobuđenu. Ukratko, princip rada lasera je prijelaz iz vezanog pobuđenog elektroničkog stanja u disocijativno osnovno stanje. Stanovništvo u osnovnom stanju uvijek ostaje na niskoj razini, jer se molekule u ovom trenutku rastavljaju na atome.
Naprava i princip rada lasera je da se cijev za pražnjenje napuni mješavinom halogenida (F2) i plina rijetkih zemalja (Ar). Elektroni u njemu rastavljaju i ioniziraju molekule halida i stvaraju negativno nabijene ione. Pozitivni ioni Ar+ i negativni F- reagiraju i proizvode ArF molekule u prvom pobuđenom vezanom stanju s njihovim naknadnim prijelazom u odbojno osnovno stanje i stvaranjem koherentno zračenje. Ekscimer laser, čiji princip rada i primjene sada razmatramo, može se koristiti za pumpanjeaktivni medij na bojama.
tekući laser
U usporedbi s čvrstim tvarima, tekućine su homogenije i imaju veću gustoću aktivnih atoma od plinova. Osim toga, jednostavni su za proizvodnju, omogućuju lako odvođenje topline i mogu se lako zamijeniti. Princip rada lasera je korištenje organskih boja kao aktivnog medija, kao što su DCM (4-dicijanometilen-2-metil-6-p-dimetilaminostiril-4H-piran), rodamin, stiril, LDS, kumarin, stilben, itd. …, otopljen u odgovarajućem otapalu. Otopina molekula boje pobuđuje se zračenjem čija valna duljina ima dobar koeficijent apsorpcije. Princip rada lasera, ukratko, je generiranje na većoj valnoj duljini, koja se naziva fluorescencija. Razlika između apsorbirane energije i emitiranih fotona koristi se neradijativnim energetskim prijelazima i zagrijava sustav.
Širi pojas fluorescencije tekućih kvantnih generatora ima jedinstvenu značajku - podešavanje valne duljine. Princip rada i korištenje ove vrste lasera kao podesivog i koherentnog izvora svjetlosti postaje sve važniji u spektroskopiji, holografiji i biomedicinskim primjenama.
Nedavno su kvantni generatori boje korišteni za odvajanje izotopa. U ovom slučaju, laser selektivno pobuđuje jednog od njih, tjerajući ih da uđu u kemijsku reakciju.
