Kanuni ya laser hatua: sifa za mionzi laser

kanuni ya kwanza ya hatua ya laser, ambayo ni misingi ya fizikia ya sheria mionzi Planck, katika nadharia, Einstein katika 1917 alikuwa na sababu. Alieleza ngozi, ya hiari na drivas mionzi ya umeme kwa kutumia uwezekano coefficients (Einstein coefficients).

TRAILBLAZERS

Teodor Meyman alikuwa wa kwanza kuonyesha kanuni ya hatua ya akiki laser, kulingana na kusukuma macho kwa kutumia flash taa synthetic rubi, inazalisha mionzi madhubuti na wavelength ya 694 nm.

Katika mwaka 1960, Iran wanasayansi Javan na Bennett kuundwa lasers gesi ya kwanza kwa kutumia mchanganyiko wa Yeye na Ne gesi katika uwiano wa 1:10.

Mwaka 1962, R. N. Hall hufanya kwanza diode laser alifanya ya gallium arsenide (GaAs), kutotoa moshi katika wavelength ya 850 nm. Baadaye mwaka huo, Nick Golonyak maendeleo kwanza semiconductor quantum jenereta ya mwanga inayoonekana.

kifaa na kanuni ya lasers

Kila mfumo laser ni pamoja na wa kati kazi optically kuwekwa kati ya jozi ya vioo sambamba na wenye kuonyesha, moja ambayo ni translucent, na chanzo nguvu kwa kusukuma yake. Kama faida ya kati wanaweza kutenda kama yabisi, kimiminika au gesi, ambayo wana uwezo wa kukuza amplitude ya wimbi mwanga kupita njia hiyo ndani na mionzi umeme au macho kusukuma maji. Dutu huwekwa baina jozi ya vioo ili mwanga yalijitokeza katika wao kila wakati hupita kwa njia hiyo na, baada ya kufikiwa na ongezeko kubwa, hupenya nusu kioo.

mazingira duplex

Fikiria kanuni ya laser hatua kwa kati ya kazi ambazo atomi kuwa na viwango vya nishati mbili tu: E msisimko E ₂ na msingi _1. Kama chembe kupitia mbinu zozote kusukumia (macho, umeme kutokwa sasa au transmittance elektroni bombardment) ni msisimko hali E _2, katika nanoseconds wachache wao kurudi kwenye nafasi ya msingi, meremeta fotoni nishati hν = E ₂ - E _1. Kwa mujibu wa nadharia Einstein ya, chafu ni zinazozalishwa kwa njia mbili tofauti: ama ni ikiwa na photon, au hutokea kuwaka. Katika hali ya zamani, drivas chafu hutokea na ya pili - ghafla. Wakati usawa mafuta, uwezekano wa chafu kunasababishwa ni ndogo sana kuliko hiari (1:10 ^33), ili zaidi ya kawaida incoherent mwanga vyanzo, na lasing inawezekana katika hali zingine ambazo usawa mafuta.

Hata kwa mifumo kali sana kusukuma idadi ya watu wa ngazi unaweza tu kuwa sawa. Kwa hiyo, ili kufikia idadi ya watu inversion au nyingine njia za macho kusukumia inahitaji mfumo tatu au nne ngazi.

mfumo wa vyama cha

ni kanuni ya laser tatu ya ngazi ya nini? mnururisho wa mwanga makali ya mzunguko ν ₀₂ pampu up idadi kubwa ya chembe kutoka chini ya nishati ngazi E ₀ na E ₂ ya juu. Radiationless mpito kwa atomi E ₂ E ₁ imeweka upinduaji idadi kati ya ₁ na E E _0, ambayo kwa vitendo inawezekana tu wakati atomi ni muda mrefu katika metastable hali E _1, na kipindi cha mpito kutoka E ₁ kwa E ₂ hutokea kwa kasi. kanuni za uendeshaji wa laser tatu wa ngazi ni katika hali hizi, ili kati E ₀ na E _1, idadi ya watu inversion ni kupatikana na ni kukuzwa photon nishati E ₁ -E ₀ drivas chafu. Pana cha E ₂ inaweza kuongeza ngozi wavelength mbalimbali kwa ufanisi zaidi kusukuma, kusababisha ukuaji wa chafu drivas.

Tatu-ngazi ya mfumo inahitaji juu sana nguvu kusukumia tangu ngazi ya chini, ni kushiriki katika uzalishaji, ni msingi. Katika hali hii, ili upinduaji idadi ilitokea kwa hali E ₁ kuwa pumped zaidi ya nusu ya idadi ya jumla ya atomi. Katika hali hii, nishati ni kupita. pampu nguvu inaweza kupunguzwa sana kama kiwango cha chini lasing si msingi, ambayo inahitaji angalau mfumo nne ngazi ya juu.

Kulingana na asili ya dutu kazi, lasers ni classified katika makundi matatu ya msingi, yaani imara, kioevu na gesi. Tangu mwaka wa 1958, wakati kizazi cha kwanza mara aliona katika rubi kioo, wanasayansi na watafiti alisoma mbalimbali ya vifaa katika kila jamii.

imara-hali laser

operesheni ni msingi juu ya matumizi ya kati ya kazi ambayo ni sumu kwa kuongeza kuhami kioo kimiani mpito chuma (Ti ^3, Cr ^3, V ^+2, Co ^+2, Ni ^+2, Fe ^+2, na kadhalika. D.) , ions dunia nadra (Ce ^3, Pr ^3, Nd ^3, Pm ^3, Sm ^+2, Eu ^{+ 2, + 3,} Tb ^3, Dy ^3, Ho ^3, Er ^3, Yb ⁺³ , et al.), na actinides kama vile U ^+3. viwango vya nguvu ya ioni kuwajibika tu kwa ajili ya kizazi. tabia za kimaumbile ya vifaa vya msingi, kama vile conductivity mafuta na upanuzi wa mafuta ni muhimu kwa uendeshaji bora wa laser. Location kimiani ya atomi karibu ion doped mabadiliko ngazi yake ya nishati. urefu tofauti ya kizazi wimbi katika kati ya kazi ni mafanikio kwa dopning vifaa mbalimbali katika ion moja.

laser Holmium

Mfano wa laser imara-hali ni quantum jenereta, ambapo holmium chembe nafasi msingi nyenzo ya kimiani kioo. Ho: YAG ni moja ya vifaa bora lasing. kanuni za uendeshaji wa holmium laser ni kwamba garnet yttrium alumini doped na ions holmium, optically pumped na flash taa na hutoa katika wavelength ya 2097 nm mbalimbali infrared ni vizuri kufyonzwa na tishu. Kutumia laser kwa shughuli viungo, matibabu ya meno, vaporize seli za kansa, figo na vijiwe vya nyongo.

jenereta semiconductor quantum

Quantum vizuri lasers ni ghali, kuruhusu uzalishaji wa habari na kwa urahisi scalable. kanuni ya uendeshaji wa semiconductor laser kulingana na matumizi ya pn-diode makutano, ambayo inazalisha mwanga wa wavelength fulani kwa uchanganyishaji ya carrier kwa upendeleo chanya, kama LEDs. LED emit kuwaka na diodes laser - compulsively. Kutimiza masharti ya idadi ya watu inversion, uendeshaji wa sasa lazima kisichozidi kizingiti. kati ya kazi katika semiconductor diode mtazamo wa uhusiano eneo la tabaka ya pande mbili.

kanuni ya uendeshaji wa aina hii ya laser ni kwamba kudumisha oscillations hakuna kioo nje inahitajika. uwezo kutafakari, iliyoundwa kutokana na refractive index safu na tafakari ndani ya kati kazi, inatosha kwa ajili hiyo. mwisho nyuso kushikamana diodes inayotoa sambamba kuonyesha nyuso.

kiwanja iliundwa na vifaa semiconductor ya aina moja inaitwa homojunction, kama imara kwa kuunganisha mbili tofauti - heterojunction.

Semiconductors ya p na n aina na uzito mkubwa wa flygbolag kuunda p-n-makutano na nyembamba sana (≈1 mm) imemaliza safu.

gesi laser

kanuni ya uendeshaji na matumizi ya aina hii ya laser inayowezesha ya kutengeneza vifaa vya uwezo wa karibu yoyote (kutoka milliwatts megawati) na wavelengths (kutoka ultraviolet kwa infrared) na unaweza kufanya kazi katika pulsed na kuendelea njia. Kulingana na hali ya vyombo vya habari kazi, kuna aina tatu ya lasers gesi, yaani atomiki, ionic na Masi.

lasers gesi nyingi pumped na kutokwa umeme. elektroni katika utekelezaji tube ni kuharakisha na shamba umeme kati ya electrodes. Wao collide na atomi, ions au molekuli za kati ya kazi na kusababisha mpito kwa ngazi za juu wa nishati ya kufikia hali ya inversion idadi ya watu na chafu kunasababishwa.

laser Masi

kanuni ya laser hatua ni kwa kuzingatia ukweli kwamba, tofauti na atomi wametengwa na ions katika lasers atomiki na ion molekuli wamiliki bendi pana nishati ya viwango vya nguvu za kipekee. Aidha, kila ngazi elektroni nishati ina idadi kubwa ya ngazi vibrational, na wale kwa upande - chache mzunguko.

nishati kati ya ngazi ya nishati ya elektroni ni katika UV na kuonekana mikoa ya wigo, wakati kati ya ngazi vibrational-rotational - katika mikoa ya mbali na karibu infrared. Hivyo, wengi wa lasers Masi kufanya kazi katika mikoa ya mbali au karibu-infrared.

Excimer laser

Excimers ni kama molekuli kama ARF, KrF, XeCl, ambayo ni kugawanywa ardhi imara ya serikali na ngazi ya kwanza. kanuni ya uendeshaji wa laser ijayo. Kwa kawaida, idadi katika hali ya ardhi ya molekuli ni ndogo, hivyo kusukuma moja kwa moja kutoka kwa serikali ya ardhi haiwezekani. molekuli sumu katika kwanza hali msisimko umeme na kiwanja kuwa halidi high nishati na gesi ajizi. idadi ya watu inversion ni kupatikana kwa urahisi kwa vile idadi ya molekuli katika ngazi ya msingi ni ya chini sana, ikilinganishwa na msisimko. kanuni ya laser hatua, katika muda mfupi, ni mpito kutoka kufungwa hali msisimko umeme chini hali dissociative. Idadi ya wakazi wa jimbo ardhi daima katika ngazi ya chini, kwa sababu katika hatua hii molekuli kutenganisha katika atomi.

vifaa na lasers kanuni yamo katika kuwa kutokwa tube ni kujazwa na mchanganyiko wa halidi (F ₂₎ na gesi adimu (Ar). elektroni ndani yake kutenganisha na ionize molekuli halidi na kujenga ions hasi. Chanya ioni Ar ⁺ na hasi F ^- kuguswa na kuzalisha molekuli ARF kwanza hali msisimko kuhusishwa na mpito baadae kwa msingi hali kukataza na kizazi cha mionzi kamili. laser Excimer, kanuni ya hatua na matumizi ya ambayo sisi sasa kuzingatia, inaweza kutumika kwa ajili ya kusukuma ya kati ya kazi ya nguo.

laser kioevu

Ikilinganishwa na yabisi, kimiminika ni zaidi ya jinsi moja na kuwa na msongamano wa juu wa chembe hai, kwa kulinganisha na gesi. Mbali na hayo, si vigumu kuzalisha, kuruhusu rahisi joto ufisadi na inaweza kuwa rahisi kubadilishwa. kanuni ya hatua ya laser hutumika kama faida kati ya rangi kikaboni, kama DCM (4-dicyanomethylene-2-methyl-6-p- dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamine, styryl, LDS, coumarin, stilbene, na kadhalika. D ., kufutwa katika kutengenezea sahihi. ufumbuzi wa molekuli nguo ni msisimko na mionzi ambaye wavelength ina nzuri ngozi mgawo. kanuni ya laser hatua, katika muda mfupi, ni kuzalisha katika wavelength tena, aitwaye umeme. tofauti kati ya nishati kufyonzwa na lilio fotoni kutumika nonradiative mabadiliko ya nishati na jua kali mfumo.

Mpana bendi fluorescence maji lasers ina kipekee kipengele - wavelength tuning. kanuni ya uendeshaji na matumizi ya aina hii kama laser tunable na madhubuti mwanga chanzo, ni inazidi kuwa muhimu katika spectroscopy, holography, na katika maombi ya matibabu.

Hivi karibuni, lasers zimetumika na nguo kwa ajili ya isotopu kujitenga. Katika hali hii, laser kwa kuchagua Excite mmoja wao, uvuvio kuanza mmenyuko kemikali.