Laser — seade ja tööpõhimõte

Valguse normaalne käitumine keskkonda läbides

Tavaliselt, kui valgus läbib keskkonda, väheneb selle intensiivsus. Selle sumbumise arvväärtuse saab leida Bougueri seadusest:

Selles võrrandis on lisaks keskkonda sisenevatele ja sealt väljuvatele valgustugevustele I ka tegur, mida nimetatakse keskkonna lineaarseks valguse neeldumisteguriks. Traditsioonilises optikas on see koefitsient alati positiivne.

Negatiivne valguse neeldumine

Mis siis, kui mingil põhjusel on neeldumistegur negatiivne? Mis siis? Meediumit läbides valgus võimendub; tegelikult näitab sööde negatiivset neeldumist.

Tingimused sellise pildi vaatlemiseks saab luua kunstlikult. Teoreetilise kontseptsiooni kavandatava nähtuse elluviimise viisi kohta sõnastas 1939. aastal Nõukogude füüsik Valentin Aleksandrovitš Fabrikant.

Seda läbiva hüpoteetilise valgust võimendava keskkonna analüüsimise käigus pakkus Fabrikant välja valguse võimendamise põhimõtte. Ja 1955. aastalNõukogude füüsikud Nikolai Genadjevitš Basov ja Aleksandr Mihhailovitš Prohhorov rakendasid seda Fabrikanti ideed elektromagnetilise spektri raadiosageduspiirkonnas.

Mõelge negatiivse neeldumise võimaluse füüsilisele küljele. Idealiseeritud kujul saab aatomite energiatasemeid kujutada joontena – justkui oleks igas olekus aatomitel ainult rangelt määratletud energiad E1 ja E2. See tähendab, et olekust olekusse üleminekul aatom kas kiirgab või neelab täpselt määratletud lainepikkusega monokromaatilist valgust.

Kuid tegelikkus on ideaalist kaugel ja tegelikult on aatomite energiatasemetel teatud lõplik laius, see tähendab, et need ei ole täpsete väärtuste read. Seetõttu on nivoodevaheliste üleminekute ajal ka teatud kiirgavate või neelduvate sageduste vahemik dv, mis sõltub nende energiatasemete laiusest, mille vahel üleminek toimub. E1 ja E2 väärtusi saab kasutada ainult aatomi keskmiste energiatasemete tähistamiseks.

Seega, kuna oleme eeldanud, et E1 ja E2 on energiatasemete keskpunktid, võime vaadelda aatomit nendes kahes olekus. Olgu E2>E1. Aatom võib nende tasemete vahel liikudes elektromagnetkiirgust neelata või eraldada. Oletame, et põhiolekus E1 neelas aatom välist kiirgust energiaga E2-E1 ja läks ergastatud olekusse E2 (sellise ülemineku tõenäosus on võrdeline Einsteini koefitsiendiga B12).

Olles ergastatud olekus E2, kiirgab aatom välise kiirguse mõjul energiaga E2-E1 kvanti energiaga E2-E1 ja on sunnitud üle minema põhiolekusse energiaga E1 (sellise ülemineku tõenäosus on võrdeline Einsteini koefitsient B21).

Kui paralleelne monokromaatilise kiirguse kiir, mille ruumala spektraaltihedus on w (v), läbib ainet, mille kihi ristlõike pindala ja paksus on dx, muutub selle intensiivsus väärtuse võrra:

Siin n1 on aatomite kontsentratsioon E1 olekutes, n2 on aatomite kontsentratsioon E2 olekutes.

Asendades võrrandi paremal küljel olevad tingimused, eeldades, et B21 = B12, ja asendades seejärel avaldise B21-ga, saame võrrandi valguse intensiivsuse muutuse kohta kitsastel energiatasemetel:

Praktikas, nagu eespool mainitud, ei ole energiatasemed lõpmatult kitsad, seega tuleb arvestada nende laiusega. Et artiklit mitte segada teisenduste kirjelduse ja hulga valemitega, märgime lihtsalt, et sagedusvahemiku sisestamisel ja seejärel üle x integreerimisel saame tulemuseks keskmise tegeliku neeldumisteguri leidmise valemi:

Kuna on ilmne, et termodünaamilise tasakaalu tingimustes on madalama energiataseme E1 aatomite kontsentratsioon n1 alati suurem kui kõrgemas olekus E2 olevate aatomite kontsentratsioon n2, on negatiivne neeldumine tavatingimustes võimatu, seda on võimatu võimendada. valgust lihtsalt läbides reaalset keskkonda ilma lisameetmeid võtmata...

Negatiivse neeldumise võimalikuks muutmiseks on vaja luua tingimused, mil aatomite kontsentratsioon ergastatud olekus E2 keskkonnas on suurem kui aatomite kontsentratsioon põhiolekus E1, see tähendab, et on vaja korraldada aatomite vastupidine jaotus keskkonnas vastavalt nende energiaolekutele.

Vajadus keskkonna energia pumpamiseks

Energiatasemete ümberpööratud populatsiooni korraldamiseks (aktiivse keskkonna saamiseks) kasutatakse pumpamist (nt optilist või elektrilist). Optiline pumpamine hõlmab aatomite poolt neile suunatud kiirguse neeldumist, mille tõttu need aatomid lähevad ergastatud olekusse.

Elektriline pumpamine gaasikeskkonnas hõlmab aatomite ergastamist mitteelastsete kokkupõrgete teel gaaslahenduses elektronidega. Fabrikanti sõnul tuleb molekulaarsete lisandite abil kõrvaldada osa aatomite madala energiasisaldusega olekuid.

Aktiivset keskkonda on praktiliselt võimatu saada kahetasandilises keskkonnas optilise pumpamise abil, kuna kvantitatiivselt on aatomite üleminekud ajaühikus olekust E1 olekusse E2 ja vastupidi (!) sel juhul samaväärsed, mis tähendab, et on vaja kasutada vähemalt kolmetasandilist süsteemi.

Kaaluge kolmeastmelist pumpamissüsteemi. Laske väline kiirgus footoni energiaga E3-E1 mõjuda keskkonnale, samal ajal kui keskkonnas olevad aatomid lähevad energiaga E1 olekust energiaga E3 olekusse. Energiaolekust E3 on võimalikud spontaansed üleminekud olekusse E2 ja E1-sse. Pööratud populatsiooni saamiseks (kui antud keskkonnas on rohkem E2 tasemega aatomeid), on vaja muuta E2 tase pikemaealiseks kui E3. Selleks on oluline järgida järgmisi tingimusi:

Nende tingimuste järgimine tähendab, et E2 olekus olevad aatomid püsivad kauem, see tähendab, et spontaansete üleminekute tõenäosus E3-lt E1-le ja E3-st E2-le ületab spontaansete üleminekute tõenäosust E2-st E1-sse. Siis osutub E2 tase kauem püsivaks ja sellist seisundit E2 tasemel võib nimetada metastabiilseks. Seega, kui valgus sagedusega v = (E3 - E1) / h läbib sellist aktiivset keskkonda, siis see valgus võimendub. Samamoodi saab kasutada neljatasandilist süsteemi, siis on E3 tase metastabiilne.

Laserseade

Seega sisaldab laser kolme põhikomponenti: aktiivkeskkonda (milles luuakse aatomite energiatasemete populatsiooni inversioon), pumpamissüsteemi (seade populatsiooni inversiooni saamiseks) ja optilist resonaatorit (mis võimendab kiirgust mitu korda ja moodustab väljundi suunatud kiire). Aktiivne keskkond võib olla tahke, vedel, gaas või plasma.

Pumpamine toimub pidevalt või pulseerivalt. Pideva pumpamise korral piirab söötme tarnimist keskkonna ülekuumenemine ja selle ülekuumenemise tagajärjed. Impulsspumpamisel saadakse iga üksiku impulsi suure võimsuse tõttu rohkem keskkonda sisse toodud kasulikku energiat.

Erinevad laserid — erinev pumpamine

Tahkislasereid pumbatakse, kiiritades töökeskkonda võimsate gaaslahendusvälkude, fokuseeritud päikesevalguse või mõne muu laseriga. See on alati impulsspumpamine, kuna võimsus on nii suur, et töövarras vajub pideva tegevuse korral kokku.

Vedel- ja gaaslaserid pumbatakse elektrilahendusega.Keemilised laserid eeldavad oma aktiivses keskkonnas keemiliste reaktsioonide toimumist, mille tulemusena saadakse aatomite ümberpööratud populatsioon kas reaktsiooniproduktidest või vastava tasemestruktuuriga spetsiaalsetest lisanditest.

Pooljuhtlasereid pumbatakse pärivooluga läbi pn-siirde või elektronkiire abil. Lisaks on olemas sellised pumpamismeetodid nagu fotodissotsiatsioon või gaasidünaamiline meetod (kuumutatud gaaside järsk jahutamine).

Optiline resonaator - laseri süda

Optiline resonaator on peeglipaarist koosnev süsteem, lihtsaimal juhul kaks peeglit (nõgusat või paralleelset), mis on kinnitatud üksteise vastas ja nende vahel piki ühist optilist telge on aktiivne keskkond kristalli või küvett gaasiga. Meediumit nurga all läbivad footonid jätavad selle kõrvale ning piki telge liikuvad, peegelduvad mitu korda, võimenduvad ja väljuvad läbi poolläbipaistva peegli.

See tekitab laserkiirgust - koherentsete footonite kiirt - rangelt suunatud kiirt. Ühel valguse läbimisel peeglite vahel peab võimenduse suurus ületama teatud läve — kiirguskao suurust läbi teise peegli (mida paremini peegel läbib, seda kõrgem peab see lävi olema).

Valguse võimendamise efektiivseks läbiviimiseks on vaja mitte ainult suurendada valguse liikumisteed aktiivses keskkonnas, vaid ka tagada, et resonaatorist väljuvad lained oleksid üksteisega faasis, siis segavad lained annavad maksimaalne võimalik amplituud.

Selle eesmärgi saavutamiseks on vajalik, et kõik resonaatoris olevad lained, mis naasevad lähtepeegli punkti ja üldiselt aktiivse keskkonna mis tahes punktis, oleksid pärast suvalist arvu täiuslikke peegeldusi primaarlainega faasis. . See on võimalik, kui laine läbitud optiline tee kahe tagasivoolu vahel vastab tingimusele:

kus m on täisarv, on sel juhul faaside erinevus 2P kordne:

Nüüd, kuna kõik lained erinevad faasi poolest eelmisest 2pi võrra, tähendab see, et kõik resonaatorist väljuvad lained on üksteisega faasis, tekitades maksimaalse amplituudiga häireid. Resonaatori väljundis on peaaegu monokromaatiline paralleelkiirgus.

Resonaatori sees olevate peeglite töö tagab režiimide võimenduse, mis vastavad resonaatori sees olevatele seisulainetele; muud režiimid (mis tulenevad tegelike tingimuste iseärasustest) nõrgenevad.

Rubiinlaser - esimene tahkis olek

Esimese tahkisseadme ehitas 1960. aastal Ameerika füüsik Theodore Maiman. See oli rubiinlaser (rubiin - Al2O3, kus osa võrealadest - 0,5% piires - on asendatud kolmekordselt ioniseeritud kroomiga; mida rohkem kroomi, seda tumedam on rubiinikristalli värvus).

Esimene edukas töötav laser, mille kujundas dr Ted Mayman 1960. aastal.

Kõige homogeensemast kristallist valmistatud rubiini silinder, läbimõõduga 4–20 mm ja pikkusega 30–200 mm, asetatakse kahe peegli vahele, mis on valmistatud hõbedakihtide kujul, mis on kantud selle hoolikalt poleeritud otstele. silinder. Spiraalikujuline gaaslahenduslamp ümbritseb silindrit kogu selle pikkuses ja toidetakse kondensaatori kaudu kõrgepingega.

Kui lamp on sisse lülitatud, kiiritatakse rubiini intensiivselt, samal ajal kui kroomi aatomid liiguvad tasemelt 1 tasemele 3 (need on selles ergastatud olekus vähem kui 10-7 sekundit), see on koht, kus kõige tõenäolisem on üleminek 2. tase on realiseeritud — metastabiilsele tasemele. Liigne energia kantakse üle rubiinkristallvõre. Spontaansed üleminekud 3. tasemelt 1. tasemele on ebaolulised.

Üleminek tasemelt 2 tasemele 1 on valikureeglitega keelatud, seega on selle taseme kestus umbes 10-3 sekundit, mis on 10 000 korda pikem kui tasemel 3, mille tulemusena kogunevad aatomid 2. tasemega rubiinidesse — see on 2. taseme vastupidine üldkogum.

Spontaansete üleminekute käigus tekkivad footonid võivad põhjustada sunnitud üleminekuid tasemelt 2 tasemele 1 ja kutsuda esile sekundaarsete footonite laviini, kuid need spontaansed üleminekud on juhuslikud ja nende footonid levivad kaootiliselt, lahkudes enamasti resonaatorist läbi selle külgseina.

Kuid need footonid, mis tabavad telge, peegelduvad peeglitelt mitu korda, põhjustades samaaegselt sekundaarsete footonite sunnitud emissiooni, mis taas provotseerivad stimuleeritud emissiooni jne. Need footonid liiguvad primaarsete footonite suunas ja voog piki kristalli telge suureneb nagu laviin.

Korrutatud footonite voog väljub läbi resonaatori poolläbipaistva peegli rangelt suunatud kolossaalse intensiivsusega valguskiire kujul. Rubiinlaser töötab lainepikkusel 694,3 nm, samas kui impulsi võimsus võib olla kuni 109 W

Neoonlaser heeliumiga

Heelium-neoon (heelium / neoon = 10/1) laser on üks populaarsemaid gaasilasereid. Rõhk gaasisegus on umbes 100 Pa.Neoon toimib aktiivse gaasina, see toodab pidevas režiimis footoneid lainepikkusega 632,8 nm. Heeliumi ülesanne on luua vastupidine populatsioon neooni ühest ülemisest energiatasemest. Sellise laseri spektri laius on umbes 5 * 10-3 Hz Koherentsi pikkus 6 * 1011 m, koherentsuse aeg 2 * 103 ° C.

Heelium-neoonlaseri pumpamisel kutsub kõrgepinge elektrilahendus esile heeliumi aatomite ülemineku E2 taseme metastabiilsesse ergastatud olekusse. Need heeliumi aatomid põrkuvad mitteelastselt E1 põhiolekus neoonaatomitega, kandes üle oma energiat. Neooni E4 taseme energia on 0,05 eV võrra kõrgem kui heeliumi taseme E2. Energiapuudust kompenseerib aatomite kokkupõrgete kineetiline energia. Selle tulemusena saadakse neooni E4 tasemel E3 taseme suhtes ümberpööratud populatsioon.

Kaasaegsete laserite tüübid

Aktiivse keskkonna oleku järgi jagunevad laserid tahketeks, vedelateks, gaasilisteks, pooljuhtideks ja ka kristallideks. Vastavalt pumpamismeetodile võivad need olla: optilised, keemilised, gaaslahendus. Põlvkonna olemuse järgi jagunevad laserid: pidevaks ja impulss-. Seda tüüpi laserid kiirgavad kiirgust elektromagnetilise spektri nähtavas piirkonnas.

Optilised laserid ilmusid hiljem kui teised. Nad on võimelised tekitama lähiinfrapunakiirgust, selline kiirgus (lainepikkusel kuni 8 mikronit) sobib väga hästi optiliseks sideks. Optilised laserid sisaldavad kiudu, mille südamikusse on viidud mitu sobivate haruldaste muldmetallide elementide iooni.

Valgusjuht, nagu ka muud tüüpi laserid, paigaldatakse peeglipaari vahele.Pumpamiseks suunatakse kiudu vajaliku lainepikkusega laserkiirgus, nii et haruldaste muldmetallide ioonid lähevad selle toimel ergastatud olekusse. Madalama energiaga olekusse naastes kiirgavad need ioonid fotoneid, mille lainepikkus on initsieeriva laseri omast pikem.

Sel viisil toimib kiud laservalguse allikana. Selle sagedus sõltub lisatud haruldaste muldmetallide elementide tüübist. Kiud ise on valmistatud raskmetallide fluoriidist, mille tulemuseks on laserkiirguse efektiivne genereerimine infrapuna sagedusalas.

Röntgenlaserid hõivavad spektri vastaskülje - ultraviolettkiirguse ja gamma vahel - need on suurusjärgud lainepikkustega 10-7 kuni 10-12 m. Seda tüüpi laseritel on kõigi laseritüüpide impulsi heledus kõrgeim.

Esimene röntgenlaser ehitati 1985. aastal USA-s, Livermore'i laboris. Lawrence. Seleeniioonidel genereeritud laser, lainepikkuste vahemik on 18,2–26,3 nm ja suurim heledus langeb lainepikkuse joonele 20,63 nm. Tänapäeval on alumiiniumioonidega saavutatud laserkiirgus lainepikkusega 4,6 nm.

Röntgenlaser genereeritakse impulssidega, mille kestus on 100 ps kuni 10 ns, mis sõltub plasma moodustumise elueast.

Fakt on see, et röntgenlaseri aktiivkeskkond on tugevalt ioniseeritud plasma, mis saadakse näiteks õhukese ütriumi ja seleeni kile kiiritamisel suure võimsusega laseriga nähtavas või infrapunaspektris.

Röntgenlaseri energia impulsis ulatub 10 mJ-ni, samal ajal kui kiire nurkdivergents on ligikaudu 10 milliradiaani. Pumba võimsuse ja otsese kiirguse suhe on umbes 0,00001.