Det første princip for laseren, hvis fysik var baseret på Plancks lov om stråling, blev teoretisk underbygget af Einstein i 1917. Han beskrev absorption, spontan og stimuleret elektromagnetisk stråling ved hjælp af sandsynlighedskoefficienter (Einstein-koefficienter).
Pionerer
Theodor Meiman var den første til at demonstrere funktionsprincippet for en rubinlaser baseret på optisk pumpning af syntetisk rubin med en blitzlampe, som producerede pulserende kohærent stråling med en bølgelængde på 694 nm.
I 1960 skabte de iranske videnskabsmænd Javan og Bennett den første gaskvantegenerator ved hjælp af en 1:10-blanding af He- og Ne-gasser.
I 1962 demonstrerede RN Hall den første galliumarsenid (GaAs) diodelaser, der udsender ved en bølgelængde på 850 nm. Senere samme år udviklede Nick Golonyak den første halvlederkvantegenerator for synligt lys.
Design og princip for drift af lasere
Hvert lasersystem består af et aktivt medie placeretmellem et par optisk parallelle og stærkt reflekterende spejle, hvoraf det ene er gennemsigtigt, og en energikilde til dets pumpning. Forstærkningsmediet kan være et fast stof, væske eller gas, som har den egenskab at forstærke amplituden af en lysbølge, der passerer gennem det, ved stimuleret emission med elektrisk eller optisk pumpning. Et stof placeres mellem et par spejle på en sådan måde, at lyset, der reflekteres i dem, passerer gennem det hver gang og, efter at have nået en betydelig forstærkning, trænger ind i et gennemskinnelig spejl.
To-lags miljøer
Lad os overveje princippet om drift af en laser med et aktivt medium, hvis atomer kun har to energiniveauer: exciteret E2 og grundlæggende E1 . Hvis atomer exciteres til tilstanden E2 af en hvilken som helst pumpemekanisme (optisk, elektrisk udladning, strømtransmission eller elektronbombardement), vil de efter et par nanosekunder vende tilbage til jordpositionen og udsende fotoner af energi hν=E 2 - E1. Ifølge Einsteins teori produceres emission på to forskellige måder: enten induceres den af en foton, eller også sker den spontant. I det første tilfælde finder stimuleret emission sted, og i det andet, spontan emission. Ved termisk ligevægt er sandsynligheden for stimuleret emission meget lavere end spontan emission (1:1033), så de fleste konventionelle lyskilder er usammenhængende, og lasergenerering er mulig under andre forhold end termiske ligevægt.
Selv med meget stærkpumpning, kan populationen af to-niveau systemer kun gøres lige. Derfor kræves der tre- eller fire-niveausystemer for at opnå populationsinversion ved optiske eller andre pumpemetoder.
Flerniveausystemer
Hvad er princippet for tre-niveau laser? Bestråling med intenst lys med frekvens ν02 pumper et stort antal atomer fra det laveste energiniveau E0 til det højeste energiniveau E 2. Den ikke-strålende overgang af atomer fra E2 til E1 etablerer en populationsinversion mellem E1 og E 0 , hvilket i praksis kun er muligt, når atomerne er i en metastabil tilstand i lang tid E1, og overgangen fra E2til E 1 går hurtigt. Funktionsprincippet for en tre-niveau laser er at opfylde disse betingelser, på grund af hvilke der mellem E0 og E1 opnås en populationsinversion og fotoner forstærkes af energi E 1-E0 induceret emission. Et bredere niveau af E2 kunne øge bølgelængdeabsorptionsområdet for mere effektiv pumpning, hvilket resulterer i en stigning i stimuleret emission.
Tre-niveau systemet kræver en meget høj pumpeeffekt, da det lavere niveau involveret i produktionen er det grundlæggende. I dette tilfælde skal mere end halvdelen af det samlede antal atomer pumpes til tilstanden E1, for at populationsinversionen kan forekomme. Derved spildes energi. Pumpekraften kan være betydeligfald, hvis det lavere generationsniveau ikke er basisniveauet, hvilket kræver mindst et fire-niveau system.
Afhængigt af arten af det aktive stof er lasere opdelt i tre hovedkategorier, nemlig fast, flydende og gas. Siden 1958, hvor lasering først blev observeret i en rubinkrystal, har videnskabsmænd og forskere studeret en lang række materialer i hver kategori.
Solid State Laser
Operationsprincippet er baseret på brugen af et aktivt medium, som dannes ved at tilføje et overgangsgruppemetal til det isolerende krystalgitter (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2 osv.), sjældne jordarters ioner (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3 osv.), og aktinider som U+3. Ionernes energiniveauer er kun ansvarlige for generering. Grundmaterialets fysiske egenskaber, såsom termisk ledningsevne og termisk ekspansion, er afgørende for effektiv laserdrift. Arrangementet af gitteratomer omkring en dopet ion ændrer dens energiniveauer. Forskellige bølgelængder af generering i det aktive medium opnås ved at dope forskellige materialer med den samme ion.
Holmium laser
Et eksempel på en faststoflaser er en kvantegenerator, hvor holmium erstatter et atom i basisstoffet i krystalgitteret. Ho:YAG er et af de bedste generationsmaterialer. Funktionsprincippet for en holmium laser er, at yttrium aluminium granat er doteret med holmium ioner, optisk pumpet af en blitzlampe og udsender ved en bølgelængde på 2097 nm i IR området, som absorberes godt af væv. Denne laser bruges til operationer i leddene, til behandling af tænder, til fordampning af kræftceller, nyrer og galdesten.
Halvlederkvantegenerator
Kvantebrøndlasere er billige, masseproducerbare og let skalerbare. Funktionsprincippet for en halvlederlaser er baseret på brugen af en p-n junction diode, som producerer lys af en vis bølgelængde ved bærebølgerekombination ved en positiv bias, svarende til LED'er. LED udsender spontant, og laserdioder - tvunget. For at opfylde populationsinversionsbetingelsen skal driftsstrømmen overstige tærskelværdien. Det aktive medium i en halvlederdiode har form af et forbindelsesområde af to todimensionale lag.
Princippet for driften af denne type laser er sådan, at der ikke kræves et eksternt spejl for at opretholde oscillationer. Refleksionsevnen skabt af lagenes brydningsindeks og den indre refleksion af det aktive medium er tilstrækkelig til dette formål. Diodernes endeflader er chippede, hvilket sikrer, at de reflekterende overflader er parallelle.
En forbindelse dannet af halvledermaterialer af samme type kaldes en homojunction, og en forbindelse skabt af en forbindelse af to forskellige kaldesheterojunction.
P- og n-type halvledere med høj bærertæthed danner en p-n-forbindelse med et meget tyndt (≈1 µm) udtømningslag.
Gaslaser
Funktionsprincippet og brugen af denne type laser giver dig mulighed for at skabe enheder med næsten enhver effekt (fra milliwatt til megawatt) og bølgelængder (fra UV til IR) og giver dig mulighed for at arbejde i pulserende og kontinuerlige tilstande. Baseret på naturen af aktive medier er der tre typer gaskvantegeneratorer, nemlig atomare, ioniske og molekylære.
De fleste gaslasere pumpes med en elektrisk udladning. Elektronerne i udladningsrøret accelereres af det elektriske felt mellem elektroderne. De kolliderer med atomer, ioner eller molekyler i det aktive medium og inducerer en overgang til højere energiniveauer for at opnå en befolkningstilstand med inversion og stimuleret emission.
Molecular Laser
En lasers funktionsprincip er baseret på det faktum, at i modsætning til isolerede atomer og ioner har molekyler i atom- og ionkvantegeneratorer brede energibånd af diskrete energiniveauer. Desuden har hvert elektronisk energiniveau et stort antal vibrationsniveauer, og disse har til gengæld flere rotationsniveauer.
Energien mellem elektroniske energiniveauer er i UV og synlige områder af spektret, mens mellem vibrations-rotationsniveauerne - i det fjerne og nære IRområder. De fleste molekylære kvantegeneratorer fungerer således i fjern- eller nærinfrarøde områder.
Excimer-lasere
Excimerer er molekyler som ArF, KrF, XeCl, som har en adskilt grundtilstand og er stabile på det første niveau. Princippet for laserens drift er som følger. Som regel er antallet af molekyler i grundtilstanden lille, så direkte pumpning fra grundtilstanden er ikke mulig. Molekyler dannes i den første exciterede elektroniske tilstand ved at kombinere højenergihalogenider med inerte gasser. Populationen af inversionen opnås let, da antallet af molekyler på basisniveauet er for lille sammenlignet med den exciterede. Funktionsprincippet for en laser er kort sagt overgangen fra en bundet exciteret elektronisk tilstand til en dissociativ grundtilstand. Populationen i grundtilstanden forbliver altid på et lavt niveau, fordi molekylerne på dette tidspunkt adskilles i atomer.
Enheden og princippet for drift af lasere er, at udledningsrøret er fyldt med en blanding af halogenid (F2) og sjældne jordarters gas (Ar). Elektronerne i den dissocierer og ioniserer halogenidmolekyler og skaber negativt ladede ioner. Positive ioner Ar+ og negative F- reagerer og producerer ArF-molekyler i den første exciterede bundne tilstand med deres efterfølgende overgang til den frastødende basetilstand og generering af sammenhængende stråling. Excimer-laseren, som vi nu overvejer princippet om drift og anvendelse af, kan bruges til at pumpeaktivt medium på farvestoffer.
Flydende laser
Sammenlignet med faste stoffer er væsker mere homogene og har en højere tæthed af aktive atomer end gasser. Derudover er de nemme at fremstille, giver mulighed for nem varmeafledning og kan nemt udskiftes. Laserens funktionsprincip er at bruge organiske farvestoffer som et aktivt medium, såsom DCM (4-dicyanomethylen-2-methyl-6-p-dimethylaminostyryl-4H-pyran), rhodamin, styryl, LDS, cumarin, stilben osv. …, opløst i et passende opløsningsmiddel. En opløsning af farvestofmolekyler exciteres af stråling, hvis bølgelængde har en god absorptionskoefficient. Princippet for laserens drift er kort sagt at generere ved en længere bølgelængde, kaldet fluorescens. Forskellen mellem absorberet energi og udsendte fotoner bruges af ikke-strålingsenergiovergange og opvarmer systemet.
Det bredere fluorescensbånd af flydende kvantegeneratorer har en unik egenskab - bølgelængdetuning. Funktionsprincippet og brugen af denne type laser som en afstembar og sammenhængende lyskilde bliver stadig vigtigere i spektroskopi, holografi og biomedicinske applikationer.
For nylig er farvestofkvantegeneratorer blevet brugt til isotopadskillelse. I dette tilfælde exciterer laseren selektivt en af dem, hvilket får dem til at indgå i en kemisk reaktion.
